2.1 제주지역 전력설비 및 출력제약 현황

한국전력거래소 전력통계정보시스템 상의 2019년도 기준 제주지역의 연료원별 시장참여 설비용량은 유류발전 343 MW, LNG 발전 105 MW, PV(Photovoltaic) 261.MW, WP(Wind Power) 295 MW, 바이오 357.1 MW, HVDC 400 MW로 구성되어 있으며, 2021년 말 HVDC #3 200 MW가 추가적으로 착공될 예정이다⁽¹⁰⁾.

제주지역의 VRE (Variable Renewable Energy) 설비용량 및 출력제약 현황을 표 1에 나타내었다. 2016년부터 2019년까지 WP의 설비용량은 약 20 MW가 증가한 반면, PV의 설비용량은 약 160 MW가 증가하였고, 출력제한 발생 횟수 역시 40회 더 발생하였다. PV 설비용량의 급격한 증가로 인하여 낮 시간 동안의 발전량이 급증하였고, 그로 인하여 출력제약 또한 급격히 증가하였음을 알 수 있다^(8,10). PV 설비용량의 급격한 증가로 인하여 출력제약의 횟수가 약 8배 증가하였고, 낮 시간에 출력제약이 집중됨을 알 수 있다.

이번 절에서는 한 가지 재생에너지원으로의 편중을 막는 적정 에너지믹스 솔루션과 ESS (Energy Storage System)을 이용하여 출력제약이 많이 발생하는 낮 시간의 발전량을 첨두부하 시간대로 이동시킴으로서 출력제약을 완화하고 전력계통으로의 재생에너지 수용증대를 위한 방법에 대하여 제시한다.

2.2 VRE 수용증대 방안

제주지역의 전력계통으로의 VRE 수용증대를 위한 방안을 그림 1에 제시하고 있으며, 증대방안의 순서는 다음과 같다.

1) 데이터 분석 – 제9차 전력 수급 계획의 전력수요 전망 및 VRE 설치용량 목표치를 이용하여 2023년부터 2025년까지의 전력수요 및 VRE 발전량을 예상한다.

2) 에너지믹스 시뮬레이션 – must-run 발전기 최소 출력, HVDC 역송 등을 고려한 VRE 출력제약 최소화 방안을 설계한다. 그리고 PV와 WP에 설비용량을 할당 및 반복 계산을 통하여 최적 에너지믹스를 도출한다.

3) ESS 용량 계산 및 출력제한 효과 분석 - 출력제약 발생패턴을 분석하고, ESS의 Power Capacity와 Energy Capacity를 산정하여 출력제약 감소를 통한 제주지역 VRE 수용증대 효과에 대하여 분석한다.

2.3 에너지믹스 솔루션

제주지역에서는 2018년 이후 PV 발전량의 급격한 증가로 인하여 낮 시간 출력제약이 급격히 증가하고 있다는 사실을 앞서 언급하였으며, 이러한 자원의 편중에 의한 출력제약을 줄이기 위한 방안으로 계획적이고 적절한 에너지믹스가 필요하다.

에너지믹스를 통한 출력제약 감소 효과를 도출하기 위하여 4개의 화력발전기를 must-run 발전기로 설정하여 부하에 따라 최소발전량을 조정하고, 출력제약 발생 시 HVDC(해저연계선)를 통하여 제주-육지 간 역송을 실시한다.

에너지믹스를 위해서는 우선 2015년부터 2019년까지의 VRE 이용률 분석 및 이동평균법을 이용하여 2023년부터 2025년까지의 PV와 WP의 이용률을 각각 예상한다⁽⁶⁾.

다음으로 식(1)과 식(2)에서와 같이 설비용량의 비중을 변경하여 PVt와 WPt를 계산하고, 식(3)과 같이 합하여 시간별 재생에너지 발전량인 VREt를 산정한 후 식(4)를 이용하여 출력제약량 C를 계산한다.

