기본 연구 보고서
14-22
소 진 영
계통안정성을 고려한
태양광 ㆍ풍력 발전의
경제성연구
참여연구진
연구책임자 연 구 위 원 소진영 :
연구참여자 : 위촉연구원 윤세진
위촉연구원 성지영
충북대학교 교수 김재언
홍익대학교 교수 전영환
요 약
< >
연구필요성 및 목적 1.
발전 부문에서 신재생에너지 보급의 확대를 제약하는 중요한 요소 들 중 하나는 태양광과 풍력 발전 같은 변동적 재생에너지(VRE, vari- 가 전력계통의 안정성을 저해할 수 있다는 점 able renewable energy)
이다 실질적으로 발전 부문에서 변동적 재생에너지의 비중이 높아지. , 면 실시간으로 전력의 수요와 공급 간 균형을 항상 유지시키는 데 어 려움을 초래할 가능성이 있다.
반면에 변동적 재생에너지를 보조하여 계통안정성을 유지시킬 수 있는 여러 가지 기술 대안들도 존재한다 특히. , ESS(Energy Storage
에너지저장장치 는 유휴전력을 저장하였다가 전력이 부족할 System, )
때 공급하거나 변동적 재생에너지가 야기하는 출력 변동을 완화하여 , 주파수와 전압을 일정 범위 내에 유지시킴으로써 계통안정성을 향상 시킬 수 있다.
하지만 아직까지는 석탄화력의 운영예비력이나 가스터빈과 같은 , 유연한 발전설비에 비해 ESS의 비용이 상당히 높다고 일반적으로 ‘ ’ 인식하고 있다 그러나 현재까지 계통안정성 측면에 대한 고려 하에 . 대안 기술들 간 경제성을 비교분석한 연구는 거의 없는 실정이다 계. 통안정성을 보장하면서 비용 효과적으로 신재생에너지 보급목표를 달 성하기 위해서는 이러한 연구가 시급하다.
본 연구에서는 변동적 재생에너지가 초래하는 주파수 및 전압의 ‘ 변동 에 초점을 두고 ’ ESS가 계통안정성을 향상시키는 효과를 분석하
였다 또한 해당 효과를 달성하기 위한 비용을 경제성 분석의 틀에서 . 산정하여 석탄화력 및 가스터빈 발전의 경제성과 비교 분석을 하였다.
그리고 분석 결과를 바탕으로 태양광과 풍력 발전설비와 같은 변동적 재생에너지의 보급 확대에 있어 계통안정성의 측면에서 고려해야 할 시사점을 도출하였다.
내용 요약 2.
우리나라는 2035년까지 총 발전량 대비 변동적 재생에너지 비중을 로 확대해 나갈 계획이다 변동적 재생에너지는 햇빛 바람 구름
7.5% . , ,
등 기상 및 기후 변화에 따라 가동 시간이 간헐적(intermittency)이다. 이에 따라 변동적 재생에너지의 출력이 시시각각 변하기 때문에 변동 성(variability)이 상당히 높은 편이다 기존의 전력시스템 기술 및 운. , 영적인 환경에서 높은 출력 변동성을 전력계통이 안정적으로 수용하 는 데는 한계가 있다.
외국의 사례에 따르면, OECD 국가 중에 전체 발전량 중 7.5% 이 상의 변동적 재생에너지를 보급한 국가는 개국에 달한다 덴마크는 8 . 전체 발전량에서 변동적 재생에너지의 비중이 33.6%로 OECD 국가들 중 가장 높다 포르투갈은 . 24.8%, 스페인은 24.5%에 달한다. 15개 국 가로 구성된 개 지역을 대상으로 한 7 IEA(2014a)의 연구에 따르면, 변동적 재생에너지의 비중 25%를 전력시스템이 수용할 수 있는 것으 로 나타났으며 비관적인 경우에도 최소한 , 5~10%의 비중을 수용할 수 있는 것으로 분석되었다.
하지만 각 국가의 전력시스템은 상당히 복잡하며 전체 시스템의 규 모나 구성과 특성에 따라 변동적 재생에너지를 수용할 수 있는 정도
는 상당히 차이가 날 수 있다 특히 국가 간 전력계통이 상호 연계되. , 어 있는 유럽의 경우 각 국가의 비율보다는 연계된 전체 계통 내에서 , 변동적 재생에너지의 비율이 계통안정성 측면에서 의미가 있다 따라. 서 유럽의 경우 일부 국가의 비율이 높다고 하더라도 연계된 모든 계 통 측면에서는 큰 의미가 없을 수 있다 반면. , 우리나라는 국가 간 계 통이 연계되어있지 않아 전력의 융통이 불가능하다는 제약이 있다 우. 리나라를 대상으로 분석한 전영환(2014)에 따르면 2027년까지 건설이 계획된 풍력 발전설비 17GW가 전력계통에 연계되면 계통안정성에 문제가 발생할 수 있다 풍력 발전의 최대 출력 감소량이 운영예비력. 을 초과하는 사례가 발생할 수 있기 때문이다 전영환. (2014)의 분석에 포함되지 않은 태양광 발전설비까지 추가된다면 문제가 더욱 심각해 질 수 있어 계통안정성을 보완하기 위한 대책이 꼭 필요함을 알 수 있 었다.
본 연구에서 수행한 모의실험의 결과에 따르면, BESS(리튬이온전 지 는 변동적 재생에너지가 야기하는 출력 변동에 대응하는 출력보상) 운전을 통해 전력계통의 주파수와 전압을 안정화시키는 효과가 있는 것으로 나타났다. 1MW급 태양광 발전설비용량의 5%, 10%, 15%에 해당하는 출력변동을 각각 50kW, 100kW, 150kW의 BESS로 보상 운 전하였을 경우 각각 , 4.8%, 9%, 13%의 출력변동보상효과가 있음을 알 수 있었다 이는 . BESS 용량대비 각각 96%, 90%, 87%에 해당하는 효과이다 또한 각 출력변동 시 나타나는 전압변동의 약 . , 70%, 65%,
를 각각 줄일 수 있었다
65% .
급 풍력 발전설비용량의 에 해당하는 출력변동
2MW 5%, 10%, 15%
을 각각 100kW, 200kW, 300kW의 BESS로 보상 운전하였을 경우,
각각 4.75%, 9.5%, 14.25%의 출력변동보상효과를 확인할 수 있었다. 이는 BESS 용량대비 각각 95%, 95%, 95%에 해당하는 효과이다 또. 한 각 출력변동 시 나타나는 전압변동의 약 , 70%, 63%, 66%를 각각 줄일 수 있었다.
위의 결과에 따르면 계통안정성 측면에서 태양광이나 풍력 발전시, 스템에 BESS를 장착하면 석탄화력 가스터빈 및 원자력에 가까운 수, 준으로 보완할 수 있다 본 연구의 경제성 분석 결과에 의하면 이 시. , 스템들의 단위당 비용을 각각 비교하면 태양광+BESS는 261.7원
풍력 는 원 으로 석탄화력 원 가스터
/kWh, +BESS 167.4 /kWh , 62.3 /kWh, 빈 119.6 /kWh 원 및 원자력 46.9 /kWh 원 등 전통적 발전원들 보다 상 당히 높은 것을 알 수 있다.
하지만 태양광이나 풍력 발전시스템의 출력을 보완하는 주파수조, 정용의 대안으로서 BESS 비용과 전통적 전원의 발전예비력 간 비용 을 비교하면 다소 다른 결과를 얻게 된다. BESS를 출력보상용으로 활 용할 경우 석탄화력이나 가스 터빈보다 비용이 적게 드는 대안임을 알 수 있으며 특히 풍력의 경우는 더욱 저렴하다, . 20MW급 태양광 발전설비의 LCOE는 242.3 /kWh원 이다 여기에 . 4.8%의 출력변동보상 효과가 있는 1MW (급 발전설비용량의 5%) BESS를 장착하면 LCOE가
원 이 된다 두 비용의 차이인 원 이 의 출력을 251.9 /kWh . 9.6 /kWh 4.8%
보상하기 위한 BESS의 비용이라고 할 수 있다. 20MW급 풍력 발전 설비에 4.75%의 출력변동보상효과가 있는 1MW (급 발전설비용량의
의 를 장착하면 장착하지 않았을 때 보다 가 원
5%) BESS , LCOE 6.7
만큼 상승한다 를 장착하지 않으면 운영예비력인 석탄화 /kWh . BESS
력이나 유연성이 높은 가스터빈이 응동을 해야 하는데 두 발전원의 ,
는 각각 원 와 원 이다 즉 비용을 단순비교 LCOE 62.3 /kWh 119.6 /kWh .
