[논문]태양광/풍력 연계 기반의 에너지저장장치 설비계획 모델링

이용봉; 김정호

doi:10.7471/ikeee.2015.19.3.295

태양광/풍력 연계 기반의 에너지저장장치 설비계획 모델링
Energy Storage System Model for Facility Plan Connected with Solar and Wind Power Plant 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.19 no.3, 2015년, pp.295 - 303

이용봉 (Electronics and Telecommunications Research Institute) , 김정호 (Dept. of Information & Communications, Han-bat University)

초록
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지구 온난화 및 탄소배출권 저감을 위한 대안으로 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)의 중요성을 인식하고 ESS 산업육성을 위한 보급사업 및 인센티브 정책을 추진하고 있다. 우리나라는 2020년까지 ESS 누적 용량 2GW 보급을 추진하고 있다. 이러한 보급정책과 기업들의 기술개발에 따라 시장 확대로 인한 ESS의 배터리 가격이 점차 하락할 전망이다. 본 논문에서는 ESS 기술개발에 따른 ESS 가격 하락에 따른 ESS 보급량 추정을 하였으며, 이에 따라 발생하는 비용의 경제성 분석을 실시하였다. 또한 ESS 종류에 따라 발생할 수 있는 비용 및 ESS와 풍력전원의 연계에 따른 투자비용 분석을 하였으며, ESS보급에 따라 발생할 수 있는 전력판매수익 및 신재생에너지공급인증서 판매수익에 대한 경제성 분석을 실시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Considering to Energy Storage System (ESS) is a global trend In order to reduce global warming and carbon emissions. South Korea has announced various policies to vitalize the development and uptake of renewable energy. South Korea is planning the cumulative capacity of ESS of two million kW in 2020. According to the government support and development of technology companies, the battery of ESS prices are expected to fall gradually. In this paper, we develop a planning model that take into account the supply expansion of technology of ESS and prices. Based on planning model, we analyze the cost of ESS linked with wind power and the revenue for trading electricity and renewable energy certifications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2020년도까지 ESS 200만kW를 보급을 목표로 하고 있고, 본 논문에서는 기본적으로 2027년까지의 신재생에너지 설비 변화를 추정하기 위하여, 2020년까지의 ESS 보급목표량과 보기 위하여, ESS 리튬이온 배터리 가격인하 (NEDO, Battery Roadmap)자료를 그림 1에서와 같이 학습곡선에 이용하여, 미래의 ESS 보급량을 표 3에서 추정하였다. 또한 2차 에너지기본계획(2035년도)상의 신재생에너지 비중 증가에 따른 ESS 보급량도 학습곡선을 이용하여 추정하였다.
6차 전력수급기본계획에 따르면, 2027년 기준으로 신재생에너지는 발전량 비중의 12%, 설비비중의 20% 이상으로 확대하는 것을 목표로 하고 있다.
ESS는 용도, 물리적/화학적 구성 및 배터리 크기 등에 따라서 다양하게 구성될 수 있으며, 본 절에서는 전력수요를 조절하기 위한 수요 측 자원으로서 ESS 가 활용된 경우의 ESS에 대한 비용에 대한 분석을 실행하였다. 6차 전력수급기본계획에 따르면 전력수요는 산업용, 일반용, 주택용, 교육용, 기타 등으로 나누어 질 수 있으나, 본 논문에서는 전력수요의 대부분을 차지하는 산업용, 상업용, 가정용에 국한하여 표 3의 데이터를 이용하여 ESS 투자비용을 표 9에 산출하였다.
현재 ESS의 보급계획에 따른 경제성 및 도입효과, ESS와 신재생에너지 연계에 따른 발전사업자의 비용증가 영향에 대한 구체적인 분석이 없어, 효과적인 도입에 대한 연구가 요구되는 상황이다. 따라서, 본 논문에서는 ESS 설비계획 모형을 개발하여, ESS 기술개발에 따른 ESS 가격 하락에 따른 ESS 보급량추정을 하였으며, 6차 전원개발계획에 추가적으로 ESS를 고려하였을 경우의 설비구성 및 발생하는 비용의 경제성 분석을 실시하였다. 또한 ESS 종류에 따라 발생할 수 있는 비용 및 ESS와 풍력전원의 연계에 따른 투자비용 분석을 하였으며, ESS보급에 따라 발생할 수 있는 전력판매수익 및 신재생에너지공급인증서 판매수익에 대한 경제성 분석을 실시하였다.
또한 본 논문에서는 신재생에너지와 ESS 연계를 고려하였다. 기존 REC에서 개정된 태양광 REC 가중치를 적용한 비용 분석을 실행하였고, 또한 풍력발전과 ESS 연계에 따라서 계절과 피크시간에 차등 부여되는 풍력 REC도 적용하여 비용분석을 실행하였다.
또한 신재생에너지와 ESS 연계 운영 시에는 REC에 가중치를 부여할 계획이며, 본 논문에서는 풍력발전과 ESS 연계에 따른 발전사업자의 수익성을 분석하였고, 2017년 이후의 풍력 REC 가중치에 대한 민감도 분석이 필요함을 알 수 있었다.
본 논문에서는 전력수급 안정화 및 탄소배출권 절감을 위하여, ESS를 보급하고 있으며, ESS 산업육성을 위한 보급사업, 인센티브 정책을 발전사업자와 신재생에너지 사업자를 중심으로 초기 시장을 형성함에 따른 경제성 분석을 실행하였다.

