KOREA ENERGY ECONOMICS INSTITUTE

www.keei.re.kr

안 재 균

열병합발전에서 ESS 설치의 경제성 분석 연구

기본연구 보고서

15-20

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KOREA ENERGY ECONOMICS INSTITUTE

www.keei.re.kr

안 재 균

열병합발전에서 ESS 설치의 경제성 분석 연구

기본연구 보고서

15-20

참여연구진

연구책임자 : 부 연 구 위 원 안재균

연구참여자 : 선임연구위원 최병렬

부 연 구 위 원 이상림

요약 i

1. 연구필요성 및 목적

에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)은 생산한 전기를

충전하였다가 필요한 시기에 저장하여 공급할 수 있는 장치로서 안정

적인 전력계통 및 수급체계 구축에 효과적인 수단으로 평가된다. ESS가

전력계통에 제공하는 주요 편익은 다음과 같다. 첫째, ESS는 피크수요

시점에 저장된 전기를 공급하여 전력부하를 조절하는 부하 평준화 역할을

담당할 수 있다. 둘째, 주파수 조정의 전력계통 보조서비스 기능을 수행

하여 전력계통의 품질 및 신뢰성 저하를 방지한다. 셋째, 신재생에너지의

불안전한 출력을 안정화한다.

이러한 ESS의 긍정적인 효과를 인식하여 정부는 ESS 보급정책의

일환으로 집단에너지사업장을 대상으로 2014년부터 ESS 보급지원

사업을 실시하고 있다. 열병합발전소(Combined Heat and Power,

CHP)를 운영하는 집단에너지사업장에 ESS의 설치는 동계 피크수요

절감에 큰 효과를 발휘할 것으로 기대하고 있다. 즉 지역난방사업자가

운영하는 열병합발전에 ESS를 설치하여 동계 열제약 발전량을 ESS에

충전하여 피크시간대에 방전하게 되면 겨울철 부하평준화 효과를 발휘

할 수 있다.

이에 따라 본 연구는 열병합발전을 운영 중인 지역난방 사업장에

발전자원으로써 ESS 설치의 경제성 분석을 실시하고 경제성확보가

가능한 제반여건 분석을 목적으로 하고 있다. 구체적으로 지역난방용

ii

ESS의 동절기 부하평준화 효과 여부를 검토한 후, 최적화 모형을 구축

하여 지역난방용 열병합발전소에 리튬이온전지 기반 ESS 설치의 경제성

분석을 실시한다. 분석 결과를 바탕으로 지역난방용 열병합발전소의

의 ESS 최적 활용방안 도출과 보급 활성화를 위한 제도개선 방안을

제안한다.

2. 주요 내용

지역난방용 CHP에 ESS를 설치할 경우 동계 피크절감 효과여부를

파악하기 위해 지역난방사업소의 열부하와 국가 전력계통의 전력부하

패턴을 비교 분석하였다. 난방기 새벽시간대(0시부터 7시) 열수요는

일정수준 유지되는 반면, 전력수요는 자정이후 급격히 감소하여 3~4시

최소수요를 기록하고 오전 10시경 또는 오후 7~8시경 최대수요를

나타내었다. 즉 난방기 시간대별 열수요는 전력수요와 다른 패턴을 보이

고 있다. 그러므로 ESS를 활용하여 동절기 전력수요가 최소인 새벽시

간대 저장하여 최대수요가 발생하는 오전 10시 또는 오후 7~8시 시간

대에 방전을 하면 첨두부하 절감 효과(Peak shaving effect)를 발휘할

것으로 분석된다.

지역난방사업소에서 운영하는 열병합발전소를 대상으로 리튬이온전

지 기반 ESS의 경제성을 분석하기 위해 CHP 발전기의 기동정지계획 및

ESS의 특성을 반영하는 혼합정수계획법(Mixed Integer Linear

Programming) 기반의 최적운영 모형을 구축하였다. 경제성 분석 시나

리오 구성에 있어서 2014년 계통한계가격(System Marginal Price,

SMP)과 원자력 비중의 증가가 예상되는 2021년 SMP를 반영하였다.

2014년 ESS의 비용은 최근 입찰에서의 최저가 8억/MWh을, 2021년

요약 iii

ESS 비용은 3억/MWh을 적용하였다. ESS의 충･방전 효율 90%와

97% 시나리오를 설정하였고, ESS를 차익거래와 주파수조정예비력,

이 둘을 복합으로 운영하는 시나리오를 설정하였다. 마지막으로 ESS의

방전량에 용량요금을 적용하는 방안을 적용하였다. 각각의 SMP와 ESS

효율, 운영, 용량요금 시나리오를 조합하여 총 12개의 세부 시나리오에

대해서 경제성을 평가하였다.

3. 연구결과 및 정책제언

본 연구에서 수행한 경제성 분석 결과는 모든 시나리오에서 순현재

가치(Net Preset Value, NPV)가 음으로 판명되어, 분석대상으로 하는

지역난방사업자가 운영하는 열병합발전소에 설치한 ESS 투자비는 수

명기간 10년 내에 회수가 불가한 것으로 판명된다. ESS의 초기투자비

가 3억으로 하락하는 2021년에서는 NPV가 상당부분 개선되나 여전

히 음을 띄고 있어서 사업성은 없는 것으로 분석된다. 2014년과 2021

년 ESS를 전력거래에만 활용하는 경우의 NPV가 약 2.4배 차이를 보

인 것과 같이 차익거래에는 전원구성에 많은 영향을 받고 있어 외부환

경에 민감하다는 것을 알 수 있다. 이는 전력거래용 ESS의 경제성이

충･방전 효율과 같은 기술적 요소 이외에도 전원구성과 부하율, 수요

패턴과 같은 외부환경이 결정적 요소로 작용하고 있음을 나타낸다. 국

내 기저와 첨부발전기 간의 변동비 차이는 큰 편으로 이는 차익거래에

는 유리한 환경을 제공하나 상대적으로 높은 부하율과 최근 첨두발전

기가 대부분의 SMP를 결정짓는 외부환경은 차익거래의 수익수준을

감소시킨다.

ESS의 운영면에서는 상대적으로 낮은 차익거래 기회와 이익 수준

iv

으로 인해 ESS 전력거래의 경제성은 높지 않을 것으로 예상된다. 그러

므로 ESS 전력거래의 경제성이 낮은 기간에는 전량 주파수조정예비력에

참여하는 운영 시나리오가 가장 합리적인 것으로 판단된다. 지역난방

사업자가 운영하는 CHP에서 전력거래용 ESS의 운영이익은 CHP가

가동되는 봄, 가을, 겨울 중 충･방전시간대의 전력가격 차이가 가장

크게 발생하는 동계가 수익에 가장 양호한 환경을 제공하기 때문에,

ESS의 전력거래는 동계 일부에만 수행하고 나머지 기간에는 주파수

조정용으로 활용하는 운영 시나리오가 현 SMP 수준에서는 가장 효과

적인 것으로 분석된다.

ESS가 전력계통에 제공하는 편익을 내재화 하는 방법을 모색하기

위해서는, 용량요금 시나리오에서 방전량에만 용량요금을 지급할 경우에

ESS의 전력거래가 증가한 결과를 주목할 필요가 있다. 이에 따라

ESS의 중앙급전발전기 등록여건을 완화하고 방전량에만 용량요금을

적용하여서 ESS의 이용률을 높여 전력계통면에서 ESS의 편익이 충분히

발휘될 수 있도록 제도를 설계하는 것이 필요할 것으로 보인다. 또한

발전부문에 ESS의 전력거래와 주파수조정예비력에 동시 참여는 해당

부문의 ESS의 활용도를 높여 ESS 사업의 경제성을 제고할 수 있을

것으로 분석된다. 즉 향후 ESS의 보급을 확대하기 위해서는 차익거래

와 용량시장, 주파수조정시장에 ESS의 복합적 활용을 제도적으로 보

장함으로써 ESS의 경제성을 제고할 필요가 있다.

Abstract i

ABSTRACT

1. Necessity and Aim of the Research

Energy Storage System (ESS) is a device that charges, saves, and

supplies electricity when it is needed. It is evaluated as one of the

effective means to establish stable power system and supply and

demand system. Below are the benefits ESS brings to power system.

First, ESS can function as a load leveler that controls electric power

load by supplying saved electricity during times of peak demand.

Second, it prevents degradation of power system’s quality and

reliability by carrying out frequency regulation, the supplementary

service of power system. Third, it stabilizes unstable output of

renewable energy.

After understanding the positive effects of ESS, from 2014, the

government is carrying out ESS supplying project in district heating

and cooling zone as a way to disseminate ESS. If ESS is installed in

district heating and cooling zone that manages combined heat and

power(CHP) generator, it is expected that there will be a huge

reduction of peak demand during winter season. That is, if ESS is

installed at CHP generator managed by district heating and cooling

operator, generation by operation constraint due to heat supply will

be saved to ESS. And if it is discharged during times of peak

ii

demand, there will be reduction in load leveling during winter times.

Consequently, this research aims to analyze economic feasibility of

installing ESS as the resource of a generator at district heating and

cooling zone that runs CHP generator. It also aims to analyze overall

conditions that secure economic feasibility. To be more specific, after

reviewing whether district heating ESS has an effect on load leveling

or not, optimization model will be constructed to analyze economic

feasibility of installing Lithium-ion battery based ESS in combined

heat and power generator. Based on the analysis result, district

heating zone’s CHP generator to utilize ESS optimally will be

analyzed and ways to improve the system that enables activation of

ESS supply will be suggested.

