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VPP를 활용한 전력 관리 솔루션VPP(Virtual Power Plant)로 실현하는 전력의 수급 관리
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2019.10.11 09:34
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전력 수요의 피크를 억제하는 Demand Response의 개념을 기반으로 복수의 소규모 발전설비와 전력의 수요 억제를 종합으로 억제하는 VPP(Virtual Power Plant). 이 기술은 지역 내 혹은 지역 간 전력 수요와 공급, 지역간 전력 융통 등을 최적화할수 있어 앞으로의 전력 수급관리의 과제 해결에서 유효한 솔루션이다. 일본에서는 이 VPP 기술을 어떻게 활용하고 있을까?

 

일본 전력 공급의 기본 개념은 전력의 수요와 공급을 동등하게 하는 동시동량 혹은 발전 측의 공급량을 조정하는 것이었다. 그러나 동일본 대지진 재해를 계기로 소비자의 전력 소비를 억제하는 방향으로 수요의 동시동량을 실현시키는 방법이 정착되기 시작했다. 이것이 소비자에게 전력 억제를 요구하는 수요응답(Demand Response, 이하 DR)이다.

이는 구체적으로 ‘시장 가격이 급등하거나 계통 신뢰성이 떨어질 때 전력 요금 가격의 설정 혹은 인센티브의 지불 기준에 맞춰 소비자가 전력 사용을 억제하도록 전력소비 패턴을 변화시키는 것’을 뜻한다. 즉 전력의 수급이 어려워질 것으로 예상되는 시간대에 전력 가격이 높아지도록 동적으로 가격을 설정하는 것. 혹은 피크 시간대에 전력 소비량을 억제한 소비자에게 억제한 만큼의 전력량에 맞춰 인센티브를 지불함으로써 피크 전력 삭감을 실현하는 것이다.

 

DR은 시간대 별로 전기 요금을 바꾸는 ‘전기 요금 베이스’와 절전한 만큼 보상하는 ‘인센티브제 베이스’로 나눌 수 있다. 전자의 경우 시간대별로 요금을 설정하는 (TOU: Time of Use)나 전력 수급이 어려울 것으로 예상되는 날의 피크 시간대의 요금을 일반 피크 시간대 요금보다 더 높게 하는 긴급 피크 시 과금(CPP: Critical Peak Pricing), 수급 상태에 맞춰 시간대 별로 요금이 변동하는 리얼타임 요금(RTP: Real Time Pricing) 등이 있다. 인센티브형 DR은 도쿄전력이나 간사이전력 등의 전력회사에서 하계, 동계 전력 수급이 어려울 때 절전 요청에 협력할 경우 절전한 만큼의 전력량을 네가와트(negawatt, 소비자가 절전한 전력을 되파는 것)의 형태로 매입하는 방법이 진행되고 있다.

 

 

버추얼 파워 플랜트 기술의 현실화를 위해 필요한 것들

버추얼 파워 플랜트(이하 VPP)란 복수의 소규모 자가 발전 설비, 예를 들어 기업의 자가 발전 설비, 가정의 태양광 발전 설비, 전기자동차의 축전지 등의 전력 수요를 종합적으로 억제하여 마치 하나의 발전소에서 억제하는 것처럼 구현하는 기술이다.

이를 ‘가상발전소’라 부르기도 한다. VPP 사업에서 요구되는 것 중 가장 중요한 것은 ‘전원 조달처의 확보’다. 전원 조달처는 소비자의 공조·조명 제어에 의한 DR, 소비자의 자산에서 생성된 전원, 태양광 발전이나 풍력 발전의 분산 전원으로 크게 나눌 수 있다. VPP에서는 이러한 전원을 광역적으로, 균형 있게 확보해야 한다. 특정 지역이나 특정 전원에 치우칠 경우 국소적인 기상조건 등에 의해 발전력에 대한 의존도가 높아져 소비자의 요구에 실시간으로 대응하거나 즉각적인 공급이 어려워진다. 이 경우 판매기회 손실이 커지게 된다.