하면 태양광과 풍력에 장착한 BESS의 비용 모두 석탄화력이나 가스 터빈보다 낮은 것을 알 수 있다 태양광과 풍력을 비교하면 풍력이 . , 더 적은 비용으로 더 높은 출력변동보상효과를 낼 수 있는 것을 알 수 있다.
급 태양광 및 풍력 발전설비에 급 발전설비용량의
20MW 2MW ( 10%)
를 각각 장착하면 가 각각 원 과 원 이
BESS LCOE 19.4 /kWh 13.5 /kWh 상승한다. 3MW (급 발전설비용량의 15%) BESS를 각각 장착하면
가 각각 원 과 원 이 상승한다 즉 화석연료 LCOE 29.3 /kWh 20.4 /kWh . ,
발전원보다는 비용이 낮게 나타난다 전압 안정화 측면에서 . BESS 장 착에 따른 SVC 설치비용의 대체라는 추가적인 효과까지 고려한다면
의 경제성은 더욱 높을 것으로 판단된다
BESS .
태양광 발전설비 대비 BESS의 비중이 약 56%일 때 가스 터빈과 간 출력보상의 비용이 비슷해진다 풍력 발전설비는 의
BESS . BESS
비중이 약 78%일 때 가스터빈과 BESS 간 출력보상의 비용이 비슷해 진다 석탄화력의 경우는 태양광 발전설비 대비 . BESS의 비중이 약
일 때 풍력 발전설비 대비 의 비중이 약 일 때 각각 석
31% , BESS 43%
탄화력과 BESS 간 출력보상의 비용이 비슷해진다 이 비중보다 높은 . 경우는 BESS를 활용하는 출력보상 비용이 화석연료 발전원을 활용하 는 것에 비해 높아진다.
가정용 태양광에 배터리를 장착한 시스템의 경제성 분석 결과에 따 르면 우리나라 전력 다소비 가구의 일부는 이미 경제성을 확보하였으, 며 주요 도서의 전력공급비용보다 태양광, +ESS 시스템의 비용이 낮은 것으로 나타났다. 2014년에 가정용 태양광+ESS 시스템의 LCOE는
원 으로 태양광만 설치할 경우의 인 원 보다 267.3 /kWh , LCOE 198 /kWh 약 35% 발전단가가 상승한다. ESS를 장착할 경우, 501kWh/월 이상 을 소비하는 가구에 경제성이 있는 것으로 나타났다 여기에 해당하는 . 가구는 2013년 기준으로 33.5만 가구이다 또한 울릉도 덕적도 위. , , , 도 추자도 등 도서지역의 전력공급비용보다 낮다, .
년까지 가정용 태양광과 배터리의 설치단가가 각각 와
2017 20%
하락한다고 가정하면 태양광 시스템의 는 원
30% , +ESS LCOE 206.9
으로 하락한다 이 경우 월 이상을 소비하는 가구에 경 /kWh . , 401kWh/
제성이 있는 것으로 나타났다 여기에 해당하는 가구는 . 2013년 기준 으로 118.2만 가구이며 우리나라 총 가정용 고객 , 1,678.2만 가구의 약 7%이다 또한 . 2013년 말 제주도의 전력 정산단가인 249 /kWh원 의 수준으로 전력요금이 현실화될 경우 정부의 지원정책 없이도 보 83% ,
급이 가능한 수준이다.
연구결과 및 정책제언 3.
가 유틸리티 규모의 태양광 및 풍력 발전설비.
우리나라의 경우 전체 전원믹스에서 태양광과 풍력 발전설비의 비, 중이 확대되면 전력계통의 안정성에 문제를 초래할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 2035년 변동적 재생에너지의 발전 비중 목표인 7.5%를 달성하기 위해서는 계통안정성을 유지하기 위해 필요한 수단들을 다 각적으로 검토하여 종합적인 계획을 수립하고 이를 철저하게 이행해 나갈 필요가 있다 아래에서는 변동적 재생에너지 보급 확대에 있어서 . 계통안정성을 고려한 ESS 보급 확대를 위한 시사점을 도출하였다.
첫째, ESS는 변동적 재생에너지의 출력 변동을 완화함으로써 전력 계통에 일종의 편익을 제공한다 하지만 개발자의 입장에서는 이러한 . 외부 편익을 내재화할 수 없어 비용만 높아지기 때문에 ESS에 투자할 유인이 없다 따라서 외부 효과에 의한 시장 실패가 있고 이 때문에 . , 이를 개발자가 내재화할 수 있도록 정부의 개입이 필요한 것으로 판 단된다 즉 외부 편익에 해당하는 부분만큼 개발자들에게 보전될 수 . , 있도록 보조금 등의 지원이 필요할 것으로 보인다.
둘째 태양광이나 풍력의 개발자가 , ESS 설치에 따르는 계통편익을 내재화 하더라도 그 비용을 모두 회수할 수 있는 수준보다 편익이 낮, 을 수 있다 이 차이를 줄이기 위해서는 . ESS의 단가 하락을 유도하는 것이 최선의 방법이다 그동안 신재생에너지 기술의 급격한 단가 하락. 은 기술개발의 효과와 보급 확대에 따른 규모의 경제 효과가 견인해 왔다 따라서 . ESS의 경우도 앞에 언급한 보조금을 통한 보급 확대와 더불어 기술개발을 위한 R&D에 적극적인 지원이 필요할 것으로 보 인다.
셋째 최근 정부는 신재생에너지 지원 정책의 틀 내에서 , ESS에 대 한 보급과 투자를 장려하는 정책 방향을 설정하였다. ESS를 신재생에 너지공급의무화제도(RPS)에 포함하여 신재생에너지공급인증서(REC) 의 가중치를 부여한다는 구상이다 이러한 구체적인 정책 수단의 개발. 에 있어 실효성을 담보하기 위해서는 기존 신재생에너지 설비에 대한 단위당 지원규모보다 ESS에 대한 단위당 지원의 규모가 더 커야 한 다 투자하는 만큼 발전량이 증가하는 신재생에너지와는 다르게. ,
를 설치하면 투자비용은 높아지는 반면 충
BESS 방전 및 대기 손실에
따라 발전량이 감소하여 결국은 발전단가가 더욱 높아지기 때문이다.
넷째, BESS가 장착되는 신재생에너지원별로 BESS에 대한 지원 규 모의 차별화를 고려할 필요가 있다 동일한 규모의 . BESS 10%를 추가 할 때 총 투자비 증가율과 발전단가 증가율의 차이는 태양광과 풍력 이 각각 1.53배와 1.46배로 다르게 나타났다 증가율의 차이가 크지 . 않은 것처럼 보이지만 각각의 발전단가 증가액은 태양광이 , 19.7원
이고 풍력은 원 으로 다소 차이가 나며 의 규모가
/kWh 13.5 /kWh , BESS
커질수록 차이가 벌어진다.
마지막으로 합리적인 지원의 수준을 결정하기 위해서는 세부 기술, 들에 대한 추가적인 정보의 취합과 연구가 필요하다 예를 들어. , BESS의 충 방전 및 대기 손실률이 발전단가에 미치는 영향이 다소 높은 반면 이에 대해 검증된 자료가 부족하여 합리적인 지원 수준을 , 정하기가 어렵다.
나 가정용 태양광 발전설비에 대한 시사점.
일부 전력 다소비 가구는 태양광+ESS가 이미 그리드패리티에 도달 하였고 향후 설치단가가 지속적으로 하락한다면 정부 지원 없이 자가 , 설치 확대가 가능하다 집계는 되지 않았지만 보조금 없이 태양광을 . , 설치하는 가구가 급격히 증가하는 것으로 업계는 추산하고 있다 그럼. 에도 불구하고 그리드패리티의 한계점에 있는 소비자에게는 높은 초 기 투자비용이 부담이 되는 등 아직까지 보급에 제약이 있으므로 보 급을 가속화하기 위한 환경 조성이 필요하다.
첫째 에너지 가격체계 합리화를 통해 정부 보조금 없이도 가정용 , 태양광의 보급 확대를 가속화할 수 있는 여건을 조성할 수 있다 가정. 용과 도서지역의 전력요금이 현실화될 경우 태양광+ESS의 경제성이
더욱 개선되어 그리드패리티 대상 가구가 확대되는 효과가 있다.
