에너지전환으로 국내 전력시장 발전설비 구성이 변화하고 있다. 태양광을 비롯한 신재생 설비와 발전량이 빠르게 증가하고 있고 ESS·전기차 등 분산에너지자원도 확산 추세다. 여기에 기술의 진보와 융합으로 전력시장이 기존의 공급과 소비라는 단순한 구조에서 다수의 사업자와 소비자가 전력을 사고 파는 역동적인 시장이 돼가고 있다. 분산에너지의 증가로 이를 연결해 발전소처럼 운영하는 가상발전소(VPP)가 주목을 받고 있다. 이런 가운데 KDB미래전략연구소 산업기술리서치센터는 최근 ‘국내 가상발전소 제도 및 현황’이라는 제목의 분석자료를 내놓았다. 이를 통해 VPP의 출현과 발전의 전제조건 그리고 전망에 대해 알아본다. <변국영 기자>

분산에너지 자원과 시장 참여자의 증가는 전력계통 운영의 효율과 안정성을 위협할 수 있어 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘가상발전소(VPP)’가 필요하다. VPP는 정보통신 및 자동제어기술을 이용해 다양한 분산에너지자원을 연결·제어해 하나의 발전소처럼 운영하는 시스템이다. 자원의 구성에 따라 수요·공급기반 VPP로 유형화될 수 있고 이상적인 VPP는 둘의 혼합된 형태다.

국내에서는 지난 2014년 11월부터 ‘수요자원 거래시장’이 개설돼 운영되고 있고 2019년 2월에는 ‘소규모 전력중개시장’이 개설되면서 혼합형 VPP를 구축할 수 있는 제도적 기반이 마련됐다.

‘아낀 전기’를 전력시장에 판매해 보상을 받는 수요자원 거래시장은 4.4GW의 수요자원을 확보해 연 1850억원 규모의 시장이 형성돼 있고 소규모 자원 참여를 위한 ‘국민DR’ 도입을 준비 중이다. 중개사업자가 소규모 전력자원을 모아 거래하는 소규모 전력중개시장은 2019년 9월 현재 실제 중개사업을 진행하고 있는 사업자가 5개 업체(11.1MW)뿐으로 거래가 부진하다.

각 시장의 발전과 활성화가 국내 VPP 구축의 핵심적 요소인 만큼 제도적 보완과 추진이 필요하고 향후 두 시장의 결합을 위한 법 개정 및 제어체계 정립 등도 연구가 필요하다.

▲전력시장 변화

‘에너지전환 로드맵’ 수립 이후 국내 전력시장 발전설비 변화가 진행되고 있다. 지난 2017년 10월 에너지 정책 기본방향으로 원전의 단계적 감축과 재생에너지 발전량 비중 확대 등을 내용으로 하는 ‘에너지전환 로드맵’이 수립됐다. 지난 2017년 12월 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 마련해 재생에너지 목표를 설정했다. 2017년 12월 수립된 ‘제8차 전력수급기본계획’으로 에너지전환 전원 구성을 구체화했다.

2019년 6월 확정된 ‘제3차 에너지기본계획’에서는 2040년까지 재생에너지 발전 비중을 30∼35%로 확대하는 정책 방향이 설정됐다. 실제 에너지전환 정책 시행으로 태양광을 중심으로 한 신재생에너지 설비 및 발전량이 빠르게 확대되고 있다.

2차 에너지기본계획 및 7차 전력수급기본계획을 통해 ‘분산형 전원’ 정의에 관한 구체적인 기준이 제시됐고 현황 평가와 목표도 설정됐다. 송전선로 건설을 최소화하는 40MW이하 소규모 발전설비, 500MW 이하 수요지 발전설비를 분산형 전원으로 정의했다. 7차 전력수급기본계획에서는 2013년 분산형 전원 비중 7.6%를 확인하고 2029년 총발전량 대비 12.5%의 보급 목표를 세웠다.

8차 전력수급기본계획과 3차 에너지기본계획에서 분산형 전원 확대 정책의 정합성이 확보되고 목표가 상향 조정됐다. 8차 전력수급기본계획에서는 분산형 비중을 2030년 총 발전량의 18.4%로 전망했다. 3차 에너지기본계획은 분산형 전원 발전량 비중을 2040년 30%로 확대했다.

▲분산에너지 자원 확산

신재생에너지는 1MW 이하 중·소형 태양광 발전사업자를 중심으로 전력시장 회원사 수가 급격히 증가하고 있다. 2019년 6월 기준 전력시장 참여 회원은 총 3064개 사업자로 97.0% 이상(2973개)이 신재생 사업자이며 신규 가입의 대부분은 태양광사업자다. 2019년 7월까지 1.64GW의 태양광 발전 설비가 신규로 설치됐으며 1MW 이하 설비가 전체 설치량의 92.1%(1.5GW)를 차지했다.

