ESS와 전력계통 통합: 운영예비력, 주파수조정, 그리고 전력시장에서의 ESS 역할
1. 서론: 전력계통의 '심장 박동'을 조율하는 ESS
전력계통은 거대한 하나의 살아있는 유기체다. 발전소가 에너지를 만들어내고, 송전선로가 그 에너지를 수요처까지 운반하며, 배전망이 최종 소비자에게 전력을 공급하는 이 거대한 시스템은 1초도 쉬지 않고 수요와 공급의 균형을 맞춰야 한다. 이 균형이 깨지는 순간, 전력계통의 주파수가 흔들리고, 설비에 손상이 가며, 심각한 경우 대규모 정전으로 이어진다.
ESS(Energy Storage System)는 이 균형을 유지하는 데 핵심적인 역할을 수행한다. 지금까지의 글들에서 우리는 ESS 화재의 기록과 원인, 안전 기준의 변화, 설치 기준의 진화, 소방 대응, 보험, 입법 동향 등을 살펴보았다. 그러나 ESS가 왜 전력계통에 필요한지, 전력계통 운영에서 어떤 기능을 수행하는지, 그리고 이것이 전력시장에서 어떻게 보상받고 있는지에 대해서는 아직 충분히 다루지 않았다.
이 글에서는 ESS의 전력계통 통합이라는 관점에서, 운영예비력 서비스, 주파수조정서비스, ESS 중앙계약시장, 계통 안정화 기능, 재생에너지 연계, 그리드포밍 기술 등을 종합적으로 다룬다. 2025년 현재 한국의 전력계통이 직면한 도전과 기회, 그리고 ESS가 그 해법의 중심에 서 있음을 살펴본다.
2. 전력계통의 기본 원리: 균형의 과학
2-1. 수급 균형과 주파수
전력계통의 가장 기본적인 원리는 실시간 수급 균형이다. 전력은 저장이 어려운 특성 때문에, 발전량과 소비량이 매 순간 일치해야 한다. 이 균형은 주파수(Hz)로 측정된다. 한국의 정격 주파수는 60Hz이며, 주파수가 정격 수준에서 벗어나면 계통의 불안정을 의미한다.
실시간으로 변화하는 부하와 발전의 균형을 맞추기 위해 계통운영자는 운영예비력을 활용한다. 수 초에서 수 분 동안의 수급불균형은 주파수조정서비스(frequency regulation)로, 그 이상 불균형이 지속될 때는 대기·대체서비스로 대응한다. 다만 이로 인해 예비력으로 지정된 용량의 기회비용, 예비력으로 지정된 용량만큼의 추가 발전기 투입으로 인한 한계가격 상승의 문제가 발생한다.
한국 전력계통의 신뢰도를 확보하고 효과적으로 관리하기 위해서는 계통 관성이나 무효 전력과 관련하여 신뢰도 기준을 개선하고 기술 요건을 명문화해야 하며 감시 체계를 구축해야 한다. 특히 화석 연료 발전이 감소하고 태양광·풍력 등 재생에너지 사용이 증가함에 따라, 주파수 변동에 신속하게 대응할 수 있는 보조 서비스와 이를 공급할 수 있는 기술의 요구 사항이 정의되어야 한다. 계통 관성은 전력 계통이 주파수를 안정적으로 유지하는 능력을 나타내는 척도 중 하나이지만, 현재 한국의 전력 계통 신뢰도와 전기 품질 유지 기준은 계통 관성과 관련된 항목을 다루지 않고 있다. 계통 관성이 부족하면 작은 외란에도 전력 계통의 주파수가 불안정해지고 발전기가 탈락하여 대규모 정전으로 이어질 수 있다.
2-2. ESS의 전력계통 내 역할
ESS는 전력계통에서 다음과 같은 역할을 수행한다.
피크저감(Peak Shaving): 전력 수요가 적은 시간대에 전력을 저장하고, 수요가 높은 시간대에 방전하여 최대전력수요(피크)를 줄이는 역할이다. ESS의 방전으로 최대전력 수요를 줄이면 연료비가 높은 발전기 가동 시간을 줄일 수 있으므로 전력도매시장에서 한국전력공사가 발전회사에 지불해야 할 거래 정산금을 줄이는 효과가 발생한다. 또한 추가로 필요한 발전소 건설 용량도 감소하여 건설 투자 비용을 절감할 수 있다.
