[월간수소경제 성재경 기자] 내년 분산에너지 활성화 특별법 시행을 앞두고 가상발전소(Virtual Power Plant, VPP) 시장에 대한 관심이 뜨겁다. VPP는 정보통신기술(ICT)과 자동제어기술을 이용해 다양한 분산에너지원을 연결하고 제어해서 하나의 발전소처럼 운영하는 시스템을 말한다.

다국적 기업인 쉘(Shell)이 지난 2021년에 유럽 최대 가상발전소 회사인 ‘넥스트 크라프트베어크(Next Kraftwerke)’를 인수한 것이 대표적이다. 넥스트 크라프트베어크는 독일, 벨기에, 프랑스, 네덜란드, 스위스 등에서 1만 개가 넘는 분산형 에너지 장치를 운영하고 있다. 또 도시바와 세운 합작회사를 통해 일본에서도 4,000기의 전력네트워크를 통합해 운영 중이다. 

 

전기차 회사로 유명한 테슬라만 해도 가정용 에너지저장장치(ESS)인 ‘파워월(Powerwall)’을 통해 VPP 사업을 벌이고 있다. 테슬라는 지난해 6월 말 미 캘리포니아주에서 상용 VPP 사업을 시작했다. 파워월의 대당 축전용량은 13.5kWh로 태양광발전이 많은 시간대에 충전된 전기를 전력계통에 판매할 경우 1kWh당 2달러의 수익을 얻을 수 있다. 

테슬라는 작년 12월 텍사스의 파워월 소유자(고객)를 위해 전력 흐름을 모니터링하면서 전기의 충전·저장·판매 시점을 결정하는 ‘테슬라 일렉트릭’이라는 전기요금제도 출시했다. 파워월 설치 고객은 태양광으로 생산한 전기를 계통에 판매하는 시점을 휴대폰 앱으로 간편하게 설정할 수 있다. 
 
수요반응을 담은 가상발전소
테슬라는 미국, 호주, 일본에서 VPP 사업을 진행 중이다. 테슬라의 최고경영자인 일론 머스크는 장기적으로 테슬라 에너지부문의 시장 규모가 테슬라 차량만큼 커질 수 있다고 본다. 

테슬라는 전기차만 파는 단순한 회사가 아니다. 전기차 고속 충전 네트워크인 ‘슈퍼차저’도 함께 운영한다. 충전을 하려면 전기가 필요하고, 이 전기를 재생에너지로 충당하는 방안을 오래전부터 고민해왔다.   

2015년에 가정용 ESS인 ‘파워월’을 시작으로 2016년에 지붕형 태양광 발전기인 ‘솔라루프(Solar Roof)’를 출시했고, 2019년에는 산업용 ESS인 ‘메가팩(Megapack)’을 잇따라 선보였다. 일반 가정뿐 아니라 전력 사업자나 프로젝트 개발자에 ESS를 보급해 전기 판매로 수익을 올리는 방안을 시장에 제시한 셈이다. 일부 슈퍼차저 충전소는 메가팩을 활용해 전력을 공급하고 있기도 하다. 

 

미국도 전기차와 태양광 패널 등에 대한 세제 혜택을 크게 늘린 인플레이션 감축법(IRA) 시행으로 VPP 시장이 크게 확대될 전망이다. 올해 초에는 GM·포드·구글이 태양광 업체인 선파워와 VPP 분야 협업을 위해 ‘가상발전소 파트너십(VP3)’을 발족하기도 했다. 가상발전소 확대를 위해서는 관련 정책과 표준이 마련돼야 한다. VP3에 속한 세 기업은 에너지 전환 추진 비영리단체인 RMI의 주도로 관련 사업에 참여하게 된다. 

국내 업체로 보면 한화큐셀(한화솔루션 큐셀부문)이 호주를 중심으로 가정용 VPP 사업을 벌이고 있다. 한화큐셀은 지난해 3월 태양광 인버터와 ESS, 에너지 모니터링 서비스를 결합한 통합에너지 솔루션인 ‘큐홈코어(Q.HOME CORE)’를 호주 시장에 출시했다. 태양광발전 환경이 좋은 호주 빅토리아주를 중심으로 VPP 사업을 시작했다. 