국내 ESS의 경우 전기요금 할인 등 보급 지원 정책의 영향으로 2017년부터 급격히 확대돼2018년 기준 1490개 사업장에 4.8GWh 규모가 설치됐다. 전용 요금제, 신재생에너지 연계 공급인증서(REC) 가중치 혜택, 공공기관 설치 의무화 등에 힘입어 2017년∼2018년 설치량이 급증했다. 2018년 연간 국내 ESS 설치 규모는 3.6GWh로 세계 시장의 약 1/3을 차지했다. 신재생에너지 연계에 778개(1.9GWh), 피크저감 등에 712개(2.9GWh)의 ESS가 활용됐다.

2018년 기준 국내 등록된 전기자동차는 5만5756대로 2013년 이후 매년 2배 수준으로 증가하고 있다. 2019년 9월 현재 전기자동차 등록은 2017년까지의 등록 대수(2만5180대)에 육박하는 2만5146대가 등록됐다. 충전시설 확충도 이루어져 2011년 전국에 33기였던 급속충전시설은 2018년 기준 1699기가 구축됐다.

공급자와 소비자로 이원화돼 있던 전력시장 주체자에 대한 경계가 희석되고 다수의 사업자와 소비자가 전기를 사고 파는 시장으로 변모했다. 4차 산업혁명 기술의 진보와 융합으로 전력시장 변화가 가속화되고 있다. 전력망도 단순히 전력을 공급하는 역할에서 전력시스템과 소비자를 연결해 새로운 가치를 창출하고 있다.

단독으로 작동하는 분산에너지자원은 중앙제어 발전기의 용량으로 대체가 불가하다. 소규모 발전소의 상대적으로 높은 단위 운영비로 운영의 경제적 부담으로 시장에서의 가격 협상력 확보가 어렵다. 거래물량이 적음에도 각 사업자가 복잡한 전력시장의 거래절차를 거쳐야 하는 등 운영에 대한 부담 및 거래비용 과다가 문제로 지적되고 있다. 설비에 대한 전문지식 부족으로 설비관리, 안전관리 및 품질관리에 효과적인 대응이 곤란해 비효율이 발생하고 있다.

배전계통 내 과전압·과부하로 인해 전력품질이 저하되고 전류 방향 변화로 보호계전기 오작동 및 부작동이 발생할 수 있다. 수용가의 법정 유지 전압인 220V±6% 준수가 어려워지고 일정한 전압이 필요한 산업체 가동 중단 및 전자기기 고장이 발생할 수 있다.

발전 출력에 대한 예측이 어렵고 발전량의 변화 폭이 큰 변동성을 갖는 재생에너지 발전설비 증가로 전력수급 균형을 유지하는데 어려움이 있다. 전력계통 유지를 위한 연계용량 제한으로 잉여전력 발생, 방치 설비 증가 등 비효율을 초래할 수 있다.

▲분산에너지 자원 연결·제어

VPP는 ICT 및 자동제어기술을 이용해 다양한 분산에너지 자원을 연결·제어해 하나의 발전소처럼 운영하기 위한 시스템이다. 분산에너지 자원을 클라우드 기반의 플랫폼으로 통합해 계통운영시스템과 연계하고 센서를 활용해 원격 제어하는 방식으로 발전소가 운영된다.

물리적으로 특정한 곳에 존재하는 발전소는 아니지만 전기를 공급하는 것과 동일한 효과를 가지고 있다. 분산에너지 자원 증가로 발생할 수 있는 계통운영의 기술적 문제를 해결하고 통합한 자원을 통해 경제적 가치를 창출할 수 있다. 배전계통 최말단에 있는 계량기 하단에서 전력을 생산하고 거래하는 BTM(Behind-The-Meter) 시장의 대표적인 비즈니스 모델이다.

가상발전소는 자원 구성에 따라 수요·공급기반 VPP, 사용 목적 등에 따라 상업적·기술적 VPP로 나눌 수 있고 각각의 혼합형도 가능하다. 수요기반 VPP는 수요반응(DR) 자원을 모아 발전소 역할을 수행한다. 지난 2014년 11월부터 수요기반 VPP를 위한 ‘수요자원 거래시장’이 개설돼 운영되고 있다.

공급기반 VPP는 산재해 있는 신재생에너지, ESS, 전기자동차 등의 발전 자원을 모아 규모의 경제를 갖춘 발전소를 운영하는 형태다. 지난 2018년 12월 소규모전력중개사업 제도 도입과 2019년 2월 중개시장이 개장됐다. 혼합형 VPP는 수요기반 VPP와 공급기반 VPP의 통합된 형태로 궁극적으로 추구하는 가상발전소다.