제안 방법

. ESS 보급용량 및 발전단가 2020년까지 ESS 보급 추진에 따른 정책지원과 기술개발에 따라서, 본 절에서는 2020년도까지의 누적 ESS 보급량과 ESS 설비단가를 기반으로 학습곡선을 이용하여, 2027년 (6차 전력수급기본계획)까지의 ESS 설비 계획과, 2035년(2차 에너지기본계획)까지의 ESS 설비용량을 도출하였다. 그림 6은 2020년도까지의 신재생에너지 전원별 설비 비중을 나타낸 것이다.
ESS는 용도, 물리적/화학적 구성 및 배터리 크기 등에 따라서 다양하게 구성될 수 있으며, 본 절에서는 전력수요를 조절하기 위한 수요 측 자원으로서 ESS 가 활용된 경우의 ESS에 대한 비용에 대한 분석을 실행하였다. 6차 전력수급기본계획에 따르면 전력수요는 산업용, 일반용, 주택용, 교육용, 기타 등으로 나누어 질 수 있으나, 본 논문에서는 전력수요의 대부분을 차지하는 산업용, 상업용, 가정용에 국한하여 표 3의 데이터를 이용하여 ESS 투자비용을 표 9에 산출하였다.
ESS 보급에 따른 증설용량과 6차 전력수급기본계획 상의 신재생에너지 설비비중 변화 및 비용 분석을 실행하기 위한 방법론과 분석 모형을 제안하였다.
또한 본 논문에서는 신재생에너지와 ESS 연계를 고려하였다. 기존 REC에서 개정된 태양광 REC 가중치를 적용한 비용 분석을 실행하였고, 또한 풍력발전과 ESS 연계에 따라서 계절과 피크시간에 차등 부여되는 풍력 REC도 적용하여 비용분석을 실행하였다.
2020년도까지 ESS 200만kW를 보급을 목표로 하고 있고, 본 논문에서는 기본적으로 2027년까지의 신재생에너지 설비 변화를 추정하기 위하여, 2020년까지의 ESS 보급목표량과 보기 위하여, ESS 리튬이온 배터리 가격인하 (NEDO, Battery Roadmap)자료를 그림 1에서와 같이 학습곡선에 이용하여, 미래의 ESS 보급량을 표 3에서 추정하였다. 또한 2차 에너지기본계획(2035년도)상의 신재생에너지 비중 증가에 따른 ESS 보급량도 학습곡선을 이용하여 추정하였다.
따라서, 본 논문에서는 ESS 설비계획 모형을 개발하여, ESS 기술개발에 따른 ESS 가격 하락에 따른 ESS 보급량추정을 하였으며, 6차 전원개발계획에 추가적으로 ESS를 고려하였을 경우의 설비구성 및 발생하는 비용의 경제성 분석을 실시하였다. 또한 ESS 종류에 따라 발생할 수 있는 비용 및 ESS와 풍력전원의 연계에 따른 투자비용 분석을 하였으며, ESS보급에 따라 발생할 수 있는 전력판매수익 및 신재생에너지공급인증서 판매수익에 대한 경제성 분석을 실시하였다. 본 연구는 다음과 같이 구성된다.
