전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2023.5 특집 요약 (p38~67)

일하고 돈 버는 축전지
가상발전소의 본격화로 설치하는 것만으로 돈을 버는 시대가 된다

전세계 전력계통이 축전지로 인해 급속도로 변화하기 시작했다. ‘전력 은행’이라고도 할 수 있는 가상발전소(VPP: Virtual Power Plant)가 본격화되면서 대형 정치용(定置用) 축전지에서 가정용 축전지, 그리고 전기자동차(EV) 축전지에 이르기까지 스스로 '돈을 벌기' 시작한 것이다.

지금까지 축전지는 재해 등에 대비한 비환급형 보험과 같은 것이었지만, 앞으로 도입 비용 회수를 전망할 수 있게 되었다. 이러한 축전지는 전력계통의 평준화에 큰 역할을 하며 재생에너지의 대량 도입에 포문을 열게 할 것이다.

제1부. 테슬라의 VPP
본격적으로 VPP 사업을 추진하는 테슬라, 거의 공짜로 중형 '발전소' 구축

미국의 테슬라가 오키나와를 포함한 세계 각지에서 전력사업을 본격적으로 시작했다. 사업체 이름은 '테슬라 일렉트릭(Tesla Electric)'으로, 서비스 내용은 '테슬라 VPP'이다. 참가자들의 축전지 전력을 한데 묶어 가상발전소(VPP)를 구축하고, 그 전력을 운용해 참가자에게 대가를 제공하는 은행과 같은 서비스이다. 축전지의 도입 코스트를 대가로 회수할 수 있는 ‘스토리지 패리티(Storage Parity)’ 달성이 현실화되고 있다.

테슬라가 세계 유수의 VPP 사업자가 되고 있다. VPP란 다거점에 있는 다양한 에너지 자원(태양광발전, 풍력발전, 축전지, 발전기 등)을 한데 묶어 제어해 하나의 발전소로써 운용 관리하는 기술 및 시스템을 가리킨다. 테슬라의 VPP를 통해 알 수 있는 것은 지금까지 도입에 있어서 경제성이 도외시되어온 축전시스템이 VPP에서는 우수한 돈벌이 수단이 될 수 있다는 점이다.

-- 대가 제공 VPP에 참가자 폭주 --
2022년 6월, 테슬라가 미국 캘리포니아 주에서 시작한 상용 VPP 사업에 참가 희망자가 쇄도했다. 참가 자격은 테슬라의 가정용 축전지 ‘파워월(Powerwall)’을 자택에 도입해야 한다는 것. 모집 규모는 그리 크지 않았지만, 모집 개시 약 3개월만에 참가자는 약 5,000세대에 달했다. 2023년 2월말 시점에서는 6,000세대를 넘어섰다.

그 인기의 비밀은 크게 2가지로, (1)파워월 소유자라면 누구나 손쉽게 참가할 수 있다는 것과 (2)의외로 많은 대가를 받을 수 있다는 것이다. (1)의 경우, 참가 시 등록에 필요한 것은 파워월 외에 스마트폰 앱을 설치하는 것뿐이다. 등록 후 참가자의 할 일은 거의 없지반, 대가는 차곡차곡 들어온다. 받을 금액의 추정액 등도 앱을 통해 쉽게 알 수 있다.

-- 제공된 분량의 약 10배의 대가 지불 --
대가에 대해 좀 더 자세히 살펴보자. 이 테슬라 VPP에서는 참가자가 보유한 파워월을 전력회사가 전력평준화 등의 목적으로 필요에 따라 원격조작해 사용한다. 즉, 전력계통에 잉여 전력이 발생할 기미가 있을 경우에는 축전하고, 부족할 기미가 있을 경우에는 방전해 전력계통에 공급한다. 이 방전(참가자 입장에서는 ‘제공’한 전력)에 대해 테슬라가 참가자에게 1kWh 당 2달러의 보수를 지불하는 것이다.

이것은 단순히 방전한 전력 분의 요금을 그때그때 지불하는 것뿐이라고는 말할 수 없다. 미국의 전기요금은 러시아의 우크라이나 침공 영향으로 최근 급등했지만, 그래도 20센트/kWh 전후이다. 즉, 대가인 2달러/kWh는 그 약 10배에 해당한다. ‘투자액'이 10배가 되어 돌아오는 셈이다.

