최근 에너지저장시스템은 안정적이고 효율적인 에너지 수급체계 구축에 효과적인 수단으로 막대한 시장 잠재력이 기대되며, 새로운 성장동력으로 국내외에서 주목받고 있다. 에너지저장시스템 보급을 활성화하기 위해 에너지경제연구원 이성인 연구위원은 제도적, 경제적, 정책적 측면 등 종합적으로 에너지저장시스템의 필요성 및 활용방안 등에 대한 정책대안을 제시했다.

에너지저장시스템의 수요 관리 효과분석 및 시장조성 방안 연구(연구책임자는 에너지경제연구원 이성인 연구위원, 연구참여자는 에너지경제연구원 김진경 위촉연구원이다)를 2회에 걸쳐 소개한다. 1회에서는 에너지저장시스템 개요와 활용분야 및 기대효과 등에 대해 정리한다.

연구 배경 및 필요성

 

주요 선진국은 에너지저장시스템를 확대하기 위해 기술 개발을 지원하고, 정부 예산으로 에너지저장시스템 실증사업을 추진하며 보조금 지급, 세금 감면 및 의무화 등을 실시하고 있다. 기업도 구체적인 성과가 예상되는 에너지저장시스템 시장에 적극적인 관심을 보이고 있다.

에너지원 중 전기는 편리성으로 생산 활동 및 일상생활에서 가장 광범위하게 사용된다. 그러나 생산과 소비가 동시에 균형을 맞추어야 하는 특성으로 시시각각 변화에 대응하기 위한 신속한 출력조정 속도가 필요하고, 생산단가가 높은 발전원 가동과 예비용량이 갖춰져야 한다. 그럼에도 불구하고 전력수요는 사용의 편리성으로 인하여 향후에도 꾸준히 증가될 것으로 전망돼 발전용량 확대가 불가피한 상황이다. 

현재 국내 전력시장은 산업용 소비자의 전기 소비 패턴 변화로 평균 부하 증가율에 비하여 최대전력 증가율이 급격히 증가하고 있다. 또한 전체적인 부하율은 점차 낮아지고 있는 반면, 계절별 및 시간대별 부하변동은 커지는 경향을 보이고 있다. 이러한 상황에서 안정적인 전력을 수급하기 위해서 시간대별 전기부하를 평준화해 전력피크에 적극 대응하고 있다. 대규모 정전사고 등에 효과적으로 대응하는 방안으로 에너지저장시스템의 이용이 급부상하고 있다. 또한 전력공급 예비력 저하 문제, 신재생에너지 도입 비중 확대로 계통에 미치는 출력 변동을 고려할 때 에너지저장시스템은 더욱 요구될 것으로 예상된다.

에너지저장시스템의 보급을 확대하기 위해 일본은 대지진 이후, 불안정한 전력문제 해결을 위해서 에너지저장시스템에 대하여 중앙정부및 지방자치단체에서 도입 시 1/3 정도의 보조금 및 지원프로그램을 운영하고 있다. 

미국 캘리포니아 의회는 법안을 통해 2020년까지 피크 전력의 5%를 담당한 에너지저장시스템 설치 의무화를 진행했다. 유럽에서는 2011년 5월에 에너지저장시스템의 연구개발에 2014년까지 2억 유로의 투자계획을 발표한 바 있다.

우리나라 정부는 2011년 5월 에너지 저장기술 개발 및 산업화 전략 계획을 수립하여 기술 개발 및 실증사업을 추진해오고 있다. 이 계획은 2020년 국제 에너지저장 시장의 점유율 30% 달성을 목표로 총 6조 4천억원원(기술 개발 2조원, 설비 구축 4조 4천억원) 규모의 연구개발과 설비투자를 주요 내용으로 하고 있다. 2013년부터 설치 보조금 지원을 통해 공공부문 건물용 에너지저장시스템 시범보급사업을 추진하고 있다.

연구 목적

에너지저장시스템은 발전소, 송전, 변전소, 배전, 수용가에 이르는 전 과정에 설치되어 다양한 용도로 활용된다. 

특히, 신재생에너지 발전은 정확한 출력 예측이 어렵고 출력 변동률이 높아 전력계통에 연계할 경우 계통 전압 및 주파수의 변동을 초래할 수 있는데, 이 문제를 에너지저장시스템이 보완해 신재생에너지 이용 확대에 일조할 것으로 예상된다. 우리나라는 전력수요의 갑작스런 급증에 대비하여 주파수 조정용으로 석탄 화력발전소의 출력을 평상시 5%를 줄여 운전하고 있다. 

에너지저장시스템으로 대체하면 효율 향상에 기여할 수 있고 에너지저장시스템을 전력계통과 연계하여 활용하면 에너지저장시스템은 생산 전기의 충 방전 기능으로 발전, 송배전설비의 효율적 이용에 기여한다.

나아가서 신규 발전소의 건설 및 송배전망 시설 투자의 회피나 지연하는 효과도 기대된다. 이러한 효과는 국내외에서 다양한 실증 적용을 통해 입증되고 있는 추세다. 그럼에도 불구하고 에너지저장시스템의 운영을 통한 경제적 수익창출과 편익 극대화 경험이 아직 충분하게 축적되지 못한 상태로 이를 보급 확대하려는 노력이 필요하다.

에너지 저장기술은 최근 빠르게 진화하고 있으나, 모든 저장기술이 다양한 적용분야에서 요구되는 기술적 성능요건을 모두 충족하고 있는 것은 아니다. 대부분 저장기술이 개발 중이거나 아직 적용 초기단계에 있어 위험과 불확실성이 크고, 아직은 더 많은 검증이 필요하다. 따라서 에너지저장시스템의 보급 확대를 위해서는 적용 가능한 분야 및 용도를 살펴보고 용도별로 요구되는 기술적 요건과 저장기술의 현재 수준 및 특성에 대한 검토 분석이 필요하다. 국가차원에서 상당한 잠재적 효과가 기대될 경우, 기술개발 초기 혹은 시장태동기에는 정책적인 차원에서 재정적 지원과 법적 제도적 보완이 요구된다. 

또한 에너지저장시스템이 국가 전체 측면에서 다양한 효과로 경제성 혹은 사업타당성이 있어도 설치하여 운영하는 주체인 소비자 측면에서 경제성이 없으면 시장 보급이 불가능하다. 따라서 에너지저장시스템이 시장에서 보급되기 위해서는 소비자 측면에서 경제적 타당성 확보가 핵심이다. 시장 초기단계에 있는 에너지저장시스템이 빠르게 확산되지 못하게 되면 에너지저장시스템 양산체제로의 전환도 더디어 가격하락도 지체된다.