VPP를 논할 때 빠지지 않고 등장하는 것이 DR(Demand Response), 즉 수요반응이다. DR은 전력계통 인프라를 안정적으로 유지하면서 전체 수요변동에 따른 부하(load)를 제어하는 기술을 말한다. 전기 사용량이 많은 피크 시간대에 요금을 높게 책정해 전력 사용을 줄이고(역으로 ESS의 전기 판매량을 늘릴 수 있다), 전기 사용이 적은 시간대에 요금을 낮춰 사용량을 늘리는 방식으로 수요와 공급의 균형을 맞추게 된다. 

정부가 ‘국민 DR’ 활성화에 나선 것도 이와 관련이 있다. 국민 DR은 가정이나 소형점포 같은 계약전력 200kW 이하 소규모 전기 사용자가 참여하는 수요반응 제도로, 전력수급 비상이 예상되는 상황에서 전력거래소가 경고를 발령할 때 조명을 끄고 냉방기 온도를 조절하는 등 전력 소비를 감축하면 1kWh당 감축량에 한해 1,600원(2022년 기준) 수준의 보상을 지급한다.

테슬라 파워월만 해도 VPP를 통해 수요반응과 연동해서 운영이 된다. 태양광으로 충전한 파워월의 전기를 가정에서 쓰고 전기차에 충전한다. 또 남는 전기를 전력계통에 팔아 수익을 올릴 수 있다. 태양광발전에 ESS를 붙이고, 여기에 원격단말기(RTU, Remote Terminal Unit)를 달아 실시간 데이터를 제공하고, 이를 토대로 개별 전력 수요를 반영해 공급량을 능동적으로 조절하게 된다. 

태양광에서 나온 전기로 수전해를 해서 전기에너지를 수소 형태로 저장하는 것도 가능하다. 호주의 라보(Lavo)란 업체는 연료전지, 전해조를 결합한 수소에너지 저장시스템(HESS)을 개발했다. 라보 안에는 독일 인앱터 사의 AEM(음이온교환막) 수전해 장비가 들어간다. 수전해로 그린수소를 생산해 금속수소화물 형태로 저장하게 된다. 

라보의 수소카트리지는 호주의 일반 가정에서 이틀 이상 전기를 공급할 수 있는 40kWh를 저장할 수 있다. 테슬라 파워월의 저장용량인 13.5kWh와 비교하면 세 배 정도 효율이 높지만, 전기로 바로 쓰지 않고 수소로 전환했다 다시 전기로 만드는 과정에 많은 에너지가 소모된다. 또 수전해 장비, 연료전지, 수소카트리지가 포함된 설비 구축에 드는 총 비용과 유지비, 크레디트를 꼼꼼히 따져볼 필요가 있다.

 

배터리 기반 에너지 저장시스템(BESS)과 비교해서 HESS(Hydrogen Energy Storage System)의 장점은 에너지의 장기 저장이 가능하다는 점이다. 

재생에너지를 배터리에 저장할지, 수소로 변환해서 저장할지를 두고 고민하는 것은 국내 여건상 시기상조라는 주장도 있다. 일조량과 일조시간이 부족해 태양광발전 효율이 낮고, 수전해 장비와 연료전지가 경제성을 갖추기까지 시간이 필요하기 때문이다. 하지만 기후변화에 대처하기 위한 탄소중립의 가치를 단순히 경제성으로 평가해서는 안 된다는 목소리도 만만치 않다.

국내 연료전지 시장은 천연가스를 연료로 하는 발전용·건물용 시장 중심이다. 전기료가 상대적으로 저렴해 가정용 연료전지 시장은 정체가 지속되고 있다. 

재생에너지에 기반을 둔 그린수소 생산은 제주에서 이제 막 본격 실증에 들어갔다고 볼 수 있다. 태양광보다는 풍력 기반으로 관련 사업을 추진 중이다.

제주에너지공사는 행원풍력발전단지와 연계한 2.3MW 그린수소 실증단지를 구축했다(플러그파워의 1MW PEM 수전해 설비가 들어오면 총 3.3MW가 된다). 2MW는 알칼라인 수전해, 300kW는 PEM 수전해로 모두 국내 기술이 적용됐다. 지난 5월에 KGS 완성검사를 통과하고 시운전에 들어갔다. 이곳에서 생산된 그린수소는 함덕의 수소충전소로 보내져 수소버스 충전에 활용된다. 
 