2. Main contents

In order to review whether installing ESS to district heating and

cooling zone’s CHP reduces peak demand during winter season,

pattern of district heating and cooling zone’s thermal load and

national power system’s electric power were compared and analyzed.

Heat demand during night times was maintained (from 0 am to

7am). However, electricity demand decreased rapidly from midnight

and experienced the least demand between 3am and 4am and

experienced the most demand around 10am or 7~8pm). That is, heat

demand displays different pattern from electricity demand. Therefore,

it is expected that there will be a peak shaving effect if electricity

Abstract iii

could be saved during night time when there is least demand of

electricity and discharge during the times when there is most demand

of electricity (around 10am or 7~8pm).

Optimal operating model that is based on Mixed integer linear

programming that reflects CHP generator’s unit commitment and

characteristics of ESS is established. Then, economic feasibility of

Lithium-ion battery based ESS on CHP generator managed by

district heating and cooling zone was analyzed. When it came to

setting up scenario for analyzing economic feasibility, system

marginal price (SMP) of 2014 and 2021, the year that is expected to

have increase in nuclear’s generation portion, were applied. For ESS

expense of 2014, 800 million Won/MWh, the lowest rate at recent

bidding, was used. For 2021, 300 million/MWh was applied. When

it came to setting up a scenario, charging efficiency and discharging

efficiency were set as 90% and 97%, respectively. Also, it was set

that ESS manages both arbitrage trade and frequency regulation

reserve. Lastly, capacity payment was applied to discharge quantity

of ESS. After combining scenarios of ESS efficiency, management,

and capacity payment, economic feasibility of total 12 detailed

scenarios were evaluated.

3. Research result and suggestion for policy

The result of the economic feasibility analysis in this research

turned out that NPV was confirmed to be negative in all scenarios.

iv

Therefore, it is confirmed that investment cost spent on installing

ESS in CHP generator managed by district heating and cooling

operator cannot be collected in 10 years, which is the life time of

ESS. By 2021, the initial investment cost of ESS will drop until 300

million. By then, NPV will improve by large but it will still be

negative, which suggests that there is no business value in it. When

ESS is only used for electric power transaction, there is a 2.4 times

difference between NPV of 2014 and 2021. It suggests that arbitrage

trade is heavily influenced by power supply mix, thereby sensitive to

external environment. It indicates that, apart from technical factors

such as charging and discharging efficiency, economic feasibility of

ESS for electric power transaction is affected by external

environment such as power supply mix, load factor, and demand

pattern. There is a high gap between variable cost of domestic base

load plant and peak load plant, which provides advantageous

condition for the arbitrage trade. However, the external environment

in which relatively high load factor and recent peak load plant

determines most of SMP reduces profit level of arbitrage trade.

When it comes to operation of ESS, it is expected that ESS will

not have high electric power transaction due to relatively low

arbitrage trade opportunity and profit level. Therefore, the most

reasonable operation scenario is to participate in electric frequency

regulation reserve during the times when ESS electric power

transaction has low economic feasibility. Spring, Autumn, and Winter

Abstract v

when there is the most gap between charging and discharging time

period provides the most favorable environment for the operating

profit of electric power transaction ESS managed by district heating

and cooling operator. Therefore, the most effective management

scenario as of current SMP level is to only partially operate ESS’s

electric power transaction during wintertime and use it as frequency

regulation reserve.

In order to internalize the benefit ESS provides to power system,

it is important to pay attention to a case where ESS’s electric power

transaction improved as a result of capacity payment by discharge

quantity. Thus, it is necessary to design a system that maximizes

ESS’s benefit power system by alleviating register condition of a

scheduled generator and charging capacity payment by discharge

quantity. On top of that, it is interpreted that simultaneous

participation of ESS’s electric power transaction and frequency

regulation reserve raises efficiency of ESS, which can improve the

economic feasibility of ESS project. That is, since electric power

transaction through arbitrage trade does not yield satisfactory profit,

it is necessary to improve ESS’s economic feasibility by utilizing

capacity market and frequency regulation market in order to increase

supply of ESS.

차례 i

제목 차례

제1장 서 론 ················································································· 1

1. 연구 배경 및 필요성 ·································································· 1

2. 연구 목적 ···················································································· 3

제2장 ESS 개념과 용도 ······························································ 5

1. ESS의 개념 및 필요성 ······························································ 5

가. ESS의 개념 ··········································································· 5

나. ESS의 필요성 ········································································ 7

2. ESS 기술유형 및 특성 ······························································ 8

가. 전기화학적 ESS ···································································· 9

나. 비전기화학적 ESS ······························································ 15

3. ESS 활용분야 ··········································································· 20

가. ESS 선택 영향 요소 ··························································· 20

나. ESS의 응용분야 ·································································· 21

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석 ·······················23

1. 열병합발전 개요 및 구분 ························································ 23

가. 열병합발전 개요 ································································ 23

나. 열병합발전의 구분 ······························································ 24

다. 열병합발전 운전 형태 ························································ 27

ii

2. 전력시장 현황 및 전망 ···························································· 29

가. 전력수급 동향 ····································································· 29

나. 2014년 전력수요 및 SMP 분석 ········································ 31

다. 2021년 SMP 분석 ······························································ 38

3. 열 및 전력부하 패턴 비교 ······················································ 42

가. 열부하 패턴 부석 ································································ 42

나. 난방기 열 및 전력수요 패턴 비교 ···································· 43

제4장 열병합에서의 ESS 경제성 분석 ········································53

1. 열병합발전 및 ESS 최적 운영 모델 ······································ 53

가. 모형전제 ············································································· 54

나. 목적함수 ··············································································· 55

다. 제약조건 ··············································································· 57

라. 사례연구 ··············································································· 64

2. 경제성 분석 ·············································································· 66

가. 시나리오 설정을 위한 기본전제 ········································ 66

나. 세부 시나리오 ····································································· 72

다. 항목별 수익 ········································································· 74

라. 경제성 분석 결과 ································································ 77

제5장 결론 ················································································· 85

참고문헌 ····················································································· 89

차례 iii

표 차례

ESS의 구성요소 ·································································· 10

ESS 유형별 기술 수준 및 목표 ········································ 19

ESS 선택 영향 요소 ··························································· 20

ESS의 기술조건과 응용분야 ·············································· 21

ESS의 복합응용 분야 ························································· 22

열병합 발전 운전모드 ························································· 28

전력수급 동향 ······································································ 29

국가별 부하율(%) ································································ 31

전력수요의 월별 평균과 표준편차 ·································· 33

2014년 평균 원별 연료비 단가 ········································· 35

2014년 월별 평균 SMP와 표준편차 ······························· 35

2014년 연료원별 SMP 결정횟수 ······································· 36

7차 전력수급계획에 따른 입력자료 ·································· 39

CHP 입출력 계수 및 열전비 ············································· 65

CHP 출력범위, 증감발율, 최소요구시간, 기동비용 ········· 65

HOB 출력범위, 최소요구시간, 투입계수, 기동비용 ········ 65

축열조 용량 및 축･방열 상한 ············································ 66

CHP 및 HOB용 천연가스 요금 ········································ 66

주파수조정예비력의 구분 ··················································· 68

ESS 경제성 분석 전제 ······················································· 72

ESS 경제성 분석 시나리오 ················································ 74

iv

G / F Control 정산 계수 ··················································· 75

시나리오별 주파수 조정 참여시간 및 일수 ··················· 76

시나리오별 방전량 ·························································· 77

효율 90% 및 CP 미적용 시나리오 연 수입 ·················· 80

효율 97% CP 미적용 시나리오 연 수입 ························ 80

효율 90% 및 CP 적용 시나리오 연 수입 ······················ 81

효율 97% 및 CP 적용 시나리오 연 수입 ······················ 81

시나리오별 NPV ····························································· 82

차례 v

그림 차례

[그림 2-1] ESS 동작 원리 ···································································· 6

[그림 2-2] 전력계통 내 ESS 활용분야 ················································ 7

[그림 2-3] 배터리 기반 ESS의 구조도 ················································ 9

[그림 2-4] 리튬이온 전지의 구동원리 ··············································· 11

[그림 2-5] 나트륨황 전지의 구동원리 ··············································· 12

[그림 2-6] 흐름전지의 구동원리 ························································· 14

[그림 2-7] 초고용량 커패시터의 구동원리 ········································ 15

[그림 2-8] 양수발전 기본구조 및 구동원리 ···································· 16

[그림 2-9] 압축공기저장시스템 기본구조 및 구동원리 ···················· 17

[그림 2-10] 플라이휠 기본구조 및 구동원리 ···································· 18

[그림 3-1] 일반화력발전과 열병합 발전 시스템 ······························· 24

[그림 3-2] 지역난방용 가스터빈 복합열병합 발전 시스템 ·············· 26

[그림 3-3] 산업단지용 증기터빈 열병합 발전 시스템 ······················ 27

[그림 3-4] 연도별 하계･동계 최대전력 추이 ···································· 30

[그림 3-5] 2014년 시간대별 전력수요 ············································· 33

[그림 3-6] 2014년 시간대별 SMP ···················································· 34

[그림 3-7] 2014년 일간 SMP 최대/최저 비율 1.163 이상 일수 및 차액평균·· 37

[그림 3-8] 2021년 시간대별 SMP(예측) ··········································· 40

[그림 3-9] 2021년 일간 SMP 최대/최저 비율 1.163 이상 일수 및 차액평균·· 41

[그림 3-10] 시간대별 열부하 ······························································ 42

[그림 3-11] 월별 주간 평균 열수요 패턴 ·········································· 44

vi

[그림 3-12] 난방기 열 및 전력수요 패턴 비교 ································ 45

[그림 3-13] 난방기 최대 열부하 발생 시간 ······································ 47

[그림 3-14] 난방기 최소 열부하 발생 시간 ······································ 48

[그림 3-15] 난방기 전력 최대부하 발생시간 ···································· 50

[그림 3-16] 난방기 전력 최소부하 발생시간 ···································· 51

[그림 4-1] 비용함수의 선형 근사화 ················································· 57

[그림 4-2] CHP의 운전가능영역 ························································ 62

[그림 4-3] 에너지저장 기술별 가격 전망 ·········································· 70

[그림 4-4] 리튬이온 배터리 가격 전망 ·············································· 71

[그림 4-5] ESS 초기투자비에 따른 NPV ·········································· 83

제1장 서론 1

제1장 서 론

1. 연구 배경 및 필요성

에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)은 생산한 전기를

충전하였다가 필요한 시기에 저장하여 공급할 수 있는 장치로서 안정

적인 전력 계통 및 수급체계 구축에 효과적인 수단으로 평가된다.

