[논문]체코 열병합발전소 주파수조정용 배터리에너지저장장치 경제성 분석

김유탁; 차동민; 정수안; 손상학

doi:10.5855/energy.2020.29.2.068

초록
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신 기후변화협약에 따라 전 세계적으로 온실가스를 저감하는 기술개발이 활발하게 이뤄지고 있으며, 발전·송배전 분야에서 에너지효율향상에 대한 연구가 진행되고 있다. 에너지저장장치를 이용해 잉여전기를 저장하고 전기를 공급하는 운영방식에 대한 경제성 분석, 지역단위 열 병합 발전소에서 주파수조정예비력으로 에너지저장장치를 활용하는 것이 가장 수익이 높은 운영방안으로 보고되었다. 이에 본연구에서는 체코의 열병합발전소를 대상으로 에너지저장장치 설치를 위한 경제성 분석을 실시하였다. 배터리에너지저장장치의 경제성 평가에 있어 가장 중요한 요소는 수명으로 일반적으로 1일 1회 충·방전을 기준으로 보증수명은 10~15년으로 알려져 있다. 시뮬레이션을 위해 배터리와 PCS의 비율은 1:1, 1:2로 설계하였다. 일반적으로 Primary 주파수조절용의 경우 1:4로 설계를 하지만, 열병합발전소의 특성을 고려하여 최대 1:2의 비율로 설정하였으며, 각각의 비율에 맞게 용량을 1MW~10MW, 2MWh~20MWh로 시뮬레이션을 실시하여 연간 사이클 횟수를 기준으로 수명을 평가하였다. 체코의 열병합 발전소에 배터리에너지저장장치를 설치하는 사업은 현지 인프라와 전력시장을 고려할 경우 투자 회수 기간은 3MW/3MWh가 5MW/5MWh보다 유리하다. 보조금 없이 예상 구매 가격을 고려한 간단한 투자회수기간에서 약 3년, 약 5년으로 산정되었으며, 구입비용이 전체 평생 동안 비용의 중요한 부분이기 때문에 구매가격을 50 % 낮추면 약 절반 정도의 회수 기간이 단축 될 수 있지만, 3MWh와 5MWh의 규모에 경제를 통해 수익성 확보는 불가능하다. 전력시장의 가격이 50% 하락하면 투자 회수기간은 P1 모드에서는 3년, P2 및 P3 모드에서는 2년 더 길어진다. 배터리에너지저장시스템과 발전기의 결합으로 인한 절감액의 변화에 대한 민감도 분석은 전제 범위 내에서 회수 기간에 큰 영향을 미치지 않으며, 보조금 15%를 받는 기준에서 3MW 시스템의 총 비용은 66,923,000 CZK이며, 편익은 모드에 따라 244,210,000 ~ 294,795,000 CZK이며, 비용회수기간은 3~4년이다. 동일한 기준에서 5MW 시스템의 경우 총 비용은 101,320,000 CZK이며, 편익은 모드에 따라 253,010 ~ 281,411,000 CZK로 나타나며, 비용회수기간은 5~6년이다. 체코에서 배터리에너지저장시스템은 MWh당 1년에서 1.2년의 투자회수기간이 발생하는 것을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

According to the new climate change agreement, technology development to reduce greenhouse gases is actively conducted worldwide, and research on energy efficiency improvement in the field of power generation and transmission and distribution is underway [1,2]. Economic analysis of the operation met...

