재생에너지가 야기할 전력가격 변동성
탄소중립 달성을 위해 화석연료에서 재생에너지로 전환이 이뤄지고 있다. 최근에 는 지정학적 리스크로 화석연료 가격이 급등하자 에너지 독립을 달성하고자 하 는 서방국가들의 투자가 확대되는 중이다. 하지만 재생에너지라고 안전한 건 아 니다. 태양광과 풍력발전은 자연환경에 따라 가동되기에 수급 균형을 맞추기 힘 들다. 태양광 발전이 많아지면 낮에는 전력이 과잉공급된다. 호주는 재생에너지 비중이 높아지자 전력가격 변동성이 확대됐다. 이상기후 발생 시 전력가격이 100배 상승해 소비자들의 불안감이 커지고 있다.
ESS로 전력시장 안정화와 전력 판매까지
전력시장 안정화를 위해 배터리 ESS(에너지 저장 장치) 설치가 필요하다. 발전 시간과 수요 시간의 불균형을 해소하기 위해서다. ESS 설치량은 ’20년 18GW에 서 ’50년 3천GW로 증가할 전망이다. ESS를 효율적으로 운영하기 위한 전력관리 S/W가 부각 받고 있다. 원격으로 ESS를 제어해 소비자의 비용을 아껴주고, 시장 전력가격이 비쌀 때 ESS에 저장된 전력을 판매해 시세차익을 누린다. 이처럼 분 산돼있는 여러 대의 ESS를 원격으로 제어하는 것을 VPP(가상 발전소)라 부른다. VPP 사업자들은 AI 기술로 전력가격을 예측해 수익을 극대화한다.
전기차는 움직이는 ESS의 개념으로
VPP의 개념이 확장돼 전기차 배터리에 저장된 전력을 거래하는 V2G(Vehicle to Grid)가 도입될 예정이다. 주택용 태양광에 10kWh 배터리가 설치되는 반면 전 기에는 70kWh의 배터리가 탑재된다. 전기차 배터리 규모는 ’20년 560GW에 서 ’50년 19만GW로 증가할 전망이다. 글로벌 자동차 업체인 VW은 올해부터 V2G 서비스를 개시할 계획이다. 전기차 1위 기업 Tesla는 이미 ESS를 통해 전 력거래 S/W를 고도화 중이고 판매된 차량에 V2G 서비스를 시행하기 위한 부품 을 갖춰놨다. 2022년은 전기차로 전력거래를 시작하는 원년이 될 전망이다.
VPP, V2G 시장규모 500조원? 누가 잘할까
산업 초기 단계로 기업들의 실적 확인이 불가하다. VPP 기업들의 사업계획과 수 익구조를 추정하고, 해외에서 진행된 VPP 실증사업 결과를 바탕으로 시장규모를 추정했다. 보수적으로 연간 500조원, 긍정적 가정시 1,500조원의 시장규모를 갖 출 것으로 예상한다. VPP는 전력시장 안정화가 주된 목적으로 규모의 경제를 갖춰야 한다. 따라서 산업 초기인 현재 주목할 기업은 배터리 판매량을 높일 기 업이다. 관련 기업으로 태양광 인버터 업체인 Enphase Energy(ENPH.US), 전기 차 기업인 Tesla(TSLA.US), 상업용 ESS 업체 Stem(STEM.US)을 추천한다.
VPP(가상발전소, Virtual Power Plant) 개념도 – ESS 원격 관리
자료: Toshiba, 신한금융투자 추정
자료: AEMO, 신한금융투자
ESS로 전력시장 안정화와 전력 판매
2050년 재생에너지 비중 68% 전망. 전력가격 변동성 확대 불가피
전력가격 변동성 확대 불가피
탄소중립을 위한 투자는 인류의 주 에너지원의 변화이기도 하다. 최조 에너지 소 비 중 화석연료 비중은 66%로 주를 이루지만 2050년 탄소중립 달성 시나리오를 감안하면 주 에너지원은 전력 49%로 전환하게 된다. 전력 중 재생에너지 비중은 68%로 전망된다. 독일과 호주 문제가 재생에너지 비중이 20~30%일때 발생한 것임을 감안하면 향후 전력시장은 매우 불안정해질 것이다.