국내 에너지저장시스템 시장은 아직 초기단계로 실증사업과 시범보급 사업이 추진 중이다. 특히, 초기 높은 투자비용의 부담으로 에너지저장시스템 시장 형성에 난항을 겪고 있다.

에너지저장시스템의 개념 및 구성요소

1. 에너지저장시스템의 개념 

에너지저장기술은 다양한 형태의 에너지를 저장하였다가 필요한 시기에 사용할 수 있게 하는 기술이다. 또 생산된 잉여 에너지를 그 자체로 또는 변환하여 저장하고 필요할 때 사용할 수 있도록 공급하는 시스템이다. 

저장 기술은 에너지 공급과 수요 간의 시간적 간극을 연결해 주는 가교 역할을 수행한다. 오래 전부터 석유나 가스와 같은 에너지 자원은 저장탱크, 비축기지 건설 등의 기술들을 이용해 저장해 왔다. 현재는 기술의 발달로 열에너지와 전기에너지의 저장 기술이 상용화 단계에 있다.

최근 대용량의 에너지를 저장할 수 있는 다양한 에너지 저장 기술들이 상용화됨에 따라 에너지저장시스템이 스마트그리드 구축에 필수적인 시스템으로 부각되고 있다. 

현재 다양한 에너지 저장기술이 국내외적으로 상용화되어 활용되고 있고, 또한 기술 개발도 활발하게 진행중이다. 이미 개발된 기술에 대한 실증사업도 국내외에서 활발하게 추진되고 있다. 에너지 저장 기술 개발은 현재 전력 저장 위주로 진행된다. 

현재 가장 성숙된 에너지 저장 기술은 양수발전이다 대규모 전력 저장을 위한 양수발전이 현재 세계적으로 설치된 전기저장 용량의 약 99%를 차지하고 있다.

현재 개발 중이거나 상용화된 에너지저장 기술의 종류와 저장 기술별 성숙도는 그림 1과 같다. 리튬 배터리, 플라이휠(저속), 나트류황배터리 및 압축공기 에너지저장 기술이 실증 보급단계에 있다. 초전도 에너지저장, 슈퍼커패시터, 플라이휠(고속) 및 흐름배터리 등의 저장 기술은 아직 연구개발 단계에 있다. 에너지 저장 기술의 성능을 결정하는 주요 요인은 저장용량, 저장밀도, 충방전 효율, 충 방전 속도, 수명 등이다. 

▲ 그림 1. 에너지저장기술 종류 및 기술 성숙도 <출처: IEA, Technology Roadmap- Energy Storage. 2014>

이들 요인에 따라 적용 가능한 분야가 달라지고 상대적인 장단점을 갖게 된다. 

국내외에서 저장기술의 성능 개선과 비용을 낮추기 위한 연구 개발이 활발하게 수행되고 있다.

2. 에너지저장시스템의 구성요소 

에너지저장시스템은 저수지, 압축공기저장소, 배터리 등의 저장장치와 PCS, 압축기/팽창기, 발전기 등의 변환장치와 제어장치를 기본 구성으로 한다. 그림 2는 배터리(리튬이온전지)를 이용한 에너지저장시스템의 기본적인 구성요소를 보여준다. 

▲ 그림 2. 에너지저장시스템의 구성요소 <출처:에너지경제연구원>

배터리 방식의 에너지저장장치는 배터리 시스템과 배터리의 충방전 상태 관리 및 제어를 위한 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)을 기본으로 한다. 추가적으로 생산된 전력의 주파수와 전압을 계통 및 부하 특성에 맞춰 변환하고 관리하기 위한 전력변환장치(PCS, Power Conditioning system)와 에너지저장시스템을 모니터링하고 제어하기위한 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System) 혹은 전력관리시스템(PMS, Power Management System)으로 구성된다.

에너지저장시스템의 핵심장치인 배터리 장치는 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성된 배터리 셀들이 모여 모듈을 이루고 이 모듈이 모여 트레이를 이루고, 그리고 트레이가 모여 랙을 구성하고 이 랙이 모여 시스템을 구성한다. 

배터리 시스템은 PCS를 통해 전력을 공급 받아 특정한 형태로 변환해 저장해 두었다가 필요할 경우 방전하는 역할을 수행한다. 

배터리 셀마다 특성이 다르기 때문에 배터리가 최대 성능을 발휘할 수 있도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS)이 필요하다. BMS는 배터리의 충전상태 등을 외부 인터페이스를 통해 알려주고, 과충전 과방전 방지 등 셀 용량 보호, 수명 예측 등 배터리의 효율적 사용을 위한 제어 관리 기능을 수행한다. 또한 전력 저장과 사용의 특성이 서로 다르므로 전력을 실제 사용 가능하도록 특성을 바꿔주는 전력 변환 장치가 필요하다.

PCS는 발전원에서 생산한 전력을 흡수하여 배터리에서 저장하거나 방출하여 사용하기 위해 전기의 특성을 변환하는 시스템이다. EMS는 배터리 상태 및 PCS 상태에 대한 모니터링과 PCS를 제어하는 역할을 수행한다.

에너지저장시스템의 종류 및 특징

1. 에너지 저장기술 

에너지 저장기술은 기준에 따라 다양하게 분류된다. 에너지 저장기술은 생산 에너지를 기준으로 전기저장 시스템과 열저장 시스템으로 크게 분류되고, 저장형태 또는 방식에 따라 물리적, 화학적, 전자기적 방식으로 분류된다. 

또한 에너지 방출 지속기간에 따라 단주기와 장주기로 구분된다.

에너지 저장 형태에 따른 분류에서 물리적 방식에는 대표적으로 양수발전, 압축공기 저장이 있다. 이들은 대규모 저장에 적합하나 설치 장소에 대한 지리적 환경에 제약되는 특성이 있다. 화학적 방식으로는 리튬이온 전지, 나트륨황 전지, 흐름전지 등이 있다.

에너지 저장장치의 지속기간을 기준으로 한 분류에서 단주기는 보통 4시간 이내의 전력수급 균형을 맞추는 데 목적이 있다. 대표적으로 반응시간이 빠른 고출력, 고효율 특성을 갖는 리튬이온전지와 플라이휠이 있다. 

장주기 에너지저장시스템은 심야의 잉여전력을 저장하여 피크시간에 방전하는 목적으로 설치하기 때문에 보통 10시간 정도 지속 가능하며 고용량, 저비용 특성을 갖는 나트륨황전지, 흐름전지가 대표적이다. 경제적 측면에서 살펴보면 단주기 에너지저장시스템은 kWh당 생산 단가가 낮아야 하며, 장주기용 에너지저장시스템은 kWh당 생산단가가 낮아야 하는 특성이 요구된다.

