설비 없는 '가상발전소'가 온다 [ESG 세상]

[ESG 세상] 재생에너지 전반 확대할 국가와 사회의 관심 필요

새로운 시대정신이자 미래의 침로인 'ESG'가 거대한 전환을 만들고 있다. ESG는 환경(E), 사회(S), 거버넌스(G)의 앞자를 딴 말로, 더 나은 세상을 향한 세계 시민의 분투를 대표하는 가치 담론이다. 삶에서, 현장에서 변화를 만들어내고 실천하는 사람과 조직을 만나 그들이 여는 미래를 탐방한다. <편집자말>

[안치용, 한채하, 이윤진 기자]

▲ 2022년 세계전력 믹스

에너지 분야 유럽 컨설팅 업체 '에너데이터'가 세계 에너지 소비 추세를 조사한 통계자료에 따르면 지난해 석유∙석탄∙천연가스 연소로 인한 이산화탄소 배출량은 2021년 대비 2.5% 증가한 약 338억 톤이었다. 세계 경제 침체에도 불구하고 화석연료 관련 이산화탄소 배출량이 사상 최고치에 도달했다.[1]

세계기상기구(WMO)가 지난 9월 14일 18개 국제기구와 함께 발표한 '2023 기후과학 합동 보고서'에 따르면 이산화탄소를 포함하여 인류의 활동으로 인한 2022년 전체 온실가스 배출량은 2021년보다 1% 늘어난 406억 톤(이산화탄소 환산량)이었다.

화석연료가 기후위기의 주범으로 지목된 이후 세계 각국은 태양광∙풍력∙수력 등을 이용한 신재생 에너지 발전을 확대하는 중이다. 지난해 세계 전력 믹스에서 신재생 에너지 비중은 2021년 대비 1.5%p 증가한 29.8%였다. 2010년보다 약 10%p 증가한 수치다.

브라질(89.2%), 콜롬비아(75.1%), 캐나다(68.8%) 등 대규모 수력 발전 자원을 보유한 국가는 오래 전부터 신재생 에너지 발전 비중을 늘렸고, 다른 나라 역시 관련 정책을 수립하며 발전 비용 하락 추세에 따라 신재생 에너지 보급을 적극 독려하고 있다.[2]

신재생 에너지 확대에는 특별한 난제가 있다. 신재생 발전은 자연조건에 의해 크게 좌우되므로 전력 생산이 간헐적으로 이루어진다. 예를 들어 태양광 발전은 일출과 일몰 사이에 발전 출력이 집중된다. 그 마저도 시간대에 따라 출력량이 달라진다. 일출 이후 약 4시간은 발전 출력이 급격히 증가하고, 일몰 이전 4시간은 급격히 감소하는 식이다.[3]

따라서 신재생 발전의 정확한 출력량을 사전에 예측하기가 쉽지 않다. 설령 예측이 가능하다 해도 발전 출력이 시시각각 변화하기 때문에 즉각 대응하기 어렵다. 신재생 발전에 수반하는 출력 불확실성과 변동성은 중앙집중식 전력망의 안정적 운영을 방해한다. 전력 품질을 유지하고 신재생 발전의 간헐성을 상쇄할 예비력을 보강하기 위해서는 새로운 설계가 필요하다.[4]

그렇게 등장한 개념이 가상발전소(VPP, Virtual Power Plant)다. VPP는 신재생 에너지 같은 분산형 에너지원(DER, Distributed Energy Resource)을 정보통신기술(ICT)을 이용해 통합 운영함으로써 전력 계통 운영에서 유연성과 제어 가능성을 확보하려는 시도이다. 규모가 작고 설치대수가 많아 전력 계통 운영자가 개별적으로 감시하고 관리하기 어려운 분산형 에너지원을 통합 제어하게 되면 신재생 발전의 출력 불확실성에 대응할 예비력을 가시화할 수 있다.[5]