According to the new climate change agreement, technology development to reduce greenhouse gases is actively conducted worldwide, and research on energy efficiency improvement in the field of power generation and transmission and distribution is underway [1,2]. Economic analysis of the operation method of storing and supplying surplus electricity using energy storage devices, and using energy storage devices as a frequency adjustment reserve power in regional cogeneration plants has been reported as the most profitable operation method [3-7]. Therefore, this study conducted an economic analysis for the installation of energy storage devices in the combined heat and power plant in the Czech Republic. The most important factor in evaluating the economics of battery energy storage devices is the lifespan, and the warranty life is generally 10 to 15 years, based on charging and discharging once a day. For the simulation, the ratio of battery and PCS was designed as 1: 1 and 1: 2. In general, the primary frequency control is designed as 1: 4, but considering the characteristics of the cogeneration plant, it is set at a ratio of up to 1: 2, and the capacity is simulated at 1MW to 10MW and 2MWh to 20MWh according to each ratio. Therefore, life was evaluated based on the number of cycles per year. In the case of installing a battery energy storage system in a combined heat and power plant in the Czech Republic, the payback period of 3MW / 3MWh is more favorable than 5MW / 5MWh, considering the local infrastructure and power market. It is estimated to be about 3 years or 5 years from the simple payback period considering the estimated purchase price without subsidies. If you lower the purchase price by 50%, the purchase cost is an important part of the cost for the entire lifetime, so the payback period is about half as short. It can be, but it is impossible to secure profitability through the economy at the scale of 3MWh and 5MWh. If the price of the electricity market falls by 50%, the payback period will be three years longer in P1 mode and two years longer in P2 and P3 modes.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Power Generation capacity by combined heat & power Plant
그림 Fig. 2. Heat generation capacity by combined heat & power Plant
그림 Fig. 3. 2005년부터 2017년까지의 독일과 체코의 전력요금의 변화
그림 Fig. 4. 2040년까지의 전력시장에 따른 요금전망
표 Table 1. 체코의 전일 전력시장 가격통계
표 Table 2. 체코의 당일 전력시장 가격통계
표 Table 3. 체코 전력밸런스 시장 가격통계
표 Table 4. 체코 전력 불균일 보상시장 가격통계
그림 Fig. 5. 발전기의 분당 출력 그래프
표 Table 5. 배터리에너지저장장치 용량별 시뮬레이션 결과
표 Table 6. 배터리에너지저장시스템의 경제성 분석 파라미터
표 Table 7. 배터리에너지저장시스템의 경제성 분석 변수
표 Table 8. 3MWh, 5MWh 배터리에너지저장시스템의 비용분석 단위 : 천 CZK, %
표 Table 9. 전체 수명동안의 비즈니스모델별 예상 수익 단위 : 천 CZK, %
그림 Fig. 6. PR 모델에서의 가격 곡선(년)
그림 Fig. 7. SR 모델에서의 가격 곡선(년)
표 Table 10. 배터리에너지저장장치의 용량별 비용편익 및 투자회수 기간 기준 비용 : 650,000 € / MW, 단위 : 천 CZK, 보조금 : 시스템 비용의 15%

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 이러한 국내의 다양한 실증경험을 바탕으로 해외를 대상으로 배터리에너지저장시스템 실증을 위한 용량산정, 전력시장 연계운영 시뮬레이션 등 경제성 분석을 통해 타당성을 제시하였다.
전 세계적으로 신재생에너지의 보급비율이 가장 높은 유럽은 2014년부터 유럽 국가간 전력망의 연계를 추진하고 있으며, 우리와 에너지믹스가 유사한 체코는 기후변화협약(UNFCCC) 가입국이며, EU의 회원국에 대한 연간 온실가스배출 목표에 따라 EU 배출권거래제도(EU-ETS)가 적용되는 분야에서 2030년까지 2005년 대비 배출량을 43% 감축해야 한다.체코 전력 발전의 주요 에너지원은 석탄으로, 석탄의 체코 생산 감소 및 탄소배출량 문제로 석탄의 비중을 줄이고 원자력과 신재생에너지의 발전 비중을 늘리기 위해 에너지 효율을 20% 향상이 목표이다. 특히 체코는 폴란드, 독일, 오스트리아, 슬로바키아와 전기를 거래하고 있으며, 수출이 수입보다 많은 전력 수출국이다.

가설 설정

∙ 기존 장비의 운영 최적화 : AnS에 참여하지 않고 기존 장비의 운영 최적화만으로는 충분한 이익을 창출하지 못한다.
∙ 전기 시장의 불균형에 대한 보상 모드에서의 운영 : 균형 시장에서의 사용 또는 불균형의 형태는 양의 에너지와 음의 에너지 사이에 비교적 유리한 가격 차이를 제공. 그러나 그것은 상대적으로 소량을 요구하는 단일 구매자에 의존하고 규제에너지 그룹을 포함한 규제 전기는 연간 약 3,500 시간만 요구.
∙ 축적 유연성 제공 : 적어도 2025 년까지 중기적으로 이익이 되지 않음. 비상 공급은 배분자나 자치 정부가 요구하는 서비스가 아니기 때문에 사용성이 낮다.