여기서, Dt와 VREt는 데이터 분석을 통하여 예상한 시간별 계통수요와 재생에너지 발전량이다. Pmin.t는 제주지역 발전기의 시간별 최소운전을 나타낸다. must-run 발전기인 4개의 화력발전기와 HVDC#1의 최소발전량을 고려하여 Pmin.t를 275 MW로 설정하고, HVDCR.t는 HVDC를 통한 제주-육지 간 역송 용량으로 400 MW로 설정한다^(8,11).

CFPV.t와 CFWP.t는 각각 PV와 WP의 시간별 이용률이고, CPVRE.yr은 년도별 재생에너지 설치용량으로 제9차 전력 수급 계획의 설치용량 목표치를 반영한다. m과 n은 에너지믹스를 위한 할당량으로 0%~ 100%로 설정한다.

2.4 에너지저장장치를 활용한 VRE 수용증대 방안

에너지저장장치의 크기는 Power Capacity와 Energy Capacity로 정의된다. Power Capacity는 충/방전을 할 수 있는 비율을 반영하며, Energy Capacity는 저장된 에너지의 양을 의미한다. 현재 ESS는 다양한 용도로 사용되고 있으며, 사용 용도에 따라 수초에서 수분으로 운용되는 단주기용 ESS 길게는 몇 시간 동안의 운영이 가능한 장주기용 ESS로 분류된다⁽⁵⁾. 재생에너지의 출력제약을 완화 시키기 위하여 ESS의 용량을 무제한 늘린다면 출력제약 구간이 방전시간대로 이동하며 리바운드 효과로 인하여 다시금 더 큰 출력제약이 발생하는 현상이 나타난다. 따라서 에너지저장장치를 활용하여 출력제약을 줄이기 위해서는 출력제약 시간 및 출력제약량의 분석을 통하여 적절한 에너지저장장치의 용량을 찾고 운영하는 것이 중요하다⁽⁸⁾.

본 논문에서는 장시간 동안 발생하는 재생에너지의 출력제약에 대한 완화를 위하여 장주기 ESS 운용을 선택한다. 본 논문에서는 현재 장주기 운용에 사용 및 개발되고 있는 리튬–이온, 플로우 전지, 양수발전 등을 고려하여 운용 주기를 4시간, 8시간, 12시간으로 설정하고 각각의 시간 주기에 대하여 Power Capacity를 변경해가면서 최대의 출력제약 완화를 보이는 최적의 ESS Energy Capacity를 도출하고, 완화 효과를 분석한다^(5,8).

1) 에너지믹스 출력제약 Event 분석

2) ESS 충/방전을 위한 Time Scale Setting(4/8/12시간)

3) Power Capacity 10 MW~300 MW까지 순차적으로 변경하여 계산 반복

4) 출력제약이 최소로 나타나는 시간 주기 및 Power Capacity를 도출하고 출력제약량 완화 효과 확인

2.5 유율과 출력제약 비율을 통한 수용증대 효과 분석

최종적으로 에너지믹스와 ESS를 활용한 VRE 수용증대 방안에 대한 효과 분석은 VRE의 에너지 점유율(P)과 출력제약 비율(C)을 이용하여 위에 제시한 방법들에 대한 수용증대 효과를 분석한다.

출력제약의 완화 통한 VRE의 점유율과 VRE의 발전량에 대한 출력제약량 비율의 비교를 통하여 재생에너지 운영 상태를 판단한다⁽⁵⁾.

3.1 VRE 에너지믹스 효과 분석

재생에너지의 에너지믹스 비율에 따른 출력제약량을 그림 3에 나타낸다. 2023년부터 2025년까지의 전력수요와 VRE 발전량을 예상하기 위하여 2015년부터 2019년까지의 제주지역 전력수요와 재생에너지 이용률을 분석한다. 제9차 전력수급계획의 VRE 설치 목표치를 대입하여 VRE 설치 비율에 따른 발전량을 구하고, 식(4)를 이용하여 VRE의 에너지믹스 비율에 따라 출력제약량을 구한다.