▲ 표 1. 저장방식에 따른 에너지저장기술의 분류

▲ 표 2. 생산 에너지 및 용도에 따른 에너지저장기술

2. 전기저장기술 

전기저장시스템의 이용으로 파생되는 장점으로 인하여 다양한 종류의 전기저장 기술이 현재 개발되고 있다. 전기저장기술 종류별 원리와 장단점을 비교 정리하면 표 3과 같다.

▲ 표 3. 주요 전기저장기술의 원리 및 특징

전기저장기술의 현재 성능 수준은 표 4와 같으며, 초전도에너지저장(SMES), 슈퍼커패시터, 수소 저장 등의 기술들은 아직 개발 단계에 있다.

▲ 표 4. 전기저장 기술별 성능 수준 및 기술적 특성

(1) 양수발전

양수발전은 가장 오래되고 널리 사용되고 있는 대표적인 에너지저장기술이다. 양수발전은 위치에너지를 이용하여 발전하는 기술로, 잉여 전력을 이용하여 하부저수지의 물을 상부저수지로 끌어올려 저장하고 필요 시 낙차를 이용해 전력을 생산한다. 발전방식은 수력발전과 유사하다. 

양수 발전은 대용량이 발전이 가능하고 기동성이 뛰어나 예비 전력용의 역할 수행과 전력 수요 변동에 신속히 대응할 수 있다. 양수발전은 대용량화가 용이하고 발전단가가 낮은 장점이 있으나, 잦은 에너지저장 효율, 환경파괴, 입지제약이 단점으로 거론된다. 현재 전 세계적으로 활용되고 있는 전력저장장치의 95% 이상이 양수발전이다.

(2) 압축공기 에너지저장 

CAES(Compressed Air Energy Storage)는 전기가 남을 때 잉여전력을 이용해 공기를 압축하여 암반공동, 암염공동, 대수층, 천연동굴, 폐 갱도 및 폐 터널 등 저장시설에 저장하고, 필요할 때 저장된 압축 공기를 이용하여 전력을 생산한다. 

CAES 기술은 20MW급부터 수백MW급까지 대용량 에너지 저장이 가능하며, 발전 단가가 낮고 유지 및 보수가 용이한 장점이 있다. 그러나 지리적 제약이 따르고 초기 구축비용이 높은 단점이 있다.

독일은 1978년 Huntorf 발전소에 290MW급 CAES 플랜트를 건설하였고, 저장 효율이 45%로 비교적 낮지만 현재까지 운영되고 있다. Huntorf 발전소 이후 추가적으로 EnBw(600MW), ADELE(200MW)에서 CAES 프로젝트가 추진되었다. 

미국도 1991년 Alabama주의McIntosh 발전소에 110MW급 상용 CAES 플랜트를 완공하여 현재는 348MW까지 확장 운영 중이다. McIntosh 발전소는 배기열 회수 이용으로 독일의 Huntorf 발전소보다 CAES의 효율을 77% 수준으로 높였다.

또한 스마트그리드 사업의 일환으로 PG&E(300MW) 및 NYSEG(150MW) CAES 구축사업이 추진되고 있다. 아시아권에서도 일본과 중국에서연구와 실증사업이 진행 중이다. 일본은 1998년부터 기존 탄광을 활용한 MW급 CAES Pilot 플랜트를 건설하여 운영하고 있으며, 중국은 미국 ES&P에 EPC 역할을 부여하고 자국 내 CAES 건설을 추진하고 있다.

(3) 플라이 휠

플라이 휠 저장장치는 전기를 회전에너지로 저장했다가 회전력을 이용해 다시 전기를 만들어내는 방식이다. 무엇보다 단기간에 MW급으로 많은 양의 전기를 만들 수 있고, 에너지 효율이 95%에 달하기 때문에 독일 등 선진국들이 기술 개발에 앞장서고 있다. 플라이휠 저장장치는 에너지효율이 높고 수명이 길다는 장점이 있지만 아직까지 초기 구축 비용이 비싸다.

(4) 리튬이온 전지

리튬이온 전지는 양극 활물질, 음극 활물질, 전해질, 분리막 등의 4개 물질로 구성되어 있다. 이온상태로 존재하는 리튬이온이 방전 시에는 양극에서 음극으로, 충전 시에는 음극에서 양극으로 이동하면서 전기를 생성한다.

▲ 그림 3. 원형 리튬이온건지 구조 및 원가구성도

전해질의 종류에 따라 리튬이온 전지와 리튬폴리머 전지로 구분되며, 전지의 형상에 따라 원통형과 각형으로 구분된다. 그리고 양극 활물질의 종류에 따라 리튬코발트산 화물(LiCoO2), 리튬니켈산화물(LiNiO2), 리튬망간산화 물(LiMn2O4), 리튬인산철산화물(LiFePO4) 등으로 나눌 수 있다. 현재 리튬이온 전지는 값비싼 코발트 계열을 사용하고 있으며, 이를 대체하기 위한 소재 연구가 활발히 진행 중에 있다.

리튬 이차전지는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막을 조립하여 만들어지며, 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 4대 소재가 전체 생산원가의 50%를 차지하고 있다. 소재부분의 원가에서 양극재가 44%, 분리막 14%, 음극재 10%, 전해질 7% 순으로 차지하고 있다.

리튬이온 전지는 가볍고, 무게 대비 에너지 밀도가 다른 어떤 전지보다도 크다. 자가, 방전에 의한 전력 손실이 적고, 기억효과가 나타나지 않는 장점이 있지만, 안정성과 수명이 아직 완벽히 검증되지 않고 비용이 높다는 단점이 있다.

(5) 나트륨황 전지

나트륨황 전지는 일본의 NGK사와 도쿄전력이 공동 개발하여 2006년에 최초로 상용화에 성공하였다. NaS 전지는 양극에 황, 음극에 나트륨, 전해질로 세라믹 고체를 사용하여, 양극과 음극 사이를 나트륨 이온이 이동하면서 충전과 방전을 반복하는 원리이다. 에너지 밀도가 납축전지의 3배 이상으로 높고, 사이클 수명이 15년 이상으로 길며, 자가 방전이 없다. 그러나 작동을 위해서는 나트륨의 용융 상태를 유지해야 하기 위한 300℃가 넘는 고온이 필요하므로 높은 운영비용이 요구되고, 또한 화재 예방시설 설치가 필요하다.

(6) 레독스 흐름 전지

레독스 흐름 전지(Redox-flow Battery, RFB)는 전해질 내 이온의 전기화학적 산화-환원 전위차를 이용하여 전기를 저장하고 사용하는 장치로, 산화(Reduction)-환원(Oxidation) 반응 물질의 조합에 따라 전지의 전위가 결정된다. 

