[전력계통 스터디] 분산화의 바람과 함께 등장한 VPP

[전력계통 스터디] 분산화의 바람과 함께 등장한 VPP 

대학생신재생에너지기자단 23기 김용대, 차승연, 24기 박선혜, 배장민, 이우진, 25기 구윤서

 

[변화의 바람, 분산화]

2050 탄소중립, 2030 NDC 등 목표로 인해 재생에너지 확대는 더욱 가속화 중이다. 5월 21일 발표된 제11차 전력수급기본계획 실무안에 따르면, 태양광/풍력 설비용량은 22년 실적인 23GW 대비 2030년에는 3배 이상인 72GW를, 2038년에는 120GW를 보급 전망했다. 이처럼 국가적 차원에서 재생에너지를 적극적으로 확대하기 위한 많은 노력을 기울이고 있다. 그뿐만 아니라, ESS, 전기차 등의 기술들도 매우 빠른 속도로 변화하고 있다. 큰 변화의 바람은 전력 분야에서도 불고 있다. 바로 '계통의 분산화'이다. 

재생에너지, ESS, 전기차 등 급부상 중인 기술들의 중요한 공통점이 있다. 전력 계통 관점으로 보았을 때, 분산화된 전원의 역할을 가진다는 점이다. 그러나 기존의 계통은 대규모 발전소와 송전선로 기반의 중앙집중형 전력망으로 분산에너지에 부적합하다. 또한, 분산에너지는 규모가 작고 그 수가 매우 많아 개별적 계통 자원으로 활용되거나 전력시장에 참여하는 것이 쉽지 않은 상황이다. 따라서 전원들이 분산화되어 감에 따라, 계통도 그에 맞게 변화해야 할 필요성이 커지고 있다.

[자료 1. 분산화 에너지 통합]

출처 : nano energies

 

[떠오르는 기술, VPP]

이러한 흐름과 함께 VPP가 주목받고 있다. VPP(Virtual Power Plant, 가상발전소)는 소규모 분산 자원의 전력시장 참여 및 전력계통 운영 기여를 목적으로 모집된 분산자원 집합을 의미한다. 태양광, ESS, DR 등이 통합된 새로운 형태의 분산자원으로 볼 수 있으며, 국내에서는 다양한 분산자원 보유자와 중개사업자를 통해 모집된 자원으로 정의하고 있다.

VPP는 자원 모집 형태에 따라 공급형, 수요형, 융합형으로 구분되며, 자원 모집 및 운영 편의성, 법 · 제도의 한계 등으로 공급형과 수요형 중심으로 VPP가 대부분 운영되고 있다. 

공급형 VPP는 태양광, 풍력, ESS를 모집해 기저발전과 동일한 서비스(에너지 및 보조서비스 시장 참여)를 제공하는 VPP다. 수요형 VPP는 DR, EE 등 수요자원을 활용해 전력 사용을 절감하는 서비스를 제공하는 VPP다. 융합형 VPP는 공급형과 수요형이 혼합된 형태이다. 

또한 VPP는 운영 목적에 따라 CVPP(Commercial Virtual Power Plant)와 TVPP(Technical Virtual Power Plant)로도 구분된다. CVPP는 송전계통의 전력수급 균형에 기여하도록 운영되는 VPP로, 자원 모집에 지역적 제약이 없고 전력시장 참여를 통한 다양한 비즈니스가 가능하다. TVPP는 배전계통의 안정화를 목적으로 운영되는 VPP로 자원 모집에 지역적 제약이 크고, 선로 혼잡이나 전압 상승 등 비상 상황 시 활용되는 유틸리티와 고객 간의 직접계약 자원이다. 현재 전 세계적으로 운영 중인 VPP는 대부분이 전력시장에 참여해 수익을 창출하는 CVPP이며 TVPP는 유틸리티의 실증 사업 수준에서 운영되고 있다.

