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ESS 플랫폼 산업동향

  • 등록 2018.12.07 15:43:08
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[첨단 헬로티]

 

ESS와 EMS 통합한 통합 플랫폼 확산


정책을 개발하고 기업 간 협업을 통해 ESS의 확대보급을 위한 글로벌 사업화모델 발굴에 주력할 필요가 있다. 아울러 신재생에너지원에 대한 업계의 수용성을 확대하기 위해서는 ESS의 에너지 전달시스템에 대한 영향성 분석을 통해 신뢰도 및 안정성을 향상시킬 수 있는 지속가능한 전략이 필요하다.


Ⅰ. 서언


2015년 말 파리기후협약(COP 21) 체결 이후 세계 각국은 화석연료 사용으로 인한 온실가스 대량방출의 주원인으로 지목되어온 석탄화력 발전소의 신규 건설 및 투자를 거의 중단시키고 있는 상황이다. 이에 대한 복합적인 대안으로 ESS(Energy Storage System : 에너지저장시스템) 개발에 주력하고 있다. 이는 효율적인 투자비용과 단시간의 구축기간에 유휴 전력에너지를 효율적으로 저장·관리함으로써 전력부하 평준화, 전력계통 안정화 및 능동적인 전력 수급관리 등을 구현할 수 있다. 이러한 ESS의 장점들로 인해 향후 성장 가능성을 높이 평가되고 있는바 일본, 한국, 독일, 미국 등을 중심으로 미래 신성장 동력산업으로 적극 육성하고 있다. 


ESS 시스템은 핵심기술인 CAES(Compressed Air Energy Storage:압축공기저장)의 성능을 향상시키는 것이 중요하다. 에너지 수요가 낮은(off peak) 시간동안 생성된 에너지를 저장하였다가 높은 수요(peal load) 시간대에 모자라는 에너지를 충족시키기 위해 방출하여 에너지 효율성을 높일 수 있기 때문이다. 소규모 ESS 시스템은 오래전부터 광산의 기관차의 추진과 같은 용도로 사용되어왔다. 대규모 응용분야에서는 압축공기와 관련된 열에너지를 장시간 보존해야 하는 어려움이 있으며, 이때 발산된 열은 스토리지 시스템의 에너지 효율을 저하시킬 수 있어 이에 대한 대비책이 필요하다. 


특히 독일의 ESS 산업은 P2G(Power to Gas) 기술1)을 통해 생산된 수소와 메탄가스를 연료전지(fuel cell) 또는 가스터빈 등의 발전연료로 사용하거나, 연료전지자동차 및 CNG(Compressed Natural Gas:압축천연가스) 등의 수송연료로 사용하거나, 도시가스 망에 공급하여 가정용 연료로 재사용함으로써 에너지 효율성을 획기적으로 향상시켜가고 있다. 아울러 이를 통해 신재생에너지 이용률을 확대시켜 전력분야 이외에도 가스·수송·화학분야 등에도 사용하면서 커다란 파급효과를 낳고 있다[1]


다양한 에너지원으로부터 생산된 에너지를 효과적으로 저장하고 이를 통합 모니터링 할 수 있는 ESS 기술을 조기에 사업화하기 위해서는 핵심기술 개발과 적용도 중요하지만, 국내 법규 및 제도개선을 위한 정책이 뒷받침되어야 한다. 아울러 해외의 우수한 사업화모델을 벤치마킹 하여 국내 ESS 산업 환경에 맞는 비즈니스 모델을 개발할 필요가 있다.


Ⅱ. ESS의 에너지 효율화 이슈


1. 에너지 전달시스템의 개념

다양한 에너지원의 ESS의 통합 감시 및 제어기술을 구현하기 위해서는 TEMS(Total Energy-storage Management System)와 LPMS(Local Power Management System)를 이용한 에너지 전달시스템의 정상상태 및 과도상태 해석모델링2)을 통해 제어시스템의 운용 알고리즘을 개발하고 이를 검증할 수 있는 인프라가 필요하다[2]. TEMS와 LPMS를 이용한 에너지 전달시스템의 개념도를 그림 1에 나타낸다.