전해조의 크기에 따라 전기 저장량을 조절하며, 스택의 크기에 따라 출력을 조절할 수 있다. RFB는 대용량, 장시간 사용이 필요한 조건에 적합하고, 상대적으로 낮은 비용, 용이한 대용량화, 장시간 사용할 수 있다. 반면에 에너지 밀도와 에너지 효율이 낮다.

RFB의 기본 구조는 전력의 출력을 담당하는 스택과 용량을 담당하는 양극 전해액 탱크, 음극 전해액 탱크, 그리고 전해액을 스택에 공급하는 펌프로 이루어져 있다. 양극 음극 전해액에 포함되어 있으면서 전기에너지를 저장할 수 있는 물질을 통칭 레독스 커플이라 부른다. 어떤 레독스 커플을 사용하는가에 따라 특성이 달라지며, 대표적인 RFB로는 바나듐(Vanadium) 화학흐름 전지(VRB), Polysulfide bromide 화학흐름 전지, Zn-Br 화학흐름 전지 등이 있다.

RFB는 독일, 미국 등에서 이미 오래전에 상용화 단계에 들어섰다. 일본에서는 2013년 7월 홋카이도 지역에 60MWh급 RFB를 건설해 실증하고 있으며, 중국에서도 1GWh 5GWh급 RFB가 베이징 지역에 건설되어 실증 단계에 있다.

(7) 슈퍼커페시터

슈퍼커패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면의 단순한 이온 이동이나 표면 화학반응에 의한 충전현상을 이용하여 급속 충 방전이 가능한 기술이다. 구동원리에 따라 전극/전해질 계면 간 전기이중층에서의 정전기적 인력에 의한 전하의 분리로 발현되는 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor)와 전극/전해질 계면 간 가역적인 산화-환원 반응에 의한 커패시터(redox capaci-tor)로 구분된다. 

일반 커패시터의 장점인 고출력 특성과 전지의 장점인 고에너지 밀도 특성의 중간단계에 위치한 소자로, 축전용량이 커서울트라 커패시터 또는 슈퍼커패시터라고도 불린다. 화학적 현상에 의해 충전되는 배터리에 비해 충 방전 속도가 빠르다. 

또한 전극 자체를 손상시키지 않아 수명은 거의 무한대이다. 다만 유일한 단점으로는 전기 저장능력이 떨어진다는 점이다. 축전기의 저장용량은 두 판 사이의 거리에 반비례하고 면적에 비례한다. 일본, 러시아, 미국 등 주요 국가들이 1990년대 들어 상용화를 목적으로 기술 개발을 시작하여 1995년에 상용화됐다. 국내의 경우는 2004년 고출력 전기 화학적 전기에너지 저장장치로 분류하여 차세대 전지 성장 동력사업으로 선정했다.

3. 열에너지 저장기술

열에너지 저장기술은 냉열 또는 온열을 필요한 시기에 사용하기 위해 저장하는 기술이다. 열저장기술은 에너지시스템의 생산단계 및 소비단계에서 적용되어 열에너지의 공급관리와 수요관리 측면에서 활용되고 있다. 

건물의 냉열 및 온열 수요는 에너지소비의 약 45%를 차지하고 있어 열저장 기술은 에너지 수요관리 측면에서 매우 유용한 수단이다. 열저장 기술은 열에너지 수요와 공급이 시간, 강도, 공간상에서 매칭되지 않는 문제를 완화 혹은 해소할 수 있어 열에너지시스템의 최적 운영에 중요한 수단이다.

열저장 방식으로 현열 저장, 잠열 저장, 화학 반응 열저장 등 세 가지 방법이 주로 활용되고 있다. 현열 저장기술은 물체의 상태(액체, 고체 등) 변화 없이 온도 변화로 나타나는 열을 저장하는 기술로, 냉 온수 보온저장탱크가 가장 대표적이다. 잠열 저장기술은 온도변화 없이 상태변화(액체 고체, 고체 액체, 액체 기체)에 따라 잠열, 방열 원리를 활용하여 열을 저장하는 기술이다.

잠열은 융해열(고체 액체), 기화열(액체 기체), 액화열(기체 액체), 응고열(액체 고체)이 있고 잠열 저장시스템으로는 빙축열 시스템이 대표적이다. 화학반응 열저장은 시스템이 복잡하고 높은 기술 수준과 낮은 조작 가능성으로 현재까지 실험 연구 단계에 있다. 

현열 저장 기술은 폭넓게 응용되고 있지만 열저장 재료의 열저장 밀도가 낮아 대용량 열저장 시스템을 건설하기 위해서는 방대한 체적이 필요하다. 잠열 저장기술은 현열 저장 기술에 비해 열저장 밀도가 높고, 또한 상변화 온도 범위 내에서 비교적 큰 에너지양 흡수와 방출이 가능하며 저장과 방출 온도 범위가 좁고 열저장 및 열방출 과정에서 온도의 안정성을 유지하는 데 유리하다. 열저장은 저장 열의 온도를 기준으로 저열, 중열 및 고열 저장으로 분류된다.

(1) 저열 에너지 저장시스템

냉수저장탱크는 상업 및 산업체에서 설치되어 전 세계적으로 널리 활용되고, 대규모 열저장시스템도 상업화되고 있다. 지하 열에너지 저장(UTES: Underground thermal energy storage) 시스템은 냉수와 온수를 깊은 지하에 저장해 필요에 따라 활용하는 시스템이다. 

▲ 그림 4. UTES 기본 개념 자료

여름에는 따뜻한 햇볕을 받아 뜨거워진 온수를 저장해 겨울에 난방용으로 사용하고 겨울에는 지표에서 차가워진 냉수를 지하에 저장해 여름에 냉방 목적으로 사용하는 방법이다. 지하 열저장은 대수층 열에너지저장(ATES: Aquifer Thermal Energy Storage), 굴착공 열에너지저장(BTES: Borehole Thermal Energy Storage)을 포함한다. 

지하 열에너지 시스템은 네덜란드, 스웨덴, 독일, 캐나다 등의 국가에서 이미 상업화되어 활용되고 있다. 냉방 목적으로는 현열 저장방식에 비하여 에너지저장 밀도가 높은 상변화 물질을 활용한 잠열 저장방식이 널리 활용되고 있다. 미국에서는 피크 전력수요를 줄이기 위하여 빙축열시스템이 널리 활용되고 있으며 설치용량이 1GW에 달하는 것으로 추정되고 있다. 냉방용으로 이용하기 위해 물 이외에 상변화 물질(PCM) 개발 연구가 진행되고 있다.

(2) 중열 에너지저장시스템

뉴질랜드, 호주 및 프랑스 등 많은 국가들은 지난 수십년 동안 전기온수 저장히터의 열저장기능을 활용해 열을 저장하고 있다. 