 

[전력계통에서의 가상발전소]

전력계통의 변화 속에서 재생 에너지 자원의 통합이 주목받고 있다. 특히 가상발전소는 전력계통의 효율성과 안정성을 높이는 혁신적인 해결책으로 부상했다. 가상발전소는 ICT 및 자동제어기술을 활용해 다양한 분산 에너지 자원(DER)을 통합하고 제어해 하나의 중앙발전소처럼 운영하는 시스템이다. DER을 클라우드 기반 플랫폼으로 연결해 계통 운영시스템과 통합하고 센서를 이용한 원격 제어 방식으로 운영된다. 실제로 존재하는 발전소가 아니라 가상의 발전소로서 발전기처럼 전력을 공급한다. 여러 분산형 에너지 자원을 통합해 하나의 가상 발전소로 운영되어, 에너지 공급의 유연성과 신뢰성을 높이는 효과를 기대할 수 있다.

[자료 2. 기존 전력망과 가상발전소의 특징 비교] 

                                      출처: 미국 전기전자학회, KOTRA(2021), NICE 디앤비 재가공 

태양광 발전, 풍력 발전 등의 여러 신재생 에너지는 영향을 받는 요인이 많아 전기의 생산이 일정하지 않다. 이렇게 발전량이 부족한 경우에 저장된 전기 에너지를 사용해 안정적인 공급을 유지한다. 이는 전력 공급의 일관성과 신뢰성을 높여준다. 또한, 전력 네트워크의 부하 관리 및 예측을 개선해 운영 비용도 절감할 수 있다. 이 모든 것은 스마트 그리드의 기술 덕분이다. 이 기술을 통해 공급자가 고객의 에너지 사용량을 자동으로 확인하고 에너지 공급 등의 서비스를 자동으로 제공한다. 통신기술을 활용해 배전선으로의 운전 상태를 확인하고 운전을 제어할 수도 있다. 스마트 그리드 기술을 이용해 전력 네트워크의 자동화 및 지능화를 통해 전력 시스템의 운영을 최적화한다. 한국형 VPP 제도인 소규모 전력중개시장에서는 소규모 분산자원을 전력시장에 참여하도록 한다. 이를 통해 계통운영을 효율적으로 하고자 함이다. 이렇게 가상발전소는 전력 네트워크에서 분산 에너지 자원을 통합해 운영함으로써 전력 공급 안정성이 떨어지는 신재생 에너지의 안정성을 높이고 운영을 최적화할 수 있어 많은 관심을 받고 있다.

가상발전소는 주로 재생 가능한 에너지 자원을 활용해 전력을 생성하므로 탄소 배출량을 줄이고 친환경적인 에너지 생산을 촉진한다. 대형 화력 발전소 대신 소규모의 발전소를 분산시켜 탈탄소화에 기여하는 것이다. 이 분산형 에너지 자원에는 태양광, 풍력 등 다양한 재생 에너지가 포함된다. 다양한 에너지 자원을 유연하게 조절해 전력을 생산하므로 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다. 이는 기후 변화에 대응하고 환경을 보호하는 데 중요한 역할을 한다. 대규모 발전소와 송전선로 건설 등의 비용과 환경적인 측면에 문제가 생기면서 분산 에너지 자원의 공급이 주목받고 있다. 탄소 중립의 실현을 위해 분산 에너지 자원이 확대됨에 따라 이를 효율적으로 운영하기 위한 가상발전소가 매우 중요한 역할을 하게 될 것이다. 

이렇게 가상발전소의 스마트 그리드, 분산형 에너지 자원, 에너지 저장 시스템 등의 기술은 전력망의 효율성과 안정성을 높인다. 이 기술들은 전력의 생산 및 소비에 대한 정보를 양방향으로 유통하여 에너지 효율을 극대화할 것이다. 이는 전력망 즉, 발전, 송전, 배전, 소비에 이르는 모든 설비와 기기에 영향을 미치는 것이다. 이러한 이유로 가상발전소는 전력계통에 많은 영향을 미치며, 전력 시스템을 보다 효율적이고 지속 가능하게 만들 것이다. 