ESS가 전력계통에 제공하는 주요 편익은 다음과 같다.

첫째, ESS는 피크수요 시점에 저장된 전기를 공급하여 전력부하를

조절하는 부하 평준화 역할을 담당할 수 있다. 전력계통에서는 매순간

전력수요에 대응하여 충분한 발전용량을 확보해야 한다. 따라서 최대

부하를 기준으로 공급용량이 미달하지 않기 위해 신규 발전소 건설이

불가피하다. 미래 최대 부하가 전체 가용 발전용량을 근소하게 초과되어도

대규모 수백 MW급의 발전소를 건설해야 하므로 상당한 초기투자비용이

소요된다. 이에 반해 ESS를 피크시간대에 방전하여 부하평준화에 활용

하게 되면 신규 발전소 투자 소요가 감소한다.

둘째, 주파수 조정의 전력계통 보조서비스 기능을 수행하여 전력계통의

품질 및 신뢰성 저하를 방지한다. 주파수의 변동은 순간적인 전력수급의

차이로 인해 발생하는데 주파수가 급격하게 변동할 경우 발전기 및

수요처의 설비에 부정적인 영향을 미친다. 따라서 계통운영자는 주파

수를 유지하기 위해 담당 발전기를 두어 출력을 조정하여 주파수를

유지하게 된다. ESS는 기존의 화력발전소를 대신하여 주파수조정용으로

활용하게 될 경우, ESS의 우수한 속응성으로 전력계통의 신되로 및

2

전기품질을 제고할 수 있고 기존 주파수조정을 담당하는 화력발전소의

연료비용을 줄일 수 있다.

셋째, 신재생에너지의 불안전한 출력을 안정화한다. 신재생에너지의

대표적인 태양광과 풍력발전은 기상조건에 민감하게 반응하기 때문에

발전출력의 변동성이 큰 특성을 지닌다. 발전출력의 높은 변동성은 전력

계통에 주파수 및 전압의 동요를 야기하는 부정적인 면을 지닌다.

ESS가 신재생에너지에 결합하여 출력을 평탄화하면 주파수 및 전압의

동요현상을 완화하여 전력계통에 균형을 유지하게 된다.

ESS의 보급 확대와 관련 산업의 경쟁력 확보를 위해 정부는 에너지

저장 기술개발 및 산업화 전략(지식경제부, 2011)을 발표하여 관련 산업

육성을 위한 연구개발 지원 및 대용량 ESS 실증사업을 추진하고 있으며,

대용량 전력저장장치 보급촉진방안(관계부처 합동, 2012)을 통해 ESS

투자비 융자 및 세액공제 등의 지원으로 ESS의 보급을 추진하고 있다.

본 연구의 분석 대상인 집단에너지사업장은 2014년부터 ESS 보급지원

사업을 실시하고 있다. 집단에너지 ESS 보급지원사업은 지역난방 및

산업단지, 구역전기사업자가 운영하는 열병합발전소를 대상으로 ESS

설치를 지원하는 사업으로 2015년부터 2019년까지 5년 동안 총 25억

2천만원의 재원이 투입되어 ESS 총 사업비의 70%를 지원할 전망이다.

열병합발전소를 운영하는 집단에너지사업장에 ESS의 설치는 동계

피크수요 절감에 큰 효과를 발휘할 것으로 기대하고 있다. 즉 지역난방

사업자가 운영하는 열병합발전에 ESS를 설치하여 동계 열제약 발전

량을 ESS에 충전하여 피크시간대에 방전하게 되면 겨울철 부하평준화

효과를 발휘할 수 있다. 최근 전력수요의 지속적 증가로 인해 신규 발전

및 송전망설비의 투자가 요구되나 부지확보 문제와 지역주민의 반대,

원전 확대에 대한 사회적 수용성 문제 등에 직면하고 있다. 또한 겨울철

제1장 서론 3

난방용 전력수요는 지속적으로 증가하고 있는데 2009년부터 여름철

최대수요를 초과하는 양상을 보이고 있어, 겨울철 효과적인 전력수요

관리방안 모색이 필요한 실정이다.

2. 연구 목적

본 연구의 목적은 열병합발전을 운영 중인 지역난방 사업장에 발전

자원으로서 ESS 설치의 경제성 분석을 실시하고 경제성확보가 가능한

제반여건을 분석하는 데 있다. 구체적으로, 첫째 지역난방용 열병합발전

소에 리튬이온전지 기반 ESS의 동절기 부하 평준화 효과 발휘 여부를

분석하고, 둘째 최적화 모형을 구축하여 차익거래, 용량요금 적용, 주

파수조정예비력 참여 등의 시나리오를 가정하여 ESS의 경제성 분석을

실시하고, 마지막으로 분석 결과를 바탕으로 지역난방용 열병합발전

소의의 ESS 최적 활용방안 도출과 보급 활성화를 위한 제도개선 방안을

제안한다.

본 보고서는 다음과 같이 구성된다. 서론에 이은 2장에서는 ESS의 기술적

특성과 전력계통에서의 활용 분야를 검토한다. 3장은 본 연구에서 ESS의

설치대상인 열병합발전을 살펴보고 ESS의 경제성을 좌우하는 전력시장

현황과 열 및 전력수요의 패턴을 비교 분석한다. 4장에서는 열병합발전의

기동정지계획과 ESS의 운영을 최적화하는 혼합정수계획법 모형을 구축

하여 기저 전원의 비중 증가에 따른 SMP 시나리오와 ESS의 비용하락

시나리오, ESS의 용량요금 적용, 차익거래, 주파수조정예비력의 등의 복합

운영 시나리오를 혼합하여 열병합에서의 ESS의 경제성을 분석하였다.

마지막 5장에서는 연구결과를 종합적으로 요약 정리한다.

제2장 ESS 개념과 용도 5

제2장 ESS 개념과 용도

1. ESS의 개념 및 필요성

가. ESS의 개념

에너지를 저장하여 필요 시 저장한 에너지를 사용하는 시스템 또는

장치를 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)으로 정의한다.

전기에너지를 대상으로 잉여전력을 충전하여 적시에 방전하는 시스템

또는 장치를 별도로 전기저장시스템 (Electricity Storage System, ESS)1)

으로 정의한다.

전기는 직접 저장할 수 없는 특성을 지니고 있는데 이러한 특성으로

ESS의 필요성이 부각되어져 왔다. 대규모의 전기를 경제적으로 저장할

수 없음은 전력의 수요와 공급이 항상 일치해야 함을 의미한다. 따라서

안정적으로 전력수요에 맞추어 전력을 공급하기 위해서는 최대수요에

상응하는 발전소 용량을 보유해야 한다. 또한 부하의 변동 또는 발전기

고장에 대비하기 위해서는 예비 용량을 확보해야 한다. 이렇듯 전기를

저장할 수 없는 특성으로 상시 수급균형 유지를 위한 제도수립과 시스템

운영이 필요하게 된다.

전기를 다른 에너지로 변환 없이 직접 저장은 불가능하지만, ESS을

이용하여 전기에너지를 화학에너지(대표적으로, 리튬이온 배터리)나

운동에너지(플라이휠), 위치에너지(양수발전) 등으로 전환하여 저장이

1) 본 연구에서는 전기에너지를 분석 대상으로 하므로 ESS를 전기저장시스템으로 지칭한다.

6

가능해졌다. 최근에는 전압 및 주파수변화에 민감한 전자기기 보급 증가에

따라 고품질 전력공급의 필요성 대두, 증가하고 있는 신재생에너지 전원의

계통연계로 인한 전력계통 안정화 문제, 송배전 계통 내 혼잡 심화 등의

해결책으로 ESS를 지목하고 있다. 향후 ESS의 기술진보와 비용하락에

가시적인 성과가 있을 경우, ESS는 전력계통에 실제적으로 활용하여

보다 효율적인 에너지공급과 안정적인 계통운영 등 중요한 역할을 수행할

것으로 예상하고 있다.

[그림 2-1]은 ESS의 동작 원리를 설명하고 있다. 발전기에서 생산한

잉여전기를 충전하여 저장한 후 필요 시 전력계통에 방전하는 과정을

지닌다. 전력계통 관점에서 ESS의 충전은 부하로 볼 수 있으며 저장한

전기를 계통으로의 방전은 전원으로 동작한다.

[그림 2-1] ESS 동작 원리

출처: SBC Energy Institute(2013).