산업별 온실가스 배출량은 발전 39%, 산업 25%, 운송 23%이다. 모든 분야에서 전력으로의 에너지원 전환이 필요하다. 다만 산업부문에서는 화석연료가 원재료 인 것들이 있다. 정유화학 산업이 대표적이다. 전력화에 따른 가장 큰 변화를 소 비자가 느낄 곳은 발전과 운송 부문이다. 발전은 중앙집권적 발전에서 루프탑 태 양광과 같은 분산형 자가 발전으로, 운송은 내연기관차에서 전기차로 전환이 이 뤄질 것이다. 향후 소비자는 에너지를 생산부터 소비까지 관여하며 독립적인 에 너지 활용 체계를 갖추는 것이다.
분산발전 증가는 유틸리티 회사들로 하여금 전력시장 지배력을 낮춘다. 중앙 기 관에서 통제되지 않는 발전원이 많아지는 것이기 때문이다. 또한 전기차가 확산 될수록 충전이 몰리는 시간대에 전력 소모가 급증할 것이다. 주체적인 에너지 생 산 및 소비로의 전환은 시장 불균형을 초래한다.
전력가격 변동성을 낮추기 위한 ESS의 투자는 뒤늦게 이뤄지고 있다. 특히 ESS 중 배터리는 누적 설치량 기준 2020년 17GW에서 2030년 585GW로 증가할 전 망이다. 동기간 재생에너지 캐파는 1,474GW에서 8,057GW로 증가한다. 배터리 가 재생에너지 캐파 대비 차지하는 비중은 1%에서 7%로 확대된다. 2050년엔 배 터리 캐파가 3,000GW로 늘어나 비중도 17%로 확대될 전망이다. 수소 또한 ESS의 한 종류로 활용되며 수요가 급증할 것이다. 현재 9천만톤의 수요는 2050 년 5.3억톤으로 증가할 것이며 그린수소 비중이 동기간 0.5%에서 60%로 확대될 전망이다.
전력시장 안정화에 필요한 ESS 비중은?
적정캐파는아직연구중이나 재생에너지 비중에 따라 1~4단계로 나눔
재생에너지 간헐성을 보완하기 위해 재생에너지 캐파 만큼의 ESS를 설치하면 좋 겠지만 경제성이 따라주지 않는다. 경제성까지 고려한 최적의 비중은 국가별 조 건에 따라 상이할 것이고 해당 과제는 아직 연구 중이다.
이상기후로 재생에너지 발전원이 중단되고 대규모 정전사태가 잦아지고 있는 것 을 고려하면 현재 적정 ESS 캐파를 갖춘 국가는 없다 판단한다. 글로벌 재생에 너지 캐파 대비 배터리 캐파가 1% 뿐이며 그나마도 미국에 집중되어 있다. 발전 원 중 재생에너지가 차지하는 비중에 따라 전력망에 미치는 영향을 분석해 현재 상황을 점검할 수 있다. 국가별 전력 인프라의 현대화 정도에 따라 재생에너지가 미치는 영향은 상이할 것이다. 재생에너지 비중 보다는 전력시장에 나타나는 영 향이 보다 정확한 기준으로 판단한다.
비중별 단계를 1~4로 나누어 보면 현재 글로벌 전력시장은 재생에너지 발전 비 중이 9%로 2단계(3~15%)에 위치한다. 독일과 호주같이 재생에너지 비중이 높 은 국가는 3단계(15~25%)다. 2단계까지는 재생에너지가 전력망에 미치는 영향 은 크지 않다. 전력망의 변화를 인식하는 단계이며 기존 발전원의 가동 조절로 전력수급 균형을 맞출수 있다. 다만 3단계로 넘어가면 발전소 운영 패턴의 큰 변 화가 감지된다. 여러 지역에서 기후 상황에 따라 발전량이 달라지고, 일시적으로 기존 발전소를 가동 중단하는 사례가 많아진다. 4단계(25~50%)는 특정 시간에 재생에너지 발전 비중이 100% 가량 차지한다. 재생에너지가 전력시장에 미치는 영향력이 확대된 것으로 수급 불균형이 잦아진다. 전력망 전반의 보강이 필요하다.
주택용 태양광 침투율이 5%에 불과하지만 그 중 배터리를 같이 설치한 비중은 또 5% 내외로 추정한다. 미국 최대 주택용 태양광 회사인 Sunrun의 누적고객 중 태양광+배터리 고객 비중이 4Q21 기준 5.6%에 불과하기 때문이다. 태양광 용량에 맞는 적정 배터리 용량은 없지만 전기차 제조사인 Tesla의 주택용 배터리 인 Power Wall의 경우 14kWh 용량 제품이 약 13,000달러다. 전기차 보급 확산 으로 배터리 가격이 하락한 현재 시점의 가격이므로 과거 설치 비용 부담은 더 컸을 것이다.