그림 3과 같이 PV와 WP의 에너지믹스 비율이 40:60일 때 가장 낮은 출력제약량이 나타난다. 2023년부터 2025년까지 VRE의 설치용량이 균등한 균등에너지믹스(Equal Energy Mix)의 경우 발생하는 출력제약량이 각각 62 GWh, 107 GWh, 205 GWh였고, 최소출력제약 에너지믹스(Min.Curtailment Energy Mix)의 경우 각각 49 GWh, 89 GWh, 175 GWh의 출력제약이 발생한다.

3.2 출력제약 패턴 분석

2023년부터 2025년까지의 평균적인 일일 순부하 패턴을 분석해보면 2023년보다 2025년에 재생에너지의 점유율이 높아져서 그림 4와 같이 덕 커브가 더욱 심해지는 것으로 나타난다. PV의 발전량이 많은 10시부터 17시까지의 순부하가 낮게 나타나고, 수요가 높은 18시부터 24시까지의 순부하가 높게 나타나는 것을 볼 수 있다.

일일 순부하 패턴을 이용하여 출력제약 완화를 위한 ESS의 충/방전 운용을 한다면, 낮 시간대 충전, 그리고 저녁 시간대의 방전을 고려할 수 있다.

순부하 지속기간 곡선을 분석하여 보면 그림 5와 같이 2023년부터 2025년까지 1년 중 출력제약이 발생하는 시간은 약 2023년 약 486시간(6%), 2024년 약 680시간(8%), 그리고 2025년에는 약 1,079시간(12%)으로 출력제약이 발생하는 것으로 나타난다. 2023년부터 2025년까지의 출력제약량은 지속적으로 증가하며, 최대 출력제약량은 2023년 536 MW에서 2025년 824 MW까지 증가한다.

2025년의 예상되는 출력제약량과 시간의 길이에 대한 빈도수를 그림 6과 그림 7에 각각 나타내고 있다.

2023년부터 2025년까지의 출력제약량별 빈도수를 살펴보면 그림 6에서와 같이 0~50 MWh 구간이 가장 많은 빈도수를 차지하며, 400 MWh 이상의 출력제약도 60회 이상 발행한다. 0~100 MWh 까지는 최소출력제약 에너지믹스(Min Curtailment Energy Mix)에서 더 많은 출력제약이 발생하나, 100MWh 이상의 구간에서는 균등에너지믹스(Equal Energy Mix)에서 더 많은 출력제약이 발생하는 것으로 나타난다.

출력제약이 발생하는 시간의 길이(출력제약 지속기간)를 분석하여 보면 그림 7과 같이 최소출력제약 에너지믹스와 균등에너지믹스에서 모두 1시간에서 10시간 이상까지 출력제약이 발생하고 있으며, 5시간에서의 빈도수가 가장 크게 나타난다. 두 에너지믹스 솔루션 모두에서 출력제한 시간의 길이는 4시간~6시간 사이에서 가장 많이 나타나는 것을 볼 수 있다. 최소출력제약 에너지믹스와 균등에너지믹스에서 모두 PV의 영향으로 낮 시간대 출력제약이 많아 4시간~6시간 사이의 구간에서 빈도수가 가장 많이 나타나고 있으며, WP의 점유율이 많은 최소출력제약 에너지믹스에서 10시간 이상의 지속시간을 갖는 출력제약이 발생하고 있는 것으로 나타난다.

본 논문에서는 현재 상용화되고 있거나 혹은 개발 중인 ESS의 용량을 고려하여 재생에너지의 수용성 증대 효과를 분석하였으나, 이러한 출력제약 빈도수 및 출력제약 발생 지속시간 빈도수를 이용하여 ESS의 Energy Capacity와 Power Capacity를 결정하는 경제적인 ESS 용량의 설정이 가능할 것이다.