일부 국가에서는 구역 전력공급의 혼잡 완화, 가정용 전력수요 피크 절감을 위해 전력회사가 수용가의 온수 저장기능을 직접 제어할 수 있도록 하고 있다. 프랑스의 경우 전기온수히터의 열저장기능을 활용하여 전력피크 수요의 약 5%(5GW)를 절감하고 있는 것으로 보고되고 있다.

상변화물질을 이용한 열에너지 저장은 물이 얼음으로 변하는 것처럼 어떤 물질이 특정의 상태에서 다른 상태로 변화하면 그 과정에서 상당한 양의 에너지가 흡수되거나 방출되는 원리를 이용하는 것이다. 적당한 물질을 사용하면 이와 같이 ‘잠복해 있는 에너지’를 이 상변화물질을 이용한 열에너지 저장은 물이 얼음으로 변하는 것처럼 어떤 물질이 특정의 상태에서 다른 상태로 변화하면 그 과정에서 상당한 양의 에너지가 흡수되거나 방출되는 원리를 이용하는 것이다. 적당한 물질을 사용하면 이와 같이 잠복해 있는 에너지를 이용하여 열에너지를 저장할 수 있다. 특정한 소금이나 밀랍 종류를 포함하여 열에너지를 저장하는 데 적합한 물질들이 현재 상변화물질(PCM) 에너지 저장용 구조재로 상업화됐다.

 

이런 제품들은 셀 형태나 구조용 시팅(sheeting)에 이르기까지 다양한 제품으로 사용되고 있다. 공기나 글리콜(glycol) 등의 상변화물질 순환액은 패시브 솔라시스템으로 생산된 열에너지를 저장하여 야간이나 구름이 낀 주간과 같이 시스템이 작동하지 못하는 기간에 사용될 수 있기 때문에 패시브 솔라 난방시스템에 적합하다.

에너지저장시스템의 활용분야 및 요구 성능

1. 에너지저장시스템의 활용분야

일상에서 광범위하게 사용되는 전기는 생산과 소비가 동시에 균형을 이루어야 하는 특징으로 저장이 어렵다. 또 시시각각으로 변화하는 전기 수요에 맞추기 위한 신속한 응답 속도가 요구되며 생산단가가 높은 발전원 가동 및 예비용량 보유해야하는 점이 단점으로 거론되고 있다. 그러나 에너지저장시스템은 빠르게 발전하고 있는 저장기술을 전력분야에 활용해 이러한 단점을 보완할 수 있어 최근 주목을 받고 있다.

에너지저장시스템은 전력계통에서 전력 수요와 공급의 불균형을 해소하기 위해 사용되는 전력 저장장치로 발전소, 송전, 변전소, 배전, 수용가에 이르는 전 과정에서 다양한 용도로 활용된다.

에너지저장시스템의 발전서비스 이용은 전력계통의 기존 발전기와 연계해 발전자원으로 전력시장에서 전력판매와 보조서비스 제공을 위해 활용될 수 있다. 또한 전기를 저장한 후 필요 시 공급하여 피크수요 시점의 전력 부하 조절을 통해 전력계통의 운영효율을 최적화하는 역할을 수행한다. 송전망 서비스로는 송배전망에 연계하여 송배전망의 안정적 운영을 위해 필요한 각종 전력설비의 역할을 에너지저장시스템이 담당하여, 신규 설비투자의 지연과 전력계통의 신뢰성 안정성을 높일 수 있다. 

수용가 측면에서는 에너지저장시스템 을 이용하여 전기 생산 및 소비 환경의 변화로 발생하는 전력 계통의 품질과 신뢰성 저하를 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 

특히 태양광, 풍력 등 신재생에너지 발전과 전기자동차 충전에 따른 전력수급의 변동성이 높아져 전력망의 불안정성이 심해질 수 있는 상황에서 에너지저장시스템은 변동성이 높은 전기의 공급과 수요를 조절하고 수시로 변화하는주파수를 조정하여 전력망의 신뢰도를 향상하는 기능을 수행한다. 

그리고 갑작스러운 정전에도 에너지저장시스템은 안정적인 전력 공급이 가능하도록 한다. 몇 초의 정전 만으로도 데이터센터, 제조공정 설비, 각종 통신 장비 등에 치명적 손실이 발생할  수 있다. 

따라서 에너지저장시스템으로 빠른 시간에 비상 전력을 공급하고 장기 정전에는 자체 전원 역할까지 수행하면서 전력 계통의 비상 상황을 대비하게 해준다. 

또한 수용가가 에너지저장시스템을 설치, 활용할 경우 공급자에게 전적으로 의존하던 전기 공급에서 탈피해 자체 공급으로 전기요금을 절감하고, 외부계통의 문제로 야기될 수 있는 구역 내 전력계통의 문제에 효과적으로 대응할 수있다. 

이러한 에너지저장시스템의 효과는 다양한 용도로 실증적용을통해 입증되고 있다. 표 5와 같이,에너지저장시스템이 활용 가능한 시장을 세분화하면 17개 분야에 이르고 있다.

▲ 표 5. 에너지저장시스템 활용 서비스 분야

2. 에너지저장시스템의 가치창출 극대화

에너지저장시스템은 특정 용도로 설치되었다 하더라도 표 6과 같이 다른 용도로도 활용될 수 있다. 어떤 경우 에너지저장시스템이 단일 용도로 사용해도 충분한 수익을 창출할 수도 있지만, 상황에 따라서 복합 용도로 사용할 경우에만 수익창출이 가능할수도 있다. 

따라서 에너지저장시스템을 복합적으로 활용하여 가치를 극대화하여 이용할 수 있다. 에너지저장시스템의 다양한 분야(발전, 송배전, 수용가 단계) 활용을 바탕으로 에너지저장시스템 활용 편익을 극대화하기 위해서는 가능한 다용도로 활용하는 것이 중요하다. 

물론, 특정 용도로 설치된 에너지저장시스템이 다른 용도로 동시에 활용함에 있어 제약이 있을 수 있으므로 다용도 활용을 위해서는 기술적으로 가능한 범주 내에서 운영상 충돌 요인이 없어야 한다.

현재 에너지저장시스템은 아직 실증단계로 다양한 용도로 활용하여 편익을 극대화한 경험과 지식이 충분히 축적되지 못한 상태이다. 

3. 에너지저장시스템 활용 용도별 요구 성능

에너지저장시스템이 전력계통 보조서비스 전력용으로 활용될 경우에는 보통 높은 출력 전력이 필요하며 몇 초에서 몇 분 사이의 짧은 시간 동안 사용된다. 에너지용으로 사용할 경우 보통 몇 분에서 몇 시간까지 방전이 요구되어 상대적으로 큰 배터리 용량이 필요하다. 단주기 고출력 운전특성을 갖는 전력용으로 사용하기 위한 에너지저장시스템의 배터리 용량은 정격 출력 전력을 낼 수 있을 정도의 적은 용량만 필요하다. 전기저장 기술별 성숙도, 기술성능 수준 및 특성은 표 6과 같다.

