제119회 발송배전기술사

1. 개요

전력계통의 패러다임이 기존의 확정적·중앙집중형 전원에서 간헐성 및 변동성이 높은 재생에너지(태양광, 풍력) 중심의 분산형 전원으로 전환됨에 따라, 계통의 유연성(Flexibility) 확보가 핵심 과제로 부상하였다.

ESS(Energy Storage System, 에너지저장장치)는 전력을 유효한 형태로 저장하여 필요한 시점에 공급하는 장치로, 발전·송배전·수용가 전 영역에서 출력 변동성 완화, 계통 주파수 조정, 피크 컷(Peak Cutting) 및 계통 신뢰도 향상을 위해 필수적으로 적용된다.

본 답안에서는 ESS의 활용용도를 발전, 송·배전, 수용가 측면에서 상세히 살펴보고, 전력계통 상의 설치 위치 및 수익/제도적 특성에 따른 구분인 FTM(In Front Of The Meter)과 BTM(Behind The Meter) 시장을 비교 분석하고자 한다.

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2. 이론·원리

2.1. ESS 충·방전 및 충전상태(SOC) 수식 모델

ESS의 에너지 잔량 관리 및 충방전 제어는 잔존용량률(SOC, State of Charge)을 기초로 수행된다. $t$ 시점에서의 $SOC(t)$는 다음 수식으로 정의된다.

$$SOC(t)=SOC(t-1)+\left(\frac{{\eta }_{ch}\cdot P_{ch}(t)\cdot \Delta t}{E_{rated}}\right)-\left(\frac{P_{dis}(t)\cdot \Delta t}{{\eta }_{dis}\cdot E_{rated}}\right)$$

• $SOC(t)$ : $t$ 시점의 잔존 용량률 $\text{[\%]}$
• $E_{rated}$ : ESS 정격 정전용량 $\text{[kWh]}$
• $P_{ch}(t),P_{dis}(t)$ : $t$ 시점의 충전 및 방전 전력 $\text{[kW]}$
• ${\eta }_{ch},{\eta }_{dis}$ : 충전 및 방전 효율 (${\eta }_{sys}={\eta }_{ch}\times {\eta }_{dis}$)
• $\Delta t$ : 시간 간격 $\text{[h]}$

2.2. 주파수 제어(Droop Control) 원리

FTM 환경에서 주파수 조정용(FR, Frequency Regulation) ESS는 계통 주파수 변동에 속응하여 출력 $P_{ESS}$를 제어한다.

$$P_{ESS}=-\frac{1}{K}\left(f_{meas}-f_{ref}\right)$$

• $K$ : 드룹(Droop) 정수
• $f_{meas}$ : 계통 측정 주파수 $\text{[Hz]}$
• $f_{ref}$ : 기준 주파수 ($60\text{ Hz}$)

ESS는 기존 화력·수력발전기의 속도조정률(응답시간 수 초~수 분)에 비해 매우 빠른 응답속도($<1\text{ s}$)를 가지므로 계통 과도안정도 향상에 극적인 효과를 제공한다.

2.3. 수용가 Peak Shaving 절감액 계산 원리

수용가(BTM) 측면에서 ESS를 통한 기본요금 및 사용량요금 절감 효과는 다음과 같이 계산된다.

$$\Delta C_{total}=P_{peak\_red}\cdot C_{demand}+\sum _t\left[P_{dis}(t)\cdot C_{tariff}(t)-P_{ch}(t)\cdot C_{tariff}(t)\right]$$

• $P_{peak\_red}$ : ESS 방전을 통한 최대 전력 감축량 $\text{[kW]}$
• $C_{demand}$ : 기본요금 단가 $\text{[원/kW]}$
• $C_{tariff}(t)$ : 시간대별 경부하/중부하/최대부하 전력량요금 단가 $\text{[원/kWh]}$