전기에너지 저장을 위한 P2G 그린수소
분산에너지 관련해서 가장 큰 주목을 받는 지역은 역시 제주다. 지난해 기준 재생에너지 비율이 19.2%(전국 7% 수준)에 이를 정도로 태양광, 풍력 시설이 집중되어 있다. 

하지만 과유불급이란 말이 있다. 재생에너지의 발전량이 지나쳐도 문제가 된다. 송배전망은 전력 수요와 공급이 일치해야 안정적으로 유지된다. 수요와 공급 중 어느 한쪽이 많으면 대규모 정전(블랙아웃)이 발생할 수 있다.

전력거래소는 전력계통망의 안정을 위해 재생에너지 등의 생산을 강제로 중단하는 출력제어를 시행하고 있다. 제주는 지난 6월까지 풍력 411회, 태양광 76회의 출력제어를 시행했다. 

‘카본프리 아일랜드’를 지향하는 제주특별자치도가 수소에 주목한 데는 이런 이유가 있다. 출력제어로 사라지는 전력을 무탄소 에너지인 수소로 전환해 저장해두고 쓰자는 것이다. 수소는 바로 이 P2G(Power to Gas) 사업의 핵심이다. 

제주에너지공사는 올해 국책 과제로 한전KDN 등과 함께 ‘VPP 통합플랫폼 개발 및 실증’ 과제를 시작했다. 45개월 동안 약 264억 원(정부출연금 160억 원)의 사업비가 투입되는 사업으로, 재생에너지 확대에 대응해 안정적인 전력계통 운영을 위해 VPP 운영체계와 전력시장 모델을 개발하고, 실시간 전력거래 제도 도입을 위한 기반을 구축하는 데 목적이 있다.

과제의 주요 목표를 보면 △VPP(통합발전소)-DSO(배전망운영자, 한전)-ISD(독립계통운영자, 전력거래소) 협력·운영체계 기술·제도 개발, △재생에너지, BESS, 섹터커플링 등 다양한 집합자원 수용이 가능한 VPP 통합플랫폼 개발, △VPP 연계 BESS 구축 및 실증운전 등이다.

가상발전소는 배터리(BESS)가 중심이다. 분산전원에 해당하는 풍력과 태양광, V2G(Vehicle to Grid, 전기차 전력을 그리드에 활용), EVC(Electric Vehicle Charging service, 전기차 충전) 등 전력계통을 인터넷 서버로 연결해서 관련 데이터를 측정하고 제어하는 시스템을 갖추게 된다. 

물론 전기로 수소를 만드는 P2G도 VPP 플랫폼 안에 들어간다. VPP 플랫폼을 한 그루 나무에 비유하면, P2G는 줄기에서 뻗어나간 하나의 가지에 해당한다. 

 

이번 과제를 맡은 제주에너지공사의 담당자는 “행원 그린수소 실증단지를 VPP 플랫폼 안에 넣는 건 전혀 어렵지 않다. 단순한 통신 연결의 문제라 코드만 연결하면 하나의 발전소가 된다”고 말한다. 

“값비싼 재생에너지 전력을 언제, 얼마나 저렴한 가격으로 수소를 생산하는 수전해 설비에 공급하느냐는 전혀 다른 문제입니다. 현재 여기에 대한 표준이 없어요. 그러자면 재생에너지 생산량에 따라 시간대별 전기요금이 달라져야 하고, 발전사업자가 100원에 팔던 전기를 출력제어를 피하려고 10원, 20원에 팔겠다고 나설지도 의문이죠. 이 전기로 수소를 생산해서 시장에 공급하는 사업자에 대한 보상이 제도적으로 명확하게 정해져야 발전사업자와 이윤을 공유하는 구조가 만들어지겠죠. 국내 전력시장 개편이라는 큰 틀의 변화에 맞춰서 제도 보완이 이뤄져야 합니다.”