 

[우리나라와 해외와의 비교, 독일]

독일은 정부 차원에서 재생에너지 발전 비중을 높일 정도로 탄소중립에 대한 열정이 뜨겁다. 독일의 탄소중립 목표는 2050년까지 1990년 대비 온실가스 배출을 80~95%까지 감축하는 것으로, 2023년 기준 재생에너지 발전량이 이미 절반가량을 차지했다. 또한 우크라이나 전쟁으로 인해 에너지 안보의 문제가 발생할 수 있음에도 23년 4월에 원전을 모두 폐쇄하기도 했다. 이처럼 재생에너지 비율이 높은 독일은 VPP를 과연 어떻게 운영하고 있을까?

• 재생에너지법(EEG)

[자료 3. 독일 재생에너지법의 Market Premium 지급 조건]

출처: 한국에너지기술연구원

먼저, 시장 운영에 대해 살펴보고자 한다. 독일의 경우 2017년 1월, 재생에너지법(EEG) 2차 개정을 통해 중개 사업자가 도매시장에 참여할 수 있도록 허용하고, 전력 공급의 예상 시간과 공급량 예측을 의무화하는 제도를 도입했다. 이를 통해 *FIP(Feed-in Premium) 보조금을 받는 재생에너지 설비는 중개사업자를 통해 시장에 참여할 수 있게 됐다. 또한, 재생에너지 예측 의무 이행에 따른 비용은 '관리 프리미엄(Management Premium)'을 통해 보상하며, 중개사업자가 재생에너지를 모집해 시장에 참여하는 경우에도 보상을 받을 수 있는 체계를 마련했다.

*FIP(Feed-in Premium) : 정부가 설정한 보조기준(기준 가격)과 지표가 되는 시장가격과의 차이를 프리미엄으로 지급하는 것.

• FRESH PROJECT(2019~2024)

독일은 이러한 시장 운영 속에서 ‘FRESH Project’로 불리는 VPP 실증 사업을 전개하고 있다. 해당 사업은 독일의 함부르크 항구의 물류차(EV) 배터리를 이용한 것으로, 물류 작업 이외 시간에 충전소에 연결하면 양방향으로 충전할 수 있어 주파수 제어 예비력(FCR, Frequency Containment Reserve)을 제공할 수 있게 된다. 이는 일종의 V2G(Vehicle-to-Grid) 사업과 유사하며, 이론적으로는 최대 4MW까지 부하 잠재력을 제공할 수 있다.

[자료 4. FCR 제공 과정]

출처: 전력거래소

이때 FCR은 독일의 TSO(Transmission System Operator)가 운영하는 플랫폼을 통해 입찰된다. Pre-Aggregator가 소규모 유연성 자원을 관리해 중개사업자(Aggregator)에게 전달하면 Aggregator가 입찰에 참여하는 형태를 가진다. 현재 FCR은 이틀 전에 거래되는 경우가 대부분이며, FlexMan(Flexibility Management System)의 하루 전 계획을 통해 물류차가 제공할 수 있는 유연성의 규모를 결정한다.

독일은 다양한 분산 에너지 자원을 보유하고 있는 만큼 재생에너지 정책과 VPP 기술이 비교적 발달하여 있다. 특히 유럽 전력망과 연결돼 있어 전력 수급이 유연하고, 다양한 국가와 전력 교환이 가능하다. 이에 반해 한국은 2023년 기준 재생 에너지 발전 비중이 10% 내외로 낮고, VPP(Virtual Power Plant) 운영 역시 초기 단계에 있다. 게다가 독립적인 전력망을 운영하기 때문에 간헐적인 발전 특징을 가진 재생에너지를 더욱 철저히 관리할 필요가 있다. 이러한 상황에서 현재 탄소중립을 선언한 한국이 앞으로 재생에너지 비중을 높이게 될 경우를 대비해 독일의 VPP 운영 사례를 참고할 수 있을 것으로 보인다.