시장 조사 전문 기관 '스카이퀘스트'는 지난 5월 발표한 보고서에서 2021년 VPP 시장 규모를 10억 8000만 달러로 평가했다. 이후 2022년 64억 7000만 달러로 급성장하고 2030년에 169억 달러에 달하며, 예측 기간(2023~2030년)의 연평균 성장률을 12.75%로 전망했다.[6]

가상발전소란

▲ 가상발전소 개념도

VPP와 관련한 핵심 개념에는 ▲ 분산형 에너지원 ▲ 지능형 검침 인프라(AMI, Advanced Metering Infrastructure) ▲ 스마트그리드가 있다. 분산형 에너지원은 수요지 인근에 위치하여 에너지의 생산∙저장 및 예비력 보강 등에 기여하는 자원을 일컬으며[7] 분산형 전원, 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System), 수요반응, 에너지효율 등 제어가능성 초점을 맞춘다.[8]

이 중 VPP와 관련하여 특히 중요하게 다루어지는 기술은 분산형 전원과 에너지저장장치다. 분산형 전원은 태양광∙풍력∙열병합 등 소규모 발전설비를 의미하며 신재생 발전설비가 여기에 포함된다.[9] 분산형 전원은 중앙급전식 발전설비와 달리 소규모 설치가 가능하고, 수요지 인근에 위치하기 때문에 장거리 송전망 건설 등에 필요한 비용을 최소화한다.[10]

그러나 날씨의 영향을 받는 간헐성과 소규모 분산 발전에서 비롯되는 비가시성 탓에 개별 분산형 전원이 늘어날수록 오히려 이들을 제대로 활용하지 못하게 되는 비효율이 발생한다.[11]

VPP는 전력 생산량을 정확히 예측할 수 없다는 분산형 전원의 단점을 보완하여 전력망을 안정적으로 운영하도록 몇 가지 기술을 결합하는데 이 중 하나가 에너지저장장치다. 에너지저장장치는 발전 설비의 잉여 전력을 저장해 뒀다가 필요할 때 전력을 공급하는 에너지 효율화 시스템이다. 전력 수요가 적거나 전기 요금이 저렴할 때의 발전량을 비축했다가 전력 수요가 많거나 전기 요금이 비쌀 때 그동안 쌓인 전력을 제공한다.[12]

출력이 일정하지 않은 신재생 발전에 에너지저장장치를 적용한다면 전력 공급량을 일정한 수준으로 유지할 수 있어 안정적인 운영이 가능해진다. 태양광 발전을 예로 들면 출력량이 많은 낮 시간대에 발생한 잉여 전력을 에너지저장장치에 비축한 뒤 출력량이 적은 일몰 직전 및 밤 시간대에 예비분으로 사용하는 식이다.[13]

분산형 전원을 VPP에 이용하려면, 어느 한 쪽의 발전량이 낮을 때 다른 곳에서 잉여 전력을 수급함으로써 안정적인 전력 계통 운영을 가능케 하는 제어 장치가 필요하다. 에너지저장장치가 그 역할을 한다.[14]

지능형 검침 인프라는 지능형 계량기(Smart Meter)를 기반 삼아 구축된다. 지능형 계량기는 전력 사용량을 지속적으로 추적해 전력망 운영자와 소비자 모두에게 실시간 자료를 제공한다.[15] VPP는 ICT를 이용해 분산형 에너지원을 통합 관리하여 도매전력시장 및 전력 공급 계통에 참여할 것을 목표로 한다. VPP가 도매전력시장에 적극적으로 참여할 수 있는 환경이 조성되어야 산업이 촉진된다는 뜻이다.[16] 이때 도매전력시장에 판매 가격신호를 제공할 만한 전력 운영 데이터를 지능형 계량기를 통해 확보할 수 있다.[17]

지능형 검침 인프라는 전력의 품질을 비롯해 전력 운영에 필요한 추가 정보를 수집할 뿐만 아니라 시스템 상태에 따라 원격으로 에너지 공급을 조절한다.[18] VPP 시스템하에 전력망을 안정적으로 운영하고 산업을 활성화하기 위해서는 지능형 검침 인프라를 구축할 필요가 있다.