주파수 조정(Frequency Regulation): 발전기가 갑작스럽게 정지하면 전력 공급력 부족으로 주파수가 급락하고, 주파수를 정상 수준으로 회복시키기 위하여 ESS 방전(전력 공급)이 이루어진다. ESS는 수 초 이내에 응답할 수 있는 속응성과 급전지시에 정확히 따를 수 있는 정확성이 큰 장점으로 꼽힌다.
재생에너지 출력 안정화: 출력 제어가 불가능한 재생에너지를 ESS에 저장하고 BMS 또는 EMS가 배터리의 충·방전을 제어하여 재생에너지의 간헐성을 완화한다.
전력계통 안정화: 송전 설비나 에너지 저장 장치를 효과적으로 보강하면 전력 선로의 심각한 혼잡을 방지할 수 있다. 재생에너지 자원이 풍부한 지역과 전력 수요가 집중된 지역 사이의 거리가 먼 한국에서는 대규모 장거리 송전이 필요하며, 송전 설비나 에너지 저장 장치를 대폭 증설하지 않으면 전력 선로에 심각한 혼잡이 발생할 수 있다.
3. 운영예비력 제도의 구조와 ESS의 참여
3-1. 한국 운영예비력 제도의 현황
전력시장운영규칙에 따르면 예비력이란 "예측수요의 오차, 발전기 불시고장 등으로 인하여 전력수급의 균형을 유지하지 못할 경우를 대비하여 최대부하를 초과하여 보유하는 발전기의 출력여유분 및 전기저장장치의 주파수조정용량"으로 정의되어 있다.
현재 운영예비력은 총 4,000MW 이상 규모를 확보하도록 되어 있으며, 그 중 주파수 조정용으로 1,500MW 이상, 대기·대체예비력으로 나머지 2,500MW 이상을 확보하고 계통운영에 따라 각 서비스가 필요할 때마다 사용 중이다.
주파수조정예비력은 다시 G/F(주파수 주총, 1차 주파수 응답)와 AGC(자동발전제어, 2차 주파수 응답)로 나누어져 있다. G/F는 주파수 변동 초기에 응동하는 주파수 조정용량으로, 주파수 변동 시 10초 이내 발전력이 응동하여 30초 이상 출력유지가 가능한 자원이며, 발전기의 Governor Free 및 전기저장장치의 주파수 응답능력을 활용한다. AGC는 1차 응답 후 정상주파수 유지범위로 회복시키기 위한 유효전력 제공 목적으로, 주파수 변동 후 30초 이내 응동하여 30분 이상 출력유지 가능해야 한다.
대기·대체예비력은 발전설비 불시정지 및 수요예측 오차, 발전소 및 송전설비 고장정지 등에 대비한 용도이며, 다시 운전상태와 정지상태로 구분하여 운영된다. 운전상태의 경우 계통에 연결되어 운전 중이어야 하며, 급전지시 10분 이내로 주파수조정 예비력을 초과한 만큼을 추가로 발전할 수 있는 상태여야 한다. 정지상태의 경우 계통에 연결되어 있지는 않으나 전력거래소의 급전지시 이후 120분 이내에 계통에 연결되어 발전할 수 있는 상태여야 한다.
총 대기·대체예비력의 용량은 2,500MW 이상 확보되어 있으며, 동·하계 수급대책 기간(피크시즌) 여부에 따라 운전상태와 정지상태인 예비력 확보량이 달라진다.
3-2. 운영예비력 제도의 문제점
현행 운영예비력 제도에는 다음과 같은 문제점이 존재한다.
첫째, 자발적 입찰제도의 미비. 한국에서는 전일시장에서 운영계획 수립 시 발전기들과 계통의 특성을 고려해 예비력을 할당하고 이에 대해 각 서비스에 대한 정산단가를 적용하여 정산하고 있다. 그러나 정산단가에는 각 서비스와 전원별 기회비용, 운영비 보상에 대한 명확한 규정이 있지 않다. 발전사업자 입장에서는 오히려 자신의 발전자산이 예비력으로 활용됨에 따라 발전기가 에너지시장에 참여하지 못함으로써 발생하는 기회비용과 예비력 제공을 위한 연료비용 등 기타비용을 입찰로 제시하여 해결할 수 있다.
