VPP
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개괄
- VPP(Virtual Power Plant, 가상발전)는 다수의 소규모 분산자원을 모아 하나의 발전소처럼 동작하면서 재생에너지의 부작용을 최소화하고자하는 시도임
- [재생에너지 통합관리와 전력망 안정성 이슈, VPP로 해결]
[다수의 소규모 발전소를 관리]하고 [전력망에 유연성을 공급]하기 위한 방안으로 ESS와 VPP가 제시된다.
[VPP(Virtual Power Plant)]는 흩어진 다수의 재생에너지 발전 자산을 집합자원화하여 모니터링하고 관리할 수 있는 플랫폼으로서, 또한 수요측에 위치한 ESS를 집합자원화하여 전력망에 유연성을 공급하는 플랫폼으로서 주목받고 있다.
미국의 VPP 사업자는 비상전원이나 태양광 전력 저장 용도로 [주택/상업건물에 설치된 ESS를 활용해 VPP를 구성]한다. [전력가격 급등시 전력을 역송하여 판매하는 형태]다.
- 재생에너지 비중이 증가하며 전력망 안정성이 이슈로 부각되고 있다. 대부분 소규모인 재생에너지 발전자산은 분산하여 위치함에 따라 관리와 제어가 어렵다.
- 또한 재생에너지 증가에 따라 태양광 발전량이 높은 낮시간대에는 전력가격이 낮게 형성되는 반면, 저녁 시간대에는 수요증가와 발전량 감소가 맞물리며 전력 가격이 급등한다.
- 이런 Duck Curve나 마이너스 전력가격과 같은 이슈는 결국 전력망 안정성 저하로 이어진다
기본정보
가상발전(VPP), 다수의 소형 재생에너지 자원을 통합관리하는 플랫폼
- 재생에너지 발전자산은 특정 지역에 대규모 발전자산이 입지하는 전통발전과 다르게 [더 많은 수의 자산]이,[ 더 적은 규모]로, [더 넓은지역]에 걸쳐 분포하며, 간헐성을 태생적 속성으로 하는 재생에너지의 증가는 전력계통의 불안정성의 증가로 이어짐. VPP는 다수의 소규모 분산자원을 모아 하나의 발전소처럼 동작하면서 재생에너지의 부작용을 최소화하려는 시도임
- 가상발전소(VPP)는 여러 개의 작은 물고기가 모여 큰 물고기를 이루는 형태로 비유되기도 함
- 태양광, 풍력, 수력 등 다양한 재생에너지 발전자원과 배터리, 전기차 등의 에너지 저장장치(ESS), 공장, 사무실 등 수요를 조절하는 수요반응자원 등 다수의 소규모 자원을 결합하여 전력시장에 참여하는 것을 목표하기 때문
- 태양광, 풍력, 수력 등 다양한 재생에너지 발전자원과 배터리, 전기차 등의 에너지 저장장치(ESS), 공장, 사무실 등 수요를 조절하는 수요반응자원 등 다수의 소규모 자원을 결합하여 전력시장에 참여하는 것을 목표하기 때문
개별 재생에너지 발전자산의 규모는 계속 작아지고 있다. 분산되어 있는 [발전자원을 연결]]하고, 여기에서 나온 [데이터를 분석]하고, 개별 자산을 컨트롤함으로서, [전력시장에 서비스를 제공]하고 [새로운 수익을 창출하는 플랫폼]이 가상발전, Virtual Power Plant(VPP)다
VPP는 비상전원 등 용도의 주택용 ESS 등을 활용해 수익 창출, 공유경제에도 비유하기도하는데, Uber는 개인이 이동을 위해 구입한 차량을 이용해 여유시간에 다른 사람들에게 교통서비스를 제공하면서 수익이 창출되고, airbnb의 경우에도 개인이 주거를 위해 구입한 주택을 주거공간을 사용하지 않을 때 다른사람에게 빌려줌으로서 수익을 창출함
VPP의 구분
VPP는 집합자원화하는 자산의 성격에 따라 공급형 VPP과 수요형 VPP으로 구분
- 가상발전소(VPP)의 정의는 국가별, 전력시장별로 다르다.