둘째 단기적으로 이미 그리드패리티에 도달한 가구를 대상으로 태, , 양광+ESS 보급 확대를 위한 정책 추진이 필요하다 그리드패리티 도. 달 가구의 경제적 여건이 다양하여 소득 계층별 여건에 적합하게 차, 별화된 다양한 보급형 비즈니스모델을 개발할 필요가 있다.
셋째 경제성이 확보된 가구들이 보조금 없이도 적극적으로 자가 설, 치를 확대할 수 있는 환경 조성이 필요하다 예를 들어 그리드패리티. , 에 도달한 가구들을 주택지원 등 정부 보조 사업에서 제외하여 이들 이 자가 설치를 하도록 유도할 필요가 있으며 정부는 이를 이미 시행 , 중에 있다.
넷째 주민 수용성 제고 비 경제적 인센티브 강화 등의 정책을 통, , - 해 태양광 자가 설치 확대를 위한 친환경 문화의 조성이 필요하다 공. 신력 있는 기관에서 신뢰도 높은 자료 및 정보를 생성하여 홍보함으 로써 정확한 정보에 기반을 둔 소비자 의사결정(informed decision)을 지원하여 태양광에 대한 낮은 신뢰도를 향상시킬 필요가 있다.
다섯째 부지 등 설치 여건이 좋은 가구를 대상으로 설비용량 규모, 가 큰 태양광을 설치할 수 있도록 인센티브 제공이 필요하다 일례로. , 현행 제도 하에서는 10kW 설비용량 이상의 경우 상계처리 대상에서 제외되어 있어 잉여전력의 처리에 한계가 있고 이에 따라 대용량 설, 치를 위한 인센티브가 미흡하다 상계를 할 수 있는 용량의 범위를 확. 대함으로써 태양광의 경제성을 제고하여 대규모 설치를 유도할 수 있 다.
ABSTRACT
1. Background and Issues
One of the obstacles to promoting the use of renewable energy in the power generation sector is that variable renewable energy (VRE) such as solar PV and wind power may undermine the reliability of the power grid. In fact, a higher proportion of VRE to entire power generation sources is likely to make it difficult to maintain constant balance between the supply and demand of electric power on a real time basis.
Meanwhile, there are various technologies to help maintain the reliability of the power grid by supplementing VRE. For instance, Energy Storage System (ESS) stores excess electricity for laster use during a power shortage or eases power output fluctuation caused by VRE so that the reliability of the power grid can be enhanced with frequency and voltage maintained within a certain range.
However, the general view is that ESS costs “much more” than flexible facilities such as the operational reserve of coal-firing and gas turbines. There has been little research on the comparative analysis of economics among such technologies in relation to the reliability of the power grid. More research should be done on this subject in order to achieve the target ratio of renewable energy to total power mix in a cost-effective manner, while at the same time
ensuring the reliability of the power grid.
This research analyzed the enhancement effect of the reliability of the power grid by ESS, with a focus on ‘frequency and voltage fluctuations’ caused by VRE. In addition, the cost of reliability enhancement was calculated in the frame of economics analysis so as to compare with that of coal-firing and gas turbine. Implications were drawn from the analysis result, which should be considered in the dissemination of VRE such as solar PV and wind power in the power generation sector for the enhancement of the reliability of the power grid.
2. Research Results
The Korean government plans to increase the proportion of VRE to total power generation to 7.5% by 2035. Power generation by VRE is possible only intermittently depending on weather and climate, such as sun, wind and cloud, and therefore the power output of VRE is highly variable. This poses as a constraint to promoting the use of VRE for the power grid, given the existing power generation system, technologies and operation environment.
According to the 6th Electricity Demand Supply Basic Plan of Korea, 17 GW of wind power are planned for construction by 2027.
Once the new wind power system is connected to the grid, according to Cheon Young-hwan (2014), it may cause problems with the reliability of the power grid because the maximum power output of
wind power may sometimes decrease more than the size of the operational reserve. Such fluctuations can be deteriorated when solar PV is added to the power grid, which was not included in the analysis of Cheon Young-hwan(2014), which necessitates countermeasures to ensure the reliability of the power grid.
The result of simulations conducted in this research shows that BESS (lithium ion battery) can cope with the power output fluctuation of VRE and effectively stabilizes the frequency and voltage of the power grid. In case the power output of a 1MW solar PV system is fluctuated by 5%, 10% and 15% each, and is supplemented by BESS with the capacity of 50kW, 100kW and 150kW, they could control the fluctuation by 4.8%, 9% and 13%
respectively, which amounts to 96%, 90% and 87% of the BESS capacity. In addition, voltage fluctuation associated with power output fluctuation was reduced by 70%, 65% and 65%, respectively.
In case the power output of a 2MW solar PV facilities is fluctuated by 5%, 10% and 15% each, and is supplemented by BESS with the capacity of 100kW, 200kW and 300kW, the fluctuation of 4.75%, 9.5%, and 14.25% could be controled by BESS, respectively, which amounts to 95%, 95% and 95% of the their capacity. Also, voltage fluctuation decreased by 70%, 63% and 66%.
According to the economics analysis result of this research, BESS is a less costly solution to supplement the power output fluctuation of VRE than coal-firing and gas turbine, and it is even more so
when used to supplement wind power. The LCOE of a 20MW solar PV facilities is 242.3 Won/kWh. When a 1MW BESS (5% of the power system capacity) which supplements 4.8% of fluctuated power output is installed, LCOE increases to 251.9 Won/kWh. The difference, 9.6 Won/kWh, is the cost to supplement 4.8% power output with the BESS. In case 1MW BESS (5% of the power system capacity) which supplements 4.75% of fluctuating power output is installed to a 20MW wind power facilities, LCOE increases by 6.7 Won/kWh compared with operating without BESS. If BESS is not used, coal-firing or highly flexible gas turbine should be used to make up for lost power output, and their LCOE is 62.3 Won/kWh and 119.6 Won/kWh each. A simple cost comparison shows that the cost of BESS is lower than coal-firing and gas turbine for both solar PV and wind power systems. Even so, BESS is more cost-effective when used for wind power than for solar PV.
According to the result of economics analysis on BESS cost for household solar PV systems, the use of BESS proved economical for part of households which consume much electricity and pay big utility bills, and for those homes on islets, solar PV+ESS system was less costly than supplying electric power from the grid. In 2014, the LCOE of residential solar PV+ESS system was 267.3 Won/kWh, which was 35% higher than 198 Won/kWh of solar PV without ESS. ESS proved to be an economical solution for households which consume more than 501kWh/month, and there were 335,000
households which fall into this category as of 2013. Also, the cost of solar PV + ESS system was less costly for residents on islets such as Ulreung-do, Dukjeok-go, Wi-do and Chuja-do, than supplying from the grid.
Assuming that the installation costs of residential solar PV and ESS system decrease by 20% and 30% each by 2017, LCOE will fall to 206.9 Won/kWh. In this case, solar PV and ESS system can become an economic solution to households which spend more than 401kWh/month. There are 1,182,000 households which fall in this category as of 2013, accounting for approx. 7% of all 16,782,000 households. 206.9 Won/kWh is equivalent to 83% of power supply cost in Jeju island, 249 Won/kWh, as of the end of 2013. If electricity tariff from the grid is rationalized, 206.9 Won/kWh will become an affordable level of cost for households to adopt residential solar PV and ESS system even without government subsidies.
3. Policy Suggestions
A. Solar PV and wind power facilities of utility level
The research finding shows that a greater proportion of solar PV and wind power to the entire power mix may undermine the reliability of the power grid in Korea. If Korea is to achieve the 7.5% target ratio of VRE to total power generation by 2035 as
planned, the government should explore various means to ensure the reliability of the national power grid and set up a comprehensive plan which should be thoroughly implemented. Through this research, a set of implications were found as below, which need to be considered for the expansion of ESS use as a supplementary means to promote grid reliability along the dissemination of VRE.
First, ESS provides benefit to the power grid by easing the power output fluctuation of VRE. However, because the developers of VRE cannot internalize such external benefit while ESS adds to cost, they have little incentive to use ESS. This phenomenon is what is called a market failure caused by external effects and therefore the government's intervention may be needed in order to let VRE developers internalize the external benefit provided by ESS. In other words, the part of power generation cost equivalent to the amount of external benefit should be compensated for in the form of government subsidies, etc.
