[논문]PV연계형 ESS의 설치 규모에 따른 수익영향

김창수; 최상봉

doi:10.21218/cpr.2020.8.3.086

PV연계형 ESS의 설치 규모에 따른 수익영향
Profitability Analysis of ESS with PV Generation 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.8 no.3, 2020년, pp.86 - 93

김창수 (전력망연구본부, 한국전기연구원) , 최상봉 (전력망연구본부, 한국전기연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The investment in solar and wind generation is rapidly increasing with government's renewable expansion policy and Renewable Portfolio Standard (RPS). Since the large penetration of solar and wind generation increases the variability and uncertainty of supply and demand balance in power system, the government is pursuing the policy of supplying energy storage system (ESS) linked to renewable energy. ESS contributes to the ease of transmission and distribution grid by shifting PV generation from daytime to evening hours. Recently, the declining market price of REC as ESS incentive, policies to cut down incentives and limited ESS storage due to fire events lead to the aggravation of long-term profitability, thus working as a barrier of ESS spreading. In this study, the factors affecting the profit of ESS are analyzed and brief indicators are derived. Based on the indicators, the profit changes are analyzed considering the variation of REC market price and REC incentive weights. Based on the profit change with respect to the increase of ESS capacity, economical ESS installation capacity is suggested.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Price change trend of SMP. REC
그림 Fig. 2. The change of average SMP by year
그림 Fig. 3. Specific date PV output curve by year
표 Table 1. ESS Distribution by Use (2018 Yr)
그림 Fig. 4. Daily utilization curve variation (2018 year)
그림 Fig. 5. Duration Curve of Daily Utilization
그림 Fig. 6. Daily generation duration curve (based on PV100 kW)
그림 Fig. 7. Annual Utilization by ESS Installation Capacity
그림 Fig. 8. NPV operating revenue per ESS capacity during life cycle (REC weight 1.0 of PV, REC weight 5.0 of ESS, won/kWh_ESS)
그림 Fig. 9. NPV operating revenue per ESS capacity during life cycle (REC-weighted 1.0 of PV, won/kWh_ESS)
그림 Fig. 10. Effect of ESS Installation on Peak Power Savings
그림 Fig. 11. Excess revenue for ESS

AI 본문요약
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문제 정의

2014~2017년 자료 (2018년은 ESS에 의한 왜곡으로 제외)를 바탕으로 산정하면 6 시간 PV발전량은 일일 발전량의 약 75%이다. 따라서 논문에서는 ESS에 저장할 수 있는 전력량으로 일일 발전량의 75%를 최대 충전가능 전력량으로 산정한다.
본 논문에서 ESS 운영의 경제성 핵심요소에 대한 도출과 이의 변화를 시나리오로 분석하여 사업자의 현실적인 운영과 투자방향 및 효율적인 ESS운영에 대하여 제시였으며, PV발전량과 비교하여 과잉으로 투자된 ESS의 판단 및 다른 용도로 활용하여 새로운 수익 방향을 제시하였다.
본 논문은 수년간의 태양광 발전패턴의 실적을 바탕으로 PV 연계 ESS의 운영 현황 및 정부 지원제도를 기준으로 경제적인 투자 및 운영방안에 대하여 제시한다. ESS 수익성에 영향을 주는 소요의 분석을 통하여 PV 발전 용량에 대비한 ESS 설치용량의 수준을 산정한다.
PV연계 ESS에 대한 선행 연구논문은 전체 시간대의 일일 충전, SMP 가격 변화, REC 가중치에 따른 충방전 이용률을 산정하여 PV+ESS의 운영특성과 경제성을 분석하였다. 본 연구논문은 PV연계(풍력연계 포함) ESS에 대한 REC 인센티브 정책에 따라 설치된 용량을 최대한 이용하는 관점에서 경제성에 영향을 주는 요소를 상세하게 분석하였다. 이를 바탕으로 ESS의 경제성에는 SMP 가격변동 영향요소를 제외하는 분석 방안을 제공함으로써 ESS 보급에 직접적인 영향을 주는 REC가격 변동과 인센티브 가중치 수준의 영향분석을 통하여 ESS의 신규 정책대안을 분석하는 방안을 제시하였다.
본 연구에서는 PV와 연계하여 운영하는 ESS를 대상으로 수익을 유지할 수 있는 적정 규모를 제시하고. 규모에 따른 수익영향 분석을 통하여 개선방안을 제시한다.
기존 전력계통에서 ESS는 원자력과 연계하여 부하가 낮은 심야시간에 원자력의 잉여 발전출력을 이용하기 위하여 도입하였다. 심야시간의 낮은 전력수요에서 발생하는 발전기의 잉여 전력을 저장하여 전력수요가 높은 주간 시간에 발전하기 위하여 저장에너지당 투자비용이 낮은 대규모 양수발전을 ESS로 활용하기 위하여 건설하였다. 최근에는 재생에너지인 풍력발전과 태양광발전으로 공급되는 변동성 전원의 특성에 의한 계통운영 제약을 완화하기 위하여 ESS를 도입하고 있으며, 입지제약이 있는 양수발전과 대비하여 입지제약에서 자유롭고 소규모로 설치가 가능한 고성능 저장배터리를 활용하여 소규모로 분산하여 수요지에 ESS를 설치하고 있다.