이 모든 기술을 아우르는 개념이 바로 스마트그리드다. 한국스마트그리드협회는 스마트그리드를 "기존 전력망에 ICT를 접목하여 공급자와 수요자간 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 지능형 수요관리, 신재생에너지 연계, 전기차 충전 등을 가능케 하는 차세대 전력인프라 시스템"이라고 설명한다.[19]

스마트그리드 하의 전력망 운영자는 양방향으로 교환되는 다양한 데이터를 바탕으로 전력 수요를 더욱 정확히 예측하여 에너지 낭비를 줄인다. 예컨대 태양광 발전 설비를 구축한 개인은 자신 소유의 소규모 분산형 전원, 즉 태양광 발전에서 생산된 잉여 전력을 에너지저장장치에 비축했다가 전력회사나 전력계통운영자에게 판매할 수 있다. 전력 소비자가 생산자를 겸하는 프로슈머로 변화하는 이 과정이 VPP의 토대가 된다.[20]

세계 최대 규모 가상발전소 사업자 '넥스트 크라프트베르케'

▲ 넥스트크라프트베르케의 원격 제어 장치 넥스트 박스

독일의 '넥스트 크라프트베르케'는 유럽의 대표적인 VPP 사업자이다. 2009년 독일 쾰른의 에렌펠트 지역에서 사업을 시작하여[21] 현재 세계 최대 규모 VPP의 하나인 '넥스트 풀'을 운영 중이다.

총 용량이 1만 2294MW에 달하는 이 VPP는 2만 5346개가 넘는 자원을 통합 관리한다.[22] 지난해만 해도 기술 지원을 통해 2439개 자원(소규모 발전설비)을 '넥스트 풀'에 추가 통합했다.[23] 2019년 기준 총 전력거래량은 15.1테라와트시(TWh)로 유럽의 7개 지역 계통 운영자에게 전력을 공급하고 있다.[24]

'넥스트 크라프트베르케'는 원격 제어 장치 '넥스트 박스(Next Box)'와 자체 운영시스템인 넥스트라(NEXTRA)를 통해 실시간 전력 모니터링과 원격 자동 제어를 수행하고 분산형 에너지원 시장 참여자 간의 직접 전력거래를 지원한다.[25]

'넥스트 박스'는 분산형 에너지원을 VPP의 제어 시스템에 연결하는 원격 제어의 단말 장치이다. 제어 시스템은 '넥스트 박스'를 통해 최적의 발전 일정을 계산하는 데 필요한 모든 데이터를 전송받아 저장한다. 실제 전력, 가용 전력, 자원의 상태, 균형 발전을 위한 성능 범위 등의 데이터가 여기에 해당한다. '넥스트 박스'가 설치된 발전소(분산형 에너지원)는 VPP의 일부이다.[26]

전력거래포털 넥스트라는 소비자와 공급자가 전력을 직접 거래할 수 있도록 돕는 운영시스템이다. 유럽 전역의 전력 시장 접근을 지원한다. 계량 데이터, 소비 및 생산 예측, 조달된 전력량 등의 다양한 정보를 기반으로 한 분석 및 예측 서비스가 제공된다.[27] 넥스트라를 이용하는 고객은 전력시장에서 부족한 전력을 새로 구입하거나 남는 전력을 판매할 수 있다.[28]

'넥스트 크라프트베르케'는 2021년 2월 세계적인 정유회사 쉘에 인수되었다. '넥스트 크라프트베르케'의 창립자이자 최고경영자인 헨드릭 새미쉬는 "전통적인 에너지 산업 주체들이 (VPP에) 적극 참여할 때 지속가능한 에너지 시스템으로 전환이 성공할 수 있다" 고 말했다.[29]