▲ 그림 1. TEMS와 LPMS를 이용한 에너지 전달시스템의 개념도


2. 에너지 전달시스템의 설계 및 계통연계

다양한 에너지원에 대한 ESS 실증 운용설비는 PCS (Power Conditioning System)와 배터리(이차전지)를 병렬로 구성하여 변전소로부터 계통연계설비(변압기 등)를 통해 모선에 접속된다. 


따라서 모든 PCS는 PQM (Power Quality Measure-ment) 시스템을 구축하여 전압 및 전류 등 모든 실증운용에 대한 데이터를 통합 분석할 수 있어야 한다. 아울러 LPMS는 상위 통합감시·제어시스템인 TEMS에 연계할 수 있어야 한다. 


이를 위해 PLC(Programmable Logic Control) 기반의 상용 제어시스템의 고속 응답특성을 구현할 수 있어야 하며, 연계운전 제어주기를 고려한 통신 네트워크를 구출할 필요가 있다. ESS의 TEMS/LPMS/PCS/배터리 구성도를 그림 2에 나타낸다. 이로써 부하이전을 통해 전력피크 저감과 아울러 육상풍력(On-shore) 및 해상풍력(Off-shore) 발전의 안정화를 구현하고자 하는 것이다[2].


▲ 그림 2. ESS의 TEMS/LPMS/PCS/배터리 구성도


3. 대용량 ESS의 PCS 구축

대용량 ESS에서 PCS의 핵심기능은 배터리의 직류전압(DC)을 계통에 맞는 교류전압(AC)으로 변환할 수 있어야 하며, 배터리의 충·방전을 효과적으로 제어할 수 있어야 한다. 아울러 응답속도 및 효율성을 충족하기 위해서는 다음과 같은 기능이 필수적으로 요구된다[2].


- ESS용 배터리 시스템의 고성능화를 위해 에너지 밀도를 획기적으로 증가시켜 실증운용을 통해 계통활용의 타당성이 입증되어야 한다.


- PCS 설비를 병렬로 구성하여 고속 응답속도를 보장할 수 있어야 한다.


- 돌발사고 등으로 인한 에너지 전달시스템의 전압이 순간적으로 하락되어도 연속운전이 가능해야 한다. 


이를 위해 LVRT(Low Voltage Ride Through) 또는 FRT(Fault Ride Through) 기능을 구비할 필요가 있다.


Ⅲ. 선진국의 ESS 확산정책


1. 개요

전력안정화를 위한 복합적인 대안으로 ESS 개발이 확산되고 있다. Sandia Lab.은 ESS 시장을 19가지로 분류하고 기술은 10여 가지(양수발전 제외)로 구분하고 있다. 


이처럼 ESS 시장과 기술을 다양하게 분류한 이유는 ESS의 방전 시간/용량/출력별로 응용시장이 달라지고 이에 따른 적용기술도 각기 다르기 때문이다. 아직까지 ESS 기술에 대한 검증이 완료되지 않았기 때문에 국가별, ESS 응용시장별로 10여 가지의 ESS 기술에 대해 실증을 진행하고 있는 상황이다. 이러한 ESS 설치 시 보조금을 지원해 주는 국가는 미국, 독일, 일본 및 한국 등 4개 국가이다. ESS 도입목적은 각 국가별로 조금씩 다르게 운영되고 있다. 국내외 주요국의 ESS 도입목적을 간단히 요약하면 다음과 같다[3][4].


- 미국은 신재생에너지(풍력, 태양광)가 확대됨에 따라 전력망의 안정화를 꾀하고, ESS를 통해 효율적으로 전력망을 운용하는 데 주목적을 두고 있다.


- 독일은 스마트 그리드 네트워크에 연결되는 태양광발전 비율이 급속도로 증가하면서 각 가정에서 발전한 태양광발전 전력이 차지하는 비중이 점차 높아지고 있다. 이에 그리드망의 안정화와 전력소비의 효율성을 향상시키기 위해 가정용 ESS의 보급과 산업육성에 주목적을 두고 있다.


- 일본은 후쿠시마 원전사고(2011년 3월 11일 발생) 이후 각 가정에서 자가발전을 통한 전력공급과 LIB(리튬이차전지) 산업 육성전략이 내포되어 있다.