정부는 ESS 보급을 촉진하기 위하여 발전사업자와 신재생에너지사업자를 중심으로 초기 시장을 형성할 계획이므로, ESS 보급에 따른 설비투자비용과 수익 창출에 대한 분석이 요구되므로, 전력수요에 따른 ESS 용량을 가정용, 산업용, 산업용으로 나누어서 분석을 하였다. 또한 부하평준화 및 독립형 마이크로그리드 산업을 위한 발전용 ESS 도입에 따른 비용 분석을 진행하였다.
또한 태양광/풍력과 ESS 연계에 따른 전력계통으로의 역송전력 판매량을 도출하였으며, REC 가중치를 고려한 REC 판매 수익과 ESS 방전에 따른 REC 판매수익을 계산하여, 발전사업자의 비용-편익 분석을 실행하였다.
또한, ESS 방전에 따른 전력계통으로의 역송전력판매량을 구하기 위하여, ESS 방전량 X_W-ESS, X_S-ESS에 가중평균 계통한계가격을 적용하여, 수익을 계산하였다.
발전원가를 계산하기 위해서는 각 연도별 건설비와 변동비(운전비용)의 합을 발전량으로 나눠야 하며, 각 신재생에너지 전원별 수명을 n, 각 설비의 할인율 i를 이용하여(산업자원부, 신재생에너지 발전차액지원제도 개선 및 RPS 제도와 연계방안) 각 CRF 값을 계산하여 적용하였다.
본 논문에서는 ESS 경제성 분석을 위하여, 6차 전력수급기본계획 기간 동안의 ESS 용도별 및 신재생에너지 연계에 따른 경제성 분석을 실행하기 위한 경제성 분석 모형을 그림 4에서와 같이 제안하였다.
본 논문에서는 ESS 보급 정책에 따른 설비 투자비용 분석을 위한 모형을 제안하였고, 6차 전력수급기본계획을 기초데이터로 활용하여, 다양한 시뮬레이션을 실행하였다.
ESS는 저장방식(물리적, 화학적), 용도(장주기, 단주기)에 따라 다양하게 구성될 수 있으며, 배터리 종류도 다양하다. 본 논문에서는 리튬이온 배터리로 구성된 ESS만으로 한정하여 본 논문의 시뮬레이션을 실행하였다.
본 절에서는 ESS 도입에 다른 비용을 고려한 6차 전력수급기본계획 상의 비용을 추정하였다. 표 8의 신재생에너지 발전단가를 보면, 1 절에서 도출한 ESS의 발전단가가 전체 신재생에너지의 평균 발전단가보다 약 25% 비용이 높은 것을 알 수 있으며, ESS 보급 촉진을 위하여 추가적인 보급지원정책이 필요함을 알 수 있다.
첫 번째 모듈은, ESS 설비계획 모형의 목표기간 동안의 ESS 설비보급량 및 가격을 추정하였으며, 두 번째 모듈은 6차 전원개발계획 하에서의 ESS 설비 보급 비중을 계산하였으며, ESS 용량 크기에 따라 용도별(가정용, 산업용, 상업용)로 도출하였다. 세 번째 모듈에서는 계획기간 동안의 각 용도별로 나눈 ESS 설비의 투자비용과 유지보수비용을 포함한 총 비용에 대하여 계산하였고, 네 번째 모듈에서는 신재생에너지와 ESS 설비를 보유한 발전사업자가 RPS사업을 하였을 경우의 추가 발생 이익에 대하여 추정하였으며, 개정된 풍력발전 REC를 적용하였다.
