ESS 활용·시장구분

왜 배우는가: ESS는 재생에너지 확대와 함께 계통 운영의 핵심 설비가 되어 실무에서 적용 목적과 효과를 설계 단계부터 판단해야 한다. 발송배전기술사 시험에서는 ESS의 종류와 계통 적용 효과를 묻는 문항이 반복해서 출제되므로 개념의 틀을 먼저 잡아야 한다.

출제 이력: 제124회 3교시 5번, 제119회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

ESS는 전기를 저장했다가 필요한 시점에 다시 공급하여 전력계통의 수급 균형과 품질을 조절하는 설비이다.

• 에너지저장장치(ESS)
• 충방전
• 주파수 조정
• 첨두부하 저감(Peak Shaving)
• 부하평준화(Load Leveling)
• 신재생 출력 안정화
• BESS(배터리 에너지 저장 시스템)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 ESS는 전기의 저축통장이다. 남는 전기를 모아 두었다가 부족할 때 꺼내 쓴다. 전력은 생산과 소비가 같은 순간에 맞아야 하므로, 이 저축 기능이 계통 운영의 여유를 만든다.

정식 정의는 다음과 같다. 에너지 저장은 장치나 물리적 매체를 이용하여 에너지를 나중에 사용하기 위해 저장하는 것을 말하며, 이 체계 전체를 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System) 이라고 한다. 일반적으로 수백 kWh 이상의 전력을 저장하는 독립 시스템을 ESS라고 부르고, 소형 건전지나 휴대기기 배터리는 ESS로 부르지 않는다.

ESS가 계통에서 하는 기능은 여섯 가지로 정리된다. 전력계통의 발전, 송배전, 수용가 어느 곳에나 설치할 수 있고, 주파수 조정, 신재생발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감, 부하평준화, 비상전원 역할을 맡는다. 이 가운데 주파수 조정은 수 초 단위로 응답하는 기능이고, 첨두부하 저감과 부하평준화는 하루 단위로 부하곡선의 모양을 바꾸는 기능이다.

ESS의 핵심은 충전과 방전을 반복하면서 발전원처럼 동작하는 점이다. 충전 시에는 계통에서 전력을 받는 부하처럼 작동하고, 방전 시에는 발전기처럼 전력을 공급한다. 이 이중 성격 때문에 ESS는 발전설비와 부하설비 양쪽의 역할을 할 수 있다.

저장방식은 물리적 저장과 화학적 저장으로 나뉜다. 물리적 저장에는 양수발전, 압축공기저장, 플라이휠이 있고, 화학적 저장에는 리튬이온배터리, 납축전지, NaS 전지, 플로우배터리, 바나듐 이온 배터리가 있다. 흔히 ESS라고 하면 배터리 형식의 BESS(Battery Energy Storage System) 를 가리킨다.

3. 등장 배경과 필요성

신재생에너지의 보급이 늘면서 ESS의 필요성이 커졌다. 태양광과 풍력은 자연 조건에 따라 발전량이 달라지므로 발전량을 미리 예측하고 운영 계획을 세우기가 어렵다. 이 불규칙성을 보완하는 수단으로 ESS를 연계하면 출력 변동을 줄이고 계통의 부하 평준화나 첨두부하 절감 효과를 얻을 수 있다.

도입 효과를 평가하는 기준도 필요해졌다. 기존에는 ESS의 도입 효과와 경제성, 계통 영향을 구체적으로 평가할 방법이 부족했다. 특히 주파수 조정용 ESS는 국제적으로 통일된 기술표준과 제도가 아직 정착되지 않아 성능 검증과 편익 산정 방법을 새로 마련해야 했다. 기존 발전기의 주파수 조정 성능 평가 방식을 참고하여 ESS의 성능 평가 알고리즘을 만드는 연구가 이 배경에서 진행되었다.

정부는 중앙계약시장을 통해 ESS를 조기에 확보하는 정책을 추진하고 있다. 2023년부터 2026년 상반기까지 여러 차례 시장을 열어 ESS 발전사업자를 선정했고, 2026년 3차 시장은 육지와 제주 권역에서 열렸다. 이런 제도 변화는 ESS가 계통 설비로 자리를 잡아 가는 과정을 보여 준다.

이런 배경 때문에 ESS는 단순한 저장 설비가 아니라 전력 인프라를 구성하는 요소로 인식된다. 스마트그리드와 같은 차세대 전력망을 구현하는 핵心 설비이며, 신재생에너지를 안정적으로 공급하는 필수 설비로 평가된다.

