지역난방용 CHP에서 ESS의 활용성 제고 방안 연구

이에 따라 본 연구는 혼합정수계획법(Mixed Integer Linear Program) 기반 최적화 모형을 구축하여 집단에너지사업에 설치한 ESS의 경제성을 파악하고 ESS의 활용도를 제고할 수 있는 방안을 모색하여 향후 집단에너지를 포함한 발전부문에 ESS의 확산이 가능한 제도적 여건을 제안하였다. 본 논문은 다음과 같이 구성된다. 다음 Ⅱ장에서는 ESS 설치 대상인 지역 난방사업장의 열부하와 계통의 총 전력부하 패턴을 분석하여 열병합발전에 ESS를 설치 시 부하평준화 효과 발휘 여부를 분석하고 ESS 차익거래의 경제성을 결정하는 전력시장의 SMP의 변동성을 살펴본다. 제Ⅲ장에서는 열병합발전에서 ESS 최적운영 모형을 기술하고 경제성을 분석한다. 제Ⅳ장에서는 경제성 분석을 실한다. 마지막 장에서는 결과를 요약하고 이에 근거하여 ESS의 활용도 제고 방안을 제안한다. 이러한 전통적 전력시스템에 ESS는 발전, 송/배전, 최종수용가에 활용하여 차익거래 및 수요관리를 통한 부하평준화, 보조서비스 참여로 신규 설비의 투자소요 감소와 전력계통 안정화 등에 기여한다. 발전부문에 ESS는 계통한계가격(SMP, System Marginal Price)이 낮을 때 잉여 전력을 저장하고 SMP가 높을 때 저장한 전력을 방전하는 차익거래와 주파수 조정 및 예비력과 같은 보조서비스 제공을 가능케 한다. 또한 신재생에너지의 경우 출력의 변동성을 감소시켜 전력품질을 개선한다. 송전단에 ESS는 주파수 조정과 송전혼잡을 완화하는 기능을 담당할 수 있다. 변전단에 ESS을 활용하면 변압기 용량을 초과하는 전력이 요구될 때 저장한 전기를 공급하여 안정적인 전력공급이 가능하고 추가적 배전설비의 투자소요를 줄일 수 있다. 마지막으로 최종수용가에 ESS는 비상전원 역할을 수행할 수 있고 전기요금이 낮을 시간대에 충전하고 높은 요금 시간대에 충전한 전기를 사용하여 비용 절감을 가능케 한다. 생산한 전기를 ESS를 이용하여 SMP가 낮은 시간대에 충전하여 SMP가 높은 시간대에 판매하는 차익거래의 이익수준은 SMP의 변동성이 결정한다. SMP의 변동성은 부하율과 전원구성에 영향을 받는다. 부하율(Load factor)이 낮을수록 SMP의 변동성은 증가하게 된다. 우리나라의 부하율은 2010년 74.1%로 선진국에 50∼60% 수준보다 월등히 높은 수준이다. 이는 산업용 전력수요의 높은 비중에 기인한 것인데 이러한 높은 부하율은 전력수요가 상대적으로 일정하여 SMP 변동성이 적어 차익거래의 이윤수준을 감소시킨다. 전원구성의 경우 원자력과 석탄과 같은 기저 전원의 비중이 클수록 SMP의 변동성은 증가하게 된다. SMP는 변동비가 가장 높은 전원이 결정하게 되므로 가스복합화력(CCGT)의 SMP를 결정하는 횟수가 가장 많다. 기저 전원의 비중이 증가할 경우 기저 전원이 SMP를 결정하는 횟수가 늘어나게 된다. 기저 전원과 CCGT의 평균 연료단가(원/kWh)의 차이가 100원 이상이므로 기저 전원의 SMP 결정 증가는 CCGT가 결정하는 SMP와 격차를 확대하여 SMP 차익거래의 이윤수준이 증가하게 된다. 현행 CBP에서 중앙급전발전기 등록 기준은 발전기 1기의 설비용량이 20MW를 초과해야 한다. 현재의 대규모 용량 ESS는 경제성 요건을 만족하기에는 어려운 실정이다. 따라서 본 논문에서는 현재의 상용화 수준을 고려하여 ESS의 중앙급전발전기 등록기준을 최대방전용량이 1MW를 초과하고 최대저장전력량이 1MWh 초과로 전제한다. 더불어 ESS 사업자(ESS를 운영하는 발전사업자 포함)는 차익거래를 통한 전력 공급과 주파수조정예비력에 복수로 참여가 가능하다고 전제한다. 이에 따라 ESS 사업자는 SMP 차익거래를 통한 전력거래가 수익이 발생치 않는 시간대에는 주파수조정예비력에 참여한다. CBP에서 ESS의 급전계획은 다음과 같은 전제를 따른다. 사업자가 ESS의 최적 활용방안을 도출하고 시간대별 운영계획서(충/방전 및 G/F 또는 AGC 참여 여부 기재)를 계통운영자에게 제출하고, 계통운영자는 사업자가 제출한 운영계획서를 급전계획에 반영한다. 주파수조정 보조서비스 운영 시나리오(FFR, ABFR)에서 전제에 따라 ESS는 정산단가가 더 높은 주파수추종(G/F)에만 참여토록 한다. 현행 G/F의 연간수입은 응답가능용량(MW)과 속도 조정률 가중치(1.05), 부동대 가중치 (1.05), G/F 정산단가(3.262원/MWh), 참여시간, 연간참여일수의 곱으로 결정된다. FFR의 연간참여일수와 참여시간은 가용여유를 고려하여 329일, 20시 간으로 설정하였고 ABFR에서는 동절기에는 각각 90일, 5시간으로, 기타 계절에는 239일, 20시간 참여로 설정하였다 상기 시나리오를 조합하여 총 12개의 세부 시나리오를 도출하였다. 아래 조합 시나리오를 요약한다. 경제성 분석을 위해 모든 시나리오에 할인율은 5.5%를 적용하였고 ESS의 수명을 10년으로, 잔존가치는 발생하지 않는다고 가정하였다. 리튬이온전지형 전지저장장지(ESS)는 증가하고 있는 신재생에너지 전원의 계통연계로 인한 전력계통 안전화 문제, 송배전 계통 내 혼잡 심화 등의 해결책으로 주목받고 있다. 본 논문에서는 지역난방용 열병합발전기(CHP)에 ESS를 설치할 경우 계통한계가격(SMP) 차익거래를 통한 부하평준화 효과 발휘 가능 여부와 ESS의 경제성을 분석하였다. 지역난방사업소의 열수요 패턴은 국가 전력계통에 총 전력부하 패턴과 다르므로 ESS를 지역난방용 CHP에 설치하여 활용하면 난방기 첨두부하 절감이 가능할 것으로 보인다. 그러나 ESS의 초기투자비는 수명기간 10년 이내 회수될 수 없는 것으로 분석된다. ESS의 방전량에 용량요금을 적용하고 주파소조정예비력 시장에 복합적으로 참여할 경우 경제성은 일부 개선된다. 따라서 CHP에 설치한 ESS의 활용도를 제고하여 전력계통에 편익을 증대하기 위해서는 용량시장과 주파수조정시장에 복합적인 활용을 제도적으로 보장하는 것이 필요한 것으로 보인다.