가상 발전소(Virtual Power Plant)

0. 목차

1. 가상 발전소(VPP)
2. 스마트 그리드(Smart Grid)
3. 분산형 에너지 자원(DER)
4. 에너지 저장 시스템(ESS)
5. 각국의 가상 발전소 추진 현황

1. 가상 발전소(VPP)

 '가상 발전소(VPP: Virtual Power Plant)'는 '정보통신기술(ICT: Information and Communication Technologies)' 및 '자동제어 기술'을 이용해 다양한 '분산 에너지 자원(DER: Distributed Energy Resources)'을 연결·제어하여 하나의 발전소처럼 운영하는 시스템을 말한다. '분산 에너지 자원(DER)'은 '수요지 인근' 또는 '배전망'에 연계되어 '에너지', '용량', '보조 서비스 제공', '잔여 전기 해소' 등이 가능한 전력 자원을 의미한다. '가상 발전소(VPP)'는 이 '분산 에너지 자원(DER)'을 '클라우드(Cloud)' 기반의 플랫폼으로 통합해, '전력 계통 운영 시스템(Energy Market System)'과 연계하고, 센서를 활용해 원격제어하는 방식으로 발전소를 운영한다. 이로써 물리적으로 특정한 곳에 존재하는 발전소는 아니지만, 전기를 공급하는 것과 유사한 효과를 가지게 되며, '분산 에너지 자원(DER)'의 증가로 발생할 수 있는 기술적 문제를 해결하고 통합한 자원을 활용하여 경제적 가치를 창출할 수 있다.

 종래의 전기 생산은 대량 생산 체계를 기반으로 중앙집권형 에너지 공급 체계를 구축해왔다. 따라서 '품질 좋은 전력의 공급', '선로 상태 감시', '외부 공격에 대한 복구력 증강', '전력 사용량 자동 파악', '피크 전력수요 예측의 다각화' 등의 형태로 기술이 발전되어 왔다. 그러나 '에너지 자원의 고갈', '지구 온난화 방지를 위한 탄소 배출량 감소' 등 환경 이슈를 극복하기 위한 해결책이 필요하게 되자, 전력 네트워크의 공급과 관리에 변화가 수반되고 있다. 이러한 수요에 맞춰 주목받고 있는 기술이 가상 발전소 시스템이다.

 현재의 전력 발전소는 다량의 탄소를 배출하는 화석 연료의 대규모 발전소지만, 미래형 가상 발전소는 신재생에너지의 사용이 확대된다. 또한 지금까지의 상위 제어 시스템이 하위 계열로 전력을 수송하는 단방향의 형태였으나, 미래에는 수급과 공급 간 양방향으로 전력과 정보가 흐르게 된다. 일방적 공급을 통해 공급자 중심의 설비가 운영되던 기존과 달리, 가상 발전소는 소비자 중심으로 설비가 운영된다.

1. 에너지 효율의 향상: 가상 발전소 설립을 통한 첫 번째 효과는 에너지 효율의 향상이다. 전달된 정보에 따라 최적의 양에 맞추어 공급되므로 낭비되는 전력을 최소화할 수 있으며, 소비량이 급증할 때 수급의 부족함이 없이 공급할 수 있다.
2. 기후변화에 대응 가능: 가상 발전소 설립을 통한 두 번째 효과는 기후변화에 대응이 가능하다는 점이다. '태양광 발전', '풍력 발전' 등의 신재생에너지는 자연 현상이나 기후의 영향을 맏으므로, 생성되는 전기량이 일정하지 않다. 생성 발전량이 떨어지는 경우, 가상 발전소는 저장된 전기 에너지를 사용하도록 함으로써, 일정량을 안정적으로 공급할 수 있다.
3. 친환경적인 발전소: 가상 발전소 설립을 통한 세 번째 효과는 친환경적인 발전소를 설립할 수 있다는 점이다. 가상 발전소의 설립은 대형 화력 발전소 대신 소규모의 발전소를 분배함으로써 탄소 발생량을 줄여 탈 탄소화에 기여한다.
4. 새로운 비즈니스 모델 창출 가능: 가상 발전소 설립을 통한 네 번째 효과는 신규 일자리 및 새로운 비즈니스 모델의 창출이 가능하다는 점이다. 가상 발전소의 구현에는 각종 인프라, 관리 시스템, 저장 장치, ICT 기술 등 다양한 산업의 융합 기술이 필요하다. 이는 전력, 자동차, 배터리, 가전, 건설 등의 다수 영역에서 일자리와 신 비즈니스 모델이 출현할 수 있음을 의미한다.

 이러한 효과는 기존 전력망 대비 '통제 시스템'이나 '송·배전', '운전', '발전' 등의 다양한 영역에서 자동화와 양방향성을 추구하는 가상 발전소의 특성에서 비롯된다. 아래의 표는 '기존 전력망'과 '가상 발전소'의 특징을 비교한 것이다.

