ESS 발전 기술

ESS는 생산된 전력을 장치 혹은 물리적 매체를 이용하여 저장(충전) 하였다가 필요한 시기에 공급(방전) 하여 에너지의 효율을 높이는 역할을 하는 장치로 사실상 그 기능 자체는 자그마한 소형 배터리와 유사하다고 할 수 있다. 유휴 전력을 저장하고 피크 수요 시간대에 공급함으로써 에너지 이용 효율을 향상시키며, 안정적인 전력 공급을 통해 부하를 막아 정전으로 인한 피해 방지에도 효과적이다. 특히, 원하는 시간대에 전력 생산이 어려운 태양광, 풍력 등 신재생에너지를 미리 저장했다가 필요한 때에 사용할 수 있어 차세대 에너지의 활용성을 높여주는 데에 주요한 역할을 한다.

에너지를 저장하는 방식에 따라 리튬전지, 나트륨유황전지, 리독스플로전지, 슈퍼커패시터 등의 배터리방식(화학적 에너지저장)과 양수, 압축공기저장, 플라이휠 등의 비 배터리 방식(물리적 에너지저장)으로 나뉜다. 특히 배터리 방식의 ESS를 BESS(Battery Energy Storage System)라고 하며, 흔히 ESS라고 하면 BESS를 의미한다.

가.  ESS의 구성

ESS는 단순히 하나의 장치가 아닌 전체적인 시스템으로 기본적으로 배터리, PCS, EMS, BMS 등으로 구성된다. 배터리 파트는 직류 전기에너지를 화학에너지 형태로 저장 하는 배터리와 배터리 내부 상태를 감시하는 BMS로 구성되어 있다. PCS는 계통 측의 교류를 직류로 변환시켜 배터리를 충전하기도 하고, 배터리에 저장된 직류를 교류로 변환시켜서 방전하도록 양방향 전력제어가 가능하다. EMS는 전력계통의 정보, 배터리 충전상태, 부하상태 등을 실시간으로 입력 받아 내부 제어 알고리즘을 수행하고, 이를 통하여 충전운전 또는 방전운전 제어 지령을 PCS와 배터리 파트에 보낸다.

    - 배터리: 전력을 저장하는 저장 장치의 핵심이다. 배터리 셀(Cell)은 양극, 음극, 전해질 그리고 분리막으로 구성된다. 셀마다 가진 특성이 달라 단위를 쪼개 단계별로 묶는다. 먼저 셀을 한데 모아 모듈을 형성한 뒤, 여러 모듈을 합쳐 더 큰 단위의 Rack을 만든다. 다시 여러 Rack을 모으면 최종적으로 시스템이 형성된다.

    - PCS(Power Conditioning System): ESS로부터 전력을 받아 배터리에 저장하거나 송전하기 위해 주파수, 전압 등 전기의 특성을 변환해주는 장치이다. 전력을 저장할 때(직류)와 사용할 때(교류) 달라지는 특성을 PCS를 통해 조정한다. 저장 시에는 교류를 직류로, 방출 시에는 직류를 교류로 전환시키는 것이다. 전력 변환 기능 외에도 운영 상태 감시 및 품질 제어, 정전 시 계통 보호, 독립운전 등 ESS 시스템의 핵심적인 기능을 맡고 있다.

    - EMS(Energy Management System): ESS의 작동 방식을 감시하고 제어하면서 시스템 전반의 컨트롤 타워 역할을 한다. ESS 발전 시스템을 실시간으로 분석하고 통신망을 통한 모니터링 및 제어를 진행한다. 단순히 충 방전 제어만 가능한 EMS가 있고 소비 패턴이나 기상 정보를 알고리즘화하여 전력의 수요량 및 발전량 예측을 통해 ESS의 최적 운전 계획을 세워줄 수 있는 EMS도 있다.

    - BMS(Battery Management System): 배터리의 성능을 최적화 시키면서 안전하게 사용할 수 있도록 제어하는 장치이다. 배터리의 각 단계별(셀, 모듈, Rack, 시스템)로 BMS를 설치하여 배터리의 상태 정보를 감시하고 그 결과 값을 EMS로 전달해 ESS 시스템 전체의 안정성을 높이는데 사용된다.