풍력발전과 연계된 C_W-ESS는 풍력발전의 출력안정성을 위하여 요구되는 ESS 설비용량을 설정하여야 하므로, 현재 제주도 풍력발전에 연계중인 ESS의 설비용량 비율 RWind을 준용하였다. 연도별 ESS의 발전량의 합 G를 도출한 후, 신재생에너지와 연계된 ESS를 포함한 REC 수익을 분석하기 위하여, 각 전원의 REC 가중치 W_W-ESS, W_S-ESS를 적용한, 총 REC를 도출하였다.
정부는 ESS 보급 촉진을 위하여 발전사업자 및 신재생에너지사업자를 중심으로 RPS 제도를 활용한 신재생에너지와 ESS를 연계하여 운영 시에는 REC에 가중치를 부여할 계획이며, 풍력발전과 ESS 연계에 대한 REC 가중치 정책 (표6)을 개정하였으며, 본 절에서는 기존 풍력 REC 가중치를 적용하였을 경우(표 10)와 피크 시간대에 풍력발전과 연계된 ESS가 방전하였을 경우의 발전사업자의 경제성(표 11)을 분석하였다.
정부는 ESS 보급을 촉진하기 위하여 발전사업자와 신재생에너지사업자를 중심으로 초기 시장을 형성할 계획이므로, ESS 보급에 따른 설비투자비용과 수익 창출에 대한 분석이 요구되므로, 전력수요에 따른 ESS 용량을 가정용, 산업용, 산업용으로 나누어서 분석을 하였다. 또한 부하평준화 및 독립형 마이크로그리드 산업을 위한 발전용 ESS 도입에 따른 비용 분석을 진행하였다.
그림 5는 ESS 설비계획 알고리즘을 기반으로, ESS 설비계획 모형을 구성하는 각 모듈의 특성을 나타내었다. 첫 번째 모듈은, ESS 설비계획 모형의 목표기간 동안의 ESS 설비보급량 및 가격을 추정하였으며, 두 번째 모듈은 6차 전원개발계획 하에서의 ESS 설비 보급 비중을 계산하였으며, ESS 용량 크기에 따라 용도별(가정용, 산업용, 상업용)로 도출하였다. 세 번째 모듈에서는 계획기간 동안의 각 용도별로 나눈 ESS 설비의 투자비용과 유지보수비용을 포함한 총 비용에 대하여 계산하였고, 네 번째 모듈에서는 신재생에너지와 ESS 설비를 보유한 발전사업자가 RPS사업을 하였을 경우의 추가 발생 이익에 대하여 추정하였으며, 개정된 풍력발전 REC를 적용하였다.
특히, 풍력발전의 불연속 발전에 따른 안정적 운영 및 수용한계증대를 위하여 김영환[4]이 제안한 풍력설비의 10~20%를 ESS 연계용량으로 한정하였고, 그 외 나머지 ESS 용량은 태양광 설비와 연계하여 각 연도별 건설비와 변동비를 도출하였다.
합으로 구성이 된다. 풍력발전과 연계된 C_W-ESS는 풍력발전의 출력안정성을 위하여 요구되는 ESS 설비용량을 설정하여야 하므로, 현재 제주도 풍력발전에 연계중인 ESS의 설비용량 비율 RWind을 준용하였다. 연도별 ESS의 발전량의 합 G를 도출한 후, 신재생에너지와 연계된 ESS를 포함한 REC 수익을 분석하기 위하여, 각 전원의 REC 가중치 W_W-ESS, W_S-ESS를 적용한, 총 REC를 도출하였다.