태양광과 배터리 설비 가격을 고려한 총 설치비용은 하락하는 추세다. 태양광 모 듈의 기술발전으로 단일 모듈 당 출력이 높아지고 있다. 설치 업체들은 M&A를 통해 규모의 경제 효과가 나타나고 있다. 배터리 가격도 기술개발을 통해 더욱 하락할 전망이다. 종합적인 설치비용의 하락은 태양광+ESS 설비 침투율의 증가 로, 이는 전력시장 안정화에 기여할 것이다.
VPP, AI 전력거래 솔루션
분산발전이 확산될수록 분산발전원과 기존 발전원들을 서로 아우를 수 있는 전 력관리 소프트웨어가 중요하다. 전력관리 소프웨어의 궁극적인 목표는 모든 발전 원을 원격으로 관리해 안정적인 전력시장을 조성하는 것이다. 루프탑 태양광과 같은 분산되어있는 발전원은 용량이 작아 설치율이 낮을때는 시장에 미치는 영 향이 적지만 설치율이 올라가면 주요한 시장 변동 요인으로 작용한다. 미국 주택 용 태양광 설치업체인 Sunrun이 개별 주택에 설치하는 배터리 용량이 10kWh 가량으로 작지만 3.2만명의 태양광+ESS 고객의 합산 배터리 용량은 320MWh로 영향력이 커진다. 이러한 분산되어 있는 모든 전력원을 원격으로 관리해 하나의 큰 발전소로 운영하는 것이 VPP(가상발전소, Virtual Power Plant)이다.
ESS는 용도에 따라 BTM(Behind The Meter, 소비자측)과 FTM(Front The Meter, Utility-Scale 즉 전기공급자측)으로 나뉜다. BTM은 가정, 건물 등 소비자들이 직 접 전력을 사용하기 위한 것으로 주택용 태양광과 주택용 배터리가 속한다. FTM 은 유틸리티 회사가 건설하는 대형 재생에너지 발전소와 ESS를 일컫는다. 지금 까지 설치된 ESS의 FTM 비중은 55%이며 향후에도 이정도 비중을 유지할 전망 이다. 현재 VPP도 FTM 위주로 적용되고 있지만 향후 중요한 분야는 주택용 태 양광이 속한 BTM이다. FTM은 유틸리티 회사의 관리하에 가동률이 조정되지만 BTM은 개별적으로 가동되기 때문이다. 주로 BTM 고객에게 태양광+ESS 설비 를 제공하는 주택용 태양광 설치업체, 인버터 업체, 배터리 회사들이 VPP 시스 템을 개발 중이다.
미래에 VPP는 전체 발전원을 관리하는 컨트롤타워로 확장될 것이다. 초기엔 VPP 사업자들이 분산발전을 조절하는데 초점이 맞춰지겠지만 궁극적으로 기존 발전원(석탄, 천연가스, 원자력 등)의 가동률을 조정하는 영역으로 확장될 것이다.
EMO (호주 에너지 시장 관리기구; Australian Energy Market Operator)는 2030년까지 50%의 고객들(유틸리티 기업 포함)이 분산발전을 사용할 것으로 전 망한다. 루프탑 태양광, 스마트 전력기기, 배터리와 전기차 수요 증가로 새로운 비즈니스 기회가 펼쳐지고 있다. 이러한 기기들은 소비자의 전력비용을 아껴 줄 뿐만 아니라 전력 사용 통제력을 갖춰 전력비 저감 등 다양한 경제적인 이익을 창출한다. 하지만 대부분의 주택용 태양광 설비들은 수동적인 성격을 갖는다. 즉 AEMO의 요구에 따라 전력 공급을 조절할수 없다. 이러한 문제를 해결하고 호 주 전력시장의 개선을 위해 Post 2025 Electrictiy Market Design 프로젝트를 시행 중이다. 여러 실증사업과 스터디를 통해 전력시장 신진화 방안을 논의 중이다.
