한국 전력 시장 환경에서의 부하 평준화를 목적으로 하는 BESS 활용의 경제적 효과 분석

Abstract

Recently, there has been a significant global increase of renewable energy sources(RES) due to their carbon-reducing attributes compared to the traditional generation sources. However, since the power outputs of RESs, such as wind or solar, are variable, intermittent, and uncertain, it may pose a threat to the reliability of power systems if the traditional generation sources are unable to compensate for the rapid changes of the RESs outputs. In order to cope with the inherent characteristics of RESs, battery energy storage system(BESS) has been introduced to the power systems as a solution. Currently, there is an ongoing global effort to increase the integration of BESSs to power systems both in distribution and transmission scales, and it is also expected that the BESSs will act as a relief for the insecurity and instability of the power systems caused by RESs in South Korea. One of the major decision factor affecting integration of the BESS to power systems is its economic feasibility. Up until now, various researches have been conducted to analyze the economic feasibility of BESS for various applications in power systems, which can be categorized as follows: BESS operation strategy and size optimization while maximizing the net present value of integrated RESs BESS operation strategy optimization considering dynamic electricity pricing environment BESS bidding strategy optimization in wholesale power markets BESS peak shaving effect analysis under real-time electricity pricing environment Among various applications, economic and technical aspects of BESS for load leveling is analyzed since it is one of the major applications for RES integration in South Korea, and to aid in the decision making process of the policymakers. In this thesis, economic feasibility and technical effect of BESS for load leveling is analyzed under Korean power market/system environment, while varying the size of BESS. Aforementioned literatures do not take into account the changes in electricity prices when charge/discharge amount of BESS varies. Considering the widespread roll-out of BESS in the near future, the relationship between BESS charge/discharge amount and electricity price should be analyzed. Furthermore, in previous literatures, electricity price only is modeled as a function of total generation amount. However, under competitive market environments, electricity price may be significantly affected by the bidding strategy of market participants. Therefore, more precise modeling of the electricity price function is necessary. To overcome the limitations of previous literatures, in this thesis, electricity price function is modeled considering the charge/discharge amount of BESS. Furthermore, to account for bidding strategies of the market participants, real-time data of Korea Power Exchange(KPX) has been used to reflect the relationship between load and electricity price as a polynomial function.

