2.1 생애주기비용과 영향 요인

태양광 발전설비와 ESS의 생애주기 비용으로는 초기비용(투자비), 운영비용(유지관리비), 기타비용(물가상승, 금융이자 등), 폐기 또는 재사용 비용 등이 있다. 투자비에는 토지비용, 설계 및 공사비용 등이 있으며, 유지관리비에는 정기점검비, 상주요원 인건비, 관리 장비 및 수선 소모품 비용 등이 있다. 그리고 폐기 또는 재사용 비용의 경우 태양광 모듈 및 기자재의 사용수명에 영향을 받으며 설비의 정밀점검 등을 통해 폐기, 교체 또는 연장 운영될 수 있다. 이는 향후 이차전지 재활용, 태양광 모듈 재사용 등으로 이어질 수 있어, 폐기 또는 재사용비용은 본 논문의 고려사항에서는 제외하였다.

2.2 태양광 발전의 수익발생 형태

국내의 모든 발전설비는 매시간 정해지는 계통 한계가격(SMP, System Marginal Price)에 해당 1시간 동안 판매한 발전전력량을 곱한 만큼의 전력 판매수익을 가장 기본으로 한다.

여기에 ESS와 같이 운영되고 있는 발전기의 경우 즉시 출력하지 않고 하루 중 SMP가 가장 비싼 시간대나 ESS에 대한 신재생에너지 공급인증서(REC, Renewable Energy Certificate)의 가중치를 가장 많이 받을 수 있는 시간을 선택하여 경제적 효율을 극대화할 수 있다^[7][17].

REC는 신재생에너지 공급 의무화제도(RPS, Renewable Energy Portfolio Standard)^[3]에 의해 신재생에너지원 및 신재생에너지원을 포함하는 ESS를 통해 계통에 전력을 공급하는 경우, 경제적 이점을 지원하기 위한 인증서이다. 표 2는 2020년 7월 기준 신재생에너지원별 가중치를 보여주고, 표 3은 가중치의 산정식이다.^[3]. 본 논문에서는 일반부지에 설치된 태양광과 연계된 ESS를 대상으로 한다.

그러나 태양광 발전의 경제적 이득을 최대화하기 위해서 시간에 따른 SMP, REC에 대한 판매 방식과 ESS 최적 운용 스케줄 등 실시간 전력계통 급전방법 결정이 필요하다. 국내 전력시장의 특성상 발전량 예측이 정밀하게 실시되어야 하며, ESS의 제어방식 결정은 신재생에너지원, ESS, 전력계통에 대한 이해도가 매우 높아야 한다. 또한 장비수명기간 동안에 계속해서 변화하는 이익금액에 대한 불안정성 때문에 대부분의 신재생에너지원 발전설비 소유주들은 장기간의 고정가격계약을 선호한다. 이외에도 표 4와 같은 계약방법 등을 통해 전력시장에 참여할 수 있다.

표 4는 태양광 발전사업의 계약형태 구분을 보여준다. 태양광 발전사업자는 상계거래계약, 전력구입계약(Power Purchase Agreement, PPA), RPS제도 고정가격계약으로 크게 3가지로 분류되고 있다. 이는 태양광 설비용량과 발전사업자의 형태 등에 따라 달라질 수 있다. 상계거래계약의 경우에는 전력 판매가 불가능하며 발전전력을 직접 사용이 가능하고 설비용량의 제한이 없으며 아파트, 오피스텔 등의 건축물에 부착형으로 설치가 가능하다. PPA 전력구입계약의 경우에는 전력 판매가 가능하며 발전전력의 직접 사용이 가능하다. 설비용량은 연계 변전소 용량에 따라 10[kW] 초과가 가능하여 주차장, 운동장 등에 설치가 가능하다.

RPS제도 고정가격계약의 경우에는 전력 판매가 가능하나 발전전력의 직접 사용이 불가하며 설비용량 제한이 없다. 일반적으로 임야부지 등을 이용한 대형 발전단지로 설치된다. 계약형태 분류 중 RPS 고정가격계약제도를 통한 전력시장 참여방법은 신재생에너지원과 ESS의 장비수명기간의 대부분을 균일한 발전단가로서 경제적 이익을 예측 및 보장받을 수 있어 대형 발전설비 소유주들이 많이 선택하게 된다.