- 글로벌 컨설팅 회사인 Guidehouse는 이를 주로 수요자원으로 구성되어 전력 피크시간에 수요감소를 통해 유연성을 공급하는 수요반응형(Demand-Response VPP), 주로 발전자원으로 구성된 공급형(Supply-Side VPP), 그리고 수요자원 뿐 아니라 발전자원 등이 결합된 혼합형(Mixed-Asset VPP)으로 구분하기도 했다.
공급형 VPP는 주로 전력시장(도매전력시장)에 참여하는 발전자원(FTM, Front of the Meter) 중심의 VPP
수요형 VPP는 고객단(BTM, Behind the Meter)에 위치한 지붕 위 태양광, 주택용 ESS 등과 수요자원을 이용한 VPP
VPP 플랫폼 구성요소
VPP 플랫폼은 크게 운영 소프트웨어(Software), 통신망(Communication), 제어부(Control)로 구성된다.
[운영 소프트웨어]는 VPP의 핵심으로 개별 자산에서 [수집된 데이터를 분석]하고, 전력시장의 가격신호를 받아 [입찰에 참여]하고, 최종적으로 [개별 자산의 운영을 결정하는 역할]을 담당한다. 개별 자산 및 전력시장으로부터 수집된 현재 발전 량, 충전량, 가동 가능 여부, 날씨, 전력 가격 및 수요 등 각종 데이터는 예측을 위한 기초 자료로서 활용된다. AI 등을 통해 도출된 예측결과에 기반해, VPP는 전력시장에 입찰하고 결과에 따라 발전 자산의 가동여부를 스케줄링한다.
[제어부]는 개별 자산을 통제하고 VPP [운영 소프트웨어의 신호에 따른 실행을 담당]한다. ESS는 추가장비 없이 기존 시스템을 통해 컨트롤이 가능한 경우가 많으나, VPP를 염두에 두지 않고 설치된 소규모 태양광에는[ RTU와 같은 별도의 모니터링 장비 설치가 필요한 경우도 있다]
[통신망]은 개별 자산과 VPP 소프트웨어 사이에서 데이터와 컨트롤 신호 전달을 담당한다.
VPP의 주요 이해관계자
- 전력시장을 관할하는 계통운영자들([규제기관])은 용량, 보조서비스 등 집합자원인 VPP가 참여할 수 있는 시장과 제도를 설계하고, 경우에 따라서는 VPP의 서비스를 구매하는 역할을 담당
- VPP 운영자는 수립된 제도 하에서 필요한 소프트웨어 및 하드웨어를 개발하거나 [기술 공급자](Tech. Provider)를 통해 VPP 시스템을 구축 및 운영하며, 다른 한편으로는 VPP에 참여할 자원을 모집한다.
- [VPP 운영]은 별도의 VPP 전문 플랫폼 회사가 담당하는 경우도 있으나, 지역에 따라서는 전력 소매 회사 또는 발전자산의 전력판매를 대행하는 회사(Power Marketer)가 담당하는 경우도 있다.
- VPP 운영자는 직접 분산 발전 자산을 모으기도 하지만(Aggregator), 다른 집합 자원 관리자(Aggregator)를 통해 일정 규모로 모아진 자산을 VPP에 편입하기도 한다.
- [개별 자산 보유자](Asset Owner)들은 VPP 운영자 또는 집합자원 관리자와의 계약을 통해 시장에 참여한다.