 

[우리나라와 해외와의 비교, 미국]

 미국의 전력계통 운영 방식은 우리나라와 유사한 구조를 가진다. 물론, 한국처럼 전력거래소 한 곳이 시장을 운영하는 독점 구조는 아니다. 하지만 미국은 7개의 RTO(Regional Transmission Organization), ISO(Independent System Operator) 시장이 존재하며, 각각이 해당 지역의 전력 계통을 운영하고 시장거래를 한다는 점에서 유사하다고 볼 수 있다.

[자료 5. 미국의 ISO/RTO 체계]

출처 : Energy Velocity, November 2015

전력경제에서 미국의 전력시장과 같은 형태를 중앙집중형 무역(Centralized Trading, Pool Trading)이라고 한다. 쉽게 생각하면 한국전력과 같은 회사가 대표로 전력을 입찰한다는 것이다. 미국은 매년 증가하는 전력 수요에 대하여 각 지역의 전력계통을 효율적으로 관리하고 신재생에너지를 중심으로 한 전력시장 운영에 힘쓰고 있다. 분산에너지가 계통에 유입되면서 자연스레 VPP에 대한 관심이 높아졌고, 미국 에너지부(U.S.Department of Energy)는 구체적인 수치를 언급했다.

2030년까지 80~160GW 규모의 VPP를 구축하면 미국 전력계통의 용량을 안정적으로 확장할 수 있으며, 비용 또한 절감할 수 있음을 발표했다. 2023년~2030년 사이의 전력계통 피크 수요는 약 740GW에서 800GW로 60GW 정도 증가할 것으로 추정되는데, VPP의 규모를 늘리면 이 피크 수요의 10~20%를 절감할 수 있다고 추정한다.

[자료 6. 미국의 피크수요 예측]

출처 : U.S. Department of Energy

미국 에너지부에서는 여러 분산 에너지 자원(DER)에 대한 수요를 예측했다. 연료를 기반으로 한 발전기, 태양광, 급탕기(water heaters), BTM 배터리 등 다양한 분산 에너지 자원들이 증가하는 경향을 보인다. 여기서 주목할 점은 바로 전기차와 배터리에서의 규모 변화이다.

[자료 7. 2020~2030년간 전기차, 전기차배터리 용량 예측]

출처 : U.S. Department of Energy

2030년을 기준으로 전기차는 90GW, 전기차 배터리는 540GWh의 용량이 늘어날 것으로 예상했다. 에너지의 저장과 활용에 초점을 두는 세계의 흐름 속에서 V2G(Vehicle-to-Grid) 기술처럼 쌍방향으로 전력이 전달되는 기술이 발전하며, 자연스레 VPP의 용량을 늘리는 데 영향을 줄 것으로 생각할 수 있다.

현재 미국 정부는 공정한 편익을 부르는 DER 자원의 선택, VPP 등록의 간소화, VPP 운영의 표준화, 유틸리티 프로그램과 인센티브의 통합 과정, 마지막으로 도매시장의 통합을 강조하며 미국 내에서 VPP 시장을 운영하고 있다.

우리나라는 현재 미국만큼 VPP 시장이 확립돼 있지 않은 상황이다. 하지만, 분산 에너지의 유입과 전력계통의 한계 등을 고려할 때 빠른 시일 내에 미국 시장처럼 구체적인 계획을 세워야 할 상황이다.

우리나라에 VPP 시장이 안정화되기 위한 기술력은 세계적으로 높게 평가된다고 볼 수 있다. 실제 한국의 여러 기업이 미국의 VPP 사업에 참가하여 좋은 결과를 내고 있기 때문이다. 2017년 한국전력은 LA시 관내에 있는 공공건물, 소방서, 경찰서 등에 지붕형 태양광과 ESS를 설치하여 지진이나 자연재해로 인한 정전 대비 비상 전원 공급, 그리고 가상발전소 역할을 할 수 있도록 하는 태양광 및 ESS를 활용한 VPP MOU를 체결했다. 2020년 한국중부발전과 SK E&S는 미국 LA 지역의 62MW, 346MWh의 규모의 VPP 사업을 시작했다. 안정적인 전력 수급은 물론, 전력 수요와 공급 특성을 인공지능 기반으로 분석하고 예측하는 기술을 적용하는 사업이다. 문제는 한국전력의 적자 상황을 해결하지 못함에 따라 발생하는 송전, 배전망의 한계이다. 안정적인 송배전망이 버텨야 발전계통의 변화가 가능한 상황에서 현재 우리나라의 전력산업 구조상 빠르게 변화하긴 어려울 전망으로 생각된다.