2.3 ESS가 포함된 태양광 발전의 발전량 및 매출 예측

태양광 발전의 1년 총 발전용량(PV_gen)은 태양광 발전설비용량(PV_cap)에 평균 발전시간(PV_avg‧time)을 곱한 것으로 결정된다. 평균 발전시간을 구함에 있어 계절에 따른 온도, 습도, 일사량 등을 모두 포함하여 1일 중 발전시간을 구하는 것으로 이외 요인은 고려하지 않는다.

ESS의 배터리 용량과 제어방식에 따라 충⋅방전량(ESS_in, ESS_out)이 정해지며, 충방전 효율에 따른 손실(ESS_loss)과 제조사 또는 배터리에 따라 비율적으로 따른 소내 전력량(ESS_ selfuse)이 정해진다. 본 논문에서는 실제 데이터를 사용하기 때문에 다음과 같이 표현할 수 있다.

ESS 설비용량의 최대 충전 한계, 제어방식 등에 따라 PV 발전량이 ESS에 충전되지 못하고 계통에 투입되는 전력량(PV_out)이 존재하게 되는데 이는 식 (4)와 같이 PV 발전용량에서 ESS의 충전량과 ESS의 소내전력량을 뺀 만큼 계산된다.

판매수익 중 SMP 매출(Price_smp)은 식 (5)와 같이 PV에서 계통에 투입되는 전력량과 ESS 방전량을 더해 SMP 단가(SMP)를 곱한 금액이 된다. ESS에서는 가동을 위한 소내 전력량과 ESS 충방전 손실이 발생하므로 태양광 발전의 총 발전량에 비해 총 방전량이 약간 적을 것으로 예상된다.

신재생에너지 발전의 REC 매출은 전력판매량에 REC 가중치와 REC 단가(REC)를 곱한 금액이 된다. 각 REC 매출(Price_rec‧pv, Price_rec‧ess)은 PV에서 계통에 투입되는 전력량 혹은 ESS 방전량에 각 REC 가중치(Weight_rec‧pv, Weight_rec‧ess)와 REC 단가를 곱하여 계산된다.

각 가중치는 표 2와 3에 따라 변할 수 있므로 대상으로 하는 발전설비를 고려하여 산출할 필요가 있다.

발전설비에서의 수입액은 SMP 매출이 기본이나 신재생에너지원의 정책지원에 따라 REC 매출을 더한 금액으로 정해진다. 또한 신재생에너지원은 기존 발전설비와 달리 연료비의 소모처가 없기 때문에, 설비 규모에 따라 정해지는 투자비용, 운영비용, 기타비용이 발생하며 이를 식 (5) ~ 식 (7)을 더한 수익으로 회수하는 것이 발전사업의 가장 큰 목적이다.

3.1 Site A 현장 데이터

표 5는 Site A의 ESS 및 태양광 발전설비 주요사항을 보여준다. 국내 일반부지에서 2020년 6월 준공하였으며 ESS가 포함된 태양광 발전설비로 연계 설치하였다. 태양광 발전설비용량은 94[MW], 사용수명은 20년이며, 표3을 이용하여 설비용량에 따라 계산된 태양광 REC 가중치는 0.709이다. ESS 설비용량은 75[MW], ESS의 배터리 용량은 251[MWh]이다. ESS의 사용수명은 15년이며, REC 가중치는 5.0이다. 해당 지역의 하루 평균 발전시간은 3.56 [hour/day]이다.

여기에 태양광과 ESS 설비의 사용에 따른 효율 저감이 발생하며, 이는 Site A에 사용된 제조사의 기준을 따른다.