제2장 ESS 개념과 용도 7

나. ESS의 필요성

ESS는 [그럼 2-2]와 같이 전력계통 내 발전, 송/배전, 최종수용가에

설치하여 다방면으로 활용할 수 있다. 발전단에서 ESS를 설치하면 계통

한계가격(System Marginal Price, SMP)이 낮을 때 여유 전력을 저장

하고 SMP가 높을 때 저장한 전력을 방전하여 전력판매수익을 증대할 수

있다. 신재생에너지원의 경우 발전의 변동성을 줄여 전력품질을 개선

할 수 있다. 또한 주파수조정 및 예비력과 같은 계통운영보조서비스를

제공할 수 있다.

[그림 2-2] 전력계통 내 ESS 활용분야

출처: 김상범(2012)

송전계통에 연계한 ESS는 주파수 조정 역할을 수행할 수 있으며,

혼잡선로가 존재할 경우 ESS를 활용하여 해당선로에 전력공급을 통해

송전혼잡을 완화하는 기능을 담당할 수 있다. 변전단과 ESS를 연계할

8

경우 강압변압기가 전출력으로 운전할 시에 전기를 저장하고 변압기

용량을 초과하는 전력이 요구될 때는 저장한 전기를 공급함으로써 안정

적인 전력공급과 배전설비의 추가적 투자 회피에 기여한다.

마지막으로 최종수용가에 ESS를 설치할 경우 소비자는 ESS를 비상

전원으로 활용할 수 있고, 전기요금이 낮은 시간대에는 충전하고 요금이

높은 시간대에는 방전하는 부하관리를 통해 에너지비용을 절감할 수

있다.

2. ESS 기술유형 및 특성2)

ESS는 기술 유형별로 다양한 특성을 지니고 있어 전력계통에 활용

하는 데 서로 다른 장단점을 띄게 된다. 따라서 각 기술별로 전력계통에

활용하는 분야 또한 다르게 된다. 그러므로 ESS의 적합한 분야에 활용을

위해서는 각 기술별 기술적 특성과 그에 따른 장단점을 분석하는 것이

중요하다. ESS는 전기화학적 저장기술과 비전기화학적 저장기술로 구분할

수 있다. 전자는 배터리를 활용하는 기술로 대표적으로 리튬이온 전지

(Lithuim-ion Battery), 나트륨황 전지(Sodaium-Sufur Battery), 레독스

흐름 전지(Redox-flow Battery), 초고용량 커패시터(Super-Capacitor)를

들 수 있다. 후자는 전기에너지를 물리에너지로 변환하여 저장하는 기술로

대표적으로 양수발전(Pumped-storage hydro power plant), 압축공기저장

시스템(Compressed Air Energy Storage), 플라이휠(Flywheel)이 있다.

2) 본 절은 이성인(2014)과 산업통상자원부(2015b)를 참조하였음.

제2장 ESS 개념과 용도 9

가. 전기화학적 ESS

배터리 기반 ESS(Battery ESS, BESS)로 대표되는 전기화학적 전기

저장기술(Electrochemical Storage)은 양수발전을 제외한 현존하는 전기

저장기술 중 상용화 단계에 가장 근접해 있는 저장기술 유형이다.

ESS에 적용되는 배터리 기술에는 기존의 납축전지(Lead Acid Battery)를

전기저장용으로 개량한 형태와 리튬이온 전지, 나트륨황 전지, 레독스

흐름전지 등의 신형 배터리 기술이 존재하며, 초고용량 커패시터 또한

전기화학적 전기저장기술에 포함된다.

[그림 2-3] 배터리 기반 ESS의 구조도

출처: 정구형(2015)

전기화학적 전기저장기술은 65~98% 수준의 저장효율을 지니고 있으며

수십 MWh로의 용량 확대가 용이하다. 또한 소음과 진동이 적고 설치

장소에 구애받지 않는 편으로 도심지 수용가 인근에 설치가 가능한

장점을 지닌다.

10

일반적으로 BESS는 전기를 충･방전하는 배터리 모듈과 배터리의

충･방전상태 점검과 과충전 및 과방전 보호 기능을 수행하는 배터리

관리시스템(Battery Management System, BMS), 직/교류, 전압, 주파

수를 다른 형태로 변환하는 전력변환장치(Power Conditioning or Conversion

System, PCS), 전력관리시스템(Power Management System, PMS)으로

구성된다([그림 2-3 참조]). ESS 구성요소의 세부기능은 아래 과

같다.

요소 기 능

배터리 모듈･ 다수의 배터리 셀을 직-병렬 행태로 배치･ 적정 전압 및 충전속도를 확보･ 전력의 충･방전

배터리관리시스템(BMS)

･ 배터리의 상태(전압, 전류, 온도) 점검･ 배터리 상태 정보 전달･ 배터리의 과충전, 과방전 보호 기능 수행

전력변환장치(PCS)

･ 전기의 특성(DC-AC, 전압, 주파수) 변환･ 저장 시에는 수전한 AC를 DC로 변환･ 계통으로 공급시에는 DC를 AC로 변환

전력관리시스템(PMS) ･ ESS의 모니터링 및 제어

ESS의 구성요소

대표적인 전기화학적 전기저장기술인 리튬이온 전지와 나트륨황 전지,

레독스 흐름 전지, 초고용량 커패시터의 특징은 다음과 같다.

1) 리튬이온 전지

리튬이온 전지의 작동원리는 이온상태로 존재하는 리튬이온이 충전

제2장 ESS 개념과 용도 11

될 때는 양극에서 음극으로 이동하며, 반대로 방전될 때는 음극과 양극

으로 이동하는 전위차를 발생하여 전기를 생성한다. 리튬이온 전지의

구성요소는 [그림 2-4]와 같이 양극(Positive electrode), 음극(Positive

electrode), 분리막(Separator), 전해질(Electrolyte)이다. 양극과 음극은

리튬원자를 보관하는 물질로 양극에는 리튬금속산화물, 음극에는 흑연

탄소가 사용된다. 분리막은 양극과 음극을 분리하는 역할을 하며 전해질은

리튬이온을 이동시키는 이동매체로 작용한다.

[그림 2-4] 리튬이온 전지의 구동원리

출처: Institute fur Stromrichter-technik und Elektrische Antriebe (iSEA)

이러한 리튬이온 전지의 장점으로는 ① 에너지 밀도가 높다. 동일한

체적 및 무게의 납죽전지보다 3배 높은 저정용량을 지닌다. ② 에너지

효율이 높다. 자기 방전율이 3~5%/월로 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지의

절반수준에 해당된다. 또한 니켈-카드뮴 전지에서 생기는 기억 효과

(Memory effect)3)가 발생하지 않는다. ③ 사용온도 범위가 넓어 –20℃

3) 기억효과(Memory effect)란 배터리를 완전히 방전하지 않은 상태로 충전을 하면 전해액의 불활성화 영역이 생겨 배터리 용량이 감소하는 현상을 뜻한다. 기억효과로 인해 최악의 경우 초기 배터리용량의 30%가 손실될 수 있다.

12

에서 +60℃로 정상적 운영이 가능하다. ④ 리튬이온 전지의 속응성으로

주파주조정서비스와 같은 자원으로 활용하기 적합하다.

반면 단점으로는 ① MW급 대용량 수준으로 확대하기에는 용량적

한계가 있으며 비용이 높다. ② 과열과 과충전, 내부압력에 민감하며

방전심도가 높은 경우 수명이 급격히 단축된다.

2) 나트륨황 전지

나트륨황 전지는 나트륨 이온이 양극과 음극 사이를 이동하면서 전위

차를 발생하여 충전과 방전을 수행한다. 양극 활물질에는 황(Sulfur),

음극 활물질에는 나트륨(Na), 전해질에는 베타 알루미나(β-alumina)라는

세라믹 고체가 사용된다([그림 2-5] 참조). 활물질의 응용상태를 유지

하기 위해서는 300~350℃에 이르는 고온의 운전온도가 요구된다.

[그림 2-5] 나트륨황 전지의 구동원리

출처: Institute fur Stromrichter-technik und Elektrische Antriebe (iSEA)

제2장 ESS 개념과 용도 13

나트륨황 전지의 장점은 ① 높은 에너지 밀도를 지니고 있다. ②

충･방전 효율이 89~92%로 고효율이다. ③ 배터리 개수를 증결하여

대용량으로 확대하기 용이하여 4~8시간의 장시간 방전이 가능하므로

송･배전용 변전소나 부하평준화, 가격 차액거래로 활용할 수 있다. ④

고가의 재료를 사용하지 않기 때문에 상대적으로 경제적이다.

반면, 단점으로는 300℃ 이상의 고온의 운전온도가 요구되므로 화재의

위험이 따르고 높은 운전비용을 야기한다.

3) 레독스 흐름 전지

레독스 흐름 전지는 전력 출력을 담당하는 셀 스택(Cell stack)과 양극

전해액 탱크, 음극 전해액 탱크, 전해액을 스택에 공급하는 펌프로 구성

된다. 전극에서 발생하는 산화(Reduction)-환원(Oxidation)으로 충･방전

된다. 전해질은 셀 내에 저장되지 않고, 외부 탱크에 액체 상태로 저장

되어 있으며, 충･방전 과정 중에 펌프를 통하여 셀 내부로 공급된다

([그림 2-6] 참조). 레독스 흐름 전지의 용량은 탱크 크기에 의해 결정

되고 출력은 셀 스택의 크기에 의해 좌우된다.

레독스 흐름 전지는 다음과 같은 장점을 지니고 있다. ① 셀 스택

수와 외부 탱크 크기로 출력과 용량을 조정할 수 있어 대용량화가 쉽다.

② 긴 수명구조를 지닌다. ③ 초기투자비와 운영비가 상대적으로 낮다.

이에 반해 다음과 같은 단점을 가지고 있다. 신형 배터리 기술에 비해

① 에너지 밀도가 낮다 ② 에너지 효율이 낮다. ③ 펌프와 센서, 컨트롤

장치, 저장탱크 등과 같이 복합한 구조를 지니고 있다.