 

 [우리나라와 해외와의 비교, 호주]

호주에서는 3TW의 태양광, 풍력, 수력, 그리고 바이오에너지 등의 재생에너지에 대한 전력 계통 연결 문제 심화가 심화되면서 재생에너지 설비의 연결을 위한 송배전선로 증설 문제 야기 됐다. 따라서 송전망 인프라에 상당한 투자가 필요하게 됐고, 피크부하와 같은 특정 시간대의 전력공급을 충당하기 위한 설비 확충은 비효율적인 수단이라고 여겼기에 피크 부하 시간대에 비싼 요금을 설정함으로써 피크부하를 분산시키는 방법을 이용하고 있었다. 하지만 재생에너지 비율의 압도적인 증가로 기존의 수요관리 프로그램 운영으로는 적절하기 대응하기 어려웠고 유연한 특성을 필요로 하는 방식이 위한 방안으로 다양한 형태의 DG, ESS, DR와 같은 NWAs(Non-Wires Alternatives) 형태의 자원이 등장하게 됐다. 따라서 호주에서는 위와 같은 자원들을 담기 위한 수단으로 vpp가 발달했다고 볼 수 있다.

[자료 8. 송배전망 회피를 위한 NWAs]

출처: 한전전력 연구원

 2019년에서 2022년까지 남호주와 테슬라는 협력해 Ausgrid 배터리 VPP 실증사업을 실시했다. 이 프로젝트는 2019년 말부터 운영됐으며 5만 개 이상의 주거용 배터리(Tesla Powerwalls)를 통합했다. 총 3단계를 거쳐 진행됐는데, 태양광 배터리를 활용한 1MW 가상발전소 시험, VPP 소프트웨어 회사와의 협력을 통한 VPP 실증 규모 확대, VPP 성능 최적화 및 신규 기능 시험순으로 진행했다. Reposit Power의 배터리관리시스템(BMS)을 설치한 고객에게는 배터리 방전을 통한 전력망 공급에 대해 금전적 인센티브를 제공해 고객의 에너지 요금 절감에 기여했고, 가정용 배터리를 활용한 피크 전력 저감 효과 및 전압 관리를 위한 보조자원 기능을 실증했다. 750여 고객이 참여했으며 3.4MW 배터리 전력과 7.3MWh 저장용량을 확보했고 BMS를 통해 배터리 충전 상태를 모니터링하고, 피크 수요를 피해 급전 이전에 배터리를 자동으로 충전하는 기능을 실험했다.

 결과적으로 이 실증 사업에서 등록된 총용량은 31MW였고 NEM의 주파수 제어 및 부가 서비스(FCAS) 시장에서는 약 3%의 시장 점유율을 차지했다. 그러나 전력수요가 공급보다 많아서 ESS를 방전시켜야 하는 상황과 주파수를 안정화하기 위해 ESS 배터리가 어느 상황에 더 적합한지 판단해야 하는 상황이 펼쳐졌다. ESS 배터리를 두 상황에 모두 이용할 수 있지만, 배터리 용량에 한계가 있기 때문에 두 상황을 모두 충족시킬 수는 없었다. AEMO는 FCAS 서비스에 우선순위를 부여하고 시스템의 안정화를 도모했지만, 이로 인해 집계자의 도매 시장 수익이 감소하는 결과를 초래했다. 또한 도매 시장 참여를 통한 수익은 기록되지 않았다. VPP는 전기 가격이 300달러/MWh를 초과할 때만 도매 시장에 참여했으며, 이 또한 일부 참가자에 한정됐다. IEEFA에 따르면 VPP 운영자들의 수익이 낮고 VPP 설립 비용이 높기 때문에, 현재 VPP 운영자들의 마진이 낮을 것으로 예상된다고 언급했다. Origin은 자사의 VPP 용량을 현재의 205MW에서 4년 이내에 2000MW로 확대할 계획을 발표했다.