▲ 표 6. 에너지저장 기술별 기술 성능 특성

모든 저장기술이 다양한 적용분야의 성능 요구조건을 모두 충족하고 있는 것은 아니다. 에너지 저장기술이 최근 빠르게 진화하고 있으나, 대부분의 기술이 적용 초기단계에 있어 위험과 불확실성이 크고, 아직은 더 많은 학습효과가 필요하다. 빠른 반응이 요구되는 전력계통보조서비스 전력용으로 가장 적당한 저장기술에는 슈퍼커패시터, SMES, 플라이휠(flywheel) 등이 있다. 

장시간의 지속적 출력이 요구되는 에너지용은 대용량 장주기 운전 특성을 갖는다. 에너지용으로 적당한 저장기술은 양수발전, CAES와 다양한 배터리가 있다. DOE/EPRI는 활용분야별 요구되는 에너지저장시스템 기술적 최소 요건을 표 7과 같이 제시했으며, IEA(국제에너지기구)는 활용분야별 요구되는 에너지저장시스템의 용량과 기술적 요건을 표 8과 같이 제시했다.

▲ 표 7. ESS 활용분야별 요구되는 최소 기술적 요건(DOE)

▲ 표 8. ESS 활용분야별 요구되는 기술적 요건(IEA)

에너지저장시스템의 활용분야와 용도별에 따라서 반응속도, 설치용량, 방전시간 및 사이클은 달라진다. 발전자원, 송배전망의 혼잡 완화 및 송 배전망 투자지연 목적으로 활용하기 위해서는 대용량 장시간 출력이 요구된다. 수용가 피크 절감용 에너지저장시스템의 경우에는 발전 및 송배전용에 비하여 적은 용량이 일정 방전시간이 요구된다. 방전시간은 저장장치의 에너지 저장용량에 의해 결정되며, 에너지저장 용량은(kWh) 전력(kW)×방전시간(h)으로 표시된다. 

각 분야별 활용방안을 고려할 때 대체적으로 발전원과 송배전망 연계형 활용방안의 경우 에너지저장시스템의 규모가 수십 MWh, 수백 MWh급의 대규모 설비이어야 한다. 상대적으로 수요자 연계의 경우 수요자 자신의 자체 부하만을 담당하는 경우 소용량 에너지저장시스템만으로 효과를 기대할 수 있다.

에너지저장시스템 활용방안 및 기대효과

1. 발전자원으로 활용

발전자원의 활용은 기존 전력계통에서 주로 발전기가 담당하는전력공급을 에너지저장시스템이 전력공급 자원으로 이용하는 것이다. 에너지저장시스템은 발전자원으로 전력 공급이동(차액거래)과 전력 공급 용량으로 활용될 수 있다.

(1) 차익거래

전력계통은 시시각각 변동되는 전력수요에 맞추어 전력을 실시간으로 공급하면서도 경제성과 신뢰성을 동시에 높여야 한다. 실시간으로변화하는 전력수요에 대응하기 위해 전력시스템을 발전기의 특성별로기저 발전기와 첨두 발전기로 구분하여 운영한다.

변화가 적은 기저부하 수요는 원자력과 석탄발전이 공급을 담당하고 급격하게 증감하는 첨두부하 수요는 석유와 LNG 발전기가 공급을 담당한다. 즉, 기저 발전기는 생산비용이 비교적으로 저렴한 발전기, 첨두 발전기는 응동이 용이한 고가의 발전기로 구성된다. 피크수요에 대응하여 수요측면에서 첨두부하를 기저부하 시간대로 이동하거나, 공급 측면에서 기저부하 시간대에 생산된 전기를 저장하였다가 첨두부하 시간대에 사용하는 방법이 있다.

전자의 경우 심야전력제도가 있으며, 후자는 양수발전이 대표적이다. 에너지저장시스템은 부하이동과 공급이동 용도로 활용된다. 발전자원으로 에너지저장시스템은 생산된 전기에너지를 저장하였다가, 필요한 시기에 방전하여 사용할 수 있으므로 전력계통 운영자가 원하는 시기에 충전과 방전을 통해 공급을 이동시킬 수 있다. 

발전 비용이나 전력 거래 가격이 낮은 기저부하 시간대에 생산된 전기를 저장하였다가 발전비용이나 전력 거래가격이 높은 첨두부하 시간대에 방전을 통한 전력공급 이동으로 차액거래를 통해 경제적 이득을 얻을 수 있다.

또한 발전비용이 낮은 기저부하 시간대에 에너지저장시스템을 충전하면 기저 발전기의 이용률을 높일 수 있고, 수요가 높은 첨두부하 시간대에 에너지저장시스템을 방전하면 첨두 발전기의 가동을 줄여 계통한계 가격 상승을 억제하거나 낮춰 전력 공급비용을 절감할 수 있다. 

(2) 전력 공급용량

전력공급 계통 상황에 따라 다르지만, 에너지저장시스템은 전력 공급용량으로 활용되어 전력시장에서 새로운 발전 용량에 대한 추가 확보를 줄일 수 있다. 

전력수요는 경제발전과 삶의 질 향상으로 고품질 전기를 원하는 소비자의 선호 변화로 과거에 비해 급격하게 증가하고 있다. 이렇게 증가하는 전력수요에 대응하기 위해 전력계통 운영자는 정기적으로 전원 계획을 수립하여 운영하고 있으며, 우리나라도 2년을 주기로 전력수급 기본계획을통해 미래 전력수요를 예측하고 설비확충 계획을 수립하고 있다. 

안정적인 전력계통 운영을 위해서는 부하의 변동 등 다양한 불확실성에 대한 대비가 필요하다. 따라서 빠른 기동 특성과 우수한 부하 추종 운전능력을 갖춘 첨두 발전기가 일정 비율로 필요한데, 첨두 발전설비의 연간 운전시간은 짧은 것에 비해 막대한 투자비와 운영비가 드는 것이 한계점이다.

전원 계획 수립에서 첨두 발전기는 최대 수요가 전년도 발전설비의 1MW만 초과하여도 수백 MW의 대규모 발전설비를 건설해야 한다. 그러나 에너지저장시스템을 공급 용량으로 첨두 부하 시간대에 방전하여 활용할 경우 전력계통에 필요한 첨두 발전기에 대한 대규모투자를 회피할 수 있다. 에너지저장시스템을 공급용량으로 활용하기 위한 운전 시간을 결정하는 것은 전력시장 환경에 크게 영향을 받는다. 