이번 과제는 공급형 중심이었던 VPP 플랫폼을 수요반응형 전력소비 시스템인 국민 DR, 플러스 DR 등 수요반응을 반영한 혼합형으로 개발하는 데 있다. ‘플러스 DR’은 과잉 생산된 전력을 소비하기 위해 평소보다 많은 전력을 사용하면 요금을 할인해주는 제도다. 또 전력 여건에 따라 자동으로 알아서 전력소비를 줄이는 ‘Auto DR’ 시범사업도 편의점 시설에서 실증이 진행 중이다.

“SMP, PPA 같은 국내 전력 제도의 복잡한 구조를 이해해야 합니다. 출력제한을 피해서 수소생산에 재생에너지 전력을 판매할 경우 어떤 혜택이 주어지는지가 매우 중요하죠. 또 전력원이나 전력의 공급·수요에 따라 시간대별로 차등해서 적용하게 될 전기요금에 대한 기준을 어떻게 정할지, 하는 많은 문제가 복잡하게 얽혀 있어요. P2G 수소를 분산전원에 넣으려면 이런 부분이 명확하게 정리될 필요가 있습니다.”

국내에서 소비하는 전기는 발전소에서 직접 구입해 쓰는 것이 아니다. 한국전력이 전력거래소(KPX)를 통해 전국의 발전소에서 생산된 전력을 모두 구매해 산업체나 가정 등 소비자에게 공급하는 구조다.

이때 한전이 발전회사에 1kWh당 구매하는 전력가격을 SMP(계통한계가격)라 한다. 국내 전력시장은 실시간으로 전력을 사고파는 것이 아니라, 다음날 필요한 전력량을 미리 예측하고 이에 따라 전력을 하루 전에 거래하는 방식을 취하고 있다.

발전비용이 낮은 발전소부터 전력을 생산하도록 지시하다 보면, 그 시간대의 수요를 모두 충족하는 시점이 있는데, 이때 마지막으로 지시받은 발전소의 발전비용이 SMP가 된다. SMP는 해당 시간대에 발전하는 발전소들 중에서 가장 비싸게 발전하는 발전소의 발전비용이라 할 수 있다.

통상 원자력-석탄-천연가스(LNG)-중유 순으로 발전비용이 비싸지는데, 평균적으로 보면 LNG 가스터빈 발전소의 발전비용이 SMP를 결정할 때가 많다. LNG 가격이 대부분 유가에 연동되어 책정되는 만큼 러시아-우크라이나 전쟁 등으로 유가가 급등하면 SMP가 평균보다 네 배까지 껑충 뛰기도 한다. 전기료 인상으로 이를 반영하지 못하면 한전이 적자를 모두 떠안게 된다.

태양광, 풍력 같은 재생에너지 전력판매자는 PPA(전력구매계약)를 통해 전기를 판매한다. 이는 크게 한전과 전력을 거래하는 ‘제3자 PPA’, 발전사업자와 기업이 일대일로 직거래하는 ‘직접 PPA’로 나뉜다. 

지난해 9월부터 직접 PPA 제도가 시행됐지만, 국내 재생에너지 가격이 너무 높아 거래는 지지부진하다. 게다가 한전이 ‘PPA 전용요금제’를 신설하면서 산업계가 크게 반발하는 일이 벌어졌다. ‘PPA 전용요금제’는 재생에너지 전력을 사용하면서 부족한 전력을 한전에서 조달하는 일반용·산업용 고압고객을 상대로 한 새 요금제로, 기본료가 높게 책정되면서 기업의 부담만 커졌기 때문이다. 결국 업계의 반발로 도입이 무기한 유예됐다.

그리드로 들어온 연료전지
내년 시행을 앞두고 있는 청정수소인증제나 인센티브에 대한 세부 기준은 아직 정해진 것이 없다. 그럼에도 큰 틀의 방향성은 명확해 보인다. 한전 중심의 전력시장이 개편되고, 탄소배출을 줄이기 위한 분산전원이 활성화될 것이라는 점이다. 여기에 맞는 차등 요금제가 시행되면서 전력시장이 일대 변혁을 맞게 될 전망이다. 

지난 5월 SOFC(고체산화물연료전지) 기반 수소연료전지 전문기업인 에이치앤파워가 VPP 전문기업인 브이젠과 도심형 미니 수소발전소 통합관제시스템 개발을 위한 협약을 체결했다. 과학기술정보통신부의 ‘ICT 혁신 바우처사업’의 일환으로 추진된 사업이다.  