구분	기존 전력망	가상 발전소
통제시스템	아날로그	디지털
발전	중앙 집중형 전원	중앙 집중형+분산형 전원
송·배전	단방향(공급자 위주), 비 실시간	양방향(수요·공급 상호작용), 실시간
전력 공급원	중앙 전원, 화석 연료 위주	분산 전원 증가(신재생에너지, 전기차)
제어 시스템	국지적·제한적 제어	광범위·자동적·안정적 제어
운전	수동 감시, 정기적 유지 보수	자동 감시, 상태 기반 유지 보수
고장 복구	수동 복구	자가 복구
시스템 흐름	수지상(Radial), 정해진 방향 전력 흐름	네트워크, 다양한 전력 흐름

1-1. 가상 발전소의 유형

 가상 발전소는 '자원의 구성' 혹은 '사용 목적'에 따라 다른 유형으로 구분되며, 각각의 혼합형 가상 발전소도 존재한다. 가상 발전소의 유형별 정의는 다음과 같다.

1. 수요기반 가상 발전소: '수요반응(DR: Demand Response)' 자원을 모아 발전소 역할을 한다. '수요반응(DR)'이란 수요 증가에 대한 맞춤형 대응으로서, 전력 소비가 집중되는 시간에 전기 사용을 줄이거나 다른 시간대에 사용하도록 조정하는 것 등을 의미한다.
2. 공급기반 가상 발전소: 산재해 있는 '신재생 에너지', '에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)', '전기 자동차에 저장된 에너지' 등의 자원을 모아 규모의 경제를 갖춘 발전소를 운영하는 형태를 지칭한다.
3. 혼합형 가상 발전소: '수요기반 가상 발전소'와 '공급기반 가상 발전소'의 통합 형태이며, 궁극적으로 추구하는 가상 발전소의 유형에 해당한다.
4. 상업적 가상 발전소: 소규모의 분산 에너지 자원이 중앙급전 발전기로서 전력 시장에 참여하여, 수익을 창출하는 것을 목적으로 하는 발전소를 의미한다.
5. 기술적 가상 발전소: 다양한 분산 에너지 자원의 '중앙 관리' 및 '계통 운영 문제 해결'을 목적으로 하며, '전력 주파수 조정(Power Frequency Adjustment)', '예비 전력 제공(Provide Backup Power)', '전력 조류 제어(Power Flow Control, 전력 계통에서 유효 전력, 무효 전력의 흐름을 제어하여 계통 전체의 고효율 운전을 도모하는 것)' 등의 역할을 한다.

1-2. '가상 발전소' 관련 기술

 '가상 발전소(VPP)'는 다양한 분산 자원을 통한 '정보통신기술(ICT)'을 활용함으로써 하나의 발전소처럼 운영하는 통합 관리 시스템이다. 친환경 시스템으로서 전력 자원 관리의 최적화를 목적으로 하는 가상 발전소는 네트워크의 디지털화·지능화를 기반으로 실현할 수 있다. 또한 운영 가능한 분산 자원을 필요로 하며, 에너지를 저장할 수 있는 설비·시스템이 필요하다. 가상 발전소 구축의 바탕이 되는 핵심기술에는 '스마트 그리드(Smart Grid)', '분산형 에너지 자원(DER: Distributed Energy Resources)', '에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)'이 있다.

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2. 스마트 그리드(Smart Grid)

 '스마트 그리드(Smart Grid)'는 기존 전력망에 정보통신 기술을 접목하여 에너지 이용 효율을 최적화하는 '첨단 전력 네트워크 시스템(Advanced Power Network System)'을 말한다. 이는 '지능형 전력 수요관리', '신재생에너지의 보급 확대', '전기차 충전' 등을 가능하게 하는 기술이다. 미국, 유럽, 일본에서는 필요에 따라 스마트 그리드 기술을 활용한 '가상 발전소(VPP)' 시스템이 구현되고 있으며, 한국도 '저탄소 녹색성장'의 비전에 따라 단계별로 해당 기술을 시행할 예정이다.

 '스마트 그리드'는 '전력 시스템'과 'IT 기술'이 융합한 전력망의 진화된 형태이다. 여기서 '전력망(Electrical Grid, 전기 그리드)'은 발전·송전·배전·소비에 이르기까지 전력을 실어 나르는 모든 설비와 기기를 의미한다. '스마트 그리드'는 전력망의 효율성·안전성을 꾀하면서 전력의 생산·소비 정보를 양방향으로 실시간 유통함으로써 에너지 효율을 최적화한다. '스마트 그리드' 기술 중에서도 '지능형 검침 인프라(AMI: Advanced Metering Infrastructure)', '배전 관리 시스템(DMS: Distribution Management System)', '에너지 관리 시스템(EMS: Energy Management System)' 기술은 스마트 그리드의 유망 기술 분야로 주목받고 있다.