- 한국은 피크전력(peak electric power)을 저감하고 신재생에너지 보급기반을 조성하여 초기 내수시장 육성을 통해 글로벌 시장진출을 위한 교두보를 마련하는 데 주력하고 있다.


2. ESS를 이용한 전력안정화 이슈

신재생에너지 분야에서 세계 최대 규모4)로 인정받고 있는 독일의 경우 특별한 ESS 도입배경을 갖고 있다. 2022년까지 17개의 모든 원자력 발전소를 단계적으로 완전 폐쇄하고, 재생에너지 육성을 위한 법안을 재정하면서 시작된 것이다.(2011년 6월 ‘13차 원자력법’ 개정) 특히 재생에너지법에서는 독일 내 전기 소비량에서 신재생에너지로 발전된 전력공급 비율을 2020년 35%, 2030년 50%, 2050년에는 80%까지 확대할 계획을 갖고 있다. 현재 독일은 신재생에너지 확대를 위해 풍력과 태양광을 집중적으로 확산시키고 있다. 


향후에는 해상풍력 도입을 위해 EU 차원에서 대규모의 고전압 스마트 그리드 네트워크를 확충할 계획이다. 독일의 태양광 발전량을 보면 태양광 대비 일일 전력생산 측면에서 변동성이 그리 크지 않기 때문에 풍력발전으로 인한 그리드망의 불안요인은 크지 않을 것으로 예상하고 있다. 독일이 이와 같이 소용량 태양광발전에 ESS를 연계하는 정책을 추진하는 이유는 ⅰ)독일 전역을 커버할 수 있는 내륙의 고전압 송배전망과 해상풍력의 송전망을 구축하는 데에는 대규모의 투자비용이 소요되기 때문에 태양광 발전까지 수용하는 그리드망에 대한 확충투자가 어려운 상황이다5)


ⅱ)또한 대형 태양광 발전 산업에서 ESS 적용기술에 대한 검증이 아직 완료되지 않았으며, ESS 도입을 위해서는 대규모의 보조금지급이 필요하기 때문이다6)[3][4]. 미국의 ESS 확산정책은 에너지 저장장치 구동용 베터리, CAES, 플라이 휠(flywheel) 기술개발에 집중적으로 실증연구를 진행하고 있다. 독일은 P2G, Battery, Heat Storage 중심의 에너지저장 기술개발 및 실증을 수행하고 있다. 이에 독일과 미국 두 나라 모두 공통적으로 에너지저장 기술로서 베터리를 중점적으로 개발하고 있지만 독일은 P2G에 더 많은 투자를 진행하고 있다. 그 이유는 태양광이나 풍력 에너지와 같이 출력변동성이 큰 신재생에너지의 보급이 급속도로 확대되고 있기 때문이다.


Ⅳ. ESS 산업과 RPS 제도


1. 개요

국내 신재생에너지원 중에서 가장 효과성이 있는 것으로 평가받고 있는 풍력(육상 및 해상)발전의 출력(생산량)을 에너지 전달시스템과 연계하여 성능을 만족시키기 위해 ESS를 설치하여 출력 변동을 제어할 수 있는 기술이 국내에서 개발되고 있다. 


이는 RPS 제도7)에 따라서 풍력발전기에 ESS를 설치하여 운영 시 REC가중치를 추가적으로 4를 인정해주는 것으로 규정하고 있다. 


REC 가중치를 확보하여 신재생에너지 공급인증서 거래에 따른 추가 수익을 확보할 수 있을 것이다. 아울러 ESS를 활용한 주파수 조정 시장의 규정 및 정산에 대한 연구가 수행중인바 ESS가 전력거래시장 중 보조서비스(주파수조정 예비력) 시장에 참여하여 새로운 비즈니스 모델을 창출할 수 있을 것으로 기대하고 있다[5].