4. 구성요소·원리·절차

ESS는 전기를 저장하는 배터리 본체와, 그 전기를 계통 조건에 맞게 바꾸고 제어하는 장치로 이루어진다. 배터리만으로는 계통과 연결할 수 없으므로 변환과 제어 설비가 함께 필요하다. 주요 구성요소는 다음과 같다.

표의 구성은 배터리가 에너지를 담고, PCS가 흐름을 바꾸며, EMS가 방향을 정하는 구조다. 각 장치의 역할이 분명해야 고장 원인을 찾을 수 있다. 예를 들어 출력이 지령과 다르면 PCS와 EMS의 신호를 먼저 보고, 셀 이상이면 BMS 기록을 본다.

원리는 다음과 같다. 충전 때는 계통의 교류를 PCS가 직류로 바꿔 배터리에 넣고, 방전 때는 배터리의 직류를 교류로 바꿔 계통에 보낸다. PCS는 유효전력과 무효전력을 독립적으로 조절하므로 같은 장치로 주파수 조정과 전압 지원을 함께 수행할 수 있다. 대기 상태에서 정격 출력까지 1초 이내에 도달하는 응답성이 ESS의 가장 큰 특징이다.

저장 가능한 에너지는 정격 출력과 지속 시간의 곱으로 본다.

$E = P \times t$

E는 저장 에너지(MWh), P는 정격 출력(MW), t는 방전 지속 시간(h)이다. 출력 2MW, 지속 시간 2시간인 ESS의 용량은 E = 2MW × 2h = 4MWh이다. 이는 상업용 시스템에서 흔한 2MW/4MWh 구성과 같다. 실제로는 방전심도(DoD)와 왕복 효율을 고려하면 이용 가능한 에너지가 공칭 용량보다 작다. 설계 때는 이 차이를 반드시 반영해야 한다.

ESS 운전 절차는 다음 순서로 진행된다.

• EMS가 계통 주파수·전압과 운전 계획을 받아 출력 지령을 정한다.
• PCS가 지령에 따라 충전 또는 방전 방향을 정하고 전력을 변환한다.
• BMS가 셀 상태를 감시하고 SOC 한계를 넘지 않도록 전류를 제한한다.
• 계통 연계점의 전압·주파수 변화를 측정해 결과를 EMS에 되돌린다.
• EMS가 측정 결과를 반영해 다음 지령을 갱신한다.

ESS의 핵심은 PCS, BMS, EMS가 협조해 충·방전 전력을 계통 지령에 맞추는 것이다.

5. 관련 법령·기준·표준

ESS를 발전사업으로 운영하는 근거는 전기사업법이다. 중앙계약시장은 전력거래소가 공고하는 방식으로 열리며, 입찰 기준과 평가방식은 공고에서 정해진다. 안전은 소방 분야의 화재안전기준이 담당하고, 전기설비 시설 기준은 한국전기설비규정(KEC)이 정한다. 계통 연계 시의 보호와 품질 요건은 분산형 전원 연계기술기준을 따른다. 이 기준들은 서로 역할이 다르므로 설계 단계에서 각각 확인해야 한다.

• 전기사업법: ESS를 발전사업으로 운영하는 근거이다.
• 전력거래소 공고: 중앙계약시장의 물량, 입찰 조건, 평가방식을 정한다.
• 화재안전기준(NFPC·NFTC): ESS 설치 장소의 화재 안전 요건을 정한다.
• 한국전기설비규정(KEC): 전기설비의 시설 기준이며 2021년 1월 1일부터 적용된다.
• 분산형 전원 연계기술기준: 계통 연계 시 보호와 품질 요건을 정한다.

기준값은 다음 표와 같다.

표의 값은 시장 규모와 설비 구성을 보여 준다. 중앙계약시장 물량은 2023년부터 세 차례 개설되어 1·2차 합계 1196MW가 선정되었다. 3차는 1·2차보다 규모가 두 배 수준으로 커졌다. 2026년 3차에서는 '계통 안정화 기여도'와 '출력제어 수준'을 하나로 통합해 평가하도록 바뀌었다.

시험에서는 세부 수치를 모두 외우기보다 계통 기준의 방향을 답하는 것이 중요하다. 연계 기준은 전압·주파수 유지와 사고 시 분리를 요구하고, 설치 기준은 화재와 감전 방지를 요구한다. 두 요구를 구분해서 적으면 답안의 구조가 분명해진다.

6. 유형과 비교

ESS는 저장 방식과 연계 위치에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 저장 방식별 특성을 비교하면 용도에 맞는 기술을 고를 수 있다. 저장 방식은 물리적 저장과 화학적 저장으로 크게 나뉘고, 화학적 저장은 다시 배터리 형식의 BESS(Battery Energy Storage System) 로 불린다.