상업적 VPP는 소규모 분산에너지 자원이 중앙급전발전기로서 전력시장에 참여해 수익을 창출하는 데 목적이 있는 발전소다. 기술적 VPP는 다양한 분산에너지 자원의 중앙 관리 및 계통운영 문제 해결을 목적으로 하며 주파수 조정·예비력 제공·전력조류 제어 등의 역할을 수행한다.

VPP들의 제어 방식에 따라 중앙제어형과 분산제어형으로 구분하기도 한다. 중앙제어형은 연결된 모든 분산에너지 자원에 대한 통제와 지시, 정보 축적이 하나의 통제센터에서 이뤄지는 것을 의미한다. 분산제어형은 하위 수준의 VPP가 분산에너지자원들을 운영·관리하고 상위 VPP는 전력판매 여부나 시장 선택 등의 판단과 결정을 하는 형태다.

▲수요자원 거래시장

전기사용자가 전력시장 가격이 높을 때 또는 전력계통 위기 시 아낀 전기를 전력시장에 판매하고 금전적으로 보상받는 제도다. 전기사용자는 감축량 산정의 정확성 향상 및 수요자원의 실효성 검증을 위해 전기소비 패턴이 일정하고 실시간으로 소비전력량 검침이 가능해야 한다.

소비자가 전력시장의 주체로 인정되고 합리적인 에너지 소비 유도를 통해 발전소 건설 회피와 온실가스 감축 및 신사업 창출에 기여할 수 있다. 전력거래소, 수요관리사업자, 참여고객(전기사용자)으로 구성되며 수요 감축 지시, 감축량 평가·정산은 모두 수요반응자원 단위로 이뤄진다.

정전 예방 및 최대전력 삭감을 위한 피크 감축 수요반응(신뢰성 DR)과 전력공급비용 절감을 위한 요금절감 수요반응(경제성 DR)으로 구분해 운영된다. 지난 2014년 11월 시장 개설 이후 꾸준한 시장참여자의 증가로 4.4GW의 수요자원 용량(의무 감축용량)을 확보했다. 2019년 7월 현재 25개 수요관리사업자를 통해 3818개 참여고객(89개 수요반응 자원)이 시장에 참여하고 있다. 수요자원 용량은 시장 초기 대비 약 3배, 참여고객 수는 4배 증가했다. 2019년 7월 현재까지 수요자원 거래를 통해 총 1257GWh의 전기를 절감했다. 2018년에는 연간 약 4만2000 가구가 1년간 사용할 수 있는 전력량인 220GWh 줄였다.

에너지의 효율적 사용과 관련 산업 육성을 위해 국민DR을 추진하고 있다. 현재 수요자원 거래시장은 대부분 공장 등 산업체에 편중돼 있어 가정, 점포 등 소규모 전기소비자의 수요반응 참여를 위한 제도가 필요하다.

국민DR의 경우 스마트 가전을 활용한 자동화 방식이 도입된다. 스마트 에어컨에 피크관리 기능을 탑재해 전력거래소로부터 신호를 수신하면 에어컨이 가동률을 조정해 전력소비량을 줄이는 자동화 방식이 활용된다.

에너지와 ICT를 결합한 제품인 IoT 전력계측기를 수요자원 거래 참여를 위한 기본 인프라로 활용하게 된다. 일반 가정에 설치할 경우 최소 23만원이 소요되는 전력계측기 대신 국내 스타트업이 개발한 전력계측기가 활용된다.

국가 차원의 효율적인 에너지 사용과 스마트에너지 제품·서비스 산업이 육성된다. 자동화 DR로 참여 가능한 기기를 냉장고, 정수기 등으로 확대해 국민DR 확산으로 에너지의 효율적 사용뿐만 아니라 스마트 가전, IoT 전력계측기 등의 수출 확대를 기대할 수 있다.

▲소규모 전력중개시장

지난 2018년 12월 소규모 전력중개사업 도입됐고 2019년 2월 전력중개시장이 개설됐다. 소규모 전력중개사업은 1MW 이하의 신재생에너지와 ESS, 전기자동차에서 생산 및 저장한 전기를 중개사업자가 모아 전력시장에서 거래하는 사업이다.

소규모 전력중개시장은 중개사업자와 자원 보유자로 구성된다. 중개사업자는 신재생 발전사업자의 생산 전력과 신재생에너지 공급인증서의 거래대행 및 설비 유지보수 등의 서비스를 제공한다. 설비 O&M, 전력 및 REC 거래, 자원조합·관측·제어, 발전량 예측 등을 통해 소규모 자원 보유자의 전문성 부족 및 자원의 출력 변동성 문제를 해결하고 활용 가치를 극대화하는 역할을 한다. 신재생 발전사업자 등은 중개사업자와의 거래 위탁 및 O&M 서비스 계약을 기준으로 서비스에 대한 대가를 지급하게 된다.