일반적으로 ESS에 전기에너지를 충방전 시키면 PCS의 변환효율과 배터리의 효율 때문에 손실이 발생한다. 배터리 충전상태인 SoC(State of Charge)가 100%까지 충전 시킨 후에 SoC 0%까지 방전 시키면 약 10%의 손실이 발생한다. 또한 대용량 ESS에 사용되고 있는 리튬 배터리의 수명은 SoC 100% 충전, 0% 방전을 1회 방전심도(DoD, Depth of Discharge) 라고 할 때, 4000회 정도의 수명 특성을 갖는다. 즉 충방전 횟수에 따라서 잔존 수명이 감소한다. 이러한 특성에도 불구하고 ESS를 충방전 시켜서 얻을 수 있는 이득이 더 높게 나오도록 PMS의 내부 제어 알고리즘을 구성하여야 한다.

나.  ESS의 용도

ESS는 주로 주파수 조정, 첨두부하 저감, 신재생에너지 발전출력 안정, 부하 평준화, 비상용 전원 등의 다양한 방식의 용도로 활용될 수 있다.

    - 첨두부하 저감(Peak Shaving): 대부분의 국가에서는 시간대별로 전기 요금에 차등을 두고 있다. 수요가 높아지는 낮 시간대에 전기 요금이 비싸고, 반대로 심야에는 저렴해진다. 이를 이용해 경부하 시간대에 전력을 저장하고 피크 시간대에 방전하여 전기 요금을 절감하거나 차액을 통해 수익을 올리는 것을 말한다.

    - 부하 평준화(Load Leveling): 전력의 수요가 공급을 초과할 시 전력의 품질이 낙후될 뿐만 아니라 전력 부하, 정전 등 사고를 유발할 수 있다. 부하 평준화란 전력의 수요가 적을 때 전기를 저장하고, 수요가 많을 때 방전하여 전력 수요 변화에 원활하게 대응하는 것을 말한다.

    - 주파수 조정(FR, Frequency Regulation): 전류의 흐름인 주파수를 적정 수준으로 유지시켜 전기 품질을 안정화하는 것을 말한다. 주파수 초과(수요 < 공급) 시 ESS에 전력을 저장해 두었다가 주파수 미달(수요 > 공급) 시 ESS를 방전해 전력을 공급하는 것이다. 발전기 자체에서도 주파수 조정은 가능하다. 발전량의 5% 가량을 예비력으로 두고 가동하는 것이다. 문제는 경제적 손실의 발생이다. 예비력으로 부족한 발전량의 충당이 필요하고, 발전기를 풀가동할 수 없어 기회 비용이 발생하기 때문이다. ESS가 주파수 조정을 담당하면 발전기의 출력량은 100% 유지하면서 더욱 정확하게 주파수를 조정하여 양질의 전력 공급이 가능해진다.

    - 신재생에너지 출력 안정화: ESS 결합을 통해 신재생에너지의 활용성을 극대화할 수 있다. 태양광, 풍력 등 신재생에너지는 기후 변화로 인해 발전 시간의 예측이 어려워 전력 수요 대응에 미스매치가 발생한다. 발전 시간 동안에는 ESS 시스템에 전력을 저장하고, 필요 시에 전력을 방전하여 출력을 안정화하고 공급 불균형을 해소하는 것이다.

다.  ESS의 종류

ESS의 어플리케이션은 크게 가정용, 통신용, UPS, 전력용, 상업용 등으로 나누어 볼 수 있다.

    - 가정용: 가정용 ESS는 대부분 태양광 발전의 시스템과 연계하여 설치된다. 낮 시간에 생산된 태양광 에너지를 ESS를 통해 저장하고 필요할 때 사용할 수 있게 함으로서 자가 에너지 소비율을 높여주고 전력 요금도 절감시켜 준다. 저장 용량은 보통 3~10kWh이며, 정치의 크기는 비교적 작아 설치가 용이한 편이다.

    - 통신용: 통신용 ESS는 통신 기지국의 원활한 통신 환경 구축을 위해 활용된다. 2020년 차세대 네트워크 기술인 5G의 상용화를 앞두고 통신용 ESS에 대한 중요성이 더욱 대두되고 있다. 빠른 네트워크 서비스를 언제 어디서나 자유롭게 이용하기 위해서는 더 많은 통신 기지국 구축이 필요하고, 기지국의 안정적인 전력 공급은 필수이기 때문이다.