Second, even if the solar PV or wind power developers internalize the external benefit of ESS, they may not still be able to recover all cost associated with ESS. The best way to reduce the gap between actual ESS cost and recovered cost is to induce the fall of ESS prices. Thus far, the effects and wider use of renewable energy technologies have increased the economies of scale and helped to push down the cost of using such technologies. In that context, more aggressive R&D support should be provided to boost the
development of renewable energy technologies, in addition to government subsidies to encourage the use of ESS as aforementioned.
Third, the government has recently adopted a policy to encourage the use and investment of ESS within the framework of renewable energy support policy, which is to include ESS in RPS so as to give a weight of REC. In order to ensure the policy reaps intended results, support for ESS per unit should be greater than that of existing renewable energy facilities.
That's because BESS adds to cost but actual power production volume decreases due to charge, discharge and stand-by losses, which brings up production cost, which compares to existing renewable energy whose production volume goes up in proportion to investment cost.
Fourth, it should be considered to differentiate the amount of support for each type of renewable energy source which uses BESS.
In case a BESS (10%) is used, the gap between incremental investment cost increase and incremental production cost increase was different between solar PV and wind power, 1.53 times and 1.46 times each. While the gap seems to be not so significant, the total production cost of solar PV increased by 19.7 Won/kWh, and wind power increased by 13.5 Won/kWh, and the gap expanded as the size of BESS gets bigger.
Lastly, more information gathering and additional research should
be done on technologies in detail so as to decide what should be the reasonable level of support. For instance, charge, discharge and stand-by loss of BESS has rather substantial impact on production cost of power, and lack of information to prove the impact makes it difficult to decide what the reasonable level of support should be.
B. Implications for residential solar PV facilities
For some of electricity-guzzling households, solar PV+ESS already reached grid parity. If ESS installation cost continues to decline, such households will be willingly adopt ESS even at their own cost, without government support. While no official statistics are available yet, people in the power generation industry figure there is a fast increase in households which adopt solar PV systems even without government subsidies. Nevertheless, high upfront cost of investment is still an obstacle to the further dissemination of ESS, say, among consumers who are around the grid parity level. More efforts should be made to foster an environment to facilitate the use of ESS.
First, the reform of the energy pricing system will help facilitate the use of solar PV in households even without government subsidies. If utility tariff charged to households and residents of islets is raised to a level matching power production cost, the economics of solar PV+ESS will be further improved and more households will reach grid parity.
Second, the government should implement measures, as a
short-term policy, to promote the use of solar PV+ESS by households who reached grid parity. To that end, various business models should be developed, tailored to different income levels of households.
Third, the government should foster an environment where households which reached grid parity (thus, the economics of solar PV + ESS is secured) are motivated to actively use ESS even without subsidies. One of such measures, for example, is to disqualify those which reached grid parity from government-subsidized schemes so that they are induced to embrace solar PV system. And this measure is already in place by the government.
Fourth, eco-friendly culture should be formulated across society through policy measures to promote public consent and non-economic incentives, so as to encourage the use of solar PV system. For instance, institutions with high public credibility may publish reliable data and information for public education and help consumers to make informed decisions. That way, overall public confidence in solar PV can be improved.
Fifth, incentives should be offered to households which have conditions advantageous to solar PV installation, such as sizable land, so as to encourage them to install large-capacity system. Under the current regulations, solar PV of 10kW or higher capacity is excluded from net-metering. Therefore, the disposal of surplus power
is quite limited and there is little incentive to install large-capacity system. The revision of such regulations, thus increasing the minimum installed capacity eligible for net-metering, will enhance the economics of solar PV and encourage the use of large-capacity systems.
제목 차례
제 장 서론1 ···
1
제 장 변동적 재생에너지와 계통안정성2 ···
7
1. 태양광 풍력 발전의 특성··· 7 2. 태양광 풍력 발전이 전력시스템에 미치는 영향··· 11계통안정성의 정의
3. ··· 19 변동적 재생에너지 수용가능 정도
4. ··· 21
제 장 계통안정성 대안기술 및 효과3 ···
37
의 작동 원리1. ESS ··· 38 의 기술별 특성 및 비용
2. ESS ··· 41 대안 기술의 계통안정성에 대한 효과 분석
3. ··· 50
제 장 태양광4 풍력 발전의 경제성 분석 ···
69
경제성 분석 선행연구1. ··· 69 경제성 분석 개요