VPP 사업자들은 특정 지역에서 전력 수급을 예측해 배터리에 저장되는 전력량 을 결정한다. 이는 앞서 언급한 전력 부족 혹은 과잉 공급 이슈 발생시 전력시장 안정화의 역할을 한다. 개별 고객에게는 전력 수급 분석을 통한 전력가격 예측으 로 고객의 전력비용을 낮춰준다.
호주는 여러 실증을 통해 VPP 시장 참여자들의 수익성 분석을 진행했다. Simply Energy VPP 프로젝트는 AEMO의 목표를 달성하기 위한 VPP 실증사업 중 하나 다. 남호주는 인구 당 분산발전 설치율이 가장 높은 지역이다. 전체 전력 공급 중 재생에너지 비중이 52%이고, 루프탑 태양광 설치율이 34%로 특히 높다. 프 로젝트는 전력시장 안정화 취지로 2018년 3월부터 주택에 태양광+ESS 설비 1,200대 설치를 목표로 했으며 총 1,363대가 설치됐다. 2,373만달러를 투자해 ESS 약 13MW, 전력시장 안정화 가용 전력 6MW를 확보했다. Tesla, LG에너지 솔루션 등을 포함한 다수의 배터리 회사가 참여했다. 에너지관리 S/W 회사는 Green Sync(Enhase Energy와 협력), Tesla, SwitchDin(한화솔루션과 협력), SolarEdge가 참여했다. 최종 설치된 배터리는 Tesla가 71%로 자체 S/W까지 사 용해 사실상 프로젝트의 주요 파트너가 됐다.
VPP 사업자들의 수익구조 중 하나는 ESS에 저장된 전력을 시장에 판매하는 것 이다. 전력가격을 예측해 가격이 쌀 때 ESS에 충전을, 비쌀때 파는 식이다. 아래 의첫차트에서A,B,D구간이중안전력공급량이감소하자VPP에서전력을 공급한 사례다. C 구간에서 중앙 전력 공급량이 증가하자 VPP는 전력을 차단 후 D 구간에서 다시 전력을 공급했다. 공급한 전력은 계약된 가격에 유틸리티 회사 들이 비용을 지불해줘 VPP 사업자들의 수익으로 인식된다.
프로젝트 진행 중 남호주와 빅토리아주의 전력망이 끊기는 사건이 발생했다. 2019년 11월과 2020년 1월 총 두차례 전력이 차단돼 748MW의 전력이 부족했 으며 전력각격이 급등했다. 당시 2MW의 VPP를 운영 중이었으며 11월에 225,000달러, 1월에 1,033,303달러의 수익이 창출됐다. 이는 반대로 유틸리티 회 사들이 전력시장을 통제하지 못한 비용이다.
프로젝트 규모가 갖춰지고 VPP로서의 기능을 하기 시작한 최근 성과 보고를 기 반으로 VPP 프로젝트의 수익성을 검토했다. VPP 프로젝트 참여자들은 고객(주택 소유주), VPP 사업자로 나눌수 있다. 세부적으로 배터리 제조사, 송전망 회사 등 으로 나눌 수 있지만 주요한 사업참여자들의 수익성 분석만 검토했다.
고객의 수익은 그리드 전력 사용 감소로 얻는 이익에서 전력판매 수익 감소분을 차감한 것이다. ESS를 활용한 VPP 서비스에 가입하기 전 고객들은 태양광 발전 소의 잉여 전력을 그리드에 판매했다. 유틸리티 회사와 계약하에 분산발전에서 생산되는 전력을 판매할 때 책정되는 가격을 FiT(Feed-in-Tariff)라 하며 프로젝 트 당시 가격은 kWh당 0.15달러다. 고객들의 평균 전력판매 감소분은 19.4%로 월간 117.1kWh, 17.57달러 수익이 감소했다. 반면 그리드 전력사용 감소분은 평 균 50.2%로 월간 166.9kWh이다. 그리드 전력가격이 kWh당 0.439달러로 월간 73.27달러를 절약했다. 따라서 VPP 서비스를 가입함에 따른 수익은 월간 55.7달 러, 연간 668.4달러로 고객 입장에서는 VPP 서비스를 사용하는게 이익이다.
Tesla의 ESS인 Powerwall 2의 총 제품 및 설치비용이 10,800달러임을 감안하면 배터리 설치에 따른 BEP는 16년이 걸린다. 다만 이는 배터리만 따로 설치했을 때 가격이고 태양광+배터리 함께 설치하면 인건비가 줄고, 배터리 기술개발에 따른 가격 하락까지 고려하면 BEP는 충분히 낮아질수 있다.