제안 방법

대안 A는 배터리에너지저장시스템 3MW/3MWh, B는 5MW/5 MWh로 운영 모드 P1 (PR(Primary Regulation)만 제공), P2 (SR(Secondary Regulation)만 제공), P3 (PR과 SR의 조합)으로 연간 총 수익에는 특히 배터리에너지저장시스템에서 제공하는 부수적 서비스의 수익이 포함하였다. 이는 배터리에너지저장시스템 전체 수명 기간 동안 개별 연도에 시뮬레이션으로 서비스로부터의 수익은 ①연간 소득(관련 AnS 범주에 따라 서비스를 유지하기위한)과 ②규제 에너지 공급으로 인한 소득으로 분석하고, 에너지 교환의 상황을 감안할 때 전력 구매 및 판매시 전력 가격 차이에 대한 잠재적 수익은 고려하지 않음 시스템의 기술, 구성, 기본 경제변수, 원 회수의 계산을 기반으로 한 비용 및 수익에 대한 간략한 분석 수행하였다.
본 연구는 난방 시설에 대한 요구 사항과 목표를 고려할 때 배터리 시스템을 통한 전기 누적만을 다루며, 난방 시설의 전기 축적은 다음과 같은 운영 모드에서 사용한다.
대안 A는 배터리에너지저장시스템 3MW/3MWh, B는 5MW/5 MWh로 운영 모드 P1 (PR(Primary Regulation)만 제공), P2 (SR(Secondary Regulation)만 제공), P3 (PR과 SR의 조합)으로 연간 총 수익에는 특히 배터리에너지저장시스템에서 제공하는 부수적 서비스의 수익이 포함하였다. 이는 배터리에너지저장시스템 전체 수명 기간 동안 개별 연도에 시뮬레이션으로 서비스로부터의 수익은 ①연간 소득(관련 AnS 범주에 따라 서비스를 유지하기위한)과 ②규제 에너지 공급으로 인한 소득으로 분석하고, 에너지 교환의 상황을 감안할 때 전력 구매 및 판매시 전력 가격 차이에 대한 잠재적 수익은 고려하지 않음 시스템의 기술, 구성, 기본 경제변수, 원 회수의 계산을 기반으로 한 비용 및 수익에 대한 간략한 분석 수행하였다. 총 수익에 영향을 미치는 가장 중요한 매개 변수를 식별하고 민감도 분석을 수행하여 그러한 매개 변수의 수익에 대한 민감성이 얼마나 중요한지 확인하였으며, 수익의 계산에 영향을 미치는 가장 중요한 변수는 구매 가격과 대안 비용의 변화, 규제 서비스 가격의 변화를 포함하고 있다.
일반적으로 Primary 주파수조절용의 경우 1:4로 설계를 하지만, 열병합발전소의 특성을 고려하여 최대 1:2의 비율로 설정하였으며, 각각의 비율에 맞게 용량을 1MW∼10MW, 2MWh∼20MWh로 시뮬레이션을 실시하여 연간 사이클횟수를 기준으로 수명을 평가하였다.

성능/효과

결과적으로 1MW/1MWh 구성의 경우 30∼50% 범위 내에 사용하는 것이 가장 긴 수명으로 이용하는 것이 가장 이상적인 운영모델이라는 것을 알 수 있다.
배터리 저장 시스템의 구축, 설치에 대한 투입 비용과 연간 운영비용 및 수익을 포함하여 전체 투자프로젝트와 관련한 SPP(Simple Payback Period) 계산을 기반으로 분석 모델은 할인율이 다른 여러 대안에서 할인회수기간(DPP)을 계산하여 보완하였으며, 결과는 SPP 계산의 경우 보다 더 현실적이고 유용하다.
체코의 열병합 발전소에 배터리에너지저장장치를 설치하는 사업은 현지 인프라와 전력시장을 고려할 경우 투자 회수 기간은 3MW/3MWh가 5MW/5MWh보다 유리하다. 보조금 없이 예상 구매 가격을 고려한 간단한 투자 회수기간에서 약 3년, 약 5년으로 산정되었으며, 구매가격을 50 % 낮추면 구입비용이 전체 평생 동안 비용의 중요한 부분이기 때문에 약 절반 정도의 간단한 회수 기간이 단축될 수 있지만, 3MWh와 5MWh의 규모에 경제를 통해 수익성 확보는 불가능하다. 전력시장의 가격이 50% 하락하면 투자 회수기간은 P1 모드에서는 3년, P2 및 P3 모드에서는 2년 더 길어진다.

