1. 서론

제 8차 전력수급기본계획에 따르면, 원자력 발전소의 원자로는 2030년까지 18기(현재 24기)로 감소되고 신규 원전 6기 건설은 중단되며 노후 원전 10기의 수명연장도 금지된다. 또한 원자력 발전 비중은 30.3%에서 23.9%로, 석탄화력 발전은 45.3%에서 36.1%로 줄어들며, 신재생에너지 및 LNG 발전은 지속적으로 확대된다. 특히 현재 6.2%를 차지하는 신재생에너지 비중은 2030년 20%까지 증가될 예정이다⁽¹⁾. 이러한 국가 에너지정책 기조에 따라, 태양광발전, 풍력발전의 도입을 장려하기 위해 일정규모(500MW) 이상의 발전설비(신재생에너지 설비는 제외)를 보유한 발전사업자(공급의무자)에게 총 발전량의 일정비율 이상을 신재생에너지를 이용하여 공급토록 의무화한 신재생에너지 공급의무화제도(Renewable Portfolio Standard, RPS)가 실시되고 있으며, 신재생에너지 발전량에 따른 재생에너지 공급인증서(Renewable Energy Certificate, REC)와 계통한계가격(System Marginal Price, SMP) 등의 전력거래가 활성화되고 있다^(2,3). 뿐만 아니라, 신재생에너지 출력 변동으로 인한 계통 불안정성 해소와 피크저감을 위해서, 전력저장장치(Energy Storage System, ESS)의 도입이 진행되고 있다. ESS는 크게 전력을 저장할 수 있는 배터리, 교류와 직류를 상호 변환하는 전력변환장치(Power Conditioning System, PCS), PCS 상태 모니터링 및 제어를 담당하는 전력관리시스템(Power Management System, PMS)으로 구성된다. ESS는 주로 태양광 연계형, 풍력 연계형, 피크저감형의 3가지 용도로 사용되고 있는데, 첫째 태양광 연계형은 선로 과부하를 줄이기 위하여 태양광 발전시간(10~16)에 ESS를 충전하고 16시 이후에 방전하여 높은 REC 가중치를 적용 받는다. 두 번째로, 풍력 연계형은 풍력발전으로 생산된 전력을 ESS로 충전하여 피크시간(봄:9~12, 여름:13~17, 가을:18~21, 겨울: 9~12)에 방전함으로써 높은 REC 가중치를 적용 받는다⁽⁴⁾. 마지막으로 피크저감형 ESS은 수용가의 최대전력수요 시간동안 방전되어 기본요금을 절감시키고, 계시별 전기요금 차등에 따라 야간에 저렴한 전기를 충전하고 전기요금이 비싼 주간에 방전하여 전력량요금을 절감시킨다. 또한 계약전력 1,000kW 이상의 건축물에 계약전력 5% 이상 규모의 ESS를 설치해야 하는 공공기관 에너지이용합리화에 따라 ESS 도입이 증가되고 있을 뿐만 아니라, 한전에서 한시적으로 시행중인 ESS 특례요금제도 도입을 통해 수용가의 ESS 초기투자비 회수기간은 단축될 수 있다^(5-6).

반면, ESS 투자비용은 여전히 고가임으로 투자비 회수에 대한 부담이 있다. 그러므로 ESS 사업의 실행가능성 판단을 위해서는 사전계획단계에서 미래에 발생될 피크저감분이 반영된 기본요금 절감액, 충·방전에 따른 요금차액분이 반영된 전력량 요금 및 특례요금제에 대한 면밀한 검토가 선행되어야 한다. 특히 기존의 피크저감량은 과거 발생된 피크일을 기준으로 산정하고 있어 과잉 산정되는 경향이 있다. 즉, 실제 피크가 발생되면 피크저감에 따른 기본요금 절감효과가 커 전체수익에 큰 영향을 미치지만, 만약 피크가 발생되지 않으면 초기 피크저감량이 반영된 기본요금 절감 효과분이 반영되지 않아 투자비 회수기간이 길어지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 각월의 부하사용 패턴이 적절히 반영된 대표일을 바탕으로 피크저감량이 산정된다면, 수용가 또는 투자자 관점에서 ESS 투자비 회수기간과 사업 타당성 분석을 통해 합리적인 사업제안이 가능하다.

본 논문에서는 피크저감용 ESS에 대해서, 피크저감과 특례요금제도를 고려한 경제성 분석 알고리즘을 제안한다. 즉, 월간 부하패턴이 반영된 대표일의 총 에너지 비용은 피크저감과 특례요금제가 고려된 일일 ESS 운전 스케줄링에 의해 최소화 되며, 연간 편익은 피크저감량에 의해 결정된다. 제안된 알고리즘의 유효성을 확인하기 위해서 특례요금제만 고려된 경우와 특례요금제 및 피크저감이 고려된 경우의 ESS 초기투자비 회수기간을 비교 분석하였다.