    - UPS(Uninterruptible Power Supply): 컴퓨터와 주변 장치에 대한 전력 공급을 조절하는 무정전 전원 장치이다. 전압 변동, 순간 정전, 과도 전압 등 발생 가능한 전원 이상을 방지하고, 안정된 전력을 공급하는 장치로서 전력 관리에 있어 매우 중요한 역할을 한다. IT 제품을 생산하는 공장에는 정전으로 인한 생산 라인 가동의 피해를 막기 위해 UPS가 필수적으로 설치되어 있다. 데이터 센터, 금융 기관, 병원 등 활용범위가 확대되고 있다. 기존에는 납축전지 UPS가 시장에 주를 이루어 왔으나, 최근에는 리튬이온전지를 활용한 UPS가 이를 대체하고 있다. 납축전지 대비 출력과 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라 부피가 작고 가벼워 설치에 용이하기 때문이다. 또한, 리튬이온전지는 온도 변화에 대한 민감도가 적어 유지 비용이 낮고, 설계 수명도 월등히 우수한 편이다.

    - 전력용: 전력용은 대게 발전소가 대규모 신재생에너지용으로 쓰이는 ESS로서 전력 공급망의 안정성을 확보하고 전력의 품질을 향상시켜주기 위해 구축된다. 전력 품질 향상을 위한 주파수 조정 용도로도 사용된다. 발전소의 전력 공급 지원을 목적으로 하기 때문에 ESS 장치의 크기가 커서 주로 컨테이너 형태로 제작된다.

    상업용: 상업용 ESS는 안정적인 전력 확보 및 전력 요금 절감을 목적으로 사용된다. 병원, 학교, 공장, 오피스텔 등 전력 사용량이 많은 다양한 환경에서 설치된다. 태양광 등 신재생에너지와 연계하여 자가 발전망 확보로도 활용된다.

라.  저장 방식의 종류

ESS는 저장 방식 및 기술에 따라 다양하게 분류되는데, 크게 배터리(화학적 혹은 전자기적)와 비배터리 방식(기계적)으로 나눌 수 있다. 화학적 배터리 방식은 화학 반응을 통한 배터리 저장 기술로서 리튬이온 전지인 LIB(lithium-ion Battery), 나트륨황 전지인 NaS, 레독스 흐름 전지인 RFB(Redox-Flow Battery)가 대표적이다. 전극을 이용한 전자기적 배터리 방식의 기술로는 Super Capacity가 있다.

기계적 비배터리 방식의 경우 물리적인 형태로 에너지를 저장하기 때문에 환경 파괴 가능성이 높고 중장기적 활용이 제한적이다. 대표적으로는 압축 공기 저장 기술인 CAES(Compressed Air Energy Storage), 플라이휠로 알려진 FES(Flywheel Energy Storage), 양수 발전을 활용한 PHS(Pumped Hydroelectric Storage) 등이 있다.

-  리튬이온 전지 LIB (Lithium-ion Battery)

    .방식: 배터리, 화학적

    .원리: 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전위차 발생

    .장점: 높은 에너지밀도, 높은 에너지효율

    .단점: 높은 비용, 안정성 및 수명 미검증

-  나트륨황 전지 NaS Battery

    .방식: 배터리, 화학적

    .원리: 300~350℃의 온도에서 용융상태의 나트륨 이온이 전해질을 이동하면서 전위차 발생

    .장점: 낮은 비용, 높은 에너지밀도, 대용량화 용이

    .단점: 고온 시스템 필요, 낮은 에너지효율

-  레독스 흐름 전지 RFB (Redox Flow Battery)

    .방식: 배터리, 화학적

    .원리: 전해액 내 이온들의 산화환원 전위차를 이용하여 전기에너지를 충전 및 방전하여 이용

    .장점: 낮은 비용, 대용량화 용이, 장시간 사용 가능

    .단점: 낮은 에너지밀도, 낮은 에너지효율

-  납축 전지 Lead-acid Battery

    .방식: 배터리, 화학적

    .원리: 전기에너지를 납 이온을 이용한 화학에너지로 변환 저장 후, 필요 시 전기로 변환

    .장점: 낮은 비용, 안정성 및 신뢰성 검증

    .단점: 낮은 에너지밀도

-  슈퍼 커패시터 Super Capacitor

    .방식: 배터리, 전자기적

    .원리: 소재의 결정구조 내에 저장되는 전지와 달리, 소재의 표면에 대전되는 형태로 전력을 저장

    .장점: 높은 출력밀도, 긴 수명, 안정성

    .단점: 높은 비용, 낮은 에너지밀도

-  압축공기저장시스템 CAES (Compressed Air Energy Storage)