따라서 에너지저장시스템이 공급용량으로 활용될 경우, 방전 시간을 일반화하는 것이 매우 어렵다. 공급용량에 대한 가격이 방전시간 결정에 크게 영향을 미친다. 

예를 들어, 공급용량이시간당 가격으로 결정되면 에너지저장시스템은 가격이 높은 시간에 전력을 공급해야 하므로 배터리의 방전은 시간별로 유동적으로 운전된다. 만약, 에너지저장시스템이 일정한 시간동안 전력공급용량 역할을 할 수 있도록 공급용량에 대한 가격이 제시되거나 계통 운영자로부터 특정한 시간대에 예비용량 역할을 요구받는 경우 에너지저장시스템의 방전시간은 그런 요구사항에 따라 운전된다.

일반적으로 에너지저장시스템은 설치 위치나 전력시장 환경의 영향을 많이 받지만 에너지저장시스템이 전력 공급용량으로 활용할 경우, 추가적인 공급이동, 공급예비력, 송 배전시스템 개선의 지연, 전압조정, 전기 신뢰도, 전력 품질향상 목적으로도 활용될 수 있다.

(3) 예비용량

전력계통은 안정적 전력공급을 위하여 예상치 못한 발전소 고장, 설비의 사고 등에 따른 공급 감소와 수요 변동에 대비하여 적절한 예비력을 확보하고 있어야 한다. 

최소한 예비용량은 최대 출력 발전소의 발전량에 비하여 커야 한다. 

우리나라는 예비력을 예측수요의 오차, 발전기 불시고장 등으로 인하여 전력수급의 균형을 유지하지 못할 경우를 대비해 전력수요를 초과하여 보유하는 발전력으로 공급예비력과 운영예비력을 갖추고 있다. 공급예비력은 우선적으로 확보해야 하는 운영예비력과 이를 초과하여 급전 정지중인 발전력이다.

운영예비력은 주파수조정 예비력과 대기 대체예비력으로 구성된다. 주파수조정 예비력은 계통에 병입하여 운전하는 발전기의 자동발전제어나 주파수 추종 운전에 따라 순시에 자동으로 응동할 수 있는 예비력이다. 

대기 대체예비력은 발전설비 불시정지 및 수요예측 오차, 발전소 및 송전설비 고장정지 등에 대비하여 전력거래소의 급전 지시 후 120분 이내에 확보 및 이용이 가능한 예비력이다. 

또 대기 대체예비력은 운전 상태와 정지 상태로 구분하게 되는데, 운전상태 대기 대체예비력은계통에 병입되어 운전 중이고 출력 여유분(주파수조정 예비력 초과발전력)을 보유한 발전기가 급정지시 후 10분 이내에 여유분의 출력을 추가로 낼 수 있는 예비력을 말한다. 주파수조정예비력과 대기 대체예비력 중 운전 상태에 있는 예비력을 운전예비력이라 한다. 

정지상태 대기 대체예비력은 전력계통에 병입되어 있지 않고 상시 기동이 가능한 대기상태의 발전기(수력, 양수, 가스터빈 발전기 등)가 급전지시 후 120분 이내(동 하계 전력수급대책기간 20분 이내)에 전력계통에 병입하여 발전출력을 낼 수 있는 예비력을 말한다. 

국내 전력거래소는 수급운영 및 실시간 급전운영을 위하여 적정 수준의 운영예비력을 확보하여 운영해야 한다. 전력거래소는 전력계통의 신뢰도 확보를 위하여 주파수조정예비력으로 1,500MW이상, 대기 대체예비력으로 2,500MW이상을 확보 운영해야 한다. 특수일 기간 및 특수 경부하 기간에는 운영예비력을 2,000MW이상 추가 확보해야 한다.

전력거래소 또는 한전은 일간 수요예측 결과 운영예비력이 4,000MW미만으로 예상될 경우 산업통상자원부 장관, 전기사업자 및 자가용 전기설비 설치자에게 통보하고, 전력위기 단계별 조치를 준비하고 방송사에 보도요청을 하거나 전력예보 또는 예비경보를 발령하고 운영예비력에 따라 단계별 수급경보를 발령한다.

에너지저장시스템은 예비력이 필요할 때 즉시 투입되어 몇 초 안에최대 출력을 낼 수 있다. 에너지저장시스템이 예비력으로 활용되기 위해서는 일정시간 동안 충분한 에너지를 공급할 수 있도록 배터리의용량이 커야 한다. 

▲ 표 9. 국내 ESS의 활용가능 분야

(4) 주파수 조정

전력계통 주파수의 급격한 변동은 전원측과 수요측의 각종 설비에 악 영향을 미치고, 최악의 경우 정전 등 공급 차질을 발생시킬 수 있다. 주파수 변동은 발전과 부하간의 수급차이로 발생하며, 주파수 조정은 순간마다 변하는 전력의 수요와 공급 차이를 줄여 전력 계통의 주파수를 일정 수준으로 유지하는 것이다. 

즉, 어느 시간대에 발전기에서 공급하는 전력이 부하보다 크거나 작으면 주파수 조정용 발전기가 그 차이를 줄이기 위해 사용된다.  

주파수 조정은 일반적으로 계통에 연계된 발전기가 수행한다. 주파수 조정의 방법으로는 전력 공급을 늘리거나 줄여 주파수를 조정한다. 

전력 공급량이 순간적으로 부족하게 되면 주파수를 담당하고 있는 발전기가 출력을 높이고 반대로 순간적으로 전력 공급량이 많으면 출력을 줄인다. 기존의 화력 발전기들은 순간적인 전력수급 차이 발생에 맞추어 출력 조절용으로 만들어진 것이 아니기 때문에 주파수 조정용으로 적합하지 않은 발전기가 대부분이라는 것이다. 특히, 화력 발전기는 보통 정격 출력을 지속적으로 내는 것이 가장 효율적이다.

에너지저장시스템이 주파수 조정용으로 적합한 이유는 3가지로 요약된다. 첫째, 에너지저장시스템은 높은 충 방전 효율을가지고 있다. 둘째, 에너지저장시스템은 용량의 두 배까지 주파수 조정용으로 활용 가능하다. 마지막으로 에너지저장시스템은 빠르게 최대출력을 공급할 수 있고 빠른 출력 조정이 가능하다.

주파수 조정용 발전기는 가장 효율적으로 사용하더라도 최대 1MW에 불과하다. 에너지저장시스템이 주파수 조정용으로 활용되기 위해서는 빠르게 반응할 수 있어야 한다. 또한 신뢰성이 높고 고품질 전력을 안정적으로 공급할 수 있어야 한다. 