각 서비스의 기술 요건에 부합하는 자원들의 예비력 시장 진입을 허용하면 경쟁을 통한 최적의 자원배분 및 가격결정과 이에 비롯되는 장가격에 의한 합리적 보상을 기대할 수 있다.
둘째, 운영예비력 제도의 세분화 필요. 현재 주파수조정서비스는 G/F과 AGC로 이루어져 있으나, 해외 선진국의 주파수조정용 서비스 체계와 비교해 볼 때 이에 대한 세분화가 필요하다. 이는 배터리 전력저장장치의 진입을 도모할 수 있을 가능성이 있다. 대기·대체예비력의 경우 급전지시 후 20~30분 이내에 발전자원이 투입되는 것이 안정적 계통운영에 실질적으로 기여할 것으로 보인다는 실무 및 전문가들의 의견이 있다.
셋째, 예비력 보상제도에서 용량과 실적 분리보상 필요. 예비력서비스는 기존에 정해진 정산단가를 적용하여 정산하기 때문에 기회비용과 운영비의 합리적 보상이 이루어지는지 명확하지 않다. 해외 선진 계통운영 시장에서는 발전자원에 대한 투자비용과 실제 자원에서 사용한 에너지를 분리하여 보상하는 체계를 운영하고 있다.
3-3. ESS의 운영예비력 참여 가능성
배터리 전력저장장치(BESS)는 전력망에서 주파수조정용으로 활용할 수 있는 규모와 출력을 갖춘 정도로까지 기술발전이 이루어지고 있다. 급전지시 시 수 초 이내에 응답할 수 있는 속응성과 급전지시에 정확히 따를 수 있는 정확성이 장점으로 꼽히나, 타 전원대비 높은 설비단가가 도입의 큰 약점으로 지적된다.
현재 운영예비력 확보를 위해 총 석탄발전 용량 중 약 5%를 감발운전하고 있다. 이를 전력저장장치로 대체할 경우의 필요용량과 이로 인한 편익을 분석한 결과, 2016년 기준으로 석탄발전 증가와 이로 인한 LNG발전량 감소로 약 6,600억 원의 연료비 감소가 추산되었다. 다만 감발운전 중인 석탄발전을 리튬이온 배터리 ESS로 대체할 시 최소 2.2조원에서 최대 10조원의 투자비가 필요할 것으로 추산되어, 경제성 분석이 면밀히 이루어져야 한다.
4. ESS 중앙계약시장의 탄생과 구조
4-1. ESS 중앙계약시장의 도입 배경
2035년까지 한국의 전력 수요가 30% 증가할 것으로 예상되는 가운데, 청정 에너지로의 전환은 전력 부문 배출량을 줄이고 국가 기후 목표를 달성하는 데 매우 중요한 역할을 할 것이다. 태양광 발전, 풍력 발전, 에너지 저장 장치의 지속적인 기술 발전과 비용 하락은 청정 에너지 보급을 촉진하는 데 도움이 될 것이다. 그럼에도 불구하고 시장에서의 청정 에너지의 보급을 가속화하고 전환 목표를 달성하기 위해서는 다방면에 걸친 정책들을 통합적으로 조율할 필요가 있다.
ESS 중앙계약시장은 전기사업법 제43조 및 전력시장운영규칙 제15장에 따른 '저탄소 전원 중앙계약시장'의 일종으로, 전력계통 안정화 및 재생에너지 변동성 대응을 위해 ESS 도입 필요 물량을 확보하는 입찰 시장이다.
4-2. 2025년 제2차 ESS 중앙계약시장 입찰의 주요 내용
한국전력거래소는 2025년 11월 27일 2025년 제2차 "ESS 중앙계약시장(육지) 경쟁입찰" 및 "제주 시범사업 경쟁입찰"을 공고했다. 공고물량은 총 540MW(육지 500MW, 제주 40MW)이며, 대상설비는 신설 ESS 설비(단독형)이다. RPS 등 타 제도에서 거래되었거나 보조금을 받은 설비는 참여가 제한된다.