파워월의 축전 용량은 1대에 13.5 kWh으로, VPP 이벤트에서 풀로 방전했을 경우에는 27달러/대가 참가자에게 지불된다. 전력의 수급 밸런스가 불안정한 여름이나 가을에는 이 VPP 이벤트가 많아 지불액이 1개월에 200~300 달러/대에 달하는 경우도 있었다고 한다.

테슬라가 캘리포니아 주에서 상용 VPP를 시작한 것은 2022년 6월 말. 일반적으로 VPP 이벤트가 많은 시기는 4~5월이다. 테슬라가 이보다 앞서 실시한 호주에서의 VPP 실적에서는 전기세로 월 140달러를 지불하는 가정이 태양광 패널과 파워월을 도입한 결과, 태양광발전 분의 전력 소비량 감소 등으로 인해 전기세가 월 69달러로 줄었다고 한다.

여기까지는 일본에서도 일반적으로 가능한 케이스이지만, 이번 VPP는 여기서부터 다르다. 테슬라는 VPP에 참가하면 그 보수가 월 130달러, 전기세는 월 마이너스 61달러, 즉 한 달에 61달러를 받을 수 있다고 어필하고 있다.

-- 연 2,000달러가 될 가능성도 --
대가는 더 늘어날 전망이다. 현 시점에서는 전력회사나 광역적 전력 운영기관에 의한 주파수 조정 등의 VPP 이벤트가 있을 뿐이지만, 아비트라지(Arbitrage, 무위험 차익거래)라는 적극적인 전력 시장 거래를 AC(Aggregation Coordinator)라고도 불리는 VPP 사업자가 시작할 경우, 수익 기회는 늘어나기 때문이다.

“미래에는 연간 2,000달러/대의 보수를 얻을 수 있을 것이다”(어느 미국의 EV용 전원기기 제조사)라는 추정도 있다. 테슬라 외 다른 VPP에서는 이미 이와 비슷한 수준의 대가를 참가자에게 실질적으로 지불하고 있는 사례도 있다.

-- ‘쓸모없는 밥벌레’가 일하기 시작했다 --
지금까지 축전지는 재해나 정전 등, '설마'의 경우에 대비한 비환급형 보험과 같은 것으로, 경제 합리성을 기대하는 것은 무리라고 여겨져 왔다. 그러나, 축전지가 평상시에도 스스로 ‘밥벌이’를 할 수 있는 기회가 생김으로써 경제적 합리성도 성립될 가능성이 있다. 이를 통해 세계의 전력계통에 축전지가 대량 도입되는 등의 변화가 가속화될 것으로 보인다.

-- 계통평준화의 효과 --
테슬라가 자사의 VPP 사업을 통해 보여준 것처럼 VPP의 참가자는 소유하는 축전지를 우수한 밥벌이 수단으로 바꿀 수 있다. 그렇다면 이 VPP에서 마치 뿜어져나오는 것처럼 보이는 대가의 원천은 무엇일까? 그것은 직접적으로는 VPP에서 '매매'되는 전력의 가치 차액이다.

하지만, 한층 더 그 본질을 파고들면, 전력계통에 흐르는 전력의 출력 변동을 평준화하는 효과에 도달한다.

-- ‘덕 커브’에서 ‘네시 커브’로 --
예를 들면 캘리포니아 주에서는 태양광발전 등의 재생에너지 도입이 추진됨에 따라 그 이외의 발전 출력 수요, 즉, 기존 전력회사에 있어 실질적인 전력 수요가 굴곡이 있는 커브를 그리게 되었다. 이것은 오리(Duck)의 모습을 닮았다고 하여 덕 커브라고 불린다. 최근에는 낮 시간의 전력 수요 대부분을 태양광발전이 차지하게 되면서, 덕 커브의 '굴곡'이 더욱 깊어져 ‘네시(Nessie) 커브’라고 불리는 경우도 증가해왔다.

이 덕 커브나 네시 커브의 굴곡이 깊어지는 것은 필요한 화석연료의 총량이 줄어드는 효과가 있어 탄소중립을 지향하는 입장에서는 바람직한 일이다. 그러나, 전력계통의 안정성 유지와 전통적인 전력 사업자의 경영이라고 하는 관점에서는 평가는 정반대가 된다.

