1. 연구의 필요성 및 목적

■ 연구의 필요성

○ 재생에너지 확대를 선도하는 해외 주요국의 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS) 믹스 도입 사례와 정책을 분석하여 이를 우리나라의 재생에너지 및 ESS 확대 전략에 반영 필요

○ 국내 전력 시스템이 지속적으로 증가하는 재생에너지를 최소 비용으로 안정적이고 효율적으로 수용할 수 있도록 다양한 기술 및 정책적 제약을 고려한 최적의 ESS 믹스 도출을 위한 모형을 개발하고, 우선적으로 제주도에 이를 적용해 보는 것이 필요

■ 연구의 목적

○ 해외 재생에너지 선도국의 에너지저장장치 믹스 도입 사례와 정책분석

- 국내 재생에너지 확대에 따라 나타나고 있는 문제점과 에너지저장장치 도입 관련 정책 현황 조사

- 해외 재생에너지 선도국의 재생에너지와 에너지저장장치 믹스 도입 과정과 현황을 조사하여 우리나라에서 재생에너지와 에너지저장장치를 확대하면서 나타날 수 있는 문제를 파악

- 우리나라와 해외 선도국 사례분석을 통해 최적의 에너지저장장치 믹스를 도출하기 위한 방향성과 정책적 시사점 제시

○ 제주도의 최적 에너지저장장치 믹스를 도출하기 위한 모형개발 및 적용

- 제주도에 적용 가능한 다양한 단-중-장주기 에너지저장장치 검토

- 재생에너지 확대 시나리오에 따라 필요한 최적의 에너지저장장치 믹스를 도출하고, 에너지저장장치의 도입이 전력 시스템에 미치는 효과를 분석하기 위한 모형 개발

- 제주도의 미래 재생에너지 확대 시나리오에 따라 필요한 최적의 에너지저장장치 믹스를 도출하고 도입 비용 등 산출

2. 연구내용 및 주요 분석 결과

■ (제2장) 해외 선도국의 ESS 도입 사례 및 정책분석

○ 미국 캘리포니아주

- IRP에서는 리튬이온배터리를 단주기 저장장치로, 흐름배터리(Flow Battery), 압축공기저장장치(CAES), 열저장배터리 등을 일간 및 주간 저장 장치로 분류하고 있음. 철-공기 배터리와 수소저장장치는 계절적 변동성에 대응하는 장주기 저장장치(LDES)로 구분하여 전략 수립

○ 독일

- 독일의 배터리 저장장치의 대다수는 가정용 ESS로 구성되며, 이들이 전체 ESS의 83%를 차지

- 양수발전과 배터리를 포함해, 독일의 ESS 설비 확장 계획에는 전력-가스 변환 (P2G), 압축공기 저장(CAES), 전기차를 활용한 V2G(Vehicle-to-Grid) 기술 등이 포함되어 있음.

○ 영국

- 영국은 현재 리튬이온배터리와 양수발전과 같은 단기 저장장치만을 고려하고 있지만, 향후 장주기 저장장치와 V2G 자원의 도입도 검토할 예정

- 특히, 리튬이온배터리, 플라이휠, 양수발전, 압축공기 저장장치 등을 포함해 2050년까지 30GW 이상의 ESS를 확장하는 목표를 설정

○ 호주

- 호주의 단주기 저장장치는 2030년까지 전력시장의 약 55%를 차지할 것으로 전망되며, 바나듐흐름배터리(VRFB)와 아연-브롬배터리(ZNBR)와 같은 대체 배터리 기술이 연구·개발되고 있음.