1. 지능형 검침 인프라(AMI: Advanced Metering Infrastructure): '지능형 검침 인프라(AMI)'는 가스·전기·열·온수·수도 등의 공급자가 고객의 에너지 사용량을 원격으로 자동 검침하고 이에 따라 '정확한 에너지 공급'과 '과금 보고' 등의 서비스를 제공하는 것으로 '스마트 미터(Smart Meter)'를 기반으로 소비자와 생산자 간 양방향 소통이 가능하도록 연결해 주는 네트워크 시스템을 말한다. 이는 스마트 그리드의 핵심으로서 '스마트 미터(Smart Meter)', '네트워크(Network)', '소프트웨어 및 서비스(Software & Service)'로 구성된다. '원격 정보 수집'을 통해 개선된 에너지 요금을 반영할 수 있으며, '전력의 품질'과 '정전', 혹은 '전력 누수' 등 전력운영에 필요한 추가적인 정보를 수집할 수 있다. 소비자에게 '계약사항', '가격', '운영정보', '시간 동기화', '펌웨어 업데이트' 등의 데이터 전송을 가능하게 하며, 시스템 상태에 따라 원격지에서 에너지 공급을 조절하고 부하를 제한한다. 또한 각 가정에서 보유하고 있는 자동화 시스템과 인터페이스를 구축함으로써 상호작용할 수 있다.
2. 배전 관리 시스템(DMS: Distribution Management System): '배전 관리 시스템(DMS)'은 원거리에서 컴퓨터와 통신 기술을 활용하여 '배전선로(Distribution Line, 변전소에서 직접 수용가에 전력을 분배하는 선로)'에 적용되는 가스 개폐기의 운전 상태를 감시하고 설비의 운전을 제어하는 시스템이다. 이는 '배전선로'의 고장 발생 시 고장 구간을 파악하고 분리하거나 정전 구간을 복구하고, 설비 운전 정보 데이터베이스를 관리하는데 핵심이 되는 시스템이다.
3. 에너지 관리 시스템(EMS: Energy Management System): '에너지 관리 시스템(EMS)'는 '스마트 빌딩', '스마트 공장' 등 효율적으로 에너지를 공급·소비하고자 하는 운영환경에 관리 체제를 체계적으로 지속하여 추진하는 전사적 '에너지 관리 시스템(Energy Management System)'이다. 신 재생 기반 분산형 전원의 보급이 확대되면서 상업용, 산업용, 주거용 '에너지 관리 시스템'의 수요가 각각 증가할 것으로 전망되고 있다. '에너지 관리 시스템'은 '집중 원격 감시 제어 시스템(SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition)', '발전 제어 및 발전 계획 응용 프로그램', '전력 계통 해석 응용 프로그램', '급전원 훈련용 시뮬레이터'로 구성되며, 공급망에 따라 시스템을 세부 분류하고 있다.

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3. 분산형 에너지 자원(DER)

 '분산형 에너지 자원(DER: Distributed Energy Resources)'은 에너지의 사용 지역 인근에서 생산되고 소비되는 에너지를 말하며, 수요지 인근에서 '에너지의 생산·저장', '잔여 전력의 해소' 등에 기여하는 자원을 지칭한다. '분산형 에너지 자원(DER)'은 대규모의 송전설비와 발전소를 요구하지 않으므로, 전력 공급의 안정성을 확보할 수 있다. '분산형 에너지 자원(DER)' 기술을 활용하면, 에너지의 사용지역 인근에 발전원이 설치·사용됨에 따라 장거리 송전망 건설을 최소화할 수 있다. 또한 중소 규모의 '태양광', '풍력', '에너지 저장 시스템' 등이 전력 사용지역의 인건에 설치됨에 따라 발전소의 대규모 설비에 드는 역량을 축소할 수 있다. 발전원의 분산화에 따라 중앙 계통의 문제가 발생하는 때에도 독립적인 에너지 생산·소비가 가능하여 전력의 안정성을 보장한다.

 국내의 대규모 발전소 및 송전선로 건설과 관련하여 사회적 갈등과 비용이 증가하면서 '분산 에너지 자원(DER)'의 공급에 대한 요구가 확대되고 있다. 미국과 호주 등 해외에서는 탄소 중립과 더불어 '분산 에너지 자원(DER)'의 활성화 대책을 수립하여 추진하고 있다. 한국도 2050년 탄소 중립을 목표로 하는 만큼 적합한 '계통 관리 방안'과 '수용 능력 강화', '시장 제도 조성' 등 세부 영역에 대한 지침을 마련하여 구체적인 시행을 이루어가야 할 것으로 보인다.