다음으로 중요한 것은 VPP 사업자의 ‘시스템, 업무 능력’이다. 이들은 주로 예측, 최적화, 모니터링· 제어의 세 가지 기능이 요구된다. 우선 기상 조건,소비자의 가동 상황, 설비의 가동 상황에 맞춰 다음날 혹은 며칠 후에 어느 정도의 발전력을 확보할 수 있는지 예측하는 기능이다. 재생 가능 에너지의 경우 기상 예보와 연계하여 발전량을 예측해야 하고, DR의 경우 수요 예측이나 설비 가동 상태에 따른 삭감 가능량 예측이 필요하다.

다음으로 예측된 발전량이나 삭감 가능량과 발전 단가와 양을 고려한 ‘최적화’다. 이는 소비자의 요구(시간, 전력량, 단가)에 맞춰 최적의 조달처를 찾아어떤 조달처에서 어느 정도의 발전 혹은 삭감을 실시하는 것이 가장 효율적인가를 계산하는 기능이다.

조달처의 발전 자산(DR을 포함)은 실시 비용에 차이가 있는 경우가 많아 특정 단가 이상이 아니면 조달이 불가능한 경우가 있다.

또한 조작 방법이나 응답성도 다르기 때문에 1시간 전부터 바로 시장에 대응 가능한 기기가 있는 반면, 전날에 의뢰한 것이 아니면 대응이 불가능한 기기도 있다. 이러한 모든 조건을 고려하여 매각 수익을 최대화하는 최적화는 VPP 사업의 심장부라고 할수 있다.

마지막으로는 최적화한 결과를 실제로 기기와 연계하여 실제 상황을 감시하는 것이 ‘모니터·제어기능’이다. 폭넓은 조달처와 연대를 위해서는 멀티 벤더 대응이 빠질 수 없다. 건물의 공조 시스템이나 발전기 등 공통의 프로토콜이 탑재되어 있는 기기도 있지만 제조사마다 다른 인터페이스나 프로토콜이 필요한 경우가 많기 때문이다. 이러한 기기에 멀티로 대응하여 공통된 모니터링·제어를 진행하는 것이 필요하다.

 

VPP 사업 사례 - 일본 유니시스

[그림 1] VPP 사업기능과 일본 유니시스의 구조

공장 내의 코제너레이션은 항상 풀 가동하고 있는 시간은 적고 생산 상황에 따라 발전 용량에 여유가 있는 경우가 있다. 이러한 경우의 발전 여력(餘力)을 관리하여 전력소매 측에서 전력 수급이 어려울 때 코제너레이션 출력을 상승시킴으로써 소매측의 전력 조달 비용 개선에 기여하는 사업 모델이다.

이 사업을 실현하기 위해서는 생산 계획과 연계한 정확한 전력∙열 수요 예측이 필요하다. 또한 공장 내의 에너지 관리 시스템인 FEMS(Factory Energy Management System)와의 연계를 기반으로 실현할 필요가 있다. 단독 공장에서는 충분한 조절력은 얻을 수 없지만 일본 내의 여러 공장을 연계시킴으로써 코제너레이션을 유효하게 활용한 VPP의 실현을 기대할 수 있다.

Direct Load Control 이는 ‘직접 부하 제어’라고 불리는 DR의 일종이다. 전력 소매나 송배전사업자가 DR 의뢰에 맞춰 수요처의 공조나 조명을 자동적으로 제어하는 방식이다. 일본 이니시스는 특정규모의 전기사업자 및 BEMS 벤더와 연계하여 전기사업자의 수요 상황에 맞춰 자동적으로 건물 내 설비 제어를 진행하는 정보 시스템을 제공하고 있다.

UNIBEMS 이것은 주로 중소 규모의 빌딩을 대상으로 전력의 시각화나 수요 감시, 공조∙조명의
자동 제어를 제공하는 서비스다. 일본 유니시스는 경제산업성의 2011년 에너지 관리 시스템(BEMS) 도입 사업비 보조금 사업의 일환으로 BEMS 애 그리게이터(aggregator)에 채택되어 있다.