이론/모형

ESS 모형을 기반으로 도출된 결과의 경제성 분석과 관련하여, 김형택[6] 및 박형준[7]이 경제성 분석에 이용한 자본회수계수(CRF, Capital Recovery Factor)를 발전원가 계산에 이용하였다.

성능/효과

ESS 용도에 따라서 발전용, 전력수요 조절용으로 나누어서 ESS 보급을 위한 투자비용을 산출한 결과, 각 용도별 비용이 차등적으로 발생하였으며, 이는 각 용도별 ESS의 단위용량에 따라 설비 증설대수가 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 그러므로 전력수요관리를 위해서는 각 용도별 ESS에 대한 차등적인 정부의 지원이 필요하다.
본 논문에서는 2017년 이후의 풍력 REC 가중치에 대하여, 2018년 이후에는 ESS의 기술 성숙도와 경제성을 고려하여 가중치를 재산정 할 예정이므로, 본 논문에서는 2018년 이후의 가중치는 4.5로 변동이 없다는 가정 하에 발전사업자의 경제성을 분석하였고, 기존 풍력 REC를 고려하였을 경우보다 약 30% 정도 수익 개선이 된 것을 알 수 있으며, 2017년 이후의 풍력 REC 가중치에 대한 민감도 분석이 필요함을 시사하고 있다.

후속연구

신재생에너지 평균발전단가가 약 25% 상승한 것을 알 수 있으며, 이에 따른 추가적인 정부의 제도 지원이 필요함을 시사하고 있다.
본 절에서는 ESS 도입에 다른 비용을 고려한 6차 전력수급기본계획 상의 비용을 추정하였다. 표 8의 신재생에너지 발전단가를 보면, 1 절에서 도출한 ESS의 발전단가가 전체 신재생에너지의 평균 발전단가보다 약 25% 비용이 높은 것을 알 수 있으며, ESS 보급 촉진을 위하여 추가적인 보급지원정책이 필요함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ESS란?	그 중전력피크 관리에 효과적인 수단이자 신성장동력 산업인 전력저장장치(ESS, Energy Storage System)의 중요성이 부각되고 있다. ESS는 남는 전력을 저장하여 피크시간대에 쓸 수 있도록 해주는 전력공급장치이며, 경부하시에는 남는 전력을 저장하고, 과부하시에는 부하평준화, 전력운영 최적화를 할 수 있다. 일본, 미국 등 선진국은 ESS의 중요성을 인식하고 전력수급 안정화, ESS 산업육성을 위한 보급사업 및 인센티브 정책을 추진하고 있다.
	경부하시에 ESS가 할 수 있는 것은?	그 중전력피크 관리에 효과적인 수단이자 신성장동력 산업인 전력저장장치(ESS, Energy Storage System)의 중요성이 부각되고 있다. ESS는 남는 전력을 저장하여 피크시간대에 쓸 수 있도록 해주는 전력공급장치이며, 경부하시에는 남는 전력을 저장하고, 과부하시에는 부하평준화, 전력운영 최적화를 할 수 있다. 일본, 미국 등 선진국은 ESS의 중요성을 인식하고 전력수급 안정화, ESS 산업육성을 위한 보급사업 및 인센티브 정책을 추진하고 있다.
	최근 고유가, 낮은 전기요금, 이상기온 등으로 인한 전력수요가 매년 증가 추세에 있는 이유는?	최근 고유가, 낮은 전기요금, 이상기온 등으로 인한 전력수요는 매년 증가 추세에 있다. 이는 소득증가와 삶의 질 향상, ICT 서비스 고도화 등에 따라 새로운 전력수요가 증가하기 때문이다. 정부는 이러한 수요증가를 위한 대책으로 부하관리, 전기요금 제도개선, 스마트그리드 조기 확산 등의 수요관리 계획을 하고 있다(지식경제부, 제6차 전력수급기본계획).

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
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Jeong-woo Ha, Suduk Kim, "A Study on the Wind Power Generation and Its Economic Feasibility at Daekwanryung", Journal of Energy Engineering, Vol. 14, No. 2, pp. 123-132 (2005)
Song, Ji-Young, et al. "Supercapacitor Applications for System Stabilization and Efficiency Improvement on DC Railway System." Journal of IKEEE 13.1 (2009): 49-56.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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