2. 기존 ESS 경제성 분석의 문제점

한전은 계시별 요금을 적용받는 수용가 중 피크절감을 위해 ESS를 설치한 고객을 대상으로 요금할인을 확대하여 수용가의 조속한 투자결정, 초기 시장 정착, 자발적인 ESS 시장 운영체계를 유도하고 있다⁽⁷⁾. 특례요금제도는 기본요금 절감과 전력량요금 절감으로 구성되는데, 예를 들어, 개정 전 평균 최대수요전력 감축량에 대해, `20년 12월 31일까지는 기본요금 절감액의 3배만큼, `26년 3월 31일까지는 기본요금 절감액의 1배만큼 할인된다. 한편, 전력량요금은 경부하시간대 충전전력에 대해 50% 할인된다, 또한, ESS 배터리 사용량이 계약전력 대비 10% 이상시, 상기의 기본요금과 전력량요금 각각에 대해서 최대 120% 추가 할인된다. ESS는 수용가에게 큰 편익을 줄 수 있지만, 높은 투자비용(배터리 가격이 총공사비의 60% 이상 차지)으로 인해 ESS 초기투자비 회수기간이 상당히 소요됨으로 회수기간 단축을 위한 ESS의 효율적인 운영이 요구된다.

반면 ESS의 피크저감량은 수용가의 부하패턴에 따라서 결정되는데, 연간 최대수요전력이 발생하는 중간부하 또는 최대부하시간대 방전을 통하여 기본요금은 절감될 수 있다. 또는 ESS를 최대부하시간대에 방전하면 특례요금제의 피크감축 추정량에 해당하는 기본요금을 추가적으로 할인 받는다. 그러므로, 여름철 또는 겨울철 최대수요전력이 발생하는 중간부하시간대 방전하면 피크저감에 따른 기본요금은 절감되지만, 최대부하시간대에 방전량이 감소하여 특례요금제의 기본요금 할인액이 감소될 수 있다. 반대로 ESS를 특례요금제의 기본요금 할인을 위해 최대부하시간대만 방전한 경우, 피크저감량이 감소하여 기본요금 절감액이 감소될 수 있다. 즉, 기존 ESS 경제성 분석에서, 피크저감량 산정의 어려움으로 인하여 피크저감에 따른 기본요금 절감액을 반영하지 않고 특례요금제만 고려하여 투자비 회수기간이 늘어날 수 있다. 또한 피크저감과 계시별요금제가 고려된 ESS 일일 운영 스케줄링이 제시되고 있지 않아 기본요금 및 전력량요금 절감액 결정에 어려움이 있다. 그러므로, 피크저감과 특례요금제를 고려한 일일 ESS 충․방전 스케줄링 방안이 마련되어야 하며, 이에 기반하여 ESS 초기투자비 회수기간은 적절하게 산정되어야 한다.

3. 피크저감과 특례요금제가 고려된 일일 ESS 운영 스케줄링

본 절에서는 ESS 초기투자비 회수기간 분석을 위해서, 피크저감과 특례요금제가 반영된 일일 ESS 충방전 스케줄링을 제안한다. 즉, 3.1~3.7장에서 혼합정수 선형프로그래밍을 통해 피크저감과 특례요금제가 고려된 15분단위의 충·방전량에 기초하여 수용가 전기요금측면과 특례요금제측면에서 결정된 각각 기본요금 및 전력량요금 통해 총 예상 절감액이 산출된다.

4. 제안된 ESS 경제성 분석 알고리즘

그림. 1과 같이 본 논문에서 ESS 경제성 분석 알고리즘은 다음과 같이 제시된다.

[Step 1] 한전에서 수용가의 효율적인 전력사용을 지원하고 수요관리 효과를 극대화하기 위한 목적으로 개설된 전력포털 서비스 (iSMART)를 통하여 수용가의 연간 평일 15분 단위의 최대수요 kW 데이터를 수집한다⁽⁸⁾.

[Step 2] 수집된 최대수요 데이터를 바탕으로 실루엣 기법을 활용하여 k 클러스터링 개수를 결정한다⁽⁹⁾.

[Step 3] 각 월의 전기사용 패턴이 적절히 반영된 대표일을 결정하기 위해 k­means 클러스터링 알고리즘이 적용된다. k­means 클러스터링 알고리즘은 주어진 데이터들에 대해서 통계적 규칙이나 패턴을 찾아내는 데이터 마이닝 기법 중에 하나로 데이터간의 유사한 특성을 가지는 k개의 그룹으로 분할하는 알고리즘이다. 본 논문에서는 각월의 평일 15분 최대수요 데이터에 대해서 n개의 중심점을 선정 후, 이 중심점에서 각 15분 최대수요 데이터간의 거리 합이 가장 최소화가 되는 중심점의 위치를 찾는다. 결국 이 n개의 중심점의 변화가 없는 위치가 각 클러스터링 데이터의 평균값을 위치로 가지게 되며, 이 중심점에서 가까운 점들을 중심점을 기준으로 묶고 각 클러스터에 대해서 15분 최대수요 데이터의 모든 중심점들을 각월의 대표일로 선정한다⁽¹⁰⁾.