분산에너지 활성화 지원, 국내 가상발전소 시장 커지나

▲ 소규모 전력중개시장 운영 방식

대한민국 정부는 2017년 12월 재생에너지 3020 이행계획을 발표한 바 있다. 2030년까지 재생에너지 발전량을 전체 발전량의 20%인 125.8TWh에, 전체 설비용량 대비 33.7%인 58.5GW에 도달하도록 지원하겠다는 목표를 제시했다.[30] 2021년에는 국가 온실가스 감축 목표(NDC)로 2030년까지 신재생에너지 발전비중을 30.2%(185.2TWh)까지 끌어올리겠다는 상향안을 내놓았다.[31]

2019년부터는 소규모 전력중개시장 제도를 도입해 운영하고 있다. 소규모 전력중개시장은 각기 다른 소규모 분산형 전원에서 생산하거나 저장한 에너지를 한 데 모아 거래할 수 있는 전력시장이다.[32] 전력 시장 참여자의 다원화는 VPP를 운영할 수 있는 기반으로 기능한다.

그러나 산업통상자원부는 지난 1월 발표한 제10차 전력수급기본계획에서, 2021년 국가 온실가스 목표 상향안의 신재생에너지 발전비중 증진 목표를 실현 가능성이 낮은 것으로 평가했다. 정부는 실현 가능성을 감안해 2030년 신재생 발전량 비중 목표치를 30.2%에서 21.6%로 감축했다.[33] 2021년 기준 국내 재생에너지 발전비중은 6.3%였다. 2017년 3.2%에 비해 증가했으나 여전히 미미한 수준이다.[34]

새 정부 등장에 따른 정책 기조 변화로 신재생 에너지 산업이 위축되는 가운데 소규모 전력중개시장 역시 자리를 잡지 못한 것으로 나타났다. 전력거래소가 발표한 2021년 6월 전력시장∙신시장 운영실적에 따르면 소규모 전력중개시장이 개설된 2019년 2월 이후 2년 동안 실제로 집합자원을 구성하여 운영 중인 중개사업자는 14개에 불과했다.[35]

정부는 시장 활성화를 위해 2021년 10월 국무회의에서 전기사업법 시행령 개정안을 의결하고 당초 1MW 이하 설비에 한정한 소규모 전력중개시장 참여 조건을 20MW 이하로 확대 적용했다. 또한 재생에너지를 통해 생산된 전기를 사용자가 직접 구매(PPA)할 수 있게 하는 '재생에너지 전기 공급사업' 제도를 신설했다.[36]

산업통상자원부는 지난 5월 25일 개최된 '계통유연자원 서비스화 기술개발 착수보고회'에서 분산자원 거래 활성화를 위한 기술적∙제도적 방안 마련을 목표로 올해부터 4년에 걸쳐 총 260억 원을 투입하겠다고 밝혔다.[37] 한국형 VPP에 민간 투자를 촉진하겠다는 게 핵심이다.

이어 6월 13일엔 '분산에너지 활성화 특별법'을 제정 및 공포했다. 내년 6월 14일 시행되는 특별법은 ▲ 분산에너지 생산∙소비 인센티브 도입 ▲ 분산에너지 친화적인 시장제도로 개편 ▲ 계통안정성 제고를 위한 인프라 확충∙고도화 ▲ 지역주도 분산에너지 시스템 구축을 골자로 한다.[38]

VPP 초석이 될 제도가 마련되며 국내 유수 기업들 역시 하나둘 재생에너지 전력중개사업에 진출하고 있다. HD현대에너지솔루션은 지난 7월 전력중개사업을 개시하여 자사 태양광 시스템이 설치된 모든 발전시설의 동작 상태를 원격 모니터링할 수 있는 시스템인 '하이 스마트 3.0'을 운영 중이다. '하이 스마트 3.0'은 8000여 발전소에서 수집한 방대한 정보를 기반으로 발전량 예측 정확도를 높여 안정적인 운영에 기여한다.[39]