대부분의 경우 에너지저장시스템이 주파수 조정용으로 활용되면 동시에 다른 역할로 사용하기가 힘들다. 그러나 특정 시간대에 에너지저장시스템이 주파수 조정 대신에 전력부하 이동, 공급용량, 예비력 등의 다른 역할을 수행할 수는 있다. 

우리나라는 전기사업자에게 전력거래소의 급전지시에 따라 발전력조정 등의 방법으로 계통주파수를 평상시 60±0.2Hz의 범위로 유지하도록 하고 있다. 

또한 전력거래소 및 전기사업자에게 전력의 안정적 공급을 위하여 주파수 조정 예비력을 1,500 이상 확보하도록 하고 있다. 주파수 조종 서비스는 계통주파수가 ±0.2Hz 변동 시 응동 가능 용량 기준으로 산정하며, 자동발전제어 서비스는 5분 동안 제공 가능한 용량으로 산정한다.

발전사업자는 급전지시에 따라 자동발전제어 운전을 할 수 있도록 설비를 갖춰야 한다. 

그리고 주파수 조정 용량을 확보하기 위하여 입찰 공급 가능 용량의 최저 운전가능 출력과 최대 운전가능 출력의 범위 이내에서 자동발전제어 및 주파수 추종 운전에 참여하여야 한다. 전력시장에 신규로 진입하는 발전기의 조속기 속도조정률은 수력 및 내연발전기는 3.0%~ 4.0%, 가스터빈 발전기 4.0%~5.0%, 기력발전기 5.0%~ 6.0%로 규정하고 있다.

GF(Governor Free)는 미세한 주파수 조정을 위해 제공되는 보조서비스로 빠른 응동이 가능한 에너지저장시스템의 장점이 가장 잘 발휘될 수 있는 분야다. 

기본 주파수를 중심으로 진동하는 미세 주파수 변동에 에너지저장시스템으로 대응함으로써, 기저 발전기가 담당하는 GF 영역을 전력공급의 주목적으로 사용하여 에너지비용 절감에 기여할 수 있다. AGC는 GF로 대응이 불가능한 수급의 불균형에 대비하기 위한 것으로 GF 동작 이후 시간영역의 부하 변동에 대해 대처하게 된다. 단기간 출력을 유지한 후 새로운 전원이 기동하면 복귀하게 되므로, 15분에서 1시간 동안 출력유지가 가능한 에너지저장시스템을 통해 전력 제공이 가능하다.

▲ 표 11. 전력수급 경보의 종류, 경보 요건

(5) 자체기동

에너지저장시스템은 자체기동을 위한 비상용 전원으로 대규모 정전시 계통선과 발전소의 기동을 위해 필요한 전력을 공급할 수 있다. 자체기동은 외부의 전력공급에 의존하지 않고 발전소가 가동되도록 복구하는 과정이라 할 수 있다. 

일반적으로 발전소에서 사용되는 전력은 자체 발전기로부터 공급받고 있기 때문에 모든 발전기가 가동 중지되는 경우, 전력계통망을 이용하여 외부에서 전원을 공급 받아야 한다. 

만약 광역 정전으로 계통전원을 공급 받지 못할 경우, 자체기동 발전기를 갖추지 못한 발전소는 발전기 기동이 불가능하다. 

이에 대비하여 일부 발전소는 자체기동을 위해 비상용 소형 디젤발전기를 보유하고 있다. 

이들 소형 디젤발전기는 자체기동 디젤발전기로 대형 발전기의 기동을 위해 필요한 전력을 공급하게 된다. 증기터빈 발전기의 기동을 위해서는 보일러 급수 펌프, 보일러 강제통풍 연소공기 송풍기, 연료공급 준비를 위한 전력이 필요하다. 모든 발전소가 대기용량인 자제기동 발전기를 보유한 것은 비경제적이다.

따라서 자체기동 발전소로부터 사전에 지정된 시송전계통을 통해 전력을 공급 받아 우선 공급발전기를 기동한다. 주로 수력이나 양수 발전이 자체기동발전기로 계통 복구 시작점 역할을 수행한다. 

수력과 양수 발전은 작은 전원으로 기동할 수 있고, 매우 빠르게 전력을 공급할 수 있다. 

자체기동 발전기는 외부로부터의 기동전력 공급 없이 발전기 자체전원으로 기동이 가능한 발전기로 전 전력계통 정전과 같이 매우심각한 상황에서 전력계통의 복구를 위해 중요한 역할을 수행한다. 

외부의 전원공급 없이 발전이 가능하여야 하므로, 보통 수력이나 양수발전기 또는 소형 디젤발전기가 설치된 가스터빈 발전소가 자체기동 발전기로 동작하여 전력계통 복구의 시작점으로 역할을 수행한다. 

발전소의 기동을 위한 기동 전력으로 충분한 규모의 에너지저장시스템이 설치된 발전소라면, 에너지저장시스템의 충전된 전원을 통하여 빠른 시간에 전력계통을 복구할 수 있다.

장시간 정전 시 대규모 송 배전망을 일시에 복구하는 것이 어려울 수도 있다. 예를 들면 동 ·하절기에 장시간 정전되었을 경우, 일시에 계통을 복구할 경우 초기 냉 난방 부하가 급격이 높아져 계통 공급능력을 초과할 수 있다. 따라서 대형 송배전망의 경우 공급능력의 회복에 맞춰 단계적으로 복구해야 한다.

영국의 경우 계통 운영자가 발전업자와 계약을 통해 자체기동 용량을 확보하고 있으며 미국은 자체기동 확보에 세가지 방식을 이용하고 있다. 첫 번째 방식은 전통적 방식으로 통합유틸리티가 기동 전력을 제공하고 그 비용을 발전원가에 반영하여 소비자가 부담하는 방식이다. 현재CAISO, PJM, NYISO에서 이용되고 있다. 두 번째 방식은ISO-NE가 사용하는 방식으로 자체기동 정산금을 지급하는 방식이다. 

자체기동 정상금은 정액요금에 발전소가매월 청구하는 기동용량을 곱하여 지급한다. 세 번째 방식은 경쟁 입찰을 통해 확보하는 방식이다. 

이 방식은 ERCOT이 사용하는 방식으로 시간당 대기비용을 입찰 받아 다양한 기준으로 평가하여 선정하고, 85% 이용을 가정하여 정산금을 지불한다. 국내 전력거래소는 광역계통 및 전 계통 정전 발생 시 신속한 복구를 위해 우리나라를 7개 권역으로 나누고 각 권역별로 주, 예비로 이중화하여 총 14개소의 자체 기동 발전기를 지정하여 운영하고 있다. 

다음 호에 계속됩니다.

이성인 에너지경제연구원 연구위원