    .방식: 비배터리, 기계적

    .원리: 공기를 동굴이나 지하에 압축 저장 후, 필요 시 압축된 공기를 가열하여 전기 생산

    .장점: 낮은 발전단가, 대용량화 용이(대규모 저장)

    .단점: 높은 초기 비용, 낮은 에너지효율, 입지 제약

-  플라이휠 FES (Flywheel Energy Storage)

    .방식: 비배터리, 기계적

    .원리: 전기에너지를 운동에너지(회전)로 변환 저장 후, 다시 전기에너지로 변환하여 사용

    .장점: 높은 에너지효율, 긴 수명, 급속 저장(분 단위)

    .단점: 높은 초기 비용, 낮은 에너지밀도

-  양수발전 PHS (Pumped Hydroelectric Storage)

    .방식: 비배터리, 기계적

    .원리: 전기에너지를 위치에너지(하부 à 상부 저수지)로 변환 저장 후, 필요 시 전기로 변환

    .장점: 낮은 발전단가, 대용량화 용이

    .단점: 환경 파괴, 낮은 에너지효율, 입지 제약

대표적인 리튬이온전지의 경우, 건전지처럼 재사용이 불가능한 1차 전지와 납축전지처럼 충전을 통해 재사용이 가능한 2차 전지로 구분된다. 리튬이온전지는 양극과 음극 사이에 전해질을 넣어 충전 및 방전을 반복하게 하는 원리를 사용하는데, 용도에 따라 원통형, 각형, 폴리머 등 다양한 행태로 생산이 가능하다. 현재 리튬이온전지는 점차 작아지고 가벼워지는 전자 기기에 대응할 최적의 배터리로 꼽히는데, 에너지밀도가 우수하여 소형화가 가능하고 고용량 전지 생산에 유리하기 때문이다. 또한, 중금속을 포함하지 않아 환경 오염 문제가 적고 충전 가능 용량이 감소하는 메모리 효과(Memory Effect)가 없다는 장점도 있다. 기존에는 타 전지 대비 가격이 높아 활용도가 적었지만, 최근에는 가격이 크게 하락하여 경제성이 더욱 높아진 상황이다.

[2차전지 부피 및 무게 비교]

	리튬이온전지	니켈카드륨전지	납축전지
리튬이온전지 대비 부피	1.0	1.9	9.7
리튬이온전지 대비 무게	1.0	2.5	6.7

태양광 발전과 ESS 연계 모델 분석 ②

나.  가정용 ESS의 성장 가시화

가정용 ESS 시장은 전력 사용자 입장에서 낮은 가격에 전력을 저장하고 높은 가격에 판매해 경제성을 확보하는 시장이다. 경제성을 확보하기 위해서는 ESS 가격이 낮고 전기 요금이 높으며 시간대별 전기 요금이 차이가 커야 한다. 현재 상황에서 자체적으로 경제성을 확보하기는 어렵지만, 미국 캘리포니아나 유럽에서는 ESS 시장 확대를 위해 정책적 보조금을 지급하고 있어 시장이 형성되고 있다. 중장기적으로는 ESS 시스템 가격이 하락하면서 시장이 확대될 것으로 예상된다.

미국 캘리포니아의 경우 과거 대규모 정전 사태를 겪었고 2030년까지 전체 전력 생산량의 50%를 신재생에너지로 충당하려는 목표를 가지고 있어 ESS 시장을 적극 지원하고 있다. 대표적인 지원 제도는 SGIP(Self Generation Incentive Program, 자가발전인센티브프로그램)로 풍력 등 신재생에너지와 함께 설치되는 3MWh 이하 ESS에 대해 0.5~2.0달러/Wh 보조금을 지급하는 것이다.