 '분사형 에너지 자원(DER)'의 하위 개념은 '분산형 전원(Distributed Generation)', '에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)', '수요반응(DR: Demand Response)', '에너지 효율(Energy Efficiency)'의 4개 영역으로 구분된다. 여기서 '분산형 전원(Distributed Generation)'이란 '태양광 발전', '풍력 발전', '열병합 발전(Cogeneration)' 등 소규모 발전설비를 지칭하며, 2023년 기준 국내의 '분산형 에너지 자원 4개 영역 중 가장 큰 비중을 차지하고 있다.

DER의 구분	상세 자원
분산형 전원(Distributed Generation)	태양광, 풍력, 수력, 바이오, 조력, 연료전지, 열병합 등
에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)	배터리용 '에너지 저장 시스템(ESS)' 등
수요반응(DR: Demand Response)	히터, 펌프, 가전 등
에너지 효율(Energy Efficiency)	조명, 고효율 가전 등

4. 에너지 저장 시스템(ESS)

 '에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)'은 생산된 전기를 전력 저장 장치에 저장했다가 전력이 필요한 시기에 공급하여 전력 사용 효율을 높이는 장치이다. 전력 공급의 신뢰도와 효율성이 위하서는 계통 망의 전 영역에 적용해야 한다. '에너지 저장 시스템(ESS)'은 '전력 저장. 장치(압축공기 저장소, 배터리 등)'와 '전력 변환 장치(PC)', '전력 관리 시스템' 등의 제반 운영 시스템으로 구성된다. 또한 저장의 형태에 따라 물리적, 화학적, 전자기적 등의 방식으로 분류할 수 있다.

구분	'에너지 저장 시스템(ESS)'의 종류
물리적 저장	양수발전, 압축공기 저장장치, 플라이휠
화학적 저장	리튬이온전지, 나트륨 황 전지, 납축전지, 레독스 흐름 전지
전자기적 저장	슈퍼 커패시터, 초전도 자기 에너지 저장장치
열 저장	감열 저장, 잠열 저장

5. 각국의 가상 발전소 추진 현황

 '가상 발전소(VPP: Virtual Power Plant)'는 '모니터링(Monitoring)', '데이터 분석(Data Analysis)', '전력 공급의 안정화', '분산 자원 관리' 등 실질적인 구현을 위해 다양한 영역의 기술을 필요로 하는 기술집약적 산업이다. 이에 세계적으로 가상 발전소를 운영하는 국가는 필요한 기술력을 갖춘 일부 국가에 한하며, 발전소의 '형태', '실현 시기', '규모' 등은 국가별로 상이하다.

1. 영국: 한전 경영연구원의 '전력 경제 보고서(2021)'에 따르면, '영국'은 '피크 관리(Peak Management)', '용량 시장', '보조 서비스', '에너지 시장', '네트워크 지원' 등의 영역으로 나누어 가상 발전소 시장의 접근법을 달리하고 있다. '영국'의 가상 발전소는 자원별로 운영 비중이 다르며, 이 중 재생에너지가 50%로 가장 많은 비중을 차지하고 있다. 영국은 2019년 12월, 에너지 공급 자격을 가진 사업자들을 우선 가상 발전소 사업에 참여하도록 허용하였으며, 현재는 공급 면허를 취득한 에너지 판매업체나 중개 사업자도 참여할 수 있다.
2. 미국: 미국은 2020년 9월, 분산 자원의 시장 참여를 제도적으로 마련하면서 '가상 발전소(VPP)'를 실현했다. 이를 통해 가정용 및 상업용 '태양광'과 '에너지 저장 시스템(ESS)' 투자가 증대할 것을 기대하고 있다.
3. 일본: 일본은 20201년 4월, 중개 사업자가 모집한 '발전기', '에너지 저장 시스템(ESS)', '부하 설비' 등의 자원을 가상 발전소로 정의하였다. 에너지 시장이나 용량 시장 외에 수급 조정 등의 보조 서비스 시장에도 가상 발전소가 활용될 수 있도록 시장을 확대하고 있으며, 정부는 이를 통해 중개 사업자가 증가하고 비즈니스 모델이 신설되기를 기대하고 있다.
4. 한국: 한전 경영연구원의 '전력 경제 보고서(2021)'에 따르면, 해외의 가상 발전소는 '태양광', '풍력', '열병합' 등 다양한 분산 자원이 가상 발전소 시장에 포함되는 반면, 국내는 '태양광' 중심의 자원이 모집되고 있다. 이에 다양한 분산 자원을 결합하려는 노력과 비즈니스 모델 확대를 위한 제도가 필요해 보인다. 한국이 후발주자로 시작하는 만큼 장기적으로 표준화된 가상 발전소의 플랫폼을 활성화한다면, 안정적인 가상 발전소의 운영이 가능할 것으로 보인다.