거래기간은 15년이며, 이 기간 동안 육지 기준 383 Cycle/년 이상의 충방전을 수행하여 거래기간 동안 총 5,745 Cycle 이상으로 운전할 수 있어야 한다. 대상설비의 보증수명과 운전효율도 15년간 각각 70%, 65% 이상을 유지해야 한다.
4-3. 제1차 대비 변경 사항과 비가격평가의 강화
2025년 제2차 ESS 입찰에서 가장 주목할 변화는 가격평가와 비가격평가의 배점 비율이 기존 60:40에서 50:50으로 조정된 것이다. 이는 단순히 가격경쟁력을 갖추는 방식으로는 낙찰을 담보하기 어렵다는 것을 의미하며, 기술·안전·사업구조·주민수용성 등 비가격 요소 전반을 균형 있게 정비하는 방향으로 입찰 전략이 수정되어야 한다.
비가격평가의 세부 평가항목 중 화재에 대한 안전성 부분 배점이 상향되었으며, 평가등급별 배점 차이도 확대되었다. 사업자는 사업계획서 제출 시 'ESS 화재 및 설비 안전규정 준수 의무 확약서' 및 '과충전 예방을 위한 적정 SOC를 확보하는 배터리 설치 계획'도 함께 제출하여야 한다.
또한 발전단지 제어능력, 주파수 추종·극성 전환 가능 여부, 그리드포밍 관련 기능, 화재 예방·대응 설계 등 기술·계통연계 및 안전과 관련하여 보다 구체적인 계획과 증빙자료 제출이 요구되고 있다. 입찰참가자가 컨소시엄을 구성하여 입찰에 참여하는 경우 사업이행은 특수목적법인(SPC)을 설립하여 진행해야 하며, 계약체결 전 그리드포밍 기술요건 마련 시 적용 가능함이 명시되었다.
4-4. 제주 시범사업의 차익거래 제도
제주 지역에 차익거래 제도가 시범 도입되었다. 사업자는 SMP(계통한계가격)가 낮을 때 충전하고, 높을 때 방전하여 그 차이만큼 수익을 거둘 수 있다. 사업자는 일일 충·방전계획을 각각 최대 6시간, 최대전력저장량 이내에서 제출하면, 전력거래소는 하루 전 및 실시간 발전계획에 이를 반영하여 해당 계획 기반으로 실시간 급전지시를 시행한다.
월별 차익거래 기대수익을 기준으로 총 3구간에 대하여 구간별 차익거래 지급계수를 곱하여 수익을 정산한다. 1구간(기대수익 이하)에는 지급계수 1.00이, 2구간(기대수익 초과~3배 이하)에는 지급계수 0.25가, 3구간(3배 초과)에는 지급계수 1.00이 적용된다.
계약가격은 입찰가격의 60%로 적용되며, 입찰가격의 40%는 차익거래에 따른 기대수익으로 할당된다. 이는 재생에너지 비중 확대에 따른 가격 변동성과 계통 불안정성을 ESS를 통해 완화하고, 그 기여를 시장 메커니즘을 통해 보상하려는 취지다.
5. 차세대 인버터와 계통 안정화 기술
5-1. 재생에너지 급증과 인버터의 역할 변화
전력 계통 탈탄소화 과정에서 국내 일부 지역에 집중된 석탄 및 천연가스 화력 발전소의 가동이 중단될 것이다. 그 결과 해당 지역에 필요한 무효 전력 공급원이 없어지기 때문에, 이를 대체할 무효 전력 공급원이 필요하다. 전력 계통의 전압은 특정 범위 밖으로 벗어나면 전력 설비에 손상을 주며, 설비 손상은 시스템 불안정으로 이어지기 때문에 적정 전압 범위를 유지해야 한다.
동기발전기가 줄어들어 주파수 안정성이 약화된 상황에서, 차세대 인버터의 역할이 그 어느 때보다 중요해지고 있다.
5-2. 차세대 인버터의 핵심 기능
차세대 인버터는 다음과 같은 핵심 기능을 수행한다.