[CPUC의 ESS 보급 확산을 위한 제도]

    - 2001년: 캘리포니아 공공발전위원회(CPUC) 에너지 저장 및 자립형 발전에 대한 보조금 제공 제도 SGIP 최초 소개

    - 2010년: 세계 최초로 ESS 의무화 법안 도입 à 2014년까지 평균 공급 전력의 2.25%, 2020년까지는 5% 이상의 ESS 공급

    - 2011년: 2020년까지 전체 전력 생산량의 33%를 재생에너지로 공급토록 목표 설정

    - 2013년: 캘리포니아주 내 3대 발전사에게 2020년가지 1,325MWh의 ESS 설치의무 부과

    - 2015년: 2030년 재생에너지 전력 공급 목표를 전체 발전량의 50%로 상향 조정

    - 2016년: 향후 3년간 SGIP의 예산을 총 249백만 달러(83만 달러/년)까지 확대, ESS 보급에 SGIP 예산의 75% 할당

전력 요금 체계 및 사용량 등에 따라 ESS의 경제성이 달라지지만, 캘리포니아 지역에서 10kWh 규모의 ESS를 설치하는 경우를 가정해보자. 평균 전력 요금이 kWh당 15센트, 피크 요금은 평균 요금보다 80% 높고, 평시 요금이 평균 요금보다 20% 정도 낮은 비율을 가정할 경우 연간 kWh당 55달러를 절약할 수 있다.

ESS 배터리 가격은 2016년 기준 325달러/kWh 수준이고 10kWh ESS를 설치할 경우 5시간 정도의 피크 시간을 감안하면 2kW 급의 인버터가 필요한데 이 가격은 1,400달러 수준으로 추정된다. 즉 10kWh의 ESS를 설치하는데 ESS 배터리 비용이 3,250달러, 인버터가 1,400달러로 총 4,650달러가 소요된다. 원금 회수에는 8.4년 정도가 소요된다. 캘리포니아의 경우 보조금 중간 기준으로 2,500달러 보조금을 받을 수 있다고 가정하면 회수 기간은 4년 이하로 줄어들게 된다.

[평균 전력 요금별 ESS 회수 기간]

연도	2016	2017	2018	2019	2020	2021
ESS 평균 가격 가정($/kWh)	386	325	284	255	228	217
11c/kWh	9.6	8.1	7.1	6.4	5.7	5.4
13c/kWh	8.1	6.9	6.0	5.4	4.8	4.6
14c/kWh	7.6	6.4	5.6	5.0	4.5	4.2
15c/kWh	7.1	5.9	5.2	4.7	4.2	4.0
18c/kWh	5.9	4.9	4.3	3.9	3.5	3.3
20c/kWh	5.3	4.5	3.9	3.5	3.1	3.0

그러나 배터리 가격이 하락하면 상황이 달라진다. SNE 리서치에 따르면 ESS 배터리 가격은 2016년 225달러 수준에서 2020년 200달러 초반으로 하락할 것으로 가정하고 있는데 이 경우 보조금이 없더라도 상당 지역에서 경제성이 확보될 것으로 추정된다.

최근 테슬라는 가정용 ESS인 파워월 2를 발표하였다. 파워월 2는 14kWh의 용량에 인버터까지 내재해 5,500달러에 출시하였다. 인버터의 가격을 1,000~2,000달러 수준으로 추정하면 kWh당 배터리 가격이 250~300달러 수준으로, 2016년 가정용 ESS 평균 시장 가격인 386달러 대비 크게 낮다. 테슬라가 이렇게 낮은 가격에 제품을 출시할 수 있었던 요인은 유통망에 있어서 타사 제품과 달리 온라인을 통해서 소비자에게 직접 판매하는 구조이기 때문에 일반적으로 제품 가격의 30~40%에 달하는 유통 비용의 상당 부분을 절감할 수 있는 것과 가정용으로는 고용량인 14kWh 제품으로 배터리를 제외한 부품의 단위당 원가를 줄인 것에 기인한다.

또한 기가팩토리 가동을 통해 배터리 원가를 떨어뜨릴 것을 감안한 전략도 있을 것이다. 테슬라는 2017년 하반기 Model 3의 출시에 맞춰 년 50GWh 생산 규모의 기가팩토리를 건설, 2020년까지 배터리 팩 원가를 100달러/kWh까지 낮추겠다는 계획이다. 구체적인 원가 절감 방법은 생산성 향상, 수직 계열화를 통한 중간 마진 절감, 관세 등의 절감 효과 그리고 배터리의 성능 개선이다. 기가팩토리에서 생산하는 2170 원통형 배터리는 기존 18650 대비 성능이 대폭 개선되었다.