 

강인용 에이치앤파워 대표는 “국내 건물용 연료전지를 VPP로 연결하는 최초의 시도”라며 “연료전지의 전력량과 상태, 정비주기 등을 원격으로 제어할 수 있는 ‘도심형 미니 수소발전소 통합관제시스템’을 개발하는 신규 과제”라고 설명했다. 

에이치앤파워와 브이젠은 통합관제시스템에 최대 100대의 원격제어장치를 동시에 연동해 연료전지의 전력량과 상태, 정비주기 등을 모바일과 PC로 제어할 방침이다. 이렇게 하면 남거나 모자라는 전력 없이 연료전지를 최적화해 발전할 수 있게 된다.

“국내 연료전지 산업을 보면 RPS(신재생에너지공급의무화)에 맞춰서 전기 판매를 목적으로 연료전지 사업이 시작됐어요. 개인이 아닌 발전사가 중심이 되어 시장이 만들어졌다고 봐야죠. 분산에너지 시대로 가면 이런 개념 자체가 확 바뀌게 됩니다. 개인이 연료전지를 활용해서 전기와 열을 생산해서 쓰고 남는 전기를 팔 수 있게 되죠. 정보통신기술을 활용한 ‘양방향 통신’으로 새로운 시장이 열리는 겁니다. 이 시장을 준비하는 거죠.”

강인용 대표는 “연료전지의 경우 열(난방) 효율을 고려한 제도적인 기반 구축, 즉 정책의 방향 설정이 매우 중요하다”고 말한다. 이는 내년에 시작되는 청정수소발전의무화제도(CHPS)와 깊은 관련이 있다. “탄소중립에 대한 연료전지의 기여도는 전기와 열을 함께 쓰는 데 있고, 이 같은 연료전지의 강점이 분산에너지가 속한 그리드 안에서 더욱 부각될 것”이라는 것이 강 대표의 생각이다.

 

산업을 주도하는 글로벌 기업의 RE100 가입으로 탄소배출 감축에 대한 요구가 커지고 있다. 분산에너지 활성화 특별법이 지난 6월에 공포되고 1년의 유예기간을 거쳐 내년부터 효력을 갖게 되면서 기업들이 VPP 기반 전력중개사업에 너나없이 뛰어드는 모양새다. 

SK에코플랜트는 제주도 내 91개 재생에너지 발전소와 협약을 맺고 50MW 규모의 재생에너지 발전 자원의 전력거래 대행사업을 시작했다. 재생에너지와 ESS 등 20MW 이하의 개별 발전설비를 모아 하나의 자원으로 구성해 전력중개사업을 추진한다. 

재생에너지 중개사업자는 높은 재생에너지 발전량 예측도를 기반으로 전력시장을 운영하는 전력거래소로부터 정산금(인센티브)을 지급받는다. 하루 전에 내는 신재생에너지 발전량 예측 오차율이 8% 이내여야 정산금이 지급된다. SK에코플랜트는 올해 3분기에 재생에너지 발전량 예측 기반 입찰 플랫폼인 ‘파워젠(Power ZEN)’을 내놓을 예정이다.

HD현대에너지솔루션도 전력중개사업을 시작했다. 자사의 태양광 시스템이 설치된 전국의 발전시설 운전 상태를 실시간으로 모니터링하는 ‘Hi-Smart 3.0’ 시스템을 기반으로 가상발전소를 구축했다. 여기서 나온 데이터를 기반으로 태양광 발전량을 예측해서 입찰을 수행한다.

분산에너지 초기 시장은 태양광을 중심으로 한 재생에너지와 BESS 중심으로 돌아갈 확률이 높다. 하지만 전기를 충·방전하기 위해 BESS를 무한정 깔 수는 없다. 비용이 만만치 않고 화재의 위험도 있다. 

재생에너지 전력을 오래 저장해두고 쓰려면 P2G가 답이다. 수소는 저장성이 좋다. 전기가 필요할 땐 연료전지를 활용하면 된다.  