2. ··· 76 유틸리티 규모 태양광
3. 풍력 발전의 경제성 분석··· 86 가정용 태양광 발전의 경제성 분석
4. ··· 101
제 장 정책적 시사점5 ···
107
유틸리티 규모의 태양광 및 풍력 발전설비에 대한 시사점1. ·· 107
가정용 태양광 발전설비에 대한 시사점
2. ··· 112
참고문헌 ···
117
부록 ···
123
부록 1. 변동적 재생에너지와 전압 변동의 관계··· 123 부록 2. 리튬이온전지의 계통안정성 효과 시뮬레이션··· 126표 차례
표 운영예비력 확보기준
< 2-1> ··· 16 표 주파수 조정예비력의 구성
< 2-2> ··· 17 표 계통 연계를 위한 동기화 변수 제한범위
< 2-3> ··· 21
표 년 국가별 재생에너지 발전량 비중
< 2-4> 2013 OECD ··· 26 표 최대 출력 변동량
< 2-5> (MW) ··· 35 표 전력저장장치의 종류별 특징
< 3-1> ··· 46 표 예비력 경우 최저주파수 모의실험 결과
< 3-2> 2,500MW ··· 54 표 태양광 출력변동 시 의 출력안정화 효과
< 3-3> BESS ··· 67 표 풍력 출력변동 시 의 출력안정화 효과
< 3-4> BESS ··· 68 표 태양광 추정을 위한 주요 전제 및 가정치
< 4-1> LCOE ··· 82 표 풍력 단순 추정을 위한 주요 전제 및 가정치
< 4-2> LCOE ··· 83
표 발전단가 추정을 위한 주요 전제 및 가정치
< 4-3> ··· 85 표 태양광
< 4-4> 풍력 단순 LCOE 분석 결과 및 비교··· 87 표 사업성 분석 주요 전제 및 가정
< 4-5> LCOE ··· 90 표 태양광
< 4-6> 풍력 사업성 LCOE 분석 결과 및 비교··· 91
표 비중별 태양광 발전의 비교
< 4-7> BESS LCOE ··· 92
표 손실률별 태양광 발전의 단순 비교
< 4-8> BESS LCOE ··· 94
표 비중별 풍력 발전의 비교
< 4-9> BESS LCOE ··· 95
표 손실률별 풍력 발전의 단순 비교
< 4-10> BESS LCOE ··· 96
표 월 이상 소비가구의 소득 분포
< 5-1> 500kWh/ ··· 114
그림 차례
그림 강진 태양광 설비의 전일 간 출력변동
[ 2-1] 1MW ··· 8 그림 영흥 태양광 설비의 전일 간 출력변동
[ 2-2] 1MW ··· 9 그림 순천 태양광 설비의 전일 간 출력변동
[ 2-3] 1MW ··· 9 그림 분 간격으로 측정된 풍속변화
[ 2-4] 1 ··· 10
그림 풍력발전기의 출력
[ 2-5] 3MW PMSG ··· 10 [그림 2-6] 변동적 재생에너지 비중 변화에 따른 균형효과의 변화 ··· 12
그림 부하지속곡선과 이용효율 효과
[ 2-7] ··· 14 그림 발전원의 탈락 이후 우발예비력의 재조정 과정
[ 2-8] ··· 15
그림 년 독일 변전소의 전력 흐름 추세
[ 2-9] 2009-13 ··· 18 [그림 2-10] 2013년 OECD 국가의 발전량 중 재생에너지 비중···· 23 [그림 2-11] 2013년 OECD 국가의 재생에너지원별 발전량 비중··· 24
그림 년 국가별 재생에너지 발전량 비중
[ 2-12] 2013 OECD ··· 25 그림 동일본 전력시스템의 시스템 유연성 분석 결과
[ 2-13] ··· 28
그림 시 간격의 시간 출력 변동량 그래프
[ 2-14] 0~2 2 ··· 35 그림 신재생에너지전원 급전운영을 위한 제어 블록
[ 3-1] ··· 39
그림 시간 단위 출력 예측기반 하에서의 운전 예
[ 3-2] 1 ··· 39
그림 신재생에너지전원 연계계통의 전압조정 적용 예
[ 3-3] ··· 40
그림 에너지저장기술별 특징과 용도
[ 3-4] ··· 42 그림 기본 구조 및 작동 원리
[ 3-5] EDLC ··· 44 그림 에너지저장용 기술별 설비투자비용
[ 3-6] ESS ($/kWh) ··· 48 그림 전력출력용 기술별 설비투자비용
[ 3-7] ESS ($/kWh) ··· 49
그림 풍력 발전의 출력 변동 시뮬레이션 절차
[ 3-8] ··· 52
그림 출력변동 시 출력안정화 효과
[ 3-9] PV 5% BESS ··· 57
그림 출력변동 시 전압안정화 효과
[ 3-10] PV 5% BESS ··· 58
그림 출력변동 시 출력안정화 효과
[ 3-11] PV 10% BESS ··· 59
그림 출력변동 시 전압안정화 효과
[ 3-12] PV 10% BESS ··· 59
그림 출력변동 시 출력안정화 효과
[ 3-13] PV 15% BESS ··· 60
그림 출력변동 시 전압안정화 효과
[ 3-14] PV 15% BESS ··· 61 그림 풍력 출력변동 시 출력안정화 효과
[ 3-15] 5% BESS ··· 62 그림 풍력 출력변동 시 전압안정화 효과
[ 3-16] 5% BESS ··· 63
그림 풍력 출력변동 시 출력안정화 효과
[ 3-17] 10% BESS ··· 64 그림 풍력 출력변동 시 전압안정화 효과
[ 3-18] 10% BESS ··· 64
그림 풍력 출력변동 시 출력안정화 효과
[ 3-19] 15% BESS ··· 65
그림 풍력 출력변동 시 전압안정화 효과
[ 3-20] 15% BESS ··· 66 그림 에너지원별 발전단가 비교
[ 4-1] ($/MWh) ··· 72 그림 캘리포니아 태양광 배터리 발전단가
[ 4-2] + ··· 78 [그림 4-3] 미국 주요 주의 태양광 배터리 그리드패리티 도달 시점+ ···· 79
그림 하와이 연간 태양광 설치 현황
[ 4-4] (MW) ··· 79 그림 가정용 단위전력요금 및 주요 도서 전력 공급단가
[ 4-5] ··· 81
그림 태양광
[ 4-6] 풍력과 전통적 전원의 단순 LCOE 비교 ··· 87 그림 태양광
[ 4-7] 풍력 사업성 LCOE 분석 결과 비교 ··· 91
그림 태양광 의 계통편익을 고려한 비교
[ 4-8] +ESS LCOE ··· 99
그림 풍력 의 계통편익을 고려한 비교
[ 4-9] +ESS LCOE ··· 100 그림 가정용 태양광 경제성 분석
[ 4-10] +ESS ··· 102
그림 분산전원만이 연결된 저압배전선로
[ 1] ··· 124
그림 태양광발전설비 모델링
[ 2] 1MW ··· 127 그림 태양광발전설비의 출력전류제어기 모델링
[ 3] 1MW ··· 127
[그림 4] 1MW 태양광발전설비의 인버터 출력전압제어기 모델링 · 128 그림 태양광발전설비의 출력안정화장치인 모델링
[ 5] BESS ··· 129
그림 태양광발전설비의 최종 출력값 와 모델링
[ 6] Pref Qref ··· 130
그림 의 출력기준값 받는 방향 기준 모델링
[ 7] BESS ( ) ··· 130 [그림 8] PI Power Controller ··· 130 [그림 9] PI Current Controller ··· 131
그림 배전계통 태양광 발전설비 전체계통
[ 10] + + BESS ··· 132
그림 풍력발전설비 모델링
[ 11] 2MW ··· 133 그림 제어기 모델링
[ 12] ··· 134 그림 풍력발전설비의 출력안정화장치인 모델링
[ 13] BESS ··· 136
그림 최종 출력값 모델링
[ 14] PGRID_LF(i2r) ··· 137 그림 의 출력기준값 받는 방향 기준 모델링
[ 15] BESS ( ) ··· 137 [그림 16] PI Power Controller ··· 137 [그림 17] PI Current Controller ··· 138
그림 배전계통 풍력 발전설비 의 전체계통
[ 18] + +BESS ··· 139
제 장 서론 1
발전 부문에서 신재생에너지 보급의 확대를 제약하는 중요한 요소 들 중 하나는 변동적 재생에너지(VRE, variable renewable energy)가 전력계통의 안정성을 저해할 수 있다는 점이다 정부가 . 2014년 월에 1 확정하여 발표한 제 차 에너지기본계획2 의 수립 과정에서 신재생에 너지 부문의 쟁점 사항 중 하나는 2035년까지 일차에너지 대비 신재 생에너지 보급 비중에 대한 목표 설정이었다 당시 일부 전문가들은 . 발전 부문에서 신재생에너지의 보급이 확대되면 기존 전력시스템의 안정성을 해칠 수 있다는 우려를 제기하며 보급의 비중을 높이는 것 에 대해 부정적인 입장을 견지하였다 전력시스템의 안정성을 보완할 . 수 있는 대안이나 신기술들에 대한 비용이 높다는 점과 이 비용이 국 민에게 전가된다는 점에서도 부정적인 입장이었다.
미국의 여러 주에서는 유틸리티 회사들이 변동적 재생에너지가 계 통의 안정성에 잠재적으로 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 이유로 가정용 태양광의 계통연계를 지연시킨 사례들이 있다 일부 주에서는 . 가정용 태양광을 설치한 가구에게 계통연계비용의 부과를 추진하여 태양광의 비용을 높이려 하였다 하와이에서는 가정용 태양광의 발전. 단가가 전력 소매요금보다 현격히 낮아서 설치가 급격하게 확대되고 있었는데 유틸리티 회사인 , HECO(Hawaii Eloctric)가 전력시스템에 미치는 영향을 검토한 이후에 계통 연계 여부를 결정하겠다고 하며 신규로 설치한 가정용 태양광의 계통 연계를 지연시킨 바가 있다 이. 로 인해 피해를 본 가구들이 발생했으며 일순간에 하와이에서 가정용 ,
태양광의 보급이 지연되는 결과를 초래했다.
실질적으로 발전 부문에서 변동적 재생에너지의 비중이 높아지면 , 실시간으로 전력의 수요와 공급 간 균형을 항상 유지시키는 데 어려 움을 초래할 가능성이 있다 이 때문에 변동적 재생에너지의 보급 확. 대에 있어 전력시스템의 안정성에 대한 고려가 필수적이다 즉 변동. , 적 재생에너지의 보급을 확대하는 데 있어 정부는 정책적인 측면에서, 계통운영자는 기술과 운영상의 측면에서 전력 공급자와 수요자의 경 제성을 고려하여 항상 안정적인 전력의 공급이 보장될 수 있도록 준 비해야 한다.
이러한 중요성을 인식하여 여러 국가에서 변동적 재생에너지가 전 력시스템에 미치는 경제적 운영적 기술적 영향에 대한 연구를 진행, , 하고 있다 이러한 연구들에서 제시하는 주요 질문들은 다음과 같다. . 첫째 기존 전력시스템이 안정성을 유지하는 범위에서 어느 정도의 변, 동적 재생에너지 비중을 수용할 수 있는지 둘째 앞의 질문과 유사한 ? , 질문으로 기존 전력시스템이 안정성을 유지하면서 한 국가가 설정한 , 변동적 재생에너지 보급 목표를 달성할 수 있는지 셋째 안정성을 유? , 지할 수 없다면 기술 및 운영적 측면에서 어떤 사항들을 보완해야 하 는지 넷째 안정성을 보완하는 기술이나 대안이 어떤 역할을 하는지? , ? 다섯째 안정성을 보완하는 기술이나 대안들의 비용 즉 경제성은 어, , 떤지 마지막으로 기존 전력시스템에 안정성을 보완하는 기술이나 대? , 안들을 적용하여 변동적 재생에너지를 효과적으로 통합(integration)할 수 있는 방안은 무엇인지 이러한 주제로 여러 국가와 국제기구들에? 서 많은 연구들이 진척되고 있으며 이미 유의한 결과들을 도출하고 , 있기도 하다.