탄소 배출량 저감에 대한 전 세계적인 환경적 요구로 인해 탄소 배출이 기존 발전원 대비 상당히 적은 신재생 에너지 발전원의 확대가 급속도로 이루어지고 있으며, 이에 따라 국내에서도 신재생 에너지원에 대한 투자가 빠르게 증가하고 있다. 그러나 이러한 신재생 에너지원은 변동성(Variability), 간헐성(Intermittency), 불확실성(Uncertainty)이 존재하기 때문에 전력계통 연계에 단점을 지니고 있다. 즉, 태양광과 풍력으로 대표되는 신재생 에너지는 기상조건에 영향을 받기 때문에 발전량이 간헐적이며 발전량의 변동성이 높다. 또한 기상조건은 정확하게 예측하기 어렵기 때문에 불확실성 역시 높다. 신재생 에너지 발전량이 간헐적이고 변동성이 크며 예측이 어려울수록, 전체 수요와 공급을 맞추기 위해 이를 뒷받침해주는 나머지 발전원들의 발전량도 같이 급격히 변화해야 한다. 이렇게 되면 전력계통 안정성에 큰 부담이 될 뿐 아니라 심각한 경우 전력계통이 붕괴될 수도 있다. 이 단점에 대한 방안으로 BESS(Battery Energy Storage System)의 도입이 제시되고 있다. BESS가 도입되면 신재생 에너지원의 전력계통 연계에 발생하는 단점인 변동성(Variability), 간헐성(Intermittency), 불확실성(Uncertainty)이 극복될 수 있기 때문이다. 이러한 이유로 인해 BESS를 소규모 뿐 아니라 발전원 단위의 대규모로 도입하려는 시도들이 전 세계적으로 상당히 많이 이루어지고 있으며, 국내에서도ii BESS의 도입이 신재생 에너지의 확대로 인한 전력계통의 불안정성을 해소시켜줄 것이라고 기대되고 있다. 신재생 에너지가 확대 및 보급됨에 따라 전력계통의 신뢰성 및 안정성 측면에서 각광받고 있는 BESS 도입에 대해 경제적 타당성(Economic feasibility)을 따져보는 것은 BESS 관련 정책 결정에 있어서 주요 고려 사항이 된다. BESS는 전력계통 내에서 다양한 목적으로 활용될 수 있는데, 여러 목적으로 활용되는 BESS의 경제적 타당성(Economic feasibility)을 따지는 선행 연구들이 있다. 계통 연계 신재생 에너지의 순현재가치를 최대화하고 총 비용을 최소화하는 BESS의 충방전 전략을 BESS 크기와 연관시켜 분석하는 연구, 전력 가격이 동적으로 변화하는 환경에서 BESS의 용량을 정해 놓고 비용 최소화를 위한 BESS의 운영 전략 기법을 제시하는 연구, 전력 시장에서의 입찰 전략을 활용하여 BESS 사업자의 이익을 증가시키는 방법을 제시한 연구, 실시간 전력 요금제 환경에서 BESS를 활용한 첨두 부하 저감(Peak shaving)에 대한 경제적 효과를 분석한 연구 등이 있다. 본 논문에서는 BESS 활용의 여러 목적 중 부하 평준화(Load Leveling)의 용도로 활용될 때 얼만큼 평준화 효과가 있는지, 또 경제적 효과가 있는지, BESS의 크기에 따라서 그것들이 어떻게 변화하는지를 다룬다. 그 이유는 신재생 에너지가 확대 보급되는 상황에서 이를 연계할 BESS를 부하 평준화 수단으로써 활용하는 것이 현재 국내 주요 이슈이며, 이에 대한 효과 및 경제성 분석은 본 논문이 분석 대상으로iii 삼고 있는 범위에 한정하여 정부의 BESS 관련 정책 결정에 도움이 되는 일부 가이드라인을 제시할 수 있기 때문이다. 다시 자세히 기술하면, BESS가 부하 평준화 목적으로 활용될 때, BESS의 크기에 따른 부하 평준화 효과와 전력 판매업자 관점의 전력 구매 비용에 대한 경제적 효과를 정량적으로 분석한다. 위에서 언급한, BESS의 다양한 용도에 대한 경제성을 분석한 선행 연구들은 BESS의 충방전량에 따라 전력 가격이 변화하는 현상을 고려하지 않고 있다. 향후 전력계통 내 BESS의 보급이 확산될 것을 고려할 때, BESS의 충방전이 전력 판매업자의 전력 구매 가격 변화에 미치는 영향을 결코 무시할 수 없다. 또한 선행 연구들에서는 전력 가격을 단지 발전량의 함수로만 간주한다. 그러나 경쟁 시장 환경 하에서 전력 판매업자의 전력 구매 가격은 발전량의 함수로만 결정되는 것이 아니며, 전력 시장 참여자들 간의 입찰 전략이 영향을 크게 미치게 된다. 본 논문에서는 위에서 언급한 기존의 관련 연구들의 단점을 극복하기 위해 전력 도매 시장에서 결정되는 전력 구매 가격이 BESS의 충방전량에 따라 변화하도록 모델링하였으며, 단지 발전량의 함수로 가정하지 않고 전력 시장에서의 입찰 전략에 따라 가격이 변화하는 현상을 포함시키기 위해 한국 전력거래소(KPX, Korea Power eXchange)의 실 데이터를 기반으로 부하와 전력가격 간의 관계를 다항 함수로 회귀하여 활용하였다.