3.3 SS를 활용한 VRE 수용증대 효과 분석

에너지믹스와 활용한 VRE의 수용성 증대 효과는 그림 8과 같이 나타난다. 에너지믹스와 ESS를 같이 활용할 경우의 효과를 비교하기 위하여 균등에너지믹스(Equal Energy Mix)와 최소출력제약 에너지믹스(Min Curtailment Energy Mix)에서 ESS의 충/방전을 4시간, 8시간 그리고 12시간 주기로 운용하였을 때의 출력제약량을 구하면 그림 8과 같이 최소출력제약은 ESS 충/방전시간이 8시간, Power Capacity 110 MW에서 최소 출력제약이 나타난다. 모든 곡선에서 일정 용량 이상의 용량에서 다시 그래프가 상승하는 것을 볼 수 있는데, 이는 방전 구간에서 다시 출력제약이 발생하는 리바운드 효과로 인하여 ESS의 용량 증가에도 불구하고 출력제약이 다시 증가하는 것이다.

이를 보더라도 출력제약 완화를 위해 무한대로 ESS의 용량을 늘리기보다는 경제성 확보 및 출력제약의 완화를 극대화를 위한 ESS의 적정 용량의 산정이 필요하다.

동일 ESS 운용 조건에서 균등에너지믹스(Equal Energy Mix)와 최소출력제약 에너지믹스(Min Curtailment Energy Mix)에서의 출력제약량 비교한 결과를 표 2에 나타내고 있다.

에너지믹스 효과를 비교하기 위해 균등에너지믹스와 최소출력제약 에너지믹스로 구분하고, ESS 충/방전시간을 4시간, 8시간, 12시간으로 설정하여 출력제약량 완화 효과를 비교한다. ESS Power Capacity는 각각의 운용 시간에서 가장 작은 출력제약량을 갖는 Power capacity를 나타내며, Curtailment Energy는 출력제약량을 나타낸다.

표에서와 같이 균등에너지믹스에서 2023년 ESS Power Capacity 100 MW를 4시간 운용을 한다면, 즉, 400 MWh의 ESS Energy Capacity를 사용할 경우, 46 GWh의 출력제약이 발생하였고, 90 MW를 8시간 운용하는 경우의 출력제약량은 약 38.9 GWh로 4시간 운용 시 보다 약 7.6 GWh의 출력제약 감소가 나타난다.

2023년도부터 2025년까지 최소출력제약 에너지믹스와 8시간 ESS 운영에서 출력제약이 가장 낮게 나타나고 있다. 균등에너지믹스와 최소출력제약 에너지믹스에서 각각 8시간 ESS 운용을 할 경우 3 GWh ~1.4 GWh의 출력제약량 차이가 나타난다. 그리고 최소출력제약을 위해서 균등에너지믹스의 경우가 최소출력 에너지믹스의 경우보다 8시간 운용기준 20 MW ~30 MW의 ESS Power Capacity를 더 추가 하여야 한다.

3.4 VRE의 점유율과 출력제약 비율의 비교를 통한 VRE 수요증대 효과 분석

재생에너지의 점유율에 대한 재생에너지의 출력제약 비율을 그림 9에 나타내고 있다. 재생에너지 발전량 점유율이 높아질수록 그래프는 우측으로 이동하고, 출력제약량이 감소할수록 그래프는 아래쪽으로 이동한다.

균등에너지믹스 만을 수행하였을 경우보다 최소출력제약 에너지믹스와 ESS 운용을 병행하였을 경우의 그래프가 우하향하고 있어 재생에너지의 수용증대 효과를 알 수 있다. 표 3에서와같이 PV와 WP의 설치 비율을 균등하게 가져간다면, 재생에너지의 점유율(P)에 대한 출력제약량(C)의 비율은 2023년 1.69%, 2024년 2.65%, 2025년 4.46%로 나타나며, 최소출력제약 에너지믹스 방안을 통하여 각각 1.26%, 2.09%, 3.61%로 감소하였고, ESS(8시간, 110 MW) 활용 시 각각 0.92%, 1.46%, 3%까지 감소한다.