연구의 방법에는 크게 거시적인 접근과 미시적인 접근이 있다 거시. 적인 접근 방법은 국가 단위 또는 특정 지역 단위의 전력 공급 인프라 와 수요관리 전력시스템의 운영 및 안정성 등 다각적인 측면을 동시, 에 고려하는 접근 방법이다 미시적인 접근은 앞에서 언급한 특정 요. 소를 대상으로 하여 특정 질문에 대한 해답을 얻기 위한 방법으로 활 용된다 거시적인 접근은 전력시스템 각 요소들 간의 상호 작용에 의. 한 효과까지 반영되기 때문에 분석 결과가 좀 더 현실적이다 하지만. , 이를 위해서는 국가 단위 또는 특정 지역 단위의 포괄적인 전력시스 템 즉 각각의 발전설비 송배전설비 수요 전력시스템의 운영 및 안, , , , 정성 등 관련 요소들을 모두 포함하는 모형의 구축이 필요하며 단순, 화를 하더라도 방대한 작업과 많은 시간이 소요된다 미시적 접근은 . 필요에 따라 특정 요소만 분리하여 거시적 접근에 비해 상대적으로 간결한 방법으로 특정 효과를 분석할 수 있는 장점이 있다 하지만. , 여러 요소들 간의 상호 작용에 대한 효과를 고려하기 위해서는 주의 깊은 연구 설계와 결과의 해석이 요구된다.
우리나라에서는 전력시스템의 안정성을 보완하거나 또는 변동적 , 재생에너지를 전력시스템에 효과적으로 통합하기 위해서 스마트그리 드 실증사업1)이나 ESS(energy storage system, 에너지저장장치 보급) 사업 등 다양한 정책과 사업을 추진하고 있으며 이를 위한 정책연구, 도 많이 진행되었다 이와 연관된 다양한 기술개발 또한 병행되고 있. 다 하지만 위에 제시한 근본적인 질문을 대상으로 진행한 연구는 거. , 의 없으며 아직까지는 시작 단계에 불과하다, .
1) 변동적 재생에너지를 전력시스템에 효과적으로 통합하는 것은 스마트그리드 사 업의 일부분에 지나지 않으며 여기에는 기존 전력시스템에 , ICT 기술을 연계하 여 다양한 전력 관련 기술들이 집적되어 있음.
본 연구에서는 위에서 제시한 다섯째 질문인 계통안정성을 보완하 는 기술이나 대안들의 비용 즉 경제성 분석을 주요 연구 목적으로 하, 였다 계통안정성은 포괄적인 개념으로 전력 소비자에게 안정적으로 . , 전력을 공급하는데 필요한 대부분의 요소와 관련이 되어있다 본 연구. 에서는 변동적 재생에너지가 초래하는 주파수 및 전압의 변동에 초점 을 두었다 변동적 재생에너지의 대상은 태양광과 풍력 발전을 대상으. 로 하였다 미시적인 접근 방법을 채택하였으며 여기서 미시적인 접. , 근 방법이란 개별적 인 태양광 또는 풍력 발전설비가 계통안정성에 ‘ ’ 미치는 영향에 초점을 두고 있다는 의미이다 계통안정성에 미치는 영. 향이란 개별적 태양광 또는 풍력 발전설비가 주파수 및 전압의 변동‘ ’ 에 미치는 영향을 의미하며 이를 최소화한다는 의미를 내포하고 있다, .
태양광과 풍력 발전설비는 기상 기후의 영향으로 출력이 간헐적이 며 변동적이다 출력의 변동은 전력계통의 주파수와 전압에 변동을 초. 래함으로써 전력의 품질을 저하시킬 수 있으며 아주 심각한 경우에는 , 계통의 붕괴를 초래할 수도 있다 하지만 전술한 바와 같이 이에 대응. 하여 계통안정성을 유지시킬 수 있는 여러 가지 기술 대안들도 존재 한다.
우리나라는 제 차 신재생에너지 기본계획에서 발전 부문의 4 2035년 변동적 재생에너지 보급 목표를 7.5%(신재생에너지 발전 비중 13.4%
가 목표임 로 설정하였다 본 연구는 이를 달성하는 데 있어 전력계통) . 의 안정성에 문제가 없는지 검토하고 이를 보완할 수 있는 기술 대안, 들을 분석하며 이러한 기술을 경제적으로 보급할 수 있는지 분석하는 , 것을 주요 목적으로 한다. ESS는 아직까지는 그 비용이 가스터빈 발 전설비를 이용한 백업의 비용보다 높은 기술로 인식되고 있다. ESS
중 하나인 리튬이온전지를 대상으로 주파수와 전압을 안정화하는 효 과를 모의실험을 통해 분석하였으며 특정의 안정화 효과를 위해 소요, 되는 리튬이온전지의 비용 즉 경제성을 분석하여 운영예비력을 활용, 하는 경우와 비교하였다 그리고 이러한 분석 결과를 바탕으로 태양광. 과 풍력 발전설비와 같은 변동적 재생에너지의 보급 확대에 있어 계 통안정성의 측면에서 고려해야 할 시사점을 도출하였다.
정부는 ESS 보급 활성화 방안을 발표하고 정책을 추진 중이다. 년 월 사업을 부가가치를 창출하는 녹색분야의 주요 기술 2013 5 ESS
및 신사업으로 지정하고, 2020년까지 6.4조원 규모의 R&D 및 설비투 자 계획을 발표했다. 2013년 12월에는 신에너지 및 재생에너지 개 발 이용 촉진법 의 개정을 통해 ESS가 신재생에너지의 전력계통 연 계조건을 개선하기 위한 설비인 신에너지 및 재생에너지 설비 로 포“ ” 함되었다 그리고 . ESS를 설치할 경우 RPS(renewable portfolio stand-
신재생에너지 공급의무화 제도에서
ard, ) REC(renewable energy certif- 신재생에너지 공급인증서 의 가중치를 부여하기 위한 연구용역
icate, )
을 진행 중이다.
본 연구의 결과는 이러한 정부 정책의 당위성을 검토하고 정책 방, 향 제시 그리고 합리적인 지원 수준을 결정하는데 중요한 기초 자료, 로 활용될 수 있을 것으로 기대된다 또한 향후 전력시스템의 안정성. 을 유지하면서 변동적 재생에너지의 보급을 확대하기 위해 어떤 부분 을 고려해야 하고 어떤 연구가 추가적으로 필요한지에 대한 방향 설 정에도 활용이 될 수 있을 것으로 기대된다 마지막으로 향후 제 차 . , 3 에너지기본계획 과 제 차 신재생에너지 기본계획5 을 수립할 때 우리 나라 신재생에너지의 보급 목표와 정책 방향을 재설정하기 위한 자료
로 활용될 수 있기를 기대한다.
본 보고서는 다음과 같이 구성되었다 먼저 제 장에서 태양광과 풍. 2 력 발전 즉 변동적 재생에너지의 발전 특성과 이에 따른 전력시스템, 에 대한 영향을 정리하였다 또한 본 연구에서 초점을 두는 계통안정. , 성의 정의 즉 요소에 대해 기술하였다 전력시스템에서 수용 가능한 , . 변동적 재생에너지의 비중도 문헌 연구를 통해 가늠해 보았다 제 장. 3 에서는 ESS의 기술별 특성과 비용을 검토하였다 또한. , ESS 중 리튬 이온전지가 주파수 및 전압 변동을 완화하는 효과를 모의실험을 통해 분석하였다 제 장에서는 리튬이온전지를 장착한 가상적인 태양광 및 . 4 풍력 발전설비의 경제성을 분석하여 운영예비력을 활용하는 경우와 비교하였다 먼저 태양광과 풍력 발전의 경제성을 분석한 선행연구 . , 현황을 정리하였다 다음으로 본 연구에서 활용한 경제성 분석의 방법. 론과 주요 전제를 설명하였다 경제성 분석은 유틸리티 규모의 태양광 . 발전과 풍력 발전을 대상으로 하였으며 가정용 태양광도 분석에 포함, 하였다 마지막으로 제 장에서 정책적 시사점을 도출하여 제시하였다. , 5 .
제 장 변동적 재생에너지와 계통안정성 2
태양광 풍력 발전의 특성 1. ･
가 태양광 풍력 발전의 간헐성. ･
태양광과 풍력 발전은 기상 및 기후의 변화 즉 햇빛 바람 구름과 , , , 같은 자연현상에 영향을 받는다 이에 따라 발전의 출력이 간헐적.