2. RPS 제도

공급인증서 평균 거래가격의 150% 이내에서 불이행 사유가 발생하거나, 불이행 횟수 등을 고려하여 과징금을 부과하도록 규정되어 있다. 공급 의무량의 20% 이내에서 3년 내에서 연기가 허용된다. (2014년까지는 의무공급량의 30%까지 허용) 의무 공급량을 채우지 못한 기관의 공급의무자는 신재생에너지 공급 인정서(REC: Renewable Energy Certificate8))를 구매하여 의무공급량을 충족할 수도 있다[6]. 연도별 의무공급량 비율과 신재생에너지 공급인증서 가중치를 각각 표 1과 표 2에 나타낸다.


▲ 표 1. 연도별 의무공급량 비율


표 2. 2D/3D 레이저 스캐너 주요 제품 및 사양


3. 선진국의 ESS 정책 이슈

(1) 개요

독일정부는 석탄 및 갈탄화력발전소와 원자력발전소를 2022년까지 전량 폐쇄하고 부족한 전력(약 13GW)은 해상풍력(Off-shore), 복합가스발전, 육상풍력(On-shore) 및 태양광발전으로 충당할 계획을 발표한바 있다. 이를 핵심 에너지원별로 간단히 요약하면 다음과 같다[7][8].


- 육상풍력: 북부 내륙을 중심으로 10~15GW급 육상풍력발전소 구축 및 태양광발전에서 생산되는 전력의 자가소비 촉진정책 추진


- 해상풍력: 북부 해안을 중심으로 2030년까지 25GW 급 해상풍력발전소 및 복합가스발전소 15GW 구축


신규 해상풍력과 복합가스발전소를 통해 전력을 공급하기 위해서 2022년까지 송전망 3,800km을 구축하는 데 300~320억 유로(내륙 송전망 200억 유로, 해상풍력 그리드망 100~120억 유로), 2030년까지 배전망 확장을 위해서 250억 유로의 거대 예산을 투자할 계획이다.


(2) 유럽의 PCI 프로젝트

EU는 PCIs(Projects of Common Interest)를 통해 고전압 송전망 및 저장장치, 가스 파이프라인 등을 유럽연합 차원의 에너지 그리드(emergy grid)망을 확충할 계획이다[7][8]


2012년 기준, EU 27개국의 연평균 전력소비량 점유율 중 태양광발전 비중이2.6%를 차지한 것으로 나타났다. 이탈리아 6.7%, 독일 5.62%, 그리스 4.3%로 나타났다. 또한 순간적인 최대 전력소비에서 태양광발전 전력의 공급비율은 독일 45%, 이탈리아 38%, 그리스 26%로 나타났다[9]. 이처럼 태양광발전이 크게 기여하고 있지만 태양광발전운 날씨조건에 따라 순간적인 발전량의 변동폭이 크기 때문에 스마트 그리드 네트워크에 주파수 변동과 같은 악영향을 발생시킬 수 있다. 


독일에서는 태양광발전으로부터 스마트 그리드 네트워크를 안정화하기 위해 30kW 이하의 소 용량 태양광발전(특히 10kW 이하)의 가정용 태양광발전에 ESS를 연계하여 태양광발전에서 발생된 전기를 자가 소비하는 정책을 중심으로 추진하고 있다. 


2013년 기준, 독일의 10kW 이하 가정용 태양광발전의 경우 용량기준으로 17%, 시스템수량 기준으로 70%의 점유율을 나타내고 있다. 아울러 100kW 이하 용량의 태양광발전은 약 70%가 저 전압(LV: Low Voltage) 그리드 네트워크에, 100kW 이상 용량의 태양광 발전은 약 30%가 중 전압(MV: Medium Voltage) 이상의 그리드 네트워크에 연결되어 있다[7][8].


Ⅴ. 결언


최적의 에너지 관리 효율성을 향상시키기 위해 ESS(에너지저장장치)와 EMS(Energy Management System)를 통합한 통합 플랫폼이 확산되고 있다. ESS는 생산된 전기를 저장장치(배터리 등)에 저장했다가 전력이 필요할 때 적시에 공급할 수 있는 에너지 저장장치로서 전력사용 효율성을 향상시키고 있다. 


ESS는 전력저장원, 전력변환장치(PCS) 및 전력관리시스템 등 제반 운영시스템으로 구성되어 있다. ESS 통합기능은 배터리 셀 패키징(battery cell packging), BMS, PCS, PMS 제품을 통합하여 가격 대비 성능을 최적화하고 안정성, 확장성 및 유지보수성을 극대화한 Best-of-Bleed 시스템으로 발전하고 있다. 