첫째, 정교한 전압 및 전력 품질 유지 기능. 구름이 지나가거나 바람이 멈춰 발전량이 급변하면 국부적인 전압이 널뛰기 마련이다. 차세대 인버터는 Volt-VAR(전압-무효전력 제어), Volt-Watt(전압-유효전력 제어), Watt-VAR(유효-무효전력 제어) 그리고 역률 제어와 같은 복합적인 제어 모드를 탑재하고 있다. 이를 통해 재생에너지 변동성에 따른 배전선로 말단의 전압 급변을 억제하고 전력 품질을 안정적으로 유지한다.
둘째, 주파수 안정화 기능. 차세대 인버터는 최대 유효전력 제한 및 주파수 드룹 제어(Frequency Droop Control) 기술을 활용한다. 전력망의 주파수가 흔들릴 때 인버터가 스스로 출력을 조절하여 마치 발전소처럼 주파수를 정상 범위로 복구하는 데 기여한다.
셋째, 고장 시 계통을 붙잡아주는 고장·비상 운전 기능 '라이드스루(Ride-Through)'. 이는 계통 사고 시 인버터의 대규모 탈락을 방지하는 안전장치로, 전압 라이드스루(VRT)와 주파수 라이드스루(FRT)로 구분된다. 계통 고장으로 순간적인 전압 강하가 발생하더라도 바로 꺼져버리지 않고 일정 시간 연결을 유지하며 버팀으로써, 고장 회복 후 발생할 수 있는 수급 불균형의 위험을 낮추고 과도 상태에서의 안정적인 계통 운영을 지원한다.
넷째, 원격 감시 및 제어를 위한 상호운용성 확보. 표준화된 프로토콜을 통해 중앙 관제 센터(ADMS 등)에서 원격으로 인버터의 상태를 감시하고, 필요시 제어 설정을 실시간으로 변경하는 것이 가능하다.
다섯째, '그리드 포밍(Grid-Forming, GFM)' 등 미래형 기반 기능. 그리드 포밍은 인버터가 전압 및 주파수의 기준을 스스로 생성하여, 물리적 회전체가 없는 곳에서도 '가상 관성(Virtual Inertia)'을 제공하는 혁신 기술이다. 동기발전기가 전혀 없는 계통에서도 기본적인 전력 품질을 유지할 수 있어 전력망의 신재생에너지 수용 확대를 위한 핵심 장치로 일부 국가에서 중요성이 부각되고 있다. 다만 이 기능을 배전 계통에 전면 적용하기 위해서는 인버터 병렬 운전 기술의 고도화와 배전 계통 보호 시스템의 변경 등이 선행되어야 하기에, 현재는 송전 계통을 위주로 시범 적용하는 추세다.
5-3. ESS와 그리드포밍의 결합
2025년 제2차 ESS 중앙계약시장 입찰에서 그리드포밍 기술요건이 명시된 것은 주목할 만한 변화다. 계약체결 전 그리드포밍 기술요건 마련 시 적용 가능함이 명시되면서, 향후 ESS는 단순한 에너지 저장 장치를 넘어 전력계통의 전압과 주파수를 직접 생성·안정화하는 '계통 형성 주체'로 진화하게 된다.
ESS가 그리드포밍 기능을 수행하면, 재생에너지 출력 변동에 따른 계통 불안정성을 ESS가 직접 흡수하고 보상할 수 있게 된다. 이는 재생에너지의 계통 수용량을 획기적으로 확대하는 데 기여할 것이다.
6. 재생에너지 연계 ESS와 전력계통의 수용성 확대
6-1. 재생에너지 간헐성의 문제
태양광과 풍력은 날씨와 시간에 따라 출력이 변하는 간헐적 발전원이다. 구름이 지나가면 태양광 출력이 급감하고, 바람이 멈추면 풍력 출력이 제로가 된다. 이러한 변동성은 전력계통의 수급 균형을 위협한다.
2050 탄소중립 시나리오에서 한국의 재생에너지 발전 비율 목표를 달성하려면 태양광 기준 약 550GW~880GW가 필요하다. 2020년 재생에너지 발전량 비중 6.6% 및 설비용량 27.1GW 대비 막대한 용량이다. 이러한 대규모 재생에너지 확대에는 ESS의 역할이 필수적이다.