2019년 9월 현재 58개 업체가 사업자로 등록했고 중개시장 회원 가입 업체는 35개다. 전력중개사업 영위를 위해서는 전기 신사업자로 스마트그리드협회에 등록한 후 전력거래소의 중개시장 회원으로 가입해 자원보유자와 계약을 체결하고 계약에 따라 거래 및 O&M 등을 위탁받은 자원의 설비용량을 시장에 등록하는 등의 과정이 필요하다.

현재 소규모 전력거래시장의 거래 부진의 원인은 높은 계량기 비용 문제와 인센티브 부재로 압축할 수 있다. 자원 보유자가 중개사업자를 통한 중개거래를 위해서는 400∼500만원 수준의 계량기 및 통신기기 설치가 필요하다. 기존 한전과의 거래 시 필요한 계량기 및 통신기기는 50∼100만원 수준이었다. 1MW 이하의 태양광 발전설비 운영을 통한 수익 대비 높은 계량기 비용은 중개 거래 기피 요인으로 작용하고 있다. 중개사업자의 수익원이 중개 및 O&M 수수료밖에 없는 상황에서 계량기 비용을 치르고 중개 거래를 할 이유가 없는 것이다.

‘예측 인센티브 제도’ 등 중개수수료 외 중개사업자의 수익 모델이 필요한 이유다. 중개사업자가 각 사의 기술과 역량을 활용해서 관리하는 자원의 발전량을 정확히 예측하고 계통 안정도 향상 기여도에 따라 인센티브 또는 패널티를 받는 제도가 마련되면 다양한 중개사업자의 시장 참여를 유도할 수 있다. 다만, 중개사업자들의 발전량 예측 기술과 수준이 각각 다르고 계통 안정도 향상 기여를 가치로 환산하는 기준을 정하는 것에 논란의 여지가 많을 것으로 예상돼 제도 도입을 위한 충분한 연구와 준비 과정이 요구되고 있다.

▲국내 가상발전소 미래

재생에너지를 비롯해 분산형 전원 확대에 대한 정책 지속성이 유지될 전망이다. 3차 에너지기본계획 등 국가 에너지 종합계획 등에서 의지를 확인할 수 있다. 기존 계획 대비 상향된 2040년 재생에너지 발전량 비중 목표 30∼35% 및 분산형 전원 발전량 비중 목표 30%가 제시됐다.

분산형 전원 확대를 대비해 가상발전소 구축의 제도적 틀은 마련된 상태다. 가상발전소의 궁극적인 사업모델이라 할 수 있는 혼합형(수요기반+공급기반)VPP의 제도적 기반은 마련됐다.

각 시장의 발전과 활성화가 중요한 만큼 보완 정책을 마련해 추진해야 한다. 수요자원 거래시장은 ‘국민 DR’의 성공적인 정착과 수요자원의 보조서비스 등 새로운 부가가치 창출 등의 제도 보완이 필요하다.

소규모 전력중개시장의 경우 수익모델 다양화와 계량기 비용 문제 및 중개사업자에 대한 인센티브 부재 문제 해결을 위한 조치가 시급하다. 현재 소규모 전략중개시장의 중개사업자 수익모델은 거래대행 및 설비 O&M 수수료 수취로 제한돼 있다.

현재 ▲재생에너지 발전량 예측을 통한 전력공급 안정화에 대한 인센티브 제도 도입 ▲계량기 대량구매 및 기능 간소화를 통한 계량기 비용 절감 ▲전력 데이터 담당 통신사들과의 장기 계약 등의 방식을 통한 데이터 전송비용 절감 등이 활성화 방안으로 논의되고 있다.

향후 두 시장의 결합을 위한 법 개정 및 제어 체계 마련도 염두해 둬야 한다. 현재의 소규모 전력중개시장 체제로는 두 시장의 결합은 불가능하다. 정책적으로 정의된 ‘분산형 전원’의 설비규모(40MW 이하 소규모 발전설비, 500MW 이하 수요지 인근 발전설비)와 중개시장 참여 가능 설비규모(1MW 이하 신재생) 간의 차이가 크다.

현재 중개시장에 참여 가능한 신재생 설비는 태양광에 국한돼 있어 풍력 등의 다른 신재생 설비 및 수요반응자원(2∼500MW)을 포함하기 위해서는 법 개정이 불가피할 것으로 예상된다.

변국영 기자 다른기사 보기