▲ SK에코플랜트 전력중개사업 개념도

SK에코플랜트도 지난 7월 제주도 내 91개 재생에너지 발전소와 협약을 맺고 50MW 규모 분산형 에너지원의 전력중개사업에 나섰다. 곧 재생에너지 발전량 예측 기반 입찰 플랫폼 '파워젠(PowerZEN)'을 선보일 계획이다.[40]

한화솔루션 큐셀부문은 지난 3월 전력중개사업에 뛰어들어 태양광 제품 제조를 넘어 에너지 공급 관리 시스템 솔루션 부문에까지 사업을 확장하고 있다.[41] 한화큐셀은 지난해 미국 주택용 태양광 모듈 시장에서 5년 연속, 상업용 태양광 모듈 시장에서는 4년 연속 점유율 1위를 차지했다.[42]

세계적인 흐름이 형성되고 있고, 국내에서도 관련 제도 수립에 이어 기업들이 뛰어들고 있는 만큼 VPP를 포함하여 재생에너지 전반을 확대할 국가와 사회의 관심이 긴요한 시점이다. 시장과 호응할 정부의 정책의지 또한 실기하지 않는 데에 핵심요소임은 재삼 강조할 필요가 있다.

글: 안치용 아주대 융합ESG학과 특임교수, 한채하 기자(지속가능바람),이윤진 ESG연구소 부소장

덧붙이는 글 | [1] Enerdata(23.09.03 접속). 연료 연소로 인한 CO2 배출량, https://yearbook.enerdata.co.kr/co2/emissions-co2-data-from-fuel-combustion.html [2] Enerdata(23.09.03 접속). 전기생산에서 신재생 점유율(수력 포함), https://yearbook.enerdata.co.kr/renewables/renewable-in-electricity-production-share.html [3] 윤용호(2019). [해외전력산업동향] 주요국 신재생 간헐성 대응 동향. 전기저널 -.509 p.30 [4] 윤용호(2019). [해외전력산업동향] 주요국 신재생 간헐성 대응 동향. 전기저널 -.509 p.29 [5] 정구형(2015). 가상발전소(VPP) 기술 현황 및 전망. 전기저널 -.466 p.19 [6] SKYQUEST(23.09.04 접속). Global Virtual Power Plant Market Insight, https://www.skyquestt.com/report/virtual-power-plant-market [7] 이상아(2021). 가상발전소, 혁신성장품목보고서, 한국IR협의회 p.8 [8] 한전경영연구원(2021). VPP 운영현황 및 활성화 방안, KEMRI 전력경제 REVIEW vol4 p.1 [9] 한전경영연구원(2021). VPP 운영현황 및 활성화 방안, KEMRI 전력경제 REVIEW vol4 p.1 [10] 이상아(2021). 가상발전소, 혁신성장품목보고서, 한국IR협의회 p.8 [11] 조영혁 외 3인(2018). 재생에너지 중심의 가상발전소(VPP) 요소기술 개발사례 연구. 한국경영정보학회 학술대회논문집 2018.5 p.483 [12] 김응상(2019). ESS 국내외 정책 및 비즈니스모델 구축사례. 에너지포커스: 2019년 봄호. p.27 [13] 김응상(2019). ESS 국내외 정책 및 비즈니스모델 구축사례. 에너지포커스: 2019년 봄호. p.33-34 [14] 조영혁 외 3인(2018). 재생에너지 중심의 가상발전소(VPP) 요소기술 개발사례 연구. 한국경영정보학회 학술대회논문집 2018.5 p.482 [15] Frost & Sullivan(2020). 지능형 계량기 시장 및 2025년 전망. KEPCO Journal on electric power and energy 6.2 p.75 [16] 정구형 외 2인(2015). 스마트그리드 하에서 가상발전소의 전력시장 참여를 위한 제도적 선결요건에 관한 제언. 전기학회논문지 64.3 p.378 [17] 정구형(2015). 가상발전소(VPP) 기술 현황 및 전망. 전기저널 -.466 p.22 [18] 이상아(2021). 가상발전소, 혁신성장품목보고서, 한국IR협의회 p.6 [19] 한국스마트그리드협회(2023.09.05 접속). 스마트그리드 소개, https://www.ksga.org/web/info/smartGrid.do [20] 정구형(2015). 가상발전소(VPP) 기술 현황 및 전망. 