시장전망(트렌드/향후전망)
- 2022년 주택용 ESS 시장 급성장, VPP 확대로 이어질 것
- 미국 VPP 시장규모 추정
- 주택용 ESS는 미국시장에서 매년 약 3
4GWh, 20만30만 가구 이상의 신규판매가 전망된다. 21년 기준 주택용 ESS의 약 12%로 추정되는 VPP 참여율도 향후 증가가 예상된다. 이렇게 ESS 물량과 VPP 참여율이 모두 증가함에 따라 미국 VPP 시장은 향후 빠르게 성장할 것이다. 가구당 VPP 연매출을 21년의 캘리포니아 수요자원시장(DRAM, Demand Response Auction Mechanism) 가격 수준인 kW당 68달러로 고정하여 가정할 경우 2025년 기대되는 VPP 시장 규모는 약 1.7억 달러 수준이다.
- 주택용 ESS는 미국시장에서 매년 약 3
- 2022년 글로벌 주택용 ESS 판매 전년 대비 2배 성장
- 많은 국가에서 주택용 ESS 및 상업용 ESS를 통한 VPP를 시도하고 있다. 이에 따라 VPP를 논할 때 빼놓을 수 없는 것이 주택용 ESS 설치 동향이다. 주택용 지붕 위(Roof-Top) 태양광과 주택용 ESS는 주로 자가소비용으로 설치된다. 그러나 이를 VPP를 통해 집합자원화하면, 전력망에 안정성을 공급하는 용도로도 사용할 수 있다. 과거 경제성이 없었던 [주택용(Residential) ESS는 최근의 급격한 전기요금 상승에 따라 판매량이 급속히 증가]했다. 개별 용량은 작지만, 급속히 보급되고 있는 [주택용 ESS를 VPP화 하는것은 VPP 사업에는 새로운 기회]다.
- 세계적인 전기요금 인상, 주택용 태양광 및 ESS 경제성 상승
- 전력가격이 상승함에 따라 주택에 지붕 위(Roof-top) 태양광 시스템을 설치하거나 주택용 ESS 시스템을 설치해서 얻을 수 있는 절감액은 더 커졌다. S&P에서 일반적인 주택용 태양광에 대해 시뮬레이션한 결과에 의하면, 태양광 시스템 설치를 통해서는 약 20
40%, 태양광에 ESS까지 추가 설치를 통해서는 4070%까지의 전기요금 절감이 가능한 것으로 나타났다. - [전력요금이 상승하면 절감율 자체에는 변화가 없더라도 절감 금액 자체는 더 커진다. 이는 주택용 태양광과 ESS 시스템의 경제성 향상]으로 이어진다.
- 전력요금 절감 가능 금액이 커지면서, [투자 회수기간(Payback Period)도 짧아졌다]. 2020년 기준 주택용 태양광과 ESS를 동시에 설치한 경우 보조금을 고려하지 않았을 때 회수기간은 13년~20년 수준으로 경제성이 없었다. 그러나 2022년의 전력요금 절감액을 기준으로 시뮬레이션 한 결과 투자 회수기간은 30% 이상 줄어든 것으로 나타났다.
- 지역별로 보면 유럽에서도 전력가격이 최고 수준인 독일의 경우 투자 회수기간이 10년 이내로도 들어올 수 있는 것으로 나타났다. 영국, 이탈리아의 경우에는 투자 회수기간이 14년 정도로 전망되었는데, 보조금 수준에 따라 경제성이 있을 수 있는 영역이다.
- 향후, 전기차와 히트펌프(Heat Pump) 등이 사용에 따라 가구당 전력사용량은 지속적으로 늘어날 전망이다. [가정에서 부담해야 하는 전기요금이 늘어난다면 전기요금을 절약할 수 있는 솔루션에 대한 관심이 늘어날 수 밖에 없고, 가구당 설치하는 태양광과 ESS 시스템의 규모도 동반 증가할 가능성]이 있다.
- 전력가격이 상승함에 따라 주택에 지붕 위(Roof-top) 태양광 시스템을 설치하거나 주택용 ESS 시스템을 설치해서 얻을 수 있는 절감액은 더 커졌다. S&P에서 일반적인 주택용 태양광에 대해 시뮬레이션한 결과에 의하면, 태양광 시스템 설치를 통해서는 약 20
비즈니스모델 / 밸류체인 / 전후방산업관계
- Business Model
- 공급형 VPP는 발전량 예측 및 최적화 모델/ 유연성 공급 모델의 2가지 사업모델
- 수요형 VPP는 수요자원 모델/ 주택 분산자원을 활용한 Residential VPP 모델의 2가지로 나뉜다.