14

[그림 2-6] 흐름전지의 구동원리

출처: Institute fur Stromrichter-technik und Elektrische Antriebe (iSEA)

4) 초고용량 커패시터

초고용량 커패시터는 전극(Electrode), 전해질(Electrolyte), 집전체

(Current Collector), 격리막(Separator)으로 구성된다. 전극에 전압을

주어 전해액내 이온들이 전극으로 이동하여 전극 표면에서 발생하는

화학반응에 의해 충･방전이 이루어진다([그림 2-7] 참조).

초고용량 커패시터의 장점은 다음과 같다. ① 반영구적인 수명을 지니고

있다. ② 고출력이 가능하다. 그러나 단점으로는 ① 에너지밀도가 낮아

단기간 고출력용 ESS로 활용되고 있어 장시간 충･방전용으로 활용하기

에는 에너지밀도를 획기적으로 높일 수 있는 기술개발이 요구된다는

점을 들 수 있다.

제2장 ESS 개념과 용도 15

[그림 2-7] 초고용량 커패시터의 구동원리

출처: Institute fur Stromrichter-technik und Elektrische Antriebe (iSEA)

나. 비전기화학적 ESS

비전기화학적 저장기술은 전기에너지를 물리에너지로 변환하여 저장

하는 기술을 뜻한다. 대표적인 기술에는 양수발전과 압축공기저장시스템

및 플라이휠이 있다. 이들의 주요 특성은 다음과 같다.

1) 양수발전

대표적인 대용량 전기저장기술인 양수발전은 전 세계적으로 활용되고

있는 ESS 용량의 95% 이상을 차지하고 있다. 국내에서도 전력계통

운영에 예비 전력용과 수요변동 대응에 중요한 역할을 담당하고 있다.

16

양수발전은 펌프로 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 끌어올려 전기

에너지를 위치에너지로 변환 및 저장하였다가 필요 시 상부 저수지에서

하부 저수지로 물을 낙하시켜 수차를 구동함으로써 전력을 생산한다

([그림 2-8] 참조).

양수발전은 ① 최대 수 GW급의 대용량화 가능하다. ② 발전단가가

상대적으로 낮다는 등의 장점이 있지만, ① 에너지 저장효율이 60∼

70% 으로 낮은 수준이다. ② 양수발전 건설에는 입지제약과 환경파괴

비판에 직면한다는 등의 단점이 존재한다.

[그림 2-8] 양수발전 기본구조 및 구동원리

출처: SBC Energy Institute(2013)

2) 압축공기저장시스템

압축공기저장시스템은 잉여전력을 이용하여 공기를 압축하고 지하

저장시설에 저장하였다가 필요 시 압축된 공기를 꺼내 연료와 함께

연소하여 터빈을 구동함으로써 발전하는 방식이다([그림 2-9] 참조).

제2장 ESS 개념과 용도 17

가스터빈 발전에서 LNG 연료의 약 60%가 공기압축에 사용되지만 압축

에너지저장시스템은 터빈 구동에 사용되는 LNG 연료의 저감을 가능케

한다.

[그림 2-9] 압축공기저장시스템 기본구조 및 구동원리

출처: iSEA(2012)

이러한 압축공기저장시스템의 장점은 다음과 같다. ① 20MW에서

수백 MW급으로 대용량화가 용이하다. ② 가스터빈으로 발전하기 때문에

안정적이고 빠른 출력을 기대할 수 있다. 반면, 다음과 같은 단점도 있다.

① 지하 저장시설을 이용하기 때문에 지리적 제약이 발생한다. ② 비교적

초기 건설비용이 높다. ③ 상대적으로 에너지효율이 낮다.

3) 플라이휠

플라이휠 저장장치는 전기를 회전에 의한 운동에너지로 저장하였다가

18

필요 시 전기에너지로 출력한다([그림 2-10] 참조). 플라이휠은 다음과

같은 장점을 지니고 있다.

[그림 2-10] 플라이휠 기본구조 및 구동원리

출처: iSEA(2012)

① 소형화 및 모듈화가 가능하다. ② 반영구적 수명을 지니고 있다.

③ 고출력으로 순간적인 충･방전이 가능하다. ④ 에너지저장효율이 90% 이상으로 높다.

반면에 다음과 같은 단점도 있다. ① 에너지 저장밀도가 낮아 장주기

에너지 공급용으로 적합하지 않다. ② 에너지 저장밀도를 다른 저장기술과

같은 수준으로 높이기 위해서는 상당한 개발 시간이 소요될 것으로

보인다.

는 위에서 살펴본 전기화학적 및 비전기화학적 저장기술의

응용분야와 현재 기술 수준, 보급 확대를 위한 기술개발 목표를 요약

하고 있다.

제2장 ESS 개념과 용도 19

기술유형 주요 응용분야 현재 기술 수준 향후 기술 목표

리튬이온 전지(Li-ion)

･ 전력품질

･ 주파수조정

･ 높은 에너지 밀도

･ 우수한 배터리 수명

･ 높은 충･방전 효율

･ 높은 생산비용 및 대용량화 제약

･ 과열, 과충전 및 내부 압력에 매우 민감

･ 방전심도가 높은 경우 급격한 수명 단축

나트륨황 전지(NaS)

･ 전력품질

･ 혼잡완화

･ 신재생전원 연계

･ 높은 에너지 밀도

･ 장주기 방전

･ 빠른 응동속도

･ 장수명

･ 설비규모의 유연성

･ 250-300℃의 고온에서 작동

･ 액체형 내용물로 인한 부식 및 밀봉 해체 문제

레독스-흐름전지

Redox-Flow Battery

･ 예비력

･ 최대부하 감축

･ 부하평준화

･ 주파수조정

･ 전력품질

･ 대용량화 용이

･ 낮은 충･방전 효율

･ 장수명

･ 개발 중인 기술로 상업용 보급에 한계

･ 복잡한 시스템 구조

･ 낮은 에너지 밀도

초고용량 커패시터

(Super Capacitor)

･ 전력품질

･ 주파수조정

･ 장수명

･ 빠른 응동속도･ 아직까지는 고비용 기술

양수발전(Pumped Hydro)

･ 에너지 관리

･ 비상전원 및 예비력 공급

･ 가변속 펌프를 이용한 주파주조정 서비스 공급 가능

･ 성숙기술

･ 매우 빠른 응동속도

･ 현 수준에서는 가장 비용효과적인 저장기술임

･ 입지제약

･ 환경문제

･ 초기 투자비용이 높음

압축공기 저장시스템

(CAES)

･ 에너지 관리

･ 비상전원 및 예비력 공급

･ 신재생전원 연계

･ 가스터빈 발전기에 비해 빠른 응동속도

･ 1970년대부터 운영 중인 검증된 기술임

･ 입지제약

･ 공기압축 및 팽창 과정에서의 효율 저하

･ 플라이휠 및 배터리에 비해 느린 응동속도

플라이휠(Flywhee)l

･ 부하평준화

･ 주파수조정

･ 최대부하 감축

･ 과도안정도 강화

･ 모듈식 기술로 대용량화 용이

･ 계통연계형 저장기술로는 성장가능성 높음

･ 장수명

･ 고출력 발생시 과열 문제 없음

･ 빠른 응동속도

･ 고효율

･ 회전자(rotor) 인장 강도 문제

･ 높은 마찰손실로 인한 에너지저장시간 제약

ESS 유형별 기술 수준 및 목표

출처: 산업통상자원부(2015b)에서 재인용

20

3. ESS 활용분야

가. ESS 선택 영향 요소

전력계통에는 ESS가 활용될 수 있는 분야가 다양하게 존재하는데

각 분야는 서로 다른 기술적 특성을 지니고 있다. 앞서 살펴본 ESS의

특성과 전력계통 각 분야에서 요구되는 기술적 특성이 서로 부합될 때

해당 분야에 활용될 수 있다. 예를 들어, 부하평준화와 같은 분야는

대용량의 ESS가 필요하기 때문에 양수발전과 같은 기술이 적합하다.

이에 반해, 주파수조정과 같은 분야는 빠른 응동속도와 높은 출력이

요구되므로 플라이휠과 같은 기술이 채택될 수 있다.

요소 정 의

응동시간(Response time)

필요시 저장장치가 얼마나 빠르게 방전할 수 있는가를 나타냄

방전시간(Discharge duration)

단일 충･방전 사이클에서 최대한 방전할 수 있는 시간을 나타냄

방전빈도(Discharge frequency) 단일 시간당 충･방전 사이클 횟수

방전심도(Depth of discharge )

단일 충･방전 사이클에서 ESS의 에너지저장용량 대비 방전량의 비율로 수명에 영향을 줌

효율(Efficiency)

단일 충･방전 사이클에서의 에너지입력량 대비 에너지출력량

ESS 선택 영향 요소

출처: 산업통상자원부(2015b)

보다 구체적으로 ESS를 적합한 활용분야에 선택 시에는 에

제2장 ESS 개념과 용도 21

열거한 응동시간(Response time)과 방전시간(Discharge duration), 방전

빈도(Discharge frequency), 방전심도(Depth of discharge), 효율 (Efficiency)

요소를 고려한다.