한전은 최근 ‘비용 효율적 국내 그린수소 생산 및 활용 방안에 대한 연구’ 보고서를 발간했다. 인프라 구축비용의 효율성을 따져 국내 그린수소 생산을 위한 인프라 구축 방향을 검토한 보고서로, 송전선로나 송전탑 같은 계통 보강에 드는 비용을 없애면서 그린수소를 생산해 시장에 판매해서 얻는 이윤의 경제성을 분석했다. 

한전경영연구원(KEMRI)에서 만든 자료로, 국내 그린수소 생산 인프라를 어떻게 효율적으로 구축할 수 있는지를 시나리오별로 담아냈다. 한전이 P2G 사업의 경제성 분석을 진행했다는 점에서 시사하는 바가 크다. 

해당 보고서의 원문은 한전의 경영상·영업상 비밀에 관한 사항으로 인정될 만한 영업정보를 포함하고 있어 아직 비공개 상태다. 하지만 한전의 최근 행보를 보면, 국내보다는 해외 생산에 방점을 둔 걸 알 수 있다. 

서호주 주정부는 최근 한국전력과 웨스턴그린에너지허브(Western Green Energy Hub)가 그린수소 플랜트 개발을 위한 업무협약을 맺었다고 발표했다. 서호주 골드필드 지역에 연간 350만 톤의 그린수소 생산 플랜트를 짓는 사업이다. 이만한 양의 그린수소를 생산하기 위해서는 약3,000개의 풍력터빈, 2,500만 개에 이르는 태양광 패널이 필요하다. 호주에서 생산한 그린수소는 암모니아 형태로 수입될 가능성이 높다.

인터넷, 전자상거래 등 정보통신기술을 주력으로 하는 통신사는 VPP 시장의 성장을 예상하고 일찍부터 대응해왔다. 에너지 부문의 탈탄소화는 RE100, ESG 경영과도 관련이 있다. 그 대표적인 기업이 KT다. 

KT는 2015년 말 경기도 과천에 에너지통합관리 플랫폼인 KT-MEG(Micro Energy Grid) 센터를 열었다. AI(인공지능) 분석엔진을 통해 에너지의 생산-소비-거래 등 전 과정을 통합한 관제 시스템을 갖춘 곳이다. 

KT는 통신기지국이나 관련 시설에 태양광발전 설비를 구축해왔다. 또 2018년부터 대관령 KT수련관, 대전 대덕2연구단지 등에 연료전지 발전설비를 구축하기도 했고, 2020년에는 KT 대구물류센터에 0.9MW급 SOFC 발전설비도 설치했다. 

 

SK에너지가 주도적으로 추진하고 있는 ‘에너지 슈퍼스테이션’도 수소사업과 관련이 있다. 연료전지는 설치 면적이 적어 재생에너지 부지를 확보하기 힘든 도심에서 분산발전소 역할을 할 수 있다. 

SK에너지는 규제샌드박스 실증사업을 통해 안전성을 입증 받았고, 최근 LS일렉트릭 등 4개사가 참여하는 특수목적회사인 ‘엘에스에너지솔루션’을 설립, 주유소나 도심 유휴부지에 연료전지와 태양광 등을 설치하는 에너지 슈퍼스테이션 사업을 본격 추진한다. 

분산에너지 특별법이 공포되면서 재생에너지, ESS, 수전해, 연료전지 등 다양한 분산전원을 통합해 전력 수요에 대응하는 움직임이 본격화될 가능성이 높아졌다. 

VPP 시장의 확산은 전력계통에 가해지는 부하를 분산시키면서 새로운 시장을 창출해낸다. 이 시장이 탄소중립이라는 목표를 향해 바르게 성장하려면 정책의 방향성과 균형 잡힌 제도의 설계가 무엇보다 중요하다. 

그리드 안에서 수소는 주연이 아니다. 오히려 조연이나 단역에 가깝다. 탄소중립이라는 드라마의 완성을 위해 꼭 필요한 역할이다. 가지를 길게 뻗은 나무라야 크게 성장한다. 한정된 그리드 안에 에너지원을 효율적으로 배치하고 약점을 보완해야 한다. 현실에서 무성한 숲을 이루기 위한 비전을 가상의 발전소에서 찾아내야 한다.