이다 간헐성의 영향에 따라 태양광 풍력의 출력이 시 (intermittency) .
시각각 변하기 때문에 변동성(variability)이 비교적 높은 편이다 이와 . 달리 석탄화력, 천연가스 발전 또는 원자력 등 전통적 발전원 (conventional generation)2)은 후쿠시마 사태와 같은 극심한 기상 및 ‘ ’ 기후 변화에 의해 가동이 중지되는 경우를 제외하고는 출력의 변동성 이 거의 없다 기상 및 기후 변화의 영향을 받기 때문에 나타나는 또 . 하나의 특성은 신재생에너지 발전의 출력에 대한 정확한 예측이 어렵 다는 점이다. 따라서 신재생에너지 발전의 출력은 불확실성 을 띄고 있다 는 변동적 재생에너지를 일정 일 또는 (uncertainty) . IEA
계절 동안 변동을 거듭하는 자원에 기반을 둔 재생에너지로 정의하며, 그 범주에 풍력 태양광 파력 및 조력을 포함한다 본 연구에서도 이, , . 러한 특성을 갖는 신재생에너지 발전원을 변동적 재생에너지(variable
라고 칭한다 renewables) 3).
2) 본 보고서에서는 석탄화력 천연가스 발전 원자력 발전 등 기존 발전원을 전통, , “ 적 발전원 이라 칭함” .
3) IEA 웹사이트(http://www.iea.org/aboutus/faqs/renewableenergy/) 검색일 2014. 11.
12 .일
아래의 그림 [ 2-1 에서 그림 ] [ 2-3 까지는 각각 하절기에 국내 강진] , 영흥 및 순천에 설치된 1MW급 태양광 발전설비에 대하여 일 동안 1 측정된 출력특성을 나타낸다 아래 그림에서 알 수 있듯이 태양광발전. 설비의 출력특성곡선은 대체적으로 전력계통 전체 일부하곡선과 거의 일치됨을 알 수 있으나 구름 등의 날씨변화에 따라 일시적으로 일사, 량이 변화하는 경우는 순천의 사례와 같이 변동이 심하게 된다 이와 . 같은 변동은 계통전체의 주파수 조정에 미치는 영향이 크므로 변동적 재생에너지의 비중이 높아지면 계통안정성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
그림 강진 태양광 설비의 전일간 출력변동
[ 2-1] 1MW
자료 지식경제부: (2008)
그림 영흥 태양광 설비의 전일간 출력변동
[ 2-2] 1MW
자료 지식경제부: (2008)
그림 순천 태양광 설비의 전일간 출력변동
[ 2-3] 1MW
자료 지식경제부: (2008)
아래 그림 [ 2-4 와 그림 ] [ 2-5 는 제주도에 설치된 ] 3MW급 영구자석 형(PMSG) 풍력발전기에 대하여 2012년 월에 분 간격으로 측정된 3 1 풍속변화와 그 출력특성을 각각 나타낸다. [그림 2-4 에서 보듯이 풍] 속의 변동 청색선 이 높게 나타나는 것을 볼 수 있으며 이에 따라서 ( ) , [그림 2-5 와 같이 풍력발전기의 출력 변화 적색선 또한 높게 나타나] ( ) 는 것을 볼 수 있다.
그림 분 간격으로 측정된 풍속변화 제주도 년 월
[ 2-4] 1 ( , 2012 3 )
자료: Nguyen, et al(2013)
그림 풍력발전기의 출력 제주도 년 월
[ 2-5] 3MW PMSG ( , 2012 3 )
자료: Nguyen, et al(2013)
풍력 발전의 보급이 확대되어 전체 전원에서 풍력이 차지하는 비중 이 높아지게 되면 이러한 풍속 변화에 따른 출력변화가 계통안정화에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
나 태양광 풍력 발전의 기술적 특성. ･
태양광과 풍력 발전은 각 단위가 모듈화(modularity)되어 있어 발전 용량 규모의 측면에서는 와트(W)급의 소규모 발전시스템에서 수백 메 가와트(MW)급의 대규모 발전시스템까지 다양한 설비용량을 구성할 수 있다 따라서 전력 수요지 인근에 설치가 용이한 분산전원의 역할. 을 담당할 수 있다.
태양광과 풍력 발전의 기술적 특성으로는 전통적 발전원과는 다르 게 주로 직류(direct currency)의 전기를 생산하며 또한 비 동기적- 으로 작동된다 다음 절에서는 이러한 특성으로 인 (non-synchronous) .
해 태양광과 풍력 발전이 기존의 전력 시스템에 미치는 영향을 알아 본다.
태양광 풍력 발전이 전력시스템에 미치는 영향 2. ･
간헐적 및 비 동기적인 특성들로 인해 태양광 풍력 발전원이 전력- 계통망에 연계될 때 전체 전력시스템에 미치는 영향은 다음과 같다.
첫째 신재생에너지 발전원의 변동성에 의해 전체 전력시스템에 미, 치는 영향으로 균형 효과(balancing effect)4)가 있다 이는 기상 및 기. 후의 변화로 인해 태양광과 풍력 발전의 출력이 변동함에 따라 전력
4) IEA(2014a, 34 )쪽
수요와 공급의 균형을 유지하기 위해 다른 발전원의 출력 또한 변동 하게 되는 것을 의미한다. [그림 2-6 은 독일의 풍력 발전량 변화에 ] 따르는 나머지 전통적 발전원의 발전량 변동을 나타낸다 아래 그림에. 서 각각의 선은 풍력을 제외한 모든 전통적 발전원이 담당하는 부하
를 의미하는 순부하 곡선이다 풍력의 비중이
(load) (net load) . 0%,
및 일 때 해당 순부하가 주어져 있다 순부하가
2.5%, 5%, 10% 20% .
시간에 따라 변동하는 것을 볼 수 있으며 특히 풍력의 비중이 높아, , 질수록 순부하 램프(Lamp)의 폭과 등락의 빈도수 즉 변동성이 커지, 는 것을 볼 수 있다 즉 전체 발전설비용량에서 풍력의 비중이 높아. , 짐에 따라 전통적 발전원 출력의 변동성이 높아지는 경향을 볼 수 있다.
그림 변동적 재생에너지 비중 변화에 따른 균형효과의 변화 [ 2-6]
자료: IEA(2014a, 34 )쪽
주 부하 및 풍력 발전 데이터는 : 2010년 11월 10일부터 16일까지 독일의 자료다. 독일의 실제 연간 풍력발전 비중은 7.3%이며 설명을 목적으로 해당 기간의 풍, 력발전은 scaled 되었으며 이 때문에 균형효과가 다소 과다하게 추정되었을 가, 능이 있음.
둘째 신재생에너지 발전원의 변동성에 의해 야기되는 또 다른 영향, 으로 이용효율 효과(utilization effect)가 있다 이는 일정 기간 동안 주. ( 로 년 일정의 순부하 수준이 얼마나 빈번히 일어나는가에 따라 영1 ) 향을 받는 모든 효과를 나타낸다5).
일정 기간 동안 일정의 부하 수준이 얼마나 빈번히 일어나는지를 나타내는 곡선으로 부하지속곡선(load duration curve)이 있다 위의 . [그림 2-6 에 나타난 각 변동적 재생에너지 비중별로 시간대별 순부하] 를 부하지속곡선으로 나타내면 그림 [ 2-7 과 같다 그림으로부터 알 ] . 수 있는 것은 변동적 재생에너지 비중이 증가함에 따라 최적 전원믹 스의 구성비가 변하는 것을 볼 수 있다 즉 이용률. , (capacity factor)이
이상인 기저부하 비중은 감소하고 대신 이용률이
80% (base load) ,
이하인 중간부하 와 첨두부하 의 비중이 늘
80% (mid-merit) (peak load)
어난다는 점이다 대규모의 변동적 재생에너지가 짧은 시간에 계통에 . 추가되는 경우 이에 대응하여 단기간 내에 전체적인 전원믹스의 조정, 이 어렵기 때문에 전통적 발전원 중 기저부하의 일부는 중간부하 그, 리고 중간부하의 일부는 첨두부하의 역할을 담당해야 하며 빈번한 시, 동과 중지 그리고 빈번한 램핑, (ramping)과 장기간의 정지가 요구될 수 있음을 알 수 있다6).