가설 설정

산정은 ESS 공급에 의한 수입에서 PV에서 계통으로 직접공급 감소에 따른 수입감소를 고려한다. Eff_dischr를 98% 적용시 SMP수입 변화는 SMP_T1과 SMP_T2의 차이에 따라 달라지며, SMP_T2를 2% 높은 것으로 적용하면 전체적으로 PV에서 직접 계통공급에 따른 SMP수입과 ESS를 통하여 공급하는 경우에 손실반영, SMP차이 반영을 고려하면 SMP에 의한 편익은 상쇄되고 없는 것으로 가정하였다.

제안 방법

본 논문은 수년간의 태양광 발전패턴의 실적을 바탕으로 PV 연계 ESS의 운영 현황 및 정부 지원제도를 기준으로 경제적인 투자 및 운영방안에 대하여 제시한다. ESS 수익성에 영향을 주는 소요의 분석을 통하여 PV 발전 용량에 대비한 ESS 설치용량의 수준을 산정한다. 여기에는 REC 가격의 불확실성과 PV발전 불확실성에 대한 영향, ESS 설치비용 수준 등을 기준으로 수익성 확보방안을 제시한다.
0으로 설정하여 분석한다. ESS 전력을 방전하여 계통에 공급하는 경우 배터리 방전손실, PCS변환손실 등으로 종합적인 손실계수로 Eff_dischr는 본 논문에서는 98%를 적용하였다.
본 연구에서는 PV와 연계하여 운영하는 ESS를 대상으로 수익을 유지할 수 있는 적정 규모를 제시하고. 규모에 따른 수익영향 분석을 통하여 개선방안을 제시한다.
특히, 충전시간대 제약, ESS 화재사고 후속 조치로 정부의 ESS충전량 제한정책이 ESS 사업자에 미치는 영향에 대하여 분석한다. 또한, PV보급량에 연계한 ESS보급에 의한 PV피크출력 절감을 산정하여 효율적인 운영방안을 제시한다.
실제 운영에서는 가용용량을 기준으로 산정하며, kWh당 설치비용 대비하여 18~33% 투자비용 증가의 효과가 있다. 본 논문은 가용용량 기준으로 용량과 비용을 산정하며, 이를 바탕으로 설치용량과 설치비용 변환은 ESS 용량의 가용률을 적용하여 보완한다.
ESS 수익성에 영향을 주는 소요의 분석을 통하여 PV 발전 용량에 대비한 ESS 설치용량의 수준을 산정한다. 여기에는 REC 가격의 불확실성과 PV발전 불확실성에 대한 영향, ESS 설치비용 수준 등을 기준으로 수익성 확보방안을 제시한다. 특히, 충전시간대 제약, ESS 화재사고 후속 조치로 정부의 ESS충전량 제한정책이 ESS 사업자에 미치는 영향에 대하여 분석한다.
개인간 전력거래(P2P 거래) 도입과 마이크로그리드, DC그리드 등과 접목하여 자유롭게 거래를 할 수 있는 플랫폼을 개발하고 있으며, 여기에 핵심 전원으로 태양광, ESS, 전기차의 V2G 운용 등이 있다. 여기에서 태양광 연계 ESS의 활용전략과 정책 방안에 대해서도 분석한다.
본 연구논문은 PV연계(풍력연계 포함) ESS에 대한 REC 인센티브 정책에 따라 설치된 용량을 최대한 이용하는 관점에서 경제성에 영향을 주는 요소를 상세하게 분석하였다. 이를 바탕으로 ESS의 경제성에는 SMP 가격변동 영향요소를 제외하는 분석 방안을 제공함으로써 ESS 보급에 직접적인 영향을 주는 REC가격 변동과 인센티브 가중치 수준의 영향분석을 통하여 ESS의 신규 정책대안을 분석하는 방안을 제시하였다.
PV 전력을 계통에 공급하기 위해서는 전력변환장치(PCS)를 통하여 AC로 변환한 후에 공급되나, ESS에 충전은 PV전력을 변환 없이 충전하게 된다. 이에 따라 계통에 공급되는 전력량 기준으로 산정하고, 배터리 충전효율과 PV전력의 PCS 변환효율을 반영하면 PV에서 계통공급과 PV에서 ESS 공급에 대한 효율 차이를 무시하여 Eff_chr는 1.0으로 설정하여 분석한다. ESS 전력을 방전하여 계통에 공급하는 경우 배터리 방전손실, PCS변환손실 등으로 종합적인 손실계수로 Eff_dischr는 본 논문에서는 98%를 적용하였다.
최근 ESS화재 발생으로 인하여 화재 안전성 확보를 위하여 정부규제로 완전충전을 옥내 80%, 옥외 90%로 충전율 제한을 시행하고, 이를 초과한 운영에 대해서는 가중치를 0으로 조정하는 신재생에너지 공급의무화제도(RPS) 관리운영 지침을 개정하여 시행한다. 이를 적용하면 ESS의 가용용량은 옥내설치는 90%에서 75%로 감소하며, 옥외설치는 90%에서 85%로 감소한다.
여기에는 REC 가격의 불확실성과 PV발전 불확실성에 대한 영향, ESS 설치비용 수준 등을 기준으로 수익성 확보방안을 제시한다. 특히, 충전시간대 제약, ESS 화재사고 후속 조치로 정부의 ESS충전량 제한정책이 ESS 사업자에 미치는 영향에 대하여 분석한다. 또한, PV보급량에 연계한 ESS보급에 의한 PV피크출력 절감을 산정하여 효율적인 운영방안을 제시한다.