현재 제시된 파워월 2의 가격이면 미국 내에서 신재생에너지 비중이 높거나 주간 전력 요금의 차이가 큰 지역에서는 투자 회수 기간이 5~6년으로 줄어들어 경제성을 기반으로 시장 확대가 가능할 것으로 예상된다. 특히 테슬라는 2016년 솔라시티 인수 이후 태양광 발전과 가정용 ESS, 전기차까지 통합된 시스템을 제공하고자 하고 있다. 태양광 발전과 전기차 판매가 확대되려면 가정용 ESS의 필요성도 높아지기 때문이다. 파워월 2의 배터리 용량이 평균 대비 높은 것도 이 때문으로 추정된다.

테슬라의 파워월 2가 성공적으로 시장에 출시되면 이는 과거 전기차 시장에서 Model S가 보여주었던 파급력을 재현할 수 있을 것으로 기대된다. 당초 전기차 시장은 높은 가격과 제한적 성능으로 인해 시장 확대가 더딘 상황이었다. 그러나 Model S가 획기적인 디자인과 성능 대비 낮은 가격으로 성공하자 경쟁 업체들도 기술 혁신을 통해 경쟁력 있는 모델들을 출시하면서 전기차 시장이 확대되기 시작하였다. 파워월 2 역시 인버터 일체형이라는 편리성과 가격적인 매력을 앞세워 판매를 확대하면 경쟁업체들이 이에 대응하기 위해서 성능 향상, 원가 절감 및 유통 구조의 개선 등을 기반으로 시장을 키워나갈 것으로 기대된다.

앞서 살펴본 바와 같이 아직 가정용 ESS 시장은 자체적인 경제성을 확보하지는 못하고 있으나 미국, 유럽 등에서 다양한 지원책을 통해 성장하고 있다. 또한 신재생에너지 시장의 확대는 ESS 시장의 성장을 견인할 전망이다. 최근 호주나 하와이와 같이 신재생에너지 비중이 높은 지역의 경우 태양광 발전에 대한 보조금을 크게 축소하면서 ESS를 설치해야만 보조금을 지원하는 지역들도 나타나고 있다. 신재생에너지 비중 증가로 전력망의 불안정성이 높아졌기 때문이다. 또한 이들 지역은 태양광 발전량이 많을 때는 외부 판가가 크게 하락하기 때문에 ESS를 설치하는 것이 더 유리한다.

다.  국내 동향

2016년 산업통상자원부는 ‘에너지신산업 성과 확산 및 규제개혁 종합대책’ 발표에서 풍력발전소에 이어 태양광 발전소에도 ESS를 설치해 생산한 전기에 신재생에너지공급인증서 가중치 5.0을 부여하기로 하였다. 우선 2017년까지 5.0을 적용하고 2018년부터는 보급여건 등을 점검해 가중치 조정을 추진할 계획이다.

하지만 해당 가중치는 ESS를 연계하였다고 항상 제공하는 것은 아니다. 우선 발전량이 아니라 방전량을 기준으로 제공하며, 발전설비 피크시간에 발전하고 그 외 시간에 방전한 전력량에 대해서만 가중치 5.0을 제공한다.

앞서 분석했던 대한민국 평균 농가를 기준으로 각 농가가 1MWh ESS를 연계 설치했다고 가정하고 경제성을 분석해 보자. 평균 일일 일조시간은 3.6시간으로 시간발전설비 피크 시간 내에 포함된다고 가정한다.

    - 대한민국 태양광 기준 평균 일조시간은 3.6시간/day

    - 평균 발전수익은 SMP 77.06원/kWh, REC 99.89원/kWh (2016년 기준)

    - 태양광 발전용량은 788kW

    - 태양광 발전설비 설치비는 15억 7,600만원

    - 농가당 전기농사 소득은 년간 1억 8,300만원

    - ESS 용량은 1MWh

    - 1MWh ESS의 설치비는 5억원 (50만원/kWh)

설치비 총액은 태양광발전소 설치비 15억 7,600만원에 ESS 설치비 5억원이 추가되어 20억 7,600만원으로 약 32% 가량 증가하였다.