덕 커브의 굴곡이 깊은 시간대에는 출력을 저하시키거나 정지시키는 설비가 늘어나 설비 가동률이 크게 떨어지기 때문이다. 설비 가동률이 저하되는 것은 그 설비의 발전 코스트가 올라가 경영이 어려워지는 것을 의미한다.

또한 중형 이상의 화력발전 시스템은 일정 수준 이상 출력하지 않으면 발전효율이 크게 떨어진다. 완전히 정지시킬 경우에는 재가동에 시간이 걸리기 때문에 정지시킨다는 선택지는 사실상 없다. 원자력발전 설비는 출력조정 자체가 거의 안 된다.

전력계통에서는 항상 전력의 수요량에 공급량을 일치시켜야 하는데 덕 커브의 굴곡이 너무 깊어지면 그럴 수 없게 되는 것이다. 이럴 경우, 재생에너지의 출력을 낮출 수밖에 없게 된다.

이에 대한 대책 중 하나가 대용량 축전 시스템을 도입하는 것으로, 실제로 최근 2~3년 간 미국과 유럽을 중심으로 급속하게 도입이 진행되고 있다. 재생에너지발전 출력이 큰 시간대에 축전하고, 적은 시간대에 방전하는 이른바 ‘전력의 타임 시프트’를 시행하는 것이다. 이를 통해 화력발전 시스템의 설비 가동률은 개선된다.

하지만 사실 이것도 충분한 것은 아니다. 축전 시스템이 가동되는, 즉, 축전 중이나 방전 중인 시간은 1일 전체로 보면 짧다. 즉 ‘설비 가동률’이 낮은 것이다. 화력발전 시스템의 과제를 축전 시스템만으로 해결하려는 것은 무리이다. 축전 시스템은 축전 및 방전 로스도 무시할 수 없기 때문에 최근까지 전력 사업자는 축전 시스템에는 의존하지 않고 최대한 화력발전으로 평준화하려는 경향이 있었다.

-- 사업자도 이용자도 ‘윈-윈’으로 --
여기서 VPP가 주목받게 되었다. VPP는 본래 전력계통으로의 연계가 주목적이 아닌 발전 시스템이나 축전 시스템, 구체적으로는 기업의 공장 등에서 이용하고 있는 발전 시스템이나 가정용 축전지, EV의 축전지를 리소스 애그리게이터(RA) 등 전력 사업자 측이 필요에 따라서 온디맨드로 사용할 수 있도록 하는 구조이다.

이 경우, 전력 사업자에게는 시스템 도입 비용이 들지 않으며, 설비 가동률의 낮은 점도 문제가 되지 않는다. 전력계통의 평준화도 가능해지는 매우 바람직한 구조가 된다.

이러한 발전 및 축전 설비를 '제공'하는 측인 VPP 참가자에게도 메리트는 크다. 재해 등 만일의 경우를 대비해 도입했지만 평상시에는 거의 휴면 상태에 있는 축전지가 VPP로 돈을 벌 수 있기 때문이다.

또한 전력 방전(매전)은 전력 수요가 크고 가격이 비싼 시간대에 실시하고, 축전은 가격이 싼 시간대에 실시하기 때문에 시간을 선택할 수 없는 태양광발전의 매전 등에 비해 수익이 훨씬 크다. 이렇듯 VPP에서는 전력 사업자와 참가자가 모두 '윈-윈' 관계가 될 수 있다.

-- 시스템 도입 비용을 대신 지불 --
해외에서는 테슬라 외에도 VPP의 도입이 급속히 추진되고 있으며, VPP의 대가가 지불되는 방식은 테슬라의 가정용 축전지 파워월을 이용하는 VPP에 한해서도 다양하다.

구체적으로는 (1)미국에서의 테슬라와 같이 'VPP 이벤트'라고도 불리는 전력의 평준화를 위한 축전‧방전 조작 시 방전량에 따른 대가, 구체적으로는 2달러/kWh를 지불하는 타입, (2)10년 등 일정 기간 계속 참가하는 대신 선불 형태로 축전 시스템 구입 비용의 일부 또는 전액을 VPP 사업자가 지불하는 타입이 있다.

-- 스토리지 패리티 실현 --
이미 일본에서도 (2)에 가까운 형태로 VPP 사업을 시작한 전력 사업자가 등장했다. 넥스템즈(오키나와 현)이다. 넥스템즈는 태양광발전을 중심으로 한 재생에너지의 도입량이 전력계통의 한계에 근접한 2018년부터 미야코 섬(宮古島)을 시작으로 파나소닉의 축전지와 전력으로 가동하는 급탕기 ‘에코큐트’, 그리고 태양광발전 시스템의 무상 도입 사업을 개시하였다.