나. ESS의 응용분야

기술조건장주기 고빈도용

단주기 고빈도용

장주기 저빈도용

단주기 저빈도용

방전지속시간

수 시간 수 분 수 시간 수 초

응동시간

수 분 수 초 수 분 수 초

방전심도

높음 낮음 높음 낮음

충･방전수명

수 천회 수 만회 수 백회 수 백회

저장효율

중요 중요 중요하지 않음 중요하지 않음

응용분야

･부하이전

･신재생전원

공급능력 시간대 이동･신재생전원

발전출력 예측오차회피･송전혼잡완화

･동요억제

･주파수조정제어

･전압안전도개선

･신재생전원

공급능력 시간대 이동･신재생전원

발전출력 예측오차회피･운전예비력

･전력품질개선

･송전혼잡완화

･전력품질개선

･주파수탈조억제

･위상각안정도

개선

ESS의 기술조건과 응용분야

출처: 산업통상자원부(2015b)

이 중에서 방전시간과 방전빈도로 ESS의 응용분야를 분류할 수 있다.

22

방전시간에 따라 응용분야는 1시간 이상의 장기간 방전이 필요한 장주

기와 수 초에서 수 분으로 충･방전 속응성이 필요한 단주기로 구분되며,

방전빈도에 따른 응용분야는 연간 20회 충･방전 기준으로 고빈도와

저빈도로 나뉠 수 있다. 각 기술조건과 해당 응용분야는 와

같다.

주요 응용분야 2차 응용분야

주파수탈조 억제 계통 위상각안정도 개선 + 계통 전압안정도 개선 + 주파수조정 제어

단주기 전력품질 개선 단시간 부하이전 + 주파수조정 제어 + 운전예비력)

단주기 전력품질 개선 장시간 부하이전 + 주파수조정 제어 + 운전예비력

장주기 전력품질 개선 단시간 부하이전 + 운전예비력 + 주파수조정 제어

장시간 부하이전 운전예비력 + 주파수조정 제어송전혼잡 완화 주파수탈조 억제 + 주파수조정 제어신재생전원 공급전력 시간대 이동 주파수탈조 억제 + 주파수조정 제어신재생전원 발전출력 예측오차 회피 주파수탈조 억제 + 주파수조정 제어

동요 억제 주파수탈조 억제 + 신재생전원 공급전력 시간대 이동

ESS의 복합응용 분야

출처: 산업통상자원부(2015b)

이밖에 단일 ESS를 다부문으로 활용하는 복합분야가 있다. 와

같이 복합응용 분야는 주요 응용분야와 동시에 수행할 수 있는 2차

응용분야와 결합하여 총 9개 분야가 존재한다. 예를 들어, 단일 ESS는

평상 시에는 주파수조정 제어를 수행하고 전력수요가 피크가 예상될

시에는 부하평준화를 담당할 수 있다. 이러한 복합 응용분야는 복수

부문에 참여하므로 ESS의 경제성을 개선할 수 있다.

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석 23

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석

1. 열병합발전 개요 및 구분

가. 열병합발전 개요

열병합발전(Combined Heat and Power Generation, CHP)은 동일한

연료를 사용하여 열과 전기를 동시에 생산하는 에너지시스템으로 정의

하며, 코젠(Cogeneration)으로도 불린다. 열병합발전은 일차적으로 전력을

생산하고 발생하는 배열을 회수하여 사용하므로 기존의 화력발전 방식

에서 30~40%의 에너지사용량을 감축할 수 있는 고효율 기술로 평가

된다(에너지관리공단, 2003).

일반 화력발전과 열병합발전 시스템을 비교하는 [그림 3-1]에서와

같이, 일반 화력발전은 보일러에서 생성된 고온고압의 증기가 증기터

빈을 가동시켜 전기를 생산하고 터빈에서 빠져 나온 증기는 복수기

(Condenser)에 보내져 배기증기를 냉각수에 통과시켜 응축시키는데,

이때에 배기증기의 잠열이 버려져 가장 큰 에너지손실, 약 49%가 발생

하게 된다. 이에 반해, 열병합발전은 배열을 회수하여 열교환기를 거쳐

지역냉난방용 또는 생산 공정용으로 사용함으로써 일반 화력발전에서

발생하는 복수기 과정에서의 손실 49%를 방지하여 에너지 효율을

75~90% 정도까지 높일 수가 있다4).

이러한 열병합 발전은 소규모의 경우 산업체와 건물에 자가용으로

4) 열병합발전의 종합효율은 대체설비인 보일러와 발전기의 개별 효율을 종합하여 비교하는 것이 타당하다.

24

이용되고 있으며, 대규모의 경우 지역냉난방과 산업단지를 대상으로 집단

에너지 공급방식으로 주요 열원설비로서 열과 전기를 생산하고 있다.

[그림 3-1] 일반화력발전과 열병합 발전 시스템

출처: 김상목 외(2011)에서 재인용

나. 열병합발전의 구분

열병합발전은 발전기(Generator)를 구동하기 위한 원동기 형태에 따라

가스엔진, 가스터빈, 증기터빈, 가스터빈 복합발전을 이용하는 방식으로

구분된다. 가스엔진 방식은 소규모 수용가에게 열과 전기를 공급하는

설비로 활용되며, 증기터빈 방식은 제철소와 화학공장에서 자가발전

설비로 주로 채용된다. 가스터빈과 증기터빈을 조합하여 발전하는 가스

터빈 복합발전 방식은 지역난방 열병합 발전소로 채택되고 있다.

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석 25

집단에너지5) 공급방식에 따라 주택 및 건물에 난방, 급탕, 냉방용 열

또는 열과 전기를 공급하는 지역난방 열병합발전과 산업단지 대상으로

공정용 열 또는 열과 전기를 공급하는 산업단지 열병합발전으로 구분

할 수 있다. 지역난방용과 산업단지 열병합의 특성은 아래와 같다.

1) 지역난방 열병합발전

지역난방은 일정지역 내에 있는 주택 및 건물을 대상으로 개별적으로

에너지 생산설비로 공급하는 방식 대신에 1개소 이상의 열원시설(열병합

발전소, 열전용보일러 등)에서 생산한 열을 해당지역 수용가에 공급하는

방식이다. 즉 지역난방 열병합발전은 해당지역의 난방, 급탕, 냉방용

열 수요를 충족하기 위해 열을 생산하고 수송관을 통해 해당 수용가

에게 전달된다.

[그림 3-2]는 지역난방용 가스터빈 복합열병합 발전의 구조를 나타

내고 있다. 압축 공기와 함께 연료를 연소시켜 고온의 연소가스를 생성

하여 터빈을 구동하여 전력을 생산하고, 배출되는 고온의 가스를 배열

회수보일러(Heat Recover Steam Generator, HRSG)로 통과시켜 열교

환을 통해 발생되는 증기를 이용하여 증기터빈을 구동하여 전기를 추가

생산하고 증기터빈의 배기증기를 지역난방용 열원으로 이용한다.

2013년 말 기준으로 31개의 지역난방 사업자자가 있으며 55개 사업소에

열을 공급 중이며, 총 설치용량은 4,144MW이다. CHP 열 및 전기생산량은

5) 본 연구에서 분석 대상으로 하는 집단에너지는 “1개소 이상의 집중된 에너지 생산시설(열 또는 열과 전기)를 주거, 상업지역 또는 산업단지 내의 다수 사용자에게 일괄적으로 공급･판매하는 사업”으로 정의한다 (에너지관리공단, 2014). 집단에너지사업의 사업허가 기준으로는 지역냉난방의 경우 5Gcal/h, 산업단지는 30Gcal/h의 열생산 용량을 갖춘 사업자로 정하고 있다.

26

각각 10,640천Gcal, 17,378GWh을 기록하였다.

[그림 3-2] 지역난방용 가스터빈 복합열병합 발전 시스템

출처: 심상렬(2002)

2) 산업단지 열병합발전

산업단지 열병합발전은 산업단지 입주업체에게 공정 또는 난방용

열 또는 열과 전기를 공급하는 방식이다. 지역난방은 열교환기를 이용

하여 수용가에서 열을 공급하나, 산업단지는 공정에 사용되는 열을 공급

하므로 열교환기가 필요 없이 터빈 추기 또는 배기에서 직접 열을 공급

한다. 산업단지는 또한 입주 업체의 공정 특성에 따라 고압 또는 중압,

저압 스팀을 공급을 공급하게 된다.

[그림 3-3]은 산업단지 증기터빈 열병합 발전의 구조를 보이고 있다.

산업단지 열병합발전은 보일러에서 고온 및 고압의 증기를 생산하여

터빈을 가동하여 발전한 후 그 배기 또는 추기를 이용하여 산업단지

업체에 열에너지를 공급하는 증기터빈방식이 주로 많이 사용된다.

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석 27

[그림 3-3] 산업단지용 증기터빈 열병합 발전 시스템

출처: 심상렬(2002)

2013년 말 기준으로 28개의 산업단지 사업자가 30개 입주 업체에 열과

전기를 공급 중이며, 총 설치용량은 1,885MW이다. CHP 열 생산량은

36,880천Gcal, 전기생산량은 7,177GWh을 기록하였다. 이 밖에 지역난방

사업과 산업단지 열공급 사업을 병행하는 4개의 사업자가 있으며 4개의

사업장을 운영하고 있다. 총 설치용량은 176MW이며, CHP 열과 전기

생산량은 각각 2,117천Gcal, 464GWh을 기록하였다.

다. 열병합발전 운전 형태

열병합발전 운전 방식은 총 5가지 모드(열부하 추종운전, 가스터빈

단독운전, 전기부하 추종운전, 최대열부하 추종운전, 혼합운전)로 분류

된다. 상기 분류는 단순하게 열부하를 추종하는 운전과 전기부하를 추종

28

하는 운전으로 구분할 수 있다. 열과 전기의 수요나 판매가격을 고려

하여 열병합발전기 사업자는 5가지 운전모드 중 한 모드를 결정하여

운영하게 된다. 통상적으로 열부하 추종운전 모드는 동절기에, 가스터빈

단독운전 모드는 증기터빈 고장으로 인한 비정상 시에, 전기부하 추종

운전 모드는 열부하가 없는 하절기에, 최대열부하 추종운전은 겨울철

열부하 과다 시에, 혼합운전은 봄과 가을에 저열부하 시에 선택된다.