EMS 기능은 에너지효율화, 수요관리 및 주파수 제어 등 다양한 서비스에 최적화된 통합 에너지 관리기능을 제공한다. 이를 통해 ESS를 통합 활용할 수 있도록 하기 위해 ESS와 연계한 EMS-게이트웨이(gateway) 솔루션과 웹 서비스를 제공하는 EMS-서버 솔루션으로 발전하고 있다. 시스템 통합 설치 및 시운전을 통해 빌딩 내 전력시스템과 연계하여 EMS를 통해 웹(web)상에서 배터리 운전상태 모니터링 및 충방전 제어기능 등을 구현하고 있다. 


이처럼 전력저장을 통해 다양한 서비스를 수행하여 에너지비용을 절감하고, 나아가 전력시스템의 투자대비 경제성(RoI)을 향상시켜가고 있다. ESS/EMS 통합 플랫폼의 핵심 경쟁력은 강력한 상호 운용성, 유연성, 안정성, 확장성 및 웹 서비스 기능을 제공할 수 있는 개방형 표준 기반의 EMS 인프라를 구축하는 것이다. 


특히 다양한 ESS/PCS 제품과 연계할 수 있는 확장성을 갖추어 Plug & Play 방식을 구현하는 것을 목표로 하고 있다. 이에 정책을 개발하고 기업 간 협업을 통해 ESS의 확대보급을 위한 글로벌 사업화모델 발굴에 주력할 필요가 있다[1]


아울러 신재생에너지원에 대한 업계의 수용성을 확대하기 위해서는 ESS의 에너지 전달시스템에 대한 영향성 분석을 통해 신뢰도 및 안정성을 향상시킬 수 있는 지속가능한 전략이 필요하다.


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1) 에너지 신산업 분야에서 주목받고 있는 에너지저장기술로서 전력계통에서 수용할 수 없는 태양광, 풍력의 출력으로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 기술을 의미함. 기존의 에너지시설이 전력을 전력형태로 저장했다면 P2G는 전력을 연료형태로 저장하는 차이가 있음


2) 전력계통의 정상상태 및 과도상태 해석모델은 상용SW를 활용하여 ESS 운영효과 등을 분석한 결과를 TEMS의 가중치 및 알고리즘 검토에 반영한다.


3) SNL(Sandia National Laboratories)는 미국의 기술 및 엔지니어링 솔루션에 의해 관리·운영되고 있는 미국에너지부(DoE : Department of Energy) 산하의 국책연구기관임


4) 2013년 말 현재 태양광 35.7GW, 풍력 34.3GW의 누적 설치량으로 세계시장에서 각각 1위와 3위를 차지하고 있다.


5) 저전압 그리드망에 소용량 ESS를 연결할 경우 송배전에 대한 대규모의 투자를 피할 수 있고, 동시에 그리드망의 안정화를 꾀하면서 ESS에 저장된 전력은 필요한 때 사용하여 전력 소비의 효율화를 이룰 수 있다.


6) 그리드망에 연계되는 소용량 태양광발전(상업용 30kW 이하, 가정용 10kW 이하)에 ESS 설치보조금 및 저리 대출까지의 금융지원을 해주고 있어 ESS 도입에 따른 정부예산을 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.


7) 신재생에너지 공급의무화 제도 : 500MW급 이상의 발전설비(신재생에너지 설비는 제외)를 보유한 발전사업자(공급의무자)에게 총 발전량의 일정비율 이상을 신재생에너지를 이용하여 공급토록 의무화한 제도


8) 발전사업자가 신·재생에너지 설비를 이용하여 전기를 생산·공급하였음을 증명하는 인증서로서 공급인증서 발급대상 설비에서 공급된 MWh기준의 신·재생에너지 전력량에 대해 가중치를 곱하여 부여한다. 



박세환 전문위원 한국산업기술진흥협회 ReSEAT프로그램

(주)기술법인 엔펌(ENF) 전문위원(Chief Consultant)




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