- 특히, 펌프식 수력저장과 VRFB의 보급이 점차 확대될 것으로 예상

■ (제3장) 제주지역 ESS 기술 후보 선정

○ 리튬이온전지는 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 ESS 기술로, 신뢰성과 안전성이 검증되었으며, 국내 기업이 NCM 및 LFP 기술의 양산을 추진하고 있어 제주지역에서 활용 가능한 유력한 대안으로 평가

○ 나트륨황전지는 높은 에너지 밀도를 기반으로 대용량 에너지 저장이 가능하며, 제주도와 같은 대규모 재생에너지 공급 환경에서 핵심적인 역할을 할 잠재력을 지닌 기술로 판단

○ 바나듐 레독스 플로우 전지는 내구성이 높고 화재 및 폭발 위험성이 낮아 리튬이온 전지와 나트륨황전지의 화재 위험을 보완할 수 있는 대안적 기술로 평가

○ 수소연료전지는 24시간 이상 장기 저장이 가능한 기술로, 제주 지역에서 적용 가능성을 검토해야 할 중요한 기술로 평가

■ (제4장) 에너지저장장치 기술별 비용 분석

○ 선정된 ESS 기술의 기술적·경제적 특성을 고려하여 비용을 분석

- 미국의 ESS 기술별 설비비용과 국내 ESS 실적자료를 바탕으로 제주지역 적용가능 기술의 비용 분석

- 리튬이온배터리(NCM), NaS전지, 바나듐레독스흐름배터리(VRFB)는 모두 국내에서 장기적으로 비용 하락 가능성을 보일 것으로 예상

- 비용 측면에서는 중장기적으로 LIB(NCM, LFP)와 NaS가 상대적으로 낮아 경제적인 것으로 조사됨.

■ (제5장) 제주도 최적의 ESS 믹스 도출을 위한 모형 개발

○ 도출된 ESS 기술의 기술적·경제적 특성을 반영하여 비용 효율적인 ESS 믹스를 산출할 수 있는 모형을 개발

- 이 모형은 제주지역의 출력제한 목표를 충족하는 데 필요한 ESS 설비 용량과 그로 인해 발생하는 비용을 정밀하게 계산할 수 있도록 설계

- ESS의 충·방전은 동시에 수행될 수 없으므로, 이진변수를 활용한 혼합정수계획법(MILP)을 기반으로 전력시스템 모형을 구성

○ 재생에너지 수요 패턴, 이용률, 전원 구성, HVDC 최대용량, Must-run 발전, 발전비용, ESS 기술 특성 등을 포함하여 시나리오를 설계

- 전력 수요 패턴과 재생에너지 이용률은 2019년의 시간대별 패턴을 기준으로 가정

- 제주지역의 수요량, 설비 용량, 전원 구성은 제10차 전력수급기본계획의 데이터를 적용

○ 제주지역에 적합한 5가지 ESS 기술 대안을 바탕으로 ESS 최적 조합과 전체 비용을 비교하기 위해 시나리오를 수립

- No_ESS 시나리오(ESS를 전혀 고려하지 않음), Only_Li-B 시나리오(리튬이온 배터리만 적용된 경우), All ESS 시나리오(모든 ESS 기술 적용)

- All ESS 시나리오에서는 2030년부터 신규로 도입되는 신기술(나트륨황전지, 바나듐 레독스 플로우 배터리, 전력-가스 변환(P2G))에 최대용량 제약을 설정하여 신규 기술의 용량 확대가 급진적으로 이루어지는 것을 방지하고 현실성을 높였음.

■ (제6장) 제주도 최적의 ESS 믹스 도출 모형 분석결과

○ 리튬배터리만 고려되는 Li-B 시나리오는 All ESS 시나리오보다 최대 필요에너지 용량, CAPEX비용, 충·방전량이 높게 나타남.

- 최대 에너지 용량은 약 1.7배 높게 나타났으며, CAPEX는 약 26조 원, 충전량은 33GWh, 방전량은 485GWh 정도 높게 나타남.

- 비용효과적인 기술은 P2G> NaS > LFP > NCM 순으로 나타났으며, VRFB는 도입되지 않은 것으로 보아 P2G, NaS보다 비용 경쟁력이 낮음.

○ 계절별 또는 시간대별 전력 수급을 종합적으로 분석한 결과 No_ESS 시나리오에서는 재생에너지 발전량과 수요 불균형으로 인해 변동 폭이 큼.

- All ESS 시나리오는 Only Li-B 시나리오보다 HVDC 역송량과 출력제한율의 변동 폭이 상대적으로 작은 것으로 나타나 다양한 ESS 기술의 결합이 전력시스템의 유연성이 높이는 것으로 보임.