- VPP사업자가 모든 사업모델을 전부 채용하지는 않는다. VPP사업자는 여러 사업 모델 중 시장에 맞는 형태의 사업모델을 운용하며 그 형태는 계속 진화하고 있다.
- VPP는 전력시장의 Uber,[ 분산발전의 집합화/최적화]로 수익창출
미국 VPP 사업자는 BTM 자산을 이용한수요형 VPP 중심
서부 캘리포니아에서는 특히 여름철 피크 시간대의 전력이슈를 해결하기 위해 고객 수요단에 설치된 ESS 자원을 활용하고 있다. Tesla, Sunrun, Generac 등은 주택용 ESS를 활요해 여름철 피크시간에 ESS에 충전된 전력을 전력망으로 송전하고 이에 대한 보상을 받는다. Stem과 같은 회사는 건물 등에 설치된 상업용/산업용 ESS 자산들을 집합자원화해 수요자원으로서 용량시장에 참여하고 있다.
[Sunrun] / GMP 사례: VPP 참여대가를 소비자에게 일시불로 지급
[Tesla] VPP: 전력부족 상황에서 외부 판매하는 전력량에 대해 보상
VPP 기반인 ESS 설치에 대해서도 각종 보조금 존재
- 재생에너지 비중과 도입 의지가 높은 서부, 동부해안과, 전통 발전 비중이 높은 미 중부는 정책 및 시장제도 측면에서 확연히 다른 모습을 보이고 있다. 서부 및 동부해안, 그리고 하와이 등 재생에너지 비중이 높은 지역일수록 전력망 불안정성이 심화되고 있고 이에 따라 전력망에 안정성을 공급할 수 있는 ESS 관련 정책이나 지원제도가 많은 편이다.
- 대표적으로는 캘리포니아에는 주택용, 상업용 ESS 설치에 대한 보조금인 자가발전 인센티브(SGIP, Self Generator Incentive Program) 제도가 존재한다. 또한 ESS에 한정된 제도는 아니나 수요자원시장(DRAM, Demand Response AuctionMechanism) 프로그램에 참여하는 방법으로도 ESS를 활용한 수요자원 형태의 VPP 사업이 가능하다.
유럽에서 VPP 사업자는 [간헐성을 지닌 여러 재생에너지 발전자원과 ESS 등 유연성 자원을 통합관리하고 하나의 전통발전소처럼 최적화]한다.
독일, 공급형 VPP를 통한 전력시장 안정화
- 독일시장은 미국과 달리 [도매전력시장에 용량과 에너지를 공급하기 위해 건설된 FTM(Front of the Meter) 발전자산을 중심으로 VPP가 성장]해 왔다. 최근 독일에서 주택용 ESS의 보급이 급증했고 다른 유럽국가인 영국 등에서는 미국과 유사한 수요형 VPP도 존재하나, 존재감은 공급형 VPP가 훨씬 크다. 독일에서는 VPP가 소규모 발전자원을 통합하여 전력시장에 참여하는데 중요한 역할을 담당한다.
호주, [전력 소매사업과 주택용 태양광 판매 및 리스사업, VPP 사업을 결합한 새로운 형태의 “Gentailer”를 추구]
- 호주는 일사량이 높아 일찍부터 주택용 태양광 설치율이 높은 지역이었다. 이 지역에서는 태양광과 주택용 ESS를 활용한 VPP를 전개하기 위해 2010년대 후반부터 다양한 파일럿과 데모 프로그램이 진행됐는데, 미국과 달리 주로 전력소매 사업자(Retailer)가 중심이 되는 구조였다.