은 각 운전모드의 특성과 효율을 나타내고 있다.

모드 운전방식 특성 종합효율

Ⅰ열부하추종운전

･배열회수보일러에서 발생된 증기로 배압터빈을 구동하여 전기를 생산하고 배기증기로 지역난방열 공급을 담당･열병합 발전의 주종을 이루는 운전방법으로 연간 약 5천~6천 시간 정도 운전예상

76~78%

Ⅱ가스터빈단독운전

･가스터빈 단독운전 방식으로 전기만 생산하는 방식･열부하가 없는 하절기에 증기터빈 고장시 또는 가스터빈 가동시의 운전이 해당

29~30%

Ⅲ전기부하추종운전

･배압터빈과 복수터빈을 모두 운전하는 방식･주로 열부하가 없는 하절기에 적용되며 전기생산이 최대로 된다.

43~47%

Ⅳ최대열부하추종운전

･배열회수 보일러에서 발생한 증기를 전량 지역난방용 열로 공급･겨울철 혹한기에 열부하가 최대로 요구되어 배압터빈 추기 및 보조열원에 의한 열 공급으로 감당할 수 없을 때 실시

74~79%

Ⅴ 혼합운전

･모드Ⅰ과 Ⅲ의 혼합 형태로 모든 배압터빈과 복수터빈을 모두 운전하여 전기생산과 지역난방열을 동시 공급･복수기 냉각열에 의해 열이 버려지므로 종합효율은 떨어짐

70~73%

열병합 발전 운전모드

출처: 김상목 외(2011)에서 재인용

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석 29

2. 전력시장 현황 및 전망

가. 전력수급 동향

전력수요는 2014년 총 전력소비량 477,592GWh을 기록하여, 지난

10년간(2005~2014년) 연평균 4.1% 증가하였다. 동년 최대 전력 수요는

12월 17일 11시에 발생한 80,154MW로, 지난 10년간의 최대 전력

수요는 연평균 4.4% 증가를 기록하였다. 동년 기준 발전설비 규모는

총 93,216MW로 2005년 설비 규모 62,258MW 대비 50% 상승하였다.

연도설비용량

(MW)공급능력

(MW)최대전력

(MW)최대전력발생일시

공급예비력(MW)

공급예비율(%)

2005 61,737 60,818 54,631 8.17(수) 6,187 11.3

2006 64,778 65,183 58,994 8.16(수) 6,189 10.5

2007 67,196 66,778 62,285 8.21(화) 4,493 7.2

2008 70,353 68,519 62,794 7.15(화) 5,725 9.1

2009 73,470 72,071 66,797 12.18(금) 5,274 7.9

2010 76,078 75,747 71,308 12.15(수) 4,439 6.2

2011 76,649 77,179 73,137 1.17(월) 4,042 5.5

2012 81,806 79,972 75,987 12.26(수) 3,985 5.2

2013 82,296 80,713 76,522 1.3(목) 4,191 5.5

2014 93,216 89,357 80,154 12.17(수) 9,203 11.5

전력수급 동향

자료: 한국전력(2015)

30

는 2005년부터 2014년의 전력수급관련 주요 지표를 나타

낸다. 이 표에서 전력수급불안 정도를 알 수 있는 공급예비율에 주목할

필요가 있다. 2005년부터 공급예비율이 11.5%에서 지속적으로 하락

하여 2012년에 5.2%를 기록하였다. 이러한 주된 요인은 실제수요의

예측수요 초과와 수요관리목표 이행을 위한 시책 미흡, 발전소 준공의

지연 및 취소, 원전의 가동중단을 들 수 있다(지식경제부, 2010).

[그림 3-4] 연도별 하계･동계 최대전력 추이

출처: 지식경제부(2015)

[그림 3-4]는 연도별 하계 및 동계 최대전력 추이를 나타낸다. 주목해야

할 점은 최대 전력수요가 동계에 발생하고 있다는 점이다. 2009년부터

동계 최대 전력수요(68,693MW)가 하계 최대 전력수요(63,212MW)를

초과하고 있다. 동계와 하계 최대 전력수요의 격차는 2009년에 최대를

기록하여 2011년까지 점차 감소하였으나, 2012년부터 다시 확대되어

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석 31

2014년의 격차는 4,100MW을 기록하여 동계의 효과적인 전력 수요

관리의 필요성이 대두되고 있다. 동계 최대 전력수요 발생 시기를 보면,

2009년 12월, 2010년 1월, 2011년 2월, 2012년 1월, 2013년 2월,

2014년 12월에 발생하였다. 이러한 동계 최대 전력수요의 불규칙성은

이상기온에 따른 것이다.

은 국가별 부하율(Load factor) 비교를 나타낸 것이다. 부하

율은 특정기간의 최대 전력 대비 평균전력의 비율로 정의한다. 우리나라의

부하율은 2010년 74.1%로 미국 59.7%, 캐나다 64.4%, 프랑스 60.6%,

영국 64.7%, 이탈리아 58.8%에 비해 월등히 높은 수준이다. 우리나라의

높은 부하율 수준은 부하가 비교적 평탄한 산업용 전력수요의 비중이

높기 때문에 발생한다. 높은 부하율 수준은 ESS의 부하수준 평준화에

활용할 수 있는 여지가 크지 않아 발전부문 SMP 차익거래의 경제성

에는 부정적인 영향으로 작용한다.

연도 한국 일본 미국 캐나다 중국 프랑스 독일 영국 이탈리아

2002 76.4 58.5 59.8 65.9 … 67.2 72.5 64.8 56.5

2005 76.2 62.4 58.7 69.2 84.7 61.4 77.0 66.3 58.4

2010 74.1 … 59.7 64.4 … 60.6 71.6 64.7 58.8

국가별 부하율(%)

출처: 지식경제부(2013)

나. 2014년 전력수요 및 SMP 분석

전력 수요 패턴과 전원구성에 영향을 받는 SMP의 일중 변동성은,

32

SMP가 낮은 가격대에 저장하여 SMP가 높은 가격대에 방전하여 판매

하는 차익거래용 ESS의 설비 이용률을 결정한다. 따라서 본 절에서는

작년도 2014년의 SMP에 변동성에 기여하는 요인을 중점으로 분석하

도록 한다.

[그림 3-5]는 2014년 일 년 동안의 8760개 시간대의 전력수요6)를

나타내고 있다. 전력수요는 겨울, 봄, 여름, 가을로 진행됨에 따라 감소,

증가, 감소, 증가의 반복패턴을 보이고 있다. 또한 구정과 추석에는 수요가

급격히 감소하는 형태를 보이고 있다. 계절별 전력수요의 변동폭을 보면,

동절기보다 하절기에 폭이 가장 크게 나타난다.

해당 그림에서 적색으로 표시된 수평선은 기저부하를 담당하는 원자

력과 석탄화력 발전소의 총 용량으로, 약 47,000MW를 나타낸다. 수평선

이하로 전력수요가 발생할 경우에는 상대적으로 원료비의 단가(원/kWh)가

저렴한 기저발전소가 SMP를 결정하고, 전력수요가 수평선을 초과하여

발생하면 가스복합발전기(Combined Cycle Gas Turbine, CCGT) 등

상대적으로 연료비가 비싼 발전원이 SMP를 결정하게 된다. [그림 3-5]

에서 보는 것과 같이 기저 전원규모의 이하 전력수요는 하계에 집중

발생하고 일부 구정과 추석과 같은 공휴일에는 최저 수요를 기록하는

것을 볼 수 있다.

기저 전원과 CCGT 발전기간의 평균 연료 단가가 100원 이상 차이

나는 것을 감안할 때, 기저 전원의 비중은 ESS의 차익거래의 빈도 및

경제성에 중요한 역할을 하게 된다.

6) 전력계통에의 시간대별 총 전력수요 자료는 취득이 불가하여 대신에 발전단 전력에서 소내소비전력을 제외한 송전단 전력 자료를 이용하였다. 최종적으로 전력수요를 추정하기 위해 시간대별 송전단 전력에서 해당년도 송배전 손실률 3.69%를 적용하였다.

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석 33

[그림 3-5] 2014년 시간대별 전력수요

자료 : 전력거래소(epsis.kpx.or.kr)

아래 는 전력수요의 월별 평균과 표준편차를 나타내고 있다.

평균수요가 가장 높은 달은 12월이고, 수요의 변동성이 가장 높은 달은

7월로 분석되었다.

구분 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

평균

수요58,130 57,371 57,878 51,858 50,299 51,983 55,820 52,659 50,591 51,196 54,092 61,270

표준

편차7614 7082 7068 5008 5902 6760 7976 6962 7783 5561 5641 6291

전력수요의 월별 평균과 표준편차

(단위: MW)

주: 전력수요는 송전단 전력에서 송배전 손실률 3.69%를 적용한 자료임.

34

[그림 3-6]은 2014년 한 해 동안의 8760 SMP를 나타낸다. 그림 하단

부와 상단부의 수평선은 각각 원자력과 LNG 발전의 평균단가(원/kWh)를

나타낸다 ( 참조).