2021년부터는 파워월도 채택했는데, 도입한 설비는 사업자 측이 보유하고 있다. 축전 및 방전 조작이나 방전량에 대한 제약이 사업자 측에 없다고 하는 메리트도 있다.

2022년 11월 시점에서 미야코 섬에 도입한 축전지는 누계 약 650대. 구메 섬(久米島)에는 약 70대이다. 2023년에는 이시가키 섬(石垣島)에서도 이 사업을 시작할 예정이다. 목표는 “모든 세대가 도입하는 것”(넥스템즈)이라고 한다. 현재는 오키나와 전력그룹도 오키나와에서 유사한 서비스를 시작했다.

-- 이용자가 정전을 알아채지 못해 --
또한, 축전지는 정전시에 위력을 발휘한다. “미야코 섬에서는 태풍이 연간 평균 4.1회 발생해 그때마다 정전이 된다. 정전시 테슬라의 파워월 보증치는 3초 안에 가정 전원이 전력계통에서 축전지로 자동 전환되도록 되어 있지만, 실제로는 0.1초 이하로 전환되고 있다.

이용자가 정전을 알아채지 못하기 때문에, 일부러 스마트폰에 ‘정전이 발생했었습니다’라고 통지하고 있다”(넥스템즈). 축전지 본래의 역할은 완수하고 있는 것이다.

-- 테슬라, 축전지 생산량 10배를 목표로 --
테슬라는 정치용 축전지와 그것을 제어하는 VPP 사업을 EV와 어깨를 나란히 하는 2대 사업 중 하나라고 평가한다. “전세계 10억 명 이상이 대상이 되는 거대한 에너지 시장이다”(테슬라). 2023년 3월 1일에 개최된 투자자를 대상으로 한 이벤트 '2023 Investor Day'에서 테슬라는 “세계적으로 10TWh/년의 축전 시스템이 필요하다.

2023년 시점에서 우리 축전지의 제조 규모는 EV용을 포함해 100GWh/년이지만, 목표는 1TWh/년이다”라고 밝혔다. 테슬라는 '메가팩(Megapack)'이라고 하는 공장 및 전력 사업자용 대형 축전지 시스템도 포함하면 이미 누계 16.8GWh의 정치용 축전지를 출하하고 있지만, “아직 시작된 지 얼마 되지 않았다”(테슬라)라고 한다.

제2부. 일본의 현 상황
일본에서도 VPP 준비 착착 진행, 100개 사 이상 진입 전망

가상 발전소(VPP)는 다수의 분산형 전원을 한데 묶는다는 측면에서 그야말로 IoT(Internet of Things) 기술이라고 할 수 있다. 한편, 참가자의 전기를 맡아 운용한다고 하는 측면을 보면, 은행 등 금융기관의 기술인 ‘금융테크’ 그 자체이다.

제3부. 기술의 현재
1만 이상의 전원 제어 기술이 관건, 전력 거래 시장은 AI로 승부

일본에서도 다수의 기업들이 참가할 것으로 전망되고 있는 가상발전소(VPP) 사업이지만, 그 기술적 진입 장벽은 의외로 높다. 시스템의 우열이 사업 내용 선택의 폭과 성과, 수익으로 직결된다.

제4부. V2H
일본에서 V2H 시장 구축, EV가 전기를 운반하는 수단으로

전기자동차(EV)는 수 십k~100kWh의 대용량 축전지를 탑재하고 있다. 이것을 ‘가정용 축전지’로 사용하는 V2H(Vehicle to Home) 시장이 구축되기 시작했다. 또한 이것을 VPP(가상 발전소)의 분산형 전원으로 활용함으로써, 재생에너지와 EV의 과제가 해결될 전망이 나왔다.

제5부. 미래 동향
재생에너지와 축전지의 주력 전원화 시대, 전력계통의 ‘지휘자 역할’도 교대로

가상발전소(VPP)가 확대되면 전력 평준화 코스트가 낮아져 재생에너지 대량 도입이 가속화될 것으로 보인다. 하지만, 전력계통에 관한 마지막 기술적 과제가 가로막고 있다.

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