Site A의 연차별 ESS를 포함한 태양광 발전 설비 운영에 따른 비용 분석 결과는 표 6과 같다. 그리고 Site A의 연차별 ESS의 여부에 따른 태양광 발전 자료는 세부적으로 항목에 대하여 분석을 수행하였다. 각 항목들에 대하여 ESS가 포함된 태양광 발전(Case 1, PV+ESS)의 결과는 ESS가 포함되지 않은 태양광 발전(Case 2, PV only)의 결과와 비교하였다.

ESS를 포함하는 태양광 발전의 경우 태양광과 ESS 설비 모두 권장 사용수명기간 내에 누적 순이익이 흑자로 전환되어 사용수명을 연장하지 않았지만, ESS를 포함하지 않는 태양광 발전의 경우 권장 사용수명기간인 20년 이내에 누적 순이익이 적자에 머물러 21년차에 추가 투자비용을 지불하고 사용수명기간을 연장하였다. 이에 연간 PV 효율저감의 수치 변화, 운영비용의 증대 등이 따르지만 5년의 사용수명 연장을 통해 누적 순이익이 흑자로 전환된 것을 확인하였다.

ESS 유무에 따른 비교를 위해 Site A의 데이터를 이용하여 식 (1) ~ 식 (7)에 따라 산출된 수치를 그래프로 나타내었다.

그림 1은 25년까지 PV 계통공급전력량의 연차별 변화를 보인다. Case 1은 44.44[GWh]에서 시작하여 연간 효율 저하에 따라 점진적으로 떨어지다가 16년 경과 시 ESS의 사용수명기간이 다하고, 16 ~ 20년까지는 PV만 운전하게 되어 Case 2와 동일한 발전량을 보이며, 21년 이후로는 PV 수명기간이 다하여 발전량이 없다.

반면 Case 2의 경우에는 122.14[GWh]에서 시작하여, 점진적으로 떨어지다가, 21년차 사용수명연장을 위해 약 3개월 정도 정밀점검을 가지게 되어 일시적 하락을 보이고, 이후 계속 사용을 할 때 연간 효율 저감의 수치가 변화하여 사용연차가 지날수록 더욱 큰 하락폭을 보인다.

그림 2는 25년까지 ESS 방전량의 연차별 변화를 보여준다. Case 1은 ESS의 충방전에 따라서 65.78[GWh]에서 시작하여 연간 효율 저하에 따라 점진적으로 떨어지다가, 16년 경과시 ESS의 사용수명기간이 다하여 정지하게 된다. Site A에서 사용된 전략에 따라 산정된 값을 그대로 사용하였으며, ESS 방전량은 ESS의 충방전 전략에 따라 크게 좌우된다.

본 논문에서는 경제성 분석에 초점을 맞추어 충방전 전략에 대해서는 다루지 않았기에 2장에서 별도의 산출식을 제시하지 않았으며^[5][6][7], 2020년 6월 설치 이후의 실증 데이터를 기반으로 이후 권장 사용수명기간 동안에 대해서 예측한 데이터를 사용하였다.

그림 3은 25년까지 Site A의 연차별 SMP 판매수익을 보여준다. 식 (2), (4), (5)에 따라 Case 1은 Case 2에 비해 ESS의 충방전 손실, 소내전력량만큼 제외되어 SMP 수익 차이를 보인다.

그림 4는 25년까지 Site A의 연차별 태양광 REC 판매수익을 보여준다. 식 (4)에 따라 Case 1은 총 방전량 중 일부를 ESS 방전을 통해 판매하기 때문에 PV 계통공급전력량에 따른 PV REC 수익은 Case 2에 비해 적게 나타난다.

그림 5는 25년까지 Site A의 연차별 ESS REC 판매수익을 보여준다. 식 (2)에 따라 Case 1은 ESS의 방전량만큼의 REC 수익이 발생하고, 금액적으로 그림 3과 그림 4에 비하여 매우 큰 금액을 차지하는 것을 알 수 있다.

Case 2에 비하여 초기비용과 운영비용이 큰 Case 1의 주요 수익모델로 ESS의 REC 가중치가 5.0이기에 수익 금액이 매우 큰 것으로 확인되었다.