VPP 사업자인 Simply Energy는 전기와 가스를 70만 고객에게 제공하는 호주 에 너지 도매업자이다. 금번 프로젝트로 VPP 사업자가 실제 벌어들인 수익이 아닌 예상치이다. 즉 특정 기간동안 배터리에서 판매한 전력량과 해당 시간대의 전력 가격을 곱하여 매출액을 가정했다.
Simply Energy는 2020년 10월 16일부터 2021년 6월까지 전력시장 안정화 사업 자로서 FCAS(Frequency Control Ancillary Services) 시장에 참여했다. 3MW의 캐파를 통해 시장에 참여했다. 참여 방식은 낮시간대에 과잉 생산되는 태양광 전 력을 배터리에 저장해 전력시장 안정화에 기여, 시장 전력가격이 비쌀 때 저장된 전력을 판매하는 식이다.
2018년 말부터 전력을 FCAS 시장에 판매했으며 월간 16~25천달러의 매출이 발생했다. 2021년 3월 7일(a)와 5월 30일(b) 구간에는 전력 부족으로 전력가격이 급등해 VPP 사업자의 매출이 급등했다. 이러한 급등 구간까지 포함한 월평균 배 출액은 4.6천만원, 연간 5.5억원, VPP 규모 1GW당 1.8천억원의 수익을 창출했 다. 반면 a와 b 구간을 제외한 월평균 매출액은 2.8천만원, 연간 3.3억원, 1GW 당 1.1천억원의 매출을 창출했다.
AEMO에서 여러 프로젝트를 진행 중이나 VPP 사업의 평균 이익을 산출하기 아 직 이르다. 아직 실증단계에 머문 프로젝트가 많고 개별 VPP 기업들의 수익성이 공개되지 않았기 때문이다. 앞서 사례로 제시한 Simply VPP 프로젝트의 VPP 사 업자 이익인 1GW당 1천억원은 다소 높다고 판단한다.
VPP 사업자가 큰 수익을 창출하기 위한 기본 조건은 전력시장 변동성이다. 변동 성은 재생에너지 발전량과 ESS 침투율에 따라 결정될 것이다. 시장이 안정되면 VPP 판매량 자체가 줄어든다. 재생에너지 캐파대비 ESS 비중은 2020년 1.5%에 서 2040년 11.5%가 예상된다. 후술하게 될 전기차 침투율이 변수지만 10%대로 올라갈 2040년 전에는 전력시장 변동성은 확산될 가능성이 크다. 그럼에도 불구 하고 유틸리티 기업들의 영업이익 중 20% 내외가 VPP 비용으로 소요된다는 가 정 하에 1GW당 100~200억원의 수익이 가능하다 판단한다.
VPP 기업들이 그리는 수익구조
가장 많은 정보가 공개된 AI 배터리 S/W 제공업체인 Stem(STEM.US)의 수익구 조는 3가지로 구분된다. H/W 설치, S/W 구독료, 시장참여로 나뉜다. H/W 설치 는 배터리 제조 회사에게 ESS를 구매해 배터리를 설치해주는 EPC 개념의 매출 이다. S/W 구독은 ESS의 전력을 효율적으로 관리하는 Stem의 AI S/W인 Athena 의 구독료다. 마지막으로 시장 참여는 Simply VPP 사례에서도 언급한 VPP 사업 자들의 수익이다. ESS에 저장된 전력을 전력가격이 비쌀 때 파는 것이다. Stem은 최근 실적발표에서 시장참여 매출의 성장 가능성이 예상보다 크다는 언급을 했 다. 재생에너지 확산 및 이상기후로 전력시장이 불안정해졌기 때문이다.
기존 태양과 업체들의 화두도 배터리다. 주택용 태양광 설치업체인 Sunrun (RUN.US)과 주택용 태양광 인버터 업체인 Enphase Energy(ENPH.US)가 대표 적이다. 태양광 발전만 원하던 소비자들이 배터리 가격 하락과 빈번한 이상기후 로 배터리 설치까지 원하는 추세다. 태양광 기업들 모두 배터리를 기반한 VPP 사업으로 확장할 계획이나 아직 배터리 판매에 집중하는 중이다. VPP 사업성에 대해 확인하려면 적어도 2023년은 돼야 가능할 전망이다.
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