또 한 가지 알 수 있는 점은 변동적 재생에너지의 비중이 증가함에 따라 순부하의 최대부하는 크게 감소하지 않는 반면 순부하의 최소부, 하는 급격히 감소한다는 점이다 즉 변동적 재생에너지 비중이 증가. , 하더라도 안정적으로 전력 수요를 충족하기 위해서는 전통적 발전원 의 용량이 여전히 많이 필요하다는 사실을 알 수 있다 슈퍼그리드로 .
5) 전게서, 34쪽 참조. 6) 전게서, 36쪽 참조.
국가 간 전력계통망이 연계되어있는 유럽과 같은 지역에서는 전통적 발전원이 제공하는 관성이 매우 크고 조속기에 의한 주파수제어 영향 에 의해 한 국가의 변동적 재생에너지 비중이 높아도 그 영향이 크게 나타나지 않는다 하지만 전력계통망이 고립되어 있는 우리나라와 같. 은 국가들의 경우는 변동적 재생에너지의 보급이 확대되더라도 별도 의 조치가 없다면 일정 수준의 전통적 발전원이 여전히 필요함을 알 수 있다.
그림 부하지속곡선과 이용효율 효과 [ 2-7]
자료: IEA(2014a, 36 )쪽
표주: CF는 이용률(capacity factor)을 나타낸다.
셋째 변동적 재생에너지의 비중이 확대되면 비 동기적으로 작동하, - 는 특성에 의해 전력시스템 전체의 시스템 관성(system inertia)을 낮 추어 전력시스템의 안정성을 저하시킬 가능성이 있다 시스템 관성이. 란 전력시스템이 주파수 변동에 저항하는 능력을 나타낸다 물리적으. 로는 전력시스템에 연결된 모든 동기 발전기와 모터의 양(mass)으로 정의할 수 있다 하나의 발전기가 갑자기 탈락되었을 때와 같은 피해 . 상황 시 시스템 관성이 높은 경우에는 주파수가 서서히 떨어지게 되
고 반대로 시스템 관성이 낮을 경우에는 주파수가 빨리 떨어지게 된, 다(ORNL, 2003, 6 ). 쪽 시스템 관성이 주파수 조정의 수단으로 활용되 지는 않지만 피해 상황 시 주파수가 범위 밖으로 떨어지는 시간에 영, 향을 주기 때문에 관성이 높은 시스템이 관성이 낮은 시스템보다 안 정성이 높다고 할 수 있다.
예를 들어 그림 [ 2-8 에서 보듯이 시스템 관성은 대용량의 발전설] , 비가 갑작스럽게 계통에서 탈락되었을 때 초기 수 초 이내 에 주파수( ) 의 급격한 하락에 저항하여 그 속도와 정도를 낮추는 부수적인 기능 을 통해 종속고장(cascaded outage)이나 계통붕괴(system collapse)를 방지 또는 지연시키는 역할을 한다.
그림 발전원의 탈락 이후 우발예비력의 재조정 과정 [ 2-8]
자료: ORNL(2003, 4 )쪽
표주 대용량의 발전설비가 갑작스럽게 계통에서 탈락되었을 때의 주파수 하락에 : 대응하여 주파수 회복을 위한 발전시스템 각 분야의 역할을 나타내며 시스템 , 관성은 초기에 주파수의 급격한 하락에 저항하여 그 속도와 정도를 낮추는 효과가 있음.
시스템의 총 설비용량이 같다고 가정할 때 비 동기적 재생에너지의 , - 비중이 높아질수록 시스템 전체의 관성은 낮아지고 따라서 주파수의 , 변화에 저항하는 힘이 낮아져 전력시스템의 안정성에 부정적인 효과 를 초래할 수 있다.
넷째는 주파수에 대한 직접적인 영향으로 변동적 재생에너지가 전, 력계통에 연결되어 출력이 대폭적으로 변화하게 되면 주파수를 안정 범위내로 유지하기 위해 주파수조정용 발전예비력 확보 등 보조적인 수단이 필요하게 된다.
주파수 조정측면에서 부하변동을 미소변동 수초( 3분 동안 약 2%
이하의 변동), 단주기변동 분(3 20분 동안 2%초과 15%이하의 변 동 장주기변동), (20분이상의 변동 으로 구분할 수 있다 우리나라에서) . 는 주파수조정과 관련된 운영예비력확보기준은 다음의 표와 같다.
개정 전 개정 후
확보 예비력 확보량 시간
(400 kW)만 예비력 기간 확보량
(400 kW)만 주파수
조정 1,000MW 주파수
조정 1,500MW 수초
대기
운전상태: 500MW
대기 대체
동 하계 수급기간
운전상태: 1,500MW 10분 정지상태: 1,000MW 정지상태: 1,000MW 20분
대체 1,500MW 일반기간
운전상태: 1,000MW 10분 정지상태: 1,500MW 120분 자료 전력거래소: (2014)
표
< 2-1 운영예비력 확보기준>
구성 의미 및 용량 산정 기준
주파수 유지 예비력 (1차 응답)
주파수 변동 초기에 응동하는 주파수 조정용량으로서 주파수 변동 시 초 이내에 발전력이 응동하여 초 이상 출력유지가 가능한 10 30 발전력으로 GF(Governor Free)에 의해 응답되는 주파수 조정량 계통주파수가 ±0.2Hz 변동 시 응동가능용량 기준으로 산정,
주파수 복구 예비력 (2차 응답)
차 응답 후 정상 주파수 유지범위로 회복시키기 위한 발전력으로 1
서 초 이내에 발전력이 응동하여 분간 지속 가능한 발전력으30 30 로 AGC 보유예비력 및 출력 증발에 의한 주파수 조정량
자동발전제어서비스(AGC)는 분 동안 제공 가능한 용량으로 산정5 자료 전력거래소: (2014)
표
< 2-2 주파수 조정예비력의 구성>
주파수조정예비력은 계통에 병입하여 운전하는 발전기의 주파수추 종(Governor Free)과 자동발전제어(AGC)의 운전에 따라 초 이내에 30 자동으로 응동할 수 있는 예비력으로 주로 미소수요변화 및 원활한 , 주파수 유지를 목적으로 한다 현재 전력시장운영규칙에서 주파수조. 정예비력은 주파수유지예비력과 주파수복구예비력으로 구분된다 위 .
<표 2-2 에서와 같이 주파수조정예비력은 초 이내 응동하여 분 > , 30 5 내의 짧은 기간 동안에 증가시킬 수 있는 출력을 의미한다 정지 상태. 의 발전기가 수 분 이내에 계통에 투입되어 원하는 출력만큼 확보하 는 것은 일반적으로 어렵기 때문에 기력 복합 수력 및 양수 중 일부 , , 석탄화력을 제외한 발전기의 입찰공급용량의 95%를 발전기 기준출력 상한치로 설정하여 주파수조정예비력 용량을 확보한다.
따라서 부하변동 이외에 태양광발전 및 풍력발전이 전력계통에 연 결되어 그 출력이 대폭적으로 변화하게 되면 이에 따른 주파수조정용
발전예비력이 추가적으로 확보되어야 한다.
마지막은 정격전압에 대한 영향으로 배전계통에 연결되는 변동적 , 재생에너지가 증가하여 역조류(reverse power flow)가 발생하면 연계지 점의 전압이 높아져 기존의 전압제어방식으로는 적정전압조정능력을 상실할 가능성이 있다 현재 배전계통에서의 전압은 변전소에서 부하. 까지 전력조류가 단방향으로 흐른다는 전제조건 하에 관리가 되고 있다.
전압변동은 분산전원의 유효전력과 무효전력 출력량에 의하여 조정 될 수 있으며 특히 유효전력을 출력함으로써 일어난 전압상승분은 , 무효전력을 흡수함으로써 진상운전 상쇄될 수 있다 따라서 태양광발( ) . 전설비 및 풍력발전설비가 전력계통에 연결되어 운전하게 되면 전압 변동이 발생하게 되어 수용가의 전압을 법정유지범위인 220V±6%를 유지하기가 어렵게 된다.7)
그림 년 독일 변전소의 전력 흐름 추세 [ 2-9] 2009-13
자료: IEA(2014a, 42 )쪽
7) 태양광 또는 풍력 발전원의 배전계통 연계에 따른 전압 변동과 관련된 기술적 논의는 뒤의 부록 을 참조 바람1 .