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3. 상세 내용

🖼 [그림] 전력계통 전 영역(발전, 송배전, 수용가)에서의 ESS 설치 위치 및 주요 역할 개념도

3.1. 발전, 송·배전, 수용가 측면의 ESS 활용용도

구분	주요 활용 용도	세부 기술적 역할 및 효과
발전 측면<br>(Generation)	1. 재생에너지 출력 안화 (Smoothing)	태양광·풍력의 급격한 출력 변동 완화 (Ramp-rate Control)
	2. 출력제어(Curtailment) 완화	계통 수용 한계 초과 시 남는 전력을 저장하여 버려지는 전력 최소화
	3. 주파수 조정 (FR)	1초 이내 빠른 속응성으로 1차 조속기 자유운전(Governor Free) 대체
	4. 자체 시동 전원 (Black Start)	계통 광역 정전 시 타 발전소 시동을 위한 비상 전원 제공
송·배전 측면<br>(T&D)	1. 송배전 설비 투자 지연 (T&D Deferral)	Peak 시 선로 및 변압기 부하를 분산시켜 설비 증설 시기 지연
	2. 선로 혼잡 완화 (Congestion Relief)	병목 현상 발생 선로의 전력을 흡수/방전하여 과부하 방지
	3. 계통 전압 및 무효전력 제어	PCS의 무효전력 제어(STATCOM 기능)를 통한 국부적 전압 안정화
수용가 측면<br>(Customer)	1. Peak Cut (기본요금 절감)	수용가 최대 전력 발생 시 방전하여 피크 전력 감소
	2. 부하 이동 (Energy Shift)	경부하 시간대 충전 $\to$ 중/최대부하 시간대 방전으로 요금 차액 확보
	3. 비상 전원 (UPS)	정전 발생 시 수용가 중요 부하에 무정전 전원 공급
	4. PV 연계 자가소비 극대화	자가용 태양광 발전 전력을 저장하여 야간에 사용 (RE100 달성)

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3.2. FTM(In Front Of The Meter)과 BTM(Behind The Meter) 시장 비교

ESS 시장은 전력거래용 계량기(Revenue Meter)의 설치 위치를 기준으로 FTM과 BTM으로 구분된다.

🖼 [그림] 전력계통 내 FTM(Front-Of-The-Meter)과 BTM(Behind-Of-The-Meter)의 위치 및 전력·정보 흐름 비교도

FTM과 BTM의 핵심 비교

항목	FTM (In Front Of The Meter)	BTM (Behind The Meter)
정의	전력회사/계통운영자의 계량기 전단(발전/송배전 측)에 연결	사용자/수용가의 계량기 후단(수용가 측)에 연결
주요 설치 주체	발전사업자, 송배전사업자(한전), 대규모 IPP	대형 산업용/상업용 건물, 공장, 주택 수용가
설치 규모	수 MW ~ 수백 MW 대용량 (Grid-scale)	수 kW ~ 수 MW 중소용량 (Behind-Customer)
수익/수혜 모델	- 전력 도매시장 가격 차액 거래 (Arbitrage)<br>- 보조서비스(Ancillary Service) 보상<br>- 용량시장(Capacity Market) 정산금	- 전기요금 절감 (피크 절감 + 경부하 충전)<br>- 비상발전기 대체에 따른 비용 절감<br>- 자가소비형 RE100 이행
제어 및 운용	계통운영자(KPX) 또는 DSO의 중앙 제어/지시	수용가 자체 EMS 또는 VPP(가상발전소) 사업자 제어
관련 규정 및 기준	- 전기설비기술기준 및 KEC 계통연계 기준<br>- 전력시장운영규칙	- KEC 수용가 설비 규정<br>- 소방청 ESS 화재안전기준 (NFPC 607)

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4. 실무 적용 및 사례

4.1. FTM 분야 실무 적용 사례

1. 한전 주파수조정(FR)용 ESS 사업:
   • 전국 변전소 13개소에 총 $376\text{ MW}$ 규모의 BESS(Battery ESS) 구축 운용.
   • 화력발전소의 주파수 제어 용량을 대체하여 발전 효율 향상 및 석탄 사용량 절감 달성.
2. 제주 계통 출력제어(Curtailment) 완화용 FTM BESS:
   • 재생에너지 발전 비중이 고조된 제주 지역에 계통 안정을 위한 대용량 BESS 구축.
   • 낮 시간대 잉여 전력을 충전하고 야간 피크 시 방전하여 계통 유연성 제공.