후속연구

지역난방사업소의 열수요 패턴은 국가 전력계통에 총 전력부하 패턴과 다르므로 에너지저장장치를 지역난방용 CHP에 설치하여 활용하면 난방기 첨두부하의 절감이 가능하다는 것이다. 이러한 국내 실증사례를 통해 배터리에너지저장장치에 대해 해외 수출모델로 활성화 될 것으로 예상된다.
결국 전력공급의 불균형 패널티와 에너지저장장치를 활용한 보상 방법에 대한 경제성 분석이 필요하다. 이러한 분석을 위해서는 배터리에너지저장장치의 용량, 활용빈도, 사용 수명 등 다양한 요소를 검토하고 최적화 하는 것이 필요하다.
향후 체코의 전력시장은 1일전 전력시장이 전체시장의 90%를 차지할 것이며, 장기적으로 석탄발전의 수요는 감소하고, 퀵스타트가 가능한 가스엔진이나 터빈으로 교체되면서 용량이 적은 MZ15+ 가격이 증가할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배터리에너지저장장치의 적용분야는 어떻게 확대되고 있나?	신 기후변화협약에 따라 전 세계적으로 온실가스를 저감하는 기술개발이 활발하게 이뤄지고 있으며, 특히 발전분야에서 에너지효율향상에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다[1, 2]. 특히 배터리에너지저장장치의 적용분야가 신재생에너지, 마이크로그리드에서 전력계통을 구성하는 발전, 송·배전, 수용가로 확대되고 있다. 국내에서는 2013년부터 피크저감, 주파수조절용, 신재생연계용 등 다양한 분야에서 배터리에너지저장장치를 적용하는 사업이 추진되었으며, 최근에는 발전소를 대상으로 잉여전력을 저장하여 발전의 효율을 향상시키는 에너지저장장치 활용에 대한 연구가 보고되고 있다.
	체코의 열병합 발전소에 배터리에너지저장장치를 설치하는 사업은 어떻게 진행되는게 유리한가?	체코의 열병합 발전소에 배터리에너지저장장치를 설치하는 사업은 현지 인프라와 전력시장을 고려할 경우 투자 회수 기간은 3MW/3MWh가 5MW/5MWh보다 유리하다. 보조금 없이 예상 구매 가격을 고려한 간단한 투자 회수기간에서 약 3년, 약 5년으로 산정되었으며, 구매가격을 50 % 낮추면 구입비용이 전체 평생 동안 비용의 중요한 부분이기 때문에 약 절반 정도의 간단한 회수 기간이 단축될 수 있지만, 3MWh와 5MWh의 규모에 경제를 통해 수익성 확보는 불가능하다.
	에너지효율향상에 대한 연구에서, 가장 수익이 높은 운영방안으로 보고되는것은?	신 기후변화협약에 따라 전 세계적으로 온실가스를 저감하는 기술개발이 활발하게 이뤄지고 있으며, 발전·송배전 분야에서 에너지효율향상에 대한 연구가 진행되고 있다. 에너지저장장치를 이용해 잉여전기를 저장하고 전기를 공급하는 운영방식에 대한 경제성 분석, 지역단위 열 병합 발전소에서 주파수조정예비력으로 에너지저장장치를 활용하는 것이 가장 수익이 높은 운영방안으로 보고되었다. 이에 본연구에서는 체코의 열병합발전소를 대상으로 에너지저장장치 설치를 위한 경제성 분석을 실시하였다.

참고문헌 (7)

Ju-Gang Lee, Sung-Sik Choi, Min-Kwan Kang, Dae-Seok Rho, 2017, A Study on The Performance Verification and Economic Evaluation of ESS for Frequency Regulation Application, KAIS, Vol. 18, No. 5, pp. 738-744
Sung-Min Cho, Hee-Sang Shin, Jae-Chul Kim, 2012, Modeling of Battery Energy Storage System at Substation for Load Leveling and Its Economic Evaluation, KIEE, Vol. 61, No. 7, pp. 950-956

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Joon-Young Choi, Jong-Hyun Lee, Jong-Wook Ahn, Won-Suk, Ko, Jun-Hee Hong, 2009, Economic Analysis of Energy Storage system for Power System in Jeju, KIIEE, Vol. 23, No. 8, pp. 104-109
SangKyun Kang, EunKyu Lee and JangHo Lee, 2014, Power and Economic Simulation of island for the field demonstration test of smart microgrid system based on stand-alone wind power, New & Renewable Energy, Vol. 10, No. 3, pp. 22-30
Jae-Gul Lee, Jeong-Hoon Shin, Young-Do Choy, Su-Chul Nam, Tae-Kyun Kim, 2009, A study on the method to evaluate minimum capacity of energy storage system(ESS) for Micro-Grid design, KIIEE, Vol. 23, No. 10, pp. 52-58
Seok-Hwan Song, Byung-Ki Kim, Seung-Teak Oh, Kye-Ho Lee, Daeseok Rho1, 2014, Economic Evaluation Algorithm of Energy Storage System using the Secondary Battery, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 15, No. 6 pp. 3813-3820

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Jaekyun Ahn (2016), Enhancing the usability of ESS installed on CHP for district heating, Korean Energy Economic Review, Vol. 15, No. 2, pp. 189-223

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