2.1.1 SMP 및 REC 가중치 판매 정책

정부는 신재생에너지 공급의무화제도 및 연료 혼합의무화제도 관리·운영지침 개정을 통해 태양광 발전소에 ESS를 설치해 생산한 전기에 대해 REC 가중치를 5.0으로 부여한다⁽²⁾.

태양광, 풍력, 바이오, 폐기물, ESS등 신재생에너지에 대한 REC가중치가 최근에 개정되었는데 이에 따르면 태양광, 풍력과 ESS 결합시 가중치가 가장 높으며 각각 5.0, 4.5의 가중치를 부여한다. REC 가중치 5.0을 받기 위해서는 정해진 시간대 10시부터 16시 사이에 ESS를 충전하고 그 외 시간에 ESS 판매를 하여야 한다. PV-BESS 시스템에 대한 REC 가중치 5.0은 2019년도까지 연장되었고 향후에도 신재생에너지 발전 비중 달성을 위해 유지 또는 상향될 가능성이 높다고 할 수 있다.

SMP는 계통한계가격으로 거래시간별로 적용되는 전력량에 대한 전력시장가격(원/kWh)을 말한다. 지역별(육지 및 제주지역)로 구분되며, 거래일의 각 거래시간에 대하여 가격산정 자료(중앙급전발전기 발전비용자료, 발전기·전기저장장치의 입찰 또는 발전계획자료, 수요관리사업자의 입찰자료, 전력계통 수요예측, 발전기별 조정손실계수 등)를 이용하여 산출된 지역별 각 발전기의 유효 발전가격 중 가장 높은 가격으로 결정된다. 다시 말하면 우리나라 전체 발전비용이 최소화되도록 발전가격이 싼 순서대로 가동시켜 예측된 전력수요를 충족할 때, 마지막 발전기의 발전가격이 그 시간의 SMP를 결정하게 된다⁽⁴⁾. SMP는 전력거래소(KPX)의 웹사이트(http://www.kpx.or.kr)를 통해 당일 새벽에 게시된다.

그림. 3의 각 그래프는 계절에 따른 2017년도 SMP의 최소값과 최대값을 시간대별로 보여준다. 일반적인 SMP는 겨울의 그래프와 같이 작은 변동 폭을 가지고 시간에 따라 변하지만, 5/21(월), 8/25(금), 9/3(토) 같이 특정 시간에 큰 폭으로 변하기도 한다. 이 경우처럼 SMP가 시간대에 따라 크게 변하는 날의 경우 본 연구에서 제안하는 최적 운영으로 인한 수익 증대 효과는 다른 날들 보다 매우 클 것이다.

REC 가중치 5.0을 받기 위한 BESS충전시간 10시와 16시를 기준으로 10시 이전 시간대를 A구간, 10~16시 사이 시간대를 B구간(BESS충전구간), 16시 이후 시간대를 C구간(BESS방전구간)으로 정한다.

그림. 4는 B구간과 C구간에 대한 2017년도 SMP의 최소/최대값의 변화를 보여준다. B구간에서 평균 4.78% 차이, C구간에서 평균 6.64% 차이로 SMP 변화가 있다.

2.3.1 일사량 예측

태양광발전시스템의 에너지 생산량은 태양광 패널 표면에 입사한 태양에너지(일사량)에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 대기권 내에서 일사량에 영향을 주는 요소들은 시간에 따른 고도와 방위각 등 태양의 위치와 강수여부, 운량 등과 같은 기상상태 등 이다.

일사량의 예측은 태양광 발전 시스템의 생산량 예측에 필수적이다. 일사량 예측은 여러 가지 방법으로 연구가 되어 있고^(5,6), 구글의 알파고와 같은 인공지능(AI)을 적용한다면 일사량예측의 정확도가 상당한 수준에 이를 것으로 전망된다. 본 연구에서는 일사량예측에 관한 내용은 다루지 않으며, B구간에 대한 시뮬레이션은 일사량 예측을 전제로 한다.

2.3.2 최적 운영

일반 운영은 PV발전 시간중 REC 5.0이 적용을 위해 B구간, C구간에 순차적으로 BESS충전과 BESS방전을 한다. 최적 운영은 B구간에 SMP가 낮은 시간대에 BESS충전을 하고, SMP가 높은 시간대에는 SMP 판매를 한다. B구간에서 최적 운영을 하기 위해서는 BESS가 풀충전이 되어야 그 의미가 있다. C구간에는 최고의 수익을 확보하기 위해 SMP가 가장 높은 시간에 BESS방전을 한다. 최적 운영의 계략적인 순서도는 그림. 7과 같다.