[Step 4] PCS 용량에 따라 피크저감 가능용량 범위가 결정되며, 피크저감량은 최소 0kW부터 최대 PCS 용량만큼 증가시켜 가면서 해를 찾는 전수탐색기법과 혼합정수선형 프로그래밍을 통해 각 월 대표일의 기대 전기요금을 최소화한다. 그리고 각 월 대표일의 총 예상 절감액을 산출하며 12개월에 해당하는 모든 대표일의 예상 절감액의 합이 가장 큰 피크저감량이 본 논문에서 제안하는 피크저감량이며, 각 월의 예상 절감액이 최대화 되도록 대표일에 대한 ESS 일일 충방전 운영 스케줄링을 결정할 수 있다.

[Step 5] 경제성 분석은 일반적으로 현금유입의 현가에서 현금유출의 현가를 빼는 순현가법이 주로 활용되고 있으나, 본 논문에서는 투자자 입장에서 ESS 조합에 따라 짧은 투자비 회수기간 분석을 목적으로 한다. 이를 위해서 ESS 투자에 소요된 비용을 회수하는데 걸리는 기간을 분석하는 회수기간법이 적용된다. 즉, ESS의 일일 충·방전 스케줄링의 결과값을 식(10)~식(11)에 대입하여, ESS 초기 투자비용을 회수하는데 걸리는 기간을 분석한다. 투자비 회수기간은 식(10)과 같이 년도별 연간절감액에 대한 연간투자순이익으로 표현되며, 연간투자순이익은 식(11)과 같이 산정된다.

여기서, y: 년수, i: ESS 용량 개수, PP_i: 투자비 회수기간[년], $A{S}_y^{\left(i\right)}$: 연간 절감액[원], $A{P}_y^{\left(i\right)}$: 연간투자순이익[원], 12: 개월수, TC: 투자비[원]

5. 시뮬레이션 분석 및 결과

본 절에서는 현재 운영중인 상업용 빌딩을 대상으로 k-menas 클러스터링을 통한 각 월의 대표일 선정, 혼합정수 선형프로그램을 통한 일일 ESS 충·방전 운영 스케줄링을 기초로 한 피크저감량을 산정하였다. 또한 특례요금제만 고려한 경우와, 특례요금제와 피크저감을 고려한 경우 각각의 ESS 초기투자비 회수기간과 15년간 총 절감액에 대해 비교 분석을 통하여 제안한 ESS 경제성 분석 알고리즘의 유효성을 확인 하였다.

6. 결 론

본 논문에서는 기존의 ESS 경제성 분석시, 적절한 피크저감 가능용량 산정의 어려움으로 특례요금제도만 고려하고 있으나 투자비 회수기간의 늘어나는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 수용가의 ESS 충·방전 운전계획을 수립하여 피크저감과 특례요금제가 함께 고려된 새로운 ESS 경제성 분석 알고리즘을 제안하였다. 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 각 월의 전기사용 패턴이 적절히 반영된 피크저감 가능용량을 산정하기 위해서, k­menas 클러스터링 알고리즘을 활용하여 각 월의 대표일을 결정하였으며 최대 PCS 용량까지 전수탐색기법과 혼합정수선형 프로그래밍을 통해 얻은 모든 대표일의 예상 절감액을 바탕으로 피크저감량을 산정하였다.

(2) 한시적인 특례요금제 유·무에 따라 피크저감 변동분이 반영된 예상 절감액이 최대화가 되도록 각 월의 대표일에 대한 ESS 충·방전 운영 스케줄링을 수립하였다.

(3) 피크저감 용량과 특례요금제도가 함께 반영된 ESS 초기 투자비 회수기간은 특례요금제도만 고려된 투자비 회수기간 보다 18개월 단축시킬 수 있음을 확인하였다.

(4) 과거 피크일 기준으로 피크저감량이 산정되고 있으나 피크가 발생되지 않으면 투자초기에 이미 반영된 피크저감량에 따른 기본요금 절감 효과가 낮아 투자비 회수기간이 길게 되지만, 제안된 알고리즘은 효과적인 피크저감량 산정에 기여될 것이다.

(5) ESS는 여전히 고가임으로 국가정책인 ESS 특례요금제에 의존하고 있지만, 특례요금제도 이후 수용가의 부하패턴이 적절히 반영된 피크저감과 계시별 요금제를 바탕으로 한 ESS 투자비 회수기간과 사업 타당성 분석을 통해 합리적인 사업제안이 가능하다.