788kW급 태양광발전소에 1MWh 용량의 ESS를 추가 설치하면

전체 설치비는 20억 7,600만원으로 약 32% 설치비가 증가한다.

설치비를 계산했으니 다음으로 농가소득을 계산하기 위해 우선 일일 발전량을 계산해보자. 일일 발전량은 778(kW) * 3.6(시간) = 2,800 kWh이다. 이 중 1,000kWh는 ESS에 저장하여 발전설비 피크시간 외에 방전하여 판매를 하고 나머지는 그대로 판매를 한다. ESS 연계 방전량은 5.0의 가중치를 받고 나머지는 그대로 1.0의 가중치를 받기 때문에 일일 농가소득은 (1,000 * (77.06 + (99.89 * 5.0)) + (1,800 * (77.06 + (99.89 * 1.0))) = 895,020원이 된다. 연간 소득으로 계산하면 3억 2,700만원이 된다. 기존 태양광발전소 소득인 1억 8,300만원과 비교하면 약 79% 정도 소득이 증가하게 된다.

하지만 이는 ESS 충 방전 과정에서 발생하는 전력 손실을 계산하지 않은 것이기 때문에 충 방전 과정에서의 손실 계산이 추가로 필요하다. 일반적으로 리튬이온 배터리 ESS의 전력효율은 충전효율 92%, 방전효율 92% 그리고 배터리 자체 효율 95%로 전체 과정에서 약 80%의 효율을 갖는다. 최근에는 기술의 발달로 충전효율 99%처럼 보다 고효율의 ESS들이 출시되고 있지만, 여기서는 보수적인 계산을 위해 충전 시 10%, 방전 시 10%로 총 20%의 전력 손실이 발생하는 것으로 가정하였다. 충전과 방전 과정에서 각각 90%의 효율로 계산하면 ((1,000 – 방전손실(100)) * (77.06 + (99.89 * 5.0))) + ((1,800 – 충전손실(110)) * (77.06 + (99.89 * 1.0))) = 817,900원이 된다. 연간 소득으로 계산하면 2억 9,900만원이 되어 기존 태양광발전소 소득과 비교하면 약 63% 정도 소득이 증가하게 된다.

788kW급 태양광발전소에 1MWh 용량의 ESS를 추가 설치하면

농가소득은 년 2억 9,900만원으로 약 63% 증가한다.

ESS 설치를 위해 투자비가 32%(5억원) 증가 하였지만, 연간 농가소득이 63%(1억 1,600만원) 증가 하므로 투자비 회수에 4년 정도 걸린다. 하지만 ESS의 수명이 적어도 10년을 보장하기 때문에 현재의 조건에서는 투자할 가치는 충분하다고 볼 수 있을 것이다. 물론 2018년 이후로 현재 5.0인 가중치가 어떻게 조정될지 아직은 미정이지만, 신재생에너지를 보급 확산하기 위해 적극적으로 노력하고 있는 현 정부의 태도를 볼 때 크게 하향 조정될 가능성은 적다고 예측된다.

게다가 정부는 ESS 보급 확대를 위해 2015년 발족한 “에너지저장장치(ESS) 융합얼라이언스”를 통해 신재생에너지 뿐만 아니라 소비재 등 타 분야로도 에너지저장장치 융합모델을 지속 확대하고 있다.

<ESS산업 제도개선 내용>

-      비상전원 활용: ESS 활용촉진을 위해 비상전원용으로써 ESS를 적용할 수 있도록 관련규정 마련 (’16.2)

-      요금제 개선: ESS활용촉진요금제 적용기간을 1년 à 10년으로 확대 (’16.8)

-      신재생 연계: 기존 풍력발전뿐만 아니라 태양광에 ESS 결합 시 REC 가중치 5.0 부여 (’16.9)

-      공공기관 의무화: 공공기관 ESS 설치 의무화 도입 (’17.~)

-      판매대상 확대: ESS 저장전력을 기존 전력시장뿐만 아니라 일반소비자(건물, 공장) 대상으로도 판매 허용할 예정

-      배전사업자 ESS 설치: 배전선로 설치 설비에 ESS를 명시적으로 포함

-      역전력계전기 설치: 신재생과 연계된 ESS에서 남은 전력을 거래하면 역전력계전기를 설치하지 않아도 되도록 개선