○ 2030년 기준 ESS 기술별 LCOS를 계산해본 결과, 리튬배터리만 도입했을 때보다 다양한 ESS가 도입되면 LCOS가 낮아짐.

- 특히, Li-B 기술의 경우 Only Li-B 시나리오의 705.22원/kWh에서 All ESS 시나리오에서는 282.12원/kWh로 감소함.

- P2G의 LCOS는 257.82원/kWh, NaS는 283.81원/kWh로 나타남.

3. 결론 및 정책 시사점

■ 결론

○ 기술검토 결과 제주지역에 도입 가능한 저장 기술은 리튬이온전지(NCM, LFP), 나트륨황전지, 바나듐레독스 플로우배터리, 수소전지로 도출

○ 다양한 ESS 기술을 활용하면 리튬이온전지를 단일로 고려할 때보다 Power 및 에너지 용량이 크게 감소

○ All ESS 시나리오는 Only Li-B 시나리오 보다 총 CAPEX를 26조 원 절감할수 있으므로 경제적으로 가장 효과적인 대안

○ All ESS 시나리오는 HVDC 역송량과 ESS 충방전량 모두 Only Li-B시나리오보다 낮기 때문에 제주지역 내 전력 수급을 더 효율적으로 달성 가능

○ ESS별 충·방전 상태(SOC)를 살펴보면, 리튬이온전지는 충·방전 주기가 짧은 단주기, NaS와 P2G는 비교적 길어 장주기 저장으로 역할 배분이 필요

■ 정책 시사점

○ 국내 전력산업 구조와 10차 전기본에서의 장주기 에너지저장장치 확대방안 공표 등을 감안할 때 하향식 접근방식에 기반한 제도 구축이 적합

- 미국은 복수의 유틸리티 회사가 통합자원계획(IRP)을 시행하므로 단독적인 의사결정 시 범할 수 있는 위험을 분산할 수 있는 장점이 존재

- 반면에 장주기 에너지저장시스템은 상대적으로 높은 CAPEX와 상용화에 이르기까지 R&D 및 시범사업이 필요하며 국내의 경우 판매사가 존재하지 않는 전력 산업 구조

○ 추후 중점적으로 보완해야 할 사항으로는 에너지저장장치의 필요 지역과 구체적인 원별 구성 제시임.

- 본 연구는 비용분석 결과 제시를 통해 제주지역의 최적 에너지저장장치 믹스 도출의 중요성을 입증함

- 유의점은 본 연구에서 도출한 에너지저장장치 믹스 결과는 다양한 가정과 시나리오에 기반으로 하므로 의사결정에 참고자료로 활용 수 있으나 필요 확보량으로 볼 수 없다는 점임.

요약 ⅶ

제1장 서론 1

1. 연구 배경 및 목적 1

2. 연구 내용 4

제2장 해외 선도국의 ESS 믹스 도입 사례 및 정책 분석 7

1. 해외 선도국 ESS 도입 사례 분석 7

2. 해외 선도국 ESS 믹스 수립 방법론 24

제3장 제주지역 ESS 기술 후보 도출 43

1. ESS 기술의 종류 43

2. ESS 기술 특성에 따른 적용방안 48

3. 제주지역 에너지 저장 기술 후보 도출 53

제4장 에너지저장장치 기술별 비용 분석 59

1. 국내 장주기 에너지저장장치 설치 사례 59

2. 에너지저장장치 기술별 비용 61

제5장 제주지역의 최적 ESS 믹스 도출을 위한 모형 개발 67

1. 분석모형 67

2. 활용 데이터 및 주요 가정 73

3. 시나리오 구성 80

제6장 제주지역의 최적 ESS 믹스 모형 분석결과 85

1. 시나리오별 에너지 저장 믹스 수립 결과 85

2. ESS 기술별 충전상태(SOC) 분석결과 90

3. 계절별 전력 수급 패턴 비교 93

4. 시간대별 전력 수급 패턴 비교 100

5. (2월 1일~５일) 시간대별 전력 수급패턴과 SOC 107

6. 계절에 따른 시간대별 전력 수급패턴 110

7. 균등화저장원가(LCOS) 분석 118

제7장 결론 121

참고문헌 127

부록 133