4.2. BTM 분야 실무 적용 사례

1. 산업용 고압 수용가 피크 절감 ESS:
   • 계약전력 $1,000\text{ kW}$ 이상 공장에서 피크 전력 발생 2시간 동안 방전하여 목표 피크 Cut 달성.
   • 한전의 특례요금제(경부하 충전요금 할인, 피크절감 기본요금 할인)와 연계하여 ROI 단축.
2. VPP(가상발전소) 연계형 BTM 자원 통합:
   • 분산된 수용가의 BTM ESS를 IoT/AI 기반 EMS로 집합화하여 소규모 전력중개시장에 참여.

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5. 문제점 및 대책

5.1. 화재 및 열폭주(Thermal Runaway) 위험

• 문제점: 리튬이온 배터리의 내부 단락, 과충전, 열화 등에 의해 열폭주 발생 시 대형 화재로 진화 불가 위험.
• 대책:
  1. KEC 규정 준수: ESS 전용건물 설치, 외벽 내화구조, 제1종 특수장소 설치 금지.
  2. 안전장치 강화: BMS-EMS-PCS 간 3단계 릴레이 차단 시스템 구축.
  3. 화재안전기준(NFPC 607): 가스식 소화설비, 비상배출설비 및 오프가스(Off-gas) 감지 센서 의무화.
  4. LFP(리튬인산철) 및 전고체 배터리 전환: 열적 안정성이 우수한 배터리 채택 확대.

5.2. 경제성 및 수익 모델의 미비

• 문제점: BTM 특례요금제 종료 및 FTM 보조서비스 시장 미비로 단독 사업의 투자비 회수(Payback) 기간 증가.
• 대책:
  1. 전력 보조서비스 시장(Ancillary Service Market) 개설: 빠른 응답속도에 대한 프리미엄 가격 정산.
  2. 용량시장(Capacity Market) 및 입찰시장 신설: 제주 시범사업 형태의 제주 재생에너지 입찰제도를 육지로 확대 적용.

5.3. 배터리 열화(Degradation) 및 수명 관리

• 문제점: 잦은 충·방전(C-rate 증가) 및 DoD(Depth of Discharge) 심화 시 배터리 수명(SOH, State of Health) 급감.
• 대책:
  1. Optimal Charging Algorithm 적용: DoD $80\%\sim 85\%$ 이내 운용, C-rate $0.5\text{C}\sim 1.0\text{C}$ 제한.
  2. AI 기반 예후관리(PHM, Prognostics and Health Management) 기술 도입.

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6. 결론 (기술사로서의 견해)

ESS는 탄소중립(Net-Zero)을 향한 에너지 전환 과정에서 간헐성 재생에너지를 수용하기 위한 계통 필수 유연성 자원(Essential Flexibility Resource)이다.

과거 국내 ESS 시장은 정부 특례 보조금에 의존한 BTM 중심의 피크 절감 사업에 치중되어 안전성 및 시장 지속성에 한계를 보였다. 그러나 향후 ESS 산업은 FTM 중심의 계통 안정화 전원 및 VPP 연계형 시장 자원으로 전면 재편되어야 한다.

기술사적 관점에서 향후 지속 가능한 ESS 생태계 조성을 위해서는

1. LFP 및 차세대 전고체 배터리 기반의 화재 안전성 확보,
2. KEC 및 NFPC 규정에 적합한 엄격한 시공·운용 품질 제어,
3. 보조서비스 시장, 용량시장 등 FTM 자원에 대한 정당한 가치 보상 체계 개편이 시급히 완비되어야 할 것이다.