성능/효과

최근 ESS화재 발생으로 인하여 화재 안전성 확보를 위하여 정부규제로 완전충전을 옥내 80%, 옥외 90%로 충전율 제한을 시행하고, 이를 초과한 운영에 대해서는 가중치를 0으로 조정하는 신재생에너지 공급의무화제도(RPS) 관리운영 지침을 개정하여 시행한다. 이를 적용하면 ESS의 가용용량은 옥내설치는 90%에서 75%로 감소하며, 옥외설치는 90%에서 85%로 감소한다. ESS가용은 최소충전량과 최대충전량 사이에서 운전하게 되므로 ESS 가용용량은 다음과 같다.
2014에서 2017년까지는 PV단독 공급이 대부분을 차지하였으며, 2018년 PV-ESS의 급격한 증가로 충전 시간대인 10:00에 태양광 충전에 따른 계통공급 감소 및 저녁시간에 ESS를 통한 전력공급이 이루어지고 있다. 이에 따라 Fig. 3과 같이 PV용량 대비 70% 출력에서 57% 출력으로 최대출력 기준으로 20% 감소하여 배전망 및 송전망 부담을 경감 하였다.

후속연구

태양광과 ESS의 보급, 전기자동차의 충전시스템 등 직류(DC)전력을 중심으로 구성되고 있으므로, 향후 전력시스템은 교류(AC) 배전망에서 DC 배전망으로 변화가 예상된다. 개인간 전력거래(P2P 거래) 도입과 마이크로그리드, DC그리드 등과 접목하여 자유롭게 거래를 할 수 있는 플랫폼을 개발하고 있으며, 여기에 핵심 전원으로 태양광, ESS, 전기차의 V2G 운용 등이 있다.

참고문헌 (10)

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Kim, C. S., Yoo, T. H., Rhee, C. H. "The profitability analysis of BESS installation with PV generation under RPS," Journal of Energy Engineering, Vol. 26, No. 4, pp. 107-117, 2017.
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Chen, C., Duan, S., Cai, T., Liu, B., Hu, G., "Optimal allocation and economic analysis of energy storage system in microgrids," IEEE Transactions on Power Electronics, Vo. 26, No. 10, pp. 2762-2773, 2011.

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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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