- 이에 따라 [소매사업자들은 기존의 전력소매사업에 분산전원사업과 VPP사업을 번들화하는 시도를 진행]했다. 즉, 기존 전력 소매 고객에게 주택용 태양광과 ESS를 판매 또는 리스하고, 이를 VPP화 하고, 부족 전력을 그리드로부터 공급하거나 고객의 잉여전력을 매수하는 사업까지를 번들화하여 고객에게 제안했다. 이들이 추구하는 형태는 분산발전을 통한 발전과 전력소매 사업을 결합한 새로운 “Gentailer” 즉, 발전사(Generator)와 소매사(Retailer)의 결합 모델이다.
- 호주의 전력소매사업자들은 분산전원의 확산과 VPP의 도입으로 전력 생산과 소비 형태가 변화하고 있다.
한국, [공급형 VPP]로 가는 길목 - 소규모 전력중개시장을 통해 재생에너지 집합자원화 시작
- 소규모 전력중개사업자는 소규모 전력자원 보유자와 중개계약을 체결하고 이를 통해 집합된 자원을 대상으로 전력과 REC 거래를 대행하는 것을 기본으로 한다.
- 소규모 전력중개사업의 대상자원은 신재생에너지법에 따른 설비용량 20MW 이하의 신재생에너지 발전설비, 충방전 설비용량 20MW 이하의 전기저장장치(ESS), 친환경자동차법에 따른 전기자동차를 포함한다.
- 소규모 전력중개사업은 전력과 REC의 거래대행으로 시작하여 초기에는 사업을 통해 얻을 수 있는 수익이 많지는 않았다. 그러나 기존 대규모 전통발전설비에 비해 소규모 법인이나 개인이 소유하고 있는 신재생 발전설비를 전문운영기관의 운영서비스를 통해 집단자원화한다는 점에 의의가 있다. 이렇게 집단자원화된 신재생에너지자원은 향후 가상발전(VPP)를 위한 기반 자원이 된다.
- 소규모 전력중개사업에 발전량 예측제도가 도입되며 공급형 VPP에 한발짝 다가서
- 우리나라에서 향후 전개될 VPP 시장은 공급형 VPP에 가깝다. 정부는 간헐성을 가진 재생에너지 자산 비중의 증가 전망에 따라 2020년 9월 전력시장규칙을 개정하여 출력변동성 대응을 목적으로 한 재생에너지 발전량 예측제도를 도입했다. IEA에서도 재생에너지 설비규모의 확대에 따라 안정적 계통운영을 위해 재생에너지 발전량을 예측하고 유연성 자원을 확보할 것을 권고하고 있는데, 재생에너지 발전량 예측제도는 이에 따른 것이다.
- 재생에너지 입찰제도 도입을 통해 VPP로 진화 전망
- 재생에너지 발전량 예측제도는 향후 VPP로 진화할 전망이다. 정부는 2021년 6월 분산에너지 활성화 추진전략을 발표하며, 재생에너지 발전량 예측제도가 향후 신재생 발전량 입찰제도로 확대되고, 실시간 시장, 보조서비스 시장 도입과 함께 한국형 통합발전소(VPP) 제도가 도입될 것임을 밝혔다.
- 이에 따라 전력거래소는 2023년 10월부터 제주도에서 ‘시장원칙 기반 전력시장 제도개선 제주 시범사업’을 진행할 계획이다.
- Business Model
세부정보
- 미국 주요 VPP 사업자
- VPP사업의 밸류 체인에는 다양한 사업자가 존재한다. 이를 세 분류로 나누면 소규모 발전자산을 개발 또는 보유하는 회사(Developer/Owner), ESS를 제조하는 ESS 제조사, VPP 운영사 셋으로 나눌 수 있다.
- VPP사업의 밸류 체인에는 다양한 사업자가 존재한다. 이를 세 분류로 나누면 소규모 발전자산을 개발 또는 보유하는 회사(Developer/Owner), ESS를 제조하는 ESS 제조사, VPP 운영사 셋으로 나눌 수 있다.
- 국내 주요 관련 VPP기업
- 미국 주요 VPP 사업자