B구간과 C구간에 대한 세부적인 방법은 아래와 같다.

① B구간 최적 운영

- 예측된 일사량을 바탕으로 PV출력량 및 B구간의 BESS용량 풀 충전 가능여부 계산

- 풀 충전가능한 날에 B구간 시간대별 SMP의 낮은 가격 순위 결정

- 시간대별 BESS 충전량 및 SMP 판매량 계산

- 해당 시간대 BESS 충전 및 SMP 판매

- 15시 시간대는 일사량 예측 오차 고려

② C구간 최적 운영

- C구간 시간대별 SMP의 높은 가격 순위 결정

- 시간대별 BESS 판매량 계산

- 현재 시간대가 SMP 순위 내에 있는 경우 BESS 판매

- PV에서 발전된 전력은 별도로 SMP 판매

2.3.3 시뮬레이션 환경

PV, PCS 및 배터리의 특성과 효율은 제품마다 차이가 크므로 어떤 제품을 선택하느냐에 따라 결과가 바뀔 수 있다. 기존의 연구들은 시스템 내부에 부하가 존재하여 피크 저감과 부하 이동이 주목적이다. BESS의 충․방전 스케쥴링 방법 및 PCS와 BESS의 용량은 경제성 평가를 통해 결정된다^(7-12).

본 연구에서 사용된 PV-BESS 시스템은 부하와 연계하지 않고 독립된 시스템으로 부하가 없고 불필요한 환경변수를 완전히 배제함으로써 PV-BESS 연계 발전소에 적용하기 용이할 뿐만 아니라 향후 최적 운영 스케쥴링을 적용하여 테스트가 가능하여 직관적인 검증을 할 수 있다.

PCS는 생산된 교류전력을 직류로 변환하여 배터리에 저장하고 저장된 직류전력을 교류로 변환하여 전력계통에 공급하는 역할을 하는 장치로서 PCS 용량에 따라 배터리의 충·방전 시간이 정해진다. ESS 충·방전 시간에 영향이 없도록 PCS용량을 배터리용량과 동일하게 하여 시뮬레이션을 한 후 적정 PCS용량 산정을 위하여 용량을 변경하였다. 분석을 위해 사용한 주요 장비의 제조사 제공 스펙과 용량은 표 3과 같다.

2.5.1 적정 PCS 용량 산정

PCS 용량이 0.9MW, 0.8MW, 0.7MW, 0.6MW의 증가된 수익의 합은 각각 932,802원, 911,254원, 883,210원, 843,507원으로 0.6MW부터 수익 감소율이 점점 커진다. 0.7MW가 PCS 적정 용량이라고 판단되며 이 때 B구간 및 C구간에서 발생하는 수익의 증가율은 각각 0.85%와 1.77%이다.

2.5.2 이용률과 경제성을 고려한 배터리 용량 산정

PV 1MW 및 PCS 700kW 시뮬레이션 환경에서의 배터리 용량에 따른 이용률과 년간 풀 충전일 수는 표 6과 같이 용량이 작을수록 높다. 배터리 용량이 PV용량의 4배가 되는 4MWh의 경우 풀 충전일 수는 75일로 1년 중 20%에 해당하며 B구간에서의 최적 운영 방식을 75일에 반영할 수 있음을 의미한다. C구간에서의 최적 운영 방식은 배터리 풀 충전일 수와 무관하게 365일 반영이 가능하고 최적 운영 방식으로 인한 C구간의 추가 수익은 B구간의 추가 수익의 2~4배에 해당한다[표 5].

BESS가 없는 PV 단독 시스템의 년간 수익금은 약 296,907천원이다. 시뮬레이션 결과 BESS 설치에 따른 배터리 용량별 추가된 년간 수익과 경제성 평가는 표 6과 같다. (PCS 설치단가 40만원/kW, 배터리 설치단가 60만원/kWh, 유지보수율 2%, 할인율 5.5%, 기간 20년 적용)

배터리 용량이 3.0MWh일 때, BCR이 1.53%이고 수익금이 약 1,368,267천원으로 가장 높으며 회수기간은 10년차이다. 배터리 용량이 2.0MWh일 때, BCR이 1.63%로 회수기간은 9년이지만, 수익금은 약 1,149,595천원이다.