[그림 3-6] 2014년 시간대별 SMP

자료 : 전력거래소(epsis.kpx.or.kr)

대부분 시간대의 SMP는 LNG 발전기가 결정하여 140원대를 전후로

두터운 층을 형성하는 것을 볼 수 있다. 전력수요가 비교적 적은 구정과

추석의 두 연휴시기와 하계 일부 시간대에 한하여 기저 발전기가

SMP를 결정하여 80원대 이하의 가격대를 기록하였다.

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석 35

LNG 유류 무연탄 유연탄 원자력

145.54 211.69 55.68 37.02 4.84

2014년 평균 원별 연료비 단가

(단위: 원/kWh)

자료 : 전력거래소(epsis.kpx.or.kr)

2014년 SMP의 전체 평균은 140.26원을, 표준편차는 19.26원을 기록

하였다. 는 월별 평균 SMP와 표준편차를 나타낸다. 하계

(6~8월)의 SMP 표준편차는 모두 20원 이상으로 변동성이 가장 높은

계절로 분석되었다.

구분 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월

평균

수요140.7 151.4 162.1 149.7 143.1 134.1 140.3 126.3 128.4 131.3 132.9 143.5

표준

편차19.5 19.8 9.7 9.9 13.1 21.8 20.4 22.4 25.8 4.2 4.1 4.0

2014년 월별 평균 SMP와 표준편차

(단위: 원/kWh)

자료 : 전력거래소(epsis.kpx.or.kr)

은 총 8760시간대에 SMP를 결정하는 발전원별, 월별 횟수를

나타내고 있다. 동계(12월~2월)에 유연탄 및 무연탄 발전기는 39회,

LNG 및 유류 발전기는 2,121회 SMP를 결정하였다. 하계(6월~8월)에

유연탄 및 무연탄 발전기는 동계보다 3배 이상 많은 111회를, LNG

및 유류 발전기는 동계에 비하여 78회 적은 2,043회 SMP를 결정하였다.

36

기저를 담당하는 유연탄 및 무연탄 발전기의 SMP를 결정하는 횟수의

증가는 일일 SMP의 최대가격과 최소가격의 편차를 확대한다. 따라서

SMP 차익거래는 하계가 가장 양호한 시기라 할 수 있다.

기간 LNG 유류 무연탄 유연탄 원자력 총계

12월 744 - - - - 7441월 712 11 10 11 - 7442월 582 72 10 8 - 6723월 614 130 - - - 7444월 720 - - - - 7205월 737 - 3 4 - 7446월 682 - 19 19 - 7207월 705 15 11 13 - 7448월 695 - 25 24 - 7449월 654 - 15 51 - 72010월 744 - - - - 74411월 720 - - - - 720총계 8,309 228 93 130 - 8,760

2014년 연료원별 SMP 결정횟수

자료 : 전력거래소(epsis.kpx.or.kr)

보다 구체적으로 1MW/1MWh 용량에 종합효율(Round-trip efficiency)7)

86%를 지닌 ESS를 활용하여 일일 최소 SMP에 충전하여 최대 SMP에

방전하는 차익거래를 수행한다고 가정할 때, SMP 차익거래에 이윤이

발생하는 조건은 최대가격/최소가격 비율이 1.163이다8).

7) 충･방전 효율계수()은 서로 동일하다고 가정한다. ESS의 종합효율(Round-trip efficiency)

은 충･방전 효율계수의 제곱()으로 계산된다. 예를 들어, 충･방전 효율계수가 93%로 주어졌을 경우, 종합효율은 약 86.5%가 된다.

8) ESS의 저장량과 충전량, 방전량이 각각 와 , 로, 충･방전 효율이 로, 종

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석 37

이를 만족하는 월별 일수는 [그림 3-7]과 같다. 해당 표에서 보는 것과

같이 2014년 일간 최대가격/최소가격 비율 1.163 이상인 날은 총 113

일로 분석된다.9) 월별 일수는 7월 22일로 최대를 기록하였고, 11월과

12월은 기준 비율을 충족하는 날이 발생하지 않는 것으로 분석된다.

[그림 3-7] 2014년 일간 SMP 최대/최저 비율 1.163 이상 일수 및 차액평균

합효율이 으로 주어질 때 아래와 같은 2개의 항등식이 성립한다. , 전력가격이 최소(min )일 때 충전하고 최대(max )일 때 방전하게 되면 ESS의

수익이 발생하는 조건은 아래와 같다. maxmin 상기 2개의 항등식을 위의 수익조건에 대입하면 아래와 같이 수익이 발생하는

최대/최소가격 비율이 도출된다.

minmax

9) 24시간 이상의 장시간 동안 전력을 저장하여 SMP가 가장 높은 시간대 판매하는 차익거래는 수익수준은 높을 수 있으나 차익거래의 총 빈도는 줄어들게 된다. 따라서 일일 충･방전 거래를 최적거래전략으로 가정하고 일일 기준으로 최대/최소 가격 비율을 충족하는 일수를 계산하였다.

38

계절별 일수는 하계(6~8월) 42일, 동계(12~2월) 37일, 춘계(3~5월)

29일, 추계(9~11월) 5일 순으로 집계된다. 해당 비율을 충족하는 일의

SMP 차액평균은 42.9로 계산된다. 차액이 가장 높은 달은 6월로 99.8원을

기록하였다. 계절별 평균 순위는 하계(6~8월) 79.2원, 추계(9~11월)

35.3원, 춘계(3~5월) 33.2원, 동계(12~2월) 23.6원 순으로 분석된다.

다. 2021년 SMP 분석

향후 원자력 발전소의 비중이 증가하고 ESS의 비용이 하락할 것으로

예상되므로, 본 연구에서는 이를 반영하여 ESS의 경제성을 평가하기

위해 2021년의 SMP를 전망하였다. 분석방법으로는 7차 전력수급계획

(산업통상자원부, 2015a)의 전력 수요 및 공급설비 자료를 바탕으로 전

력시장 시뮬레이션 프로그램 M-Core로 SMP를 도출하였다. M-Core

는 Lagrangian Relaxation (LR) 방법과 Dynamic Programming

(DP) 방법을 혼합한 Single Unit Dynamic Programming (SUDP) 알

고리듬으로 총 발전기들의 발전비용을 최소화하는 목적함수를 만족시

키는 개별 발전기의 최적 기동정지계획과 발전량을 결정하여 SMP를

도출한다10). 본 연구에서 인용한 7차 전력수급계획의 기본 입력 자료

는 에 정리하였다.

10) 보다 자세한 사항은 장인의 공간(2011), M-Core 사용설명서 v1.2, 김형태 외(2012)를 참조할 것.

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석 39

항목 7차 수급계획 주요 내용　

전력수요(목표수요) 2015년 489,595GWh → 2029년 656,883GWh로 연평균 2.1% 증가

최대전력2015년 82,478MW → 2029년 111,929MW로 연평균 2.2% 증가

부하율 연평균 74% 전망

설비예비율2029년 설비예비율 22%확보 (최소예비율 15% + 공급 불확실성 7%)

전원구성 전망2029년 정격용량 기준으로 우연탄(26.4%), 원전(23.4%), LNG(20.6%), 신재생(20.1%) 순

석탄화력 비중축소영흥7, 8호기(1,740MW), 동부하슬라1, 2호기(2,000MW) 반영 제외

신규원전 반영신규설비 필요물량 3,456MW에 대한 설비로 원전 2기 도출(28년, 29년 각 1기)

신재생에너지 발전량 2029년 전체발전량 중 11.7% 목표

예방정비

･ 원전 : 기존설비 31일, 신규설비 64일 ･ 유연탄 : 500MW급 25일, 1000MW급 31일 ･ 무연탄 : 26일 ･ LNG : 27일

열량단가(원/Gcal)

･ 원전(경수로) : 1,921･ 원전(중수로) : 2,084･ 유연탄 : 18,643･ 무연탄 : 22,917･ LNG : 56,870

7차 전력수급계획에 따른 입력자료

자료: 산업통상자원부(2015a)

[그림 3-8]은 2021년 시간대별 SMP 예측 결과를 나타낸다. 기저설비의

비중 증가로 2014년에 비해 기저전원이 SMP를 결정하는 횟수가

동계와 하계에 크게 증가하여 전체 평균은 85.93원으로 낮아질 것으로

예상된다.

40

[그림 3-8] 2021년 시간대별 SMP(예측)

[그림 3-9]는 2021년 일간 최대가격/최소가격 비율 1.163 이상인 일수와

SMP 차액수준을 나타낸다. 해당 비율을 만족하는 날은 총 213일로

분석된다. 이는 2014년에 비해 약 1.9배 증가한 수치다. 월별 일수는

7, 8월에 31일로 최대를 기록하였고, 2014년 11, 12월은 해당 비율을

충족하는 날이 발생하지 않는 것에 반해 2021년은 각각 11일, 26일로

크게 증가한다. 계절별 일수는 하계(6~8월) 85일, 동계(12~2월) 65일,

추계(9~11월) 34일, 춘계(3~5월) 29일 순으로 분석된다. 2021년 해당

비율을 충족하는 일의 SMP 차액평균은 33.6으로 2014년에 비해 약

10원 정도 낮을 것으로 전망된다. 이는 ESS 차익거래 횟수는 증가하나

마진은 감소할 수 있음을 의미한다. 특히, 하계에 차익감소 수준이 높을

것으로 보인다. 계절별 평균 순위는 하계(6~8월) 48.4원, 동계(12~2월)

제3장 열병합 및 전력시장 현황과 부하패턴 분석 41

37.6원, 추계(9~11월) 25.0원, 춘계(3~5월) 23.4원 순으로 전망된다.

[그림 3-9] 2021년 일간 SMP 최대/최저 비율 1.163 이상 일수 및 차액평균

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3. 열 및 전력부하 패턴 비교

가. 열부하 패