호주의 사례로 VPP와 전력 네트워크의 주파수 제어와의 밀접한 연관성을 확인할 수 있었다. 우리나라의 경우, ESS는 주로 주파수 제어에 쓰이지만 ESS의 경제성이 높아지고 활용성이 더 높아진다면 도매시장에서도 활발하게 쓰일 수 있음을 기대해 볼 수 있다. 그뿐만 아니라 추후에 vpp시장이 안정화되고 지속적으로 전기를 공급할 수 있는 여건이 된다면 기업과 활발한 거래를 예상해 볼 수 있을 것이다.

 

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[VPP에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기]

1."[Remake, 2024 한국전기산업대전 견학기] 분산에너지활성화특별법, VPP와 함께라면?", 대학생신재생에너지기자단 23기 김용대, 23기 차승연, https://renewableenergyfollowers.org/4464

[Remake, 2024 한국전기산업대전 견학기] 분산에너지활성화특별법, VPP와 함께라면?

2. "2024년, 분산에너지 활성화 특별법이 도입된다", 대학생신재생에너지기자단 24기 박선혜, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4253

2024년, 분산에너지 활성화 특별법이 도입된다

 

참고문헌

[떠오르는 기술, VPP]

1. 정현우, “VPP 운영현황 및 활성화 방안”, 전기저널, 2021.5.14., http://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=4057

[전력계통에서의 가상발전소]

1. 이상아, “전력망의 지능화로 에너지 효율을 극대화하는 전력관리 고도화 기술”, 한국 IR 협의회 혁신성장품목 분석보고서, 1~18, 2021.10.

2. 이지환, "배전망 이용요금과 전압 안정도를 고려한 가상발전소의 최적 운영 전략",  국내석사학위논문 인하대학교 대학원, 2022.

3. 장병태, “전력계통의 미래 신전력망”, 계장기술, 121~127,  2009.01.

[우리나라와 해외와의 비교, 독일]

1. 박형욱, "VPP(가상발전소)", 한국과학기술정보연구원, 2022., https://repository.kisti.re.kr/bitstream/10580/17882/3/ASTI%20MARKET%20INSIGHT%20028%280712%29.pdf

2. 인혜영, "월간 SG 해외 동향('23년 1월)", 전력거래소, 2023.02.03., https://www.kpx.or.kr/board.es?mid=a10405020000&bid=0194&act=view&list_no=68798&tag=&nPage=1

3. "재생에너지 비중 50% 달성한 독일에서 배울 것들", 경향신문, 2023.12.22., https://www.khan.co.kr/opinion/editorial/article/202312221931001

[우리나라와 해외와의 비교, 미국]

1. 전력거래소, "2022년 해외 스마트그리드 산업 동향(VPP)", 2022.12. https://new.kpx.or.kr/board.es?mid=a10514020000&bid=0194&act=view&list_no=68524

2.  Daniel S. Kirschen, “전력경제의 이해”, 박종배, 한티에듀, 2022.09.01.

3. U.S. Department of ENERGY, "Pathways to Commercial Liftoff : Virtual Power Plants", 2023.09., https://liftoff.energy.gov/wp-content/uploads/2023/10/LIFTOFF_DOE_VVP_10062023_v4.pdf

[우리나라와 해외와의 비교, 호주]

1. 전력거래소, "2022년 해외 스마트그리드 산업 동향(VPP)", 2022.12. https://new.kpx.or.kr/board.es?mid=a10514020000&bid=0194&act=view&list_no=68524

2. 정민호, “헤외 송전망 문제 현황”, 전기저널, 2023.12.15.  http://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=5268

3. IEEFA, "Virtual power plants are leveraging Australian consumer investment in rooftop solar", 2022.3

https://ieefa.org/resources/virtual-power-plants-are-leveraging-australian-consumer-investment-rooftop-solar