맨션 에너지 관리 시스템인 MEMS(Mansion Energy Management System)에도 이 서비스를 활용하고 있으며, 모두 700개 거점 이상의 수요처를 관리하고 있다. Enability MEMS 이 솔루션에서는 MEMS 어그리게이터가 여럿 채용되어 있어 접속 가능한 집합 주택 동 수는 약 7만호나 되어 저압 수요처에서의 전력 조달 인프라로서 충분히 기대할 만하다.

VPP사업의 가장 큰 특징은 HEMS(Home Energy Management System) 및 가전으로의 멀티 벤더 대응이다. Enability를 매개로 복수의 HEMS 제조사나 가전에 접속 가능하여 일반 가정의 가전이나 축전지 등과 연계한 DR이 가능하다. 현재는 집합주택을 목표로 한 시스템이지만 동일한 기능을 단독주택에도 용할 수 있다.

고정도 PV 발전량 예측 이는 일본독립행정법인 우주항공연구개발기구(이하 JAXA)의 위성 데이터와 상에서의 센서 데이터를 활용한 태양광 발전의 고정도 예측 솔루션이다. 태양광 발전의 발전량 예측은 지금까지도 기상예보나 일사량을 측정하여 실시해 왔다. 이 사업은 위성 데이터로서는 더욱 세밀한 메쉬나 시간 간격이 짧은 예측 데이터를 활용하여 게릴라 호우 등의 국소적인 기상 변화를 고려한 1시간 후의 발전량 예측을 목표로 하고 있다.

이 기능이 실현되면 발전 및 소매사업자의 입장에서 1시간 전의 시장에서의 적정 조달이나 동시 동량이탈에 의한 리스크가 줄어 수익성 향상이 기대된다.

[그림 2] Enability 시스템 이미지

또한 1시간 후의 발전량을 정확히 예측함으로써 특정 구역의 수급 균형 변동을 사전에 알 수 있기 때문에 대체 발전의 실시 여부를 미리 계획할 수 있게 된다. 이는 재생 가능 에너지 계통의 수입량 확대에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

 

앞으로의 전망

현재 검토되고 있는 전력 시스템 개혁은 일반 가정을 포함하여 저압의 전면 자유화만이 아니라 여러가지 제도 변경이 논의되고 있다. 이러한 제도 변경에는 DR을 포함한 VPP사업을 후원하는 것이 포함되어 있다.

이들은 재생 가능 에너지의 수입 허용량의 문제와 관련되어 있다. 재생 가능 에너지는 기후
조건에 따라 발전량이 크게 변화하기 때문에 그 변동을 완화하기 위해 거의 동량의 조정용 전원이 필요한 경우가 많다. 현재는 중소 규모의 화력발전이 그 역할을 담당하고 있지만 조정용 전원의 발전 능력을 넘는 재생 가능 에너지를 수입하기는 어렵다.

다만 VPP 사업의 발전과 확대에 의해 소비자의 설비를 이용해 재생 가능 에너지의 변동폭을 흡수할 수 있다면, 조정용 전원인 화력을 늘리지 않고 재생가능 에너지의 수입량을 확대할 가능성도 있다. 또한 이 조정력을 전력소매나 송배전회사에 제공하는 것으로써 VPP 사업이 성립할 가능성이 높다.

물론 기술적인 측면에서는 예측이나 최적화의 기능을 더욱 강화해야 하는 것이 과제로 남아 있다. 따라서 주목받고 있는 M2M 기술이나 에너지 빅데이터의 활용 등 다방면의 검토가 이루어져야 한다. 일본은 앞으로도 전력 시스템 개혁이 이루어지고 있어 전원 분산화나 전력 시장 거래의 활성화가 진전됨으로써 VPP를 활용한 새로운 서비스 비즈니스가 출현할 것으로 기대된다. 이에 향후 에너지 매니지먼트 분야는 ICT의 활용이 더욱 진전될 것으로 보인다.

 

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