표 6의 연간 순이익으로 나타나는 그림 6은 25년까지의 Site A의 연차별 순이익을 보여준다. 그림 3, 4, 5에 나타난 수익금액을 모두 합쳐 운영비용과 기타비용을 뺀 것이다. 금융비가 포함된 기타비용을 상환하여 설비의 연간 효율 저감과 무관하게 점차 상승하는 것으로 보여진다.

Case 1은 ESS REC 판매수익이 발생하는 15년까지 연간 순이익이 매우 높게 나타나며, Case 2도 지속적인 수익이 발생하는 것을 볼 수 있다. ESS 사용수명기간이 다한 16 ~ 20년에는 같은 순이익을 보이다가, 21년 이후 Case 1은 사용을 종료하였다. Case 2는 21년차 계속 사용을 위한 정밀검진 및 3개월의 정지기간 때문에 일시적으로 순이익이 적자로 나타나지만 이후 25년까지 다시 운영한다.

그림 7은 25년까지 Site A의 누적 순이익을 보여준다. 표 6에도 보여지듯이 Case 1은 14년차에 모든 비용을 회수하고 누적 순이익이 흑자로 전환되는 것을 보인다. 21년부터 정지하기에 이후 추가적인 이익은 발생하지 않지만 권장 사용수명기간동안 약 796.94[억원]의 누적 순이익을 보인다. PV만을 운영하는 경우 권장 사용수명기간인 20년까지 순이익을 흑자로 전환하지 못하여 21년 이후로도 계속 사용을 위해 추가 투자비용이 발생하였고, 23년차에 누적 순이익이 흑자로 전환되는 것을 보인다. 25년까지 사용수명기간을 연장하여 약 183.29[억원]의 누적 순이익을 보인다.

3.2 Site A의 분석 결과

ESS 설치로 ESS REC 가중치 등 경제적인 이점과 PV 발전량 완화 등 계통 안정성 향상이 있지만, 초기 투자와 유지보수 비용이 높아지게 된다. 그러나 ESS가 없으면 전체 설비의 초기투자비용은 낮아지는 반면 외부 영향에 의한 태양광 발전의 불안정성과 판매대금의 최대화 등의 어려움이 발생하게 되는 단점을 가지고 있다.

ESS가 포함된 태양광 발전 설치의 경제적인 측면을 살펴보면, ESS는 경제적인 이득을 극대화하며 효율적인 에너지 관리와 함께 계통 서비스에 참여하여 추가 수익을 창출하는 기회를 제공하며 효과적인 운영을 위해 유지보수와 수명관리가 필수적으로 수행되어야 하는 측면이 있다. 태양광 발전량과 소내전력을 위한 상시전력을 저장하여 필요한 시점에 사용함으로써 전력 구매 비용을 감소시킨다. 계통 연계 및 안정성 관점에서의 ESS 시스템은 전력망 안정성 향상과 함께 태양광 발전의 불규칙한 출력에 대응하는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어 급격한 출력 감소에 빠르게 대응하여 Duck Curve와 같은 현상을 완화시킬 수 있다. 에너지 저장을 통해 발전된 전력을 신속하게 방출하여 전력 네트워크의 급격한 변화에 대응할 수 있다.

ESS의 구성요소인 배터리, PCS 등의 안정성에 대한 가장 큰 이슈는 에너지 불안정에 의한 소손, 국내외 화재사건으로 제조사별 안전장치 및 온도감시가 매우 중요한 상황이다. 국내 주력 제품인 NCM 배터리의 경우 고출력 고밀도로 좋은 특성을 가지지만, 고출력을 위해 니켈(N)의 비율을 높일수록 안정성이 떨어질 수 있다. 중국 배터리사의 주력제품인 LFP 배터리의 경우 NMC 배터리에 비해 안정성이 우수하나 전압특성곡선이 평평한 관계로 운영에 오차가 있는 편이며, NMC 배터리에 비해 잦은 정비가 필요하다. 최근 주요하게 연구개발이 이루어지고 있는 전고체 배터리의 경우 안정성과 출력 밀도 모두 좋은 특성을 갖추고 있어, 향후 상용화가 이루어지면 ESS 분야에 좋은 대안이 될 것으로 판단된다.