전기저널 -.466 p.22 [21] Next Kraftwerke(2023). Next Kraftewerke Company Brochure. p.10 [22] Next Kraftwerke(23.09.08 접속). Power Scheduling of Flexible Assets with NEMOCS. https://www.next-kraftwerke.com/products/power-scheduling [23] Next Kraftwerke(2023). Next Kraftewerke Company Brochure. p.6 [24] Next Kraftwerke(2020). Case Studies from the VPP. p.31 [25] 안재균(2019). 공급형 가상발전소(VPP) 활성화 방안 연구. 울산: 에너지경제연구원, p.16 [26] Next Kraftwerke(2023.09.09 접속). VPP explained: What is a Virtual Power Plant? https://www.next-kraftwerke.com/vpp/virtual-power-plant [27] Next Kraftwerke(2020). Energy Services p.6 [28] 안재균(2019). 공급형 가상발전소(VPP) 활성화 방안 연구. 울산: 에너지경제연구원, p.16 [29] Next Kraftwerke(2021.02.25). Shell acquires Next Kraftwerke to strengthen position in renewable energy trading. https://www.next-kraftwerke.com/news/shell-next-kraftwerke [30] 윤용호(2019). [해외전력산업동향] 주요국 신재생 간헐성 대응 동향. 전기저널 -.509 p.29 [31] 관계부처 합동(2021.10.18). 2030 국가온실가스 감축목표(NDC) 상향안 p.6 [32] 한전경영연구원(2021). VPP 운영현황 및 활성화 방안, KEMRI 전력경제 REVIEW vol4 p.16 [33] 산업통상자원부(2023.01.13). 제10차 전력수급기본계획(2022~2036) p.113 [34] 산업통상자원부(2023.01.13). 제10차 전력수급기본계획(2022~2036) p.50 [35] 전력거래소(2021.07). 2021년 6월 전력시장/신시장 운영실적 p.9 [36] 산업통상자원부(2021.10.12). “재생에너지 전기를 사용자가 직접 구매 가능해져”, https://www.motie.go.kr/motie/ne/presse/press2/bbs/bbsView.do?bbs_cd_n=81&bbs_seq_n=164668 [37] 산업통상자원부(2023.05.24). 분산에너지 거래 모델이 만들어진다 p.1 [38] 한국에너지기술연구원(2023). 분산에너지 활성화 특별법 및 통합발전소(VPP) 관련 에너지 산업∙기술 동향 분석. CT Brief no. 51 p.3 [39] HD현대에너지솔루션(2023.07.21). [공지] HD현대에너지솔루션, 7월부터 '전력중개사업' 개시. https://blog.naver.com/hyundai-es-blog/223162497706 [40] SK에코플랜트(2023.07.03). SK에코플랜트, 소규모 태양광 발전 90여개 하나로 모아 전력거래 ··· 가상발전소(VPP) 기반 재생에너지 전력중개사업 본격 진출. https://news.skecoplant.com/sk-ecoplant/11707/ [41] 한화솔루션큐셀(2023.04.04). 한화큐셀, 국내 최대 신재생에너지 전시회 '국제그린에너지엑스포' 참가. https://www.hanwha.co.kr/media/news/news_view.do?seq=8254&pg=&pgSz=&schStrtRgstYmd=&schEndRgstYmd=&schTxt=%EC=%A0=%84=%EB=%A0=%A5=%EC=%A4=%91=%EA=%B0=%9C= [42] 한화솔루션(2023.05.10). 한화큐셀, 美 주요 태양광 모듈 시장 1위 지켰다… 2022년 주택용 5년·상업용 4년 연속 시장점유율 1위 수성. https://www.hanwha.co.kr/media/news/news_view.do?seq=8292

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