6-2. ESS를 통한 재생에너지 출력 안정화
ESS는 재생에너지의 출력 변동을 흡수하고, 필요 시 저장된 에너지를 방전함으로써 계통에 안정적인 전력을 공급한다. BMS와 EMS를 통해 배터리의 충·방전을 제어하여 재생에너지의 간헐성을 완화할 수 있다.
한국의 전력 계통에서 재생에너지 자원이 풍부한 지역과 전력 수요가 집중된 지역 사이의 거리가 멀어 대규모의 장거리 송전이 필요하다. 송전 설비나 에너지 저장 장치를 효과적으로 보강하기 위해서는 재생에너지, 송전 선로, 무효 전력 공급원의 규모와 위치를 모두 고려한 통합적 연구가 필요하다.
6-3. REC 제도와 ESS 경제성
신재생에너지 공급의무화제도(RPS)에서 태양광 및 풍력발전과 연계된 전기에서 공급될 경우 REC 가중치가 우대된다. 2014년 9월에 풍력 연계 ESS의 REC 가중치(최초 5.5)를 부여하는 규정이 신설되었고, 2016년 9월에는 태양광 연계 ESS의 REC 가중치(최초 5.0)가 신설되었다.
신재생에너지 공급의무화제도에서 신재생에너지 발전사업자의 판매수입은 "전기판매량×(전력도매정산가격 + (REC 가격 × 가중치))"이며, REC 가중치가 높을수록 신재생에너지 발전사업자의 판매단가가 높아져 ESS 설치 사업자들의 수익에 절대적인 영향을 미친다.
6-4. 재생에너지 계통연계 기준의 발전
한국전력공사의 '신재생발전기 송전계통 연계 기술 기준'은 재생에너지와 ESS의 계통 접속을 규율하는 핵심 기준이다. 2025년 제2차 ESS 입찰에서는 이 기준을 따를 것을 명시하고 있으며, 시운전 개시 전 발전설비 시험성적서 적정성 검토가 필요하다.
계통안정화 기여도, 발전단지 제어능력, 주파수 추종·극성 전환 가능 여부 등이 비가격평가의 중요한 평가항목으로 포함되면서, ESS 사업자들은 계획 단계부터 계통연계 기술요건을 충족하기 위한 기술적 준비를 철저히 해야 한다.
7. 전력계통 해석과 ESS의 최적 운영
7-1. 전력계통 해석의 중요성
전력계통 해석은 ESS의 계통 접속 타당성, 운영 전략, 안정성 영향 등을 평가하는 핵심 도구다. PSS/E, PSCAD, DSA Tools 등을 활용한 조류계산, 상정고장 분석, 동적안정도 해석, EMT/고조파 분석 등을 통해 ESS가 전력계통에 미치는 영향을 정밀하게 평가할 수 있다.
전력계통 해석은 정상상태·상정고장 분석(제약/전압/열적한계 검토 및 위험 구간 식별), 안정도 해석(스크리닝 기반 과도안정도 및 위험 시나리오 분석), EMT 검토(고조파/TRV/TOV/Energization/플리커 등) 등으로 구성된다.
7-2. ESS의 전력계통 모델링
ESS의 전력계통 해석을 위해서는 정밀한 모델링이 필요하다. PSS/E 사용자정의모델(UDM) 기반으로 발전기, 여자기, 조속기, 안정화기, SVC, STATCOM, HVDC, 신재생에너지, ESS 등의 전력설비를 모델링할 수 있다.
ESS 모델링에서는 배터리의 전기화학적 특성, BMS의 제어 알고리즘, PCS의 전력변환 특성, EMS의 운영 전략 등을 종합적으로 반영해야 한다. 이를 통해 ESS의 주파수조정 성능, 전압 안정화 효과, 재생에너지 출력 평활화 효과 등을 정량적으로 평가할 수 있다.
7-3. 시간단위 시계열 분석과 최적 운영
재생에너지 출력제어 분석에서는 시간단위 시계열 DB 기반으로 조건부 예비력/제약 등 시나리오 비교가 이루어진다. ESS의 최적 충·방전 스케줄링, 재생에너지 출력 예측 기반의 선제적 충전, 전력시장 가격 변동에 대응한 경제적 운영 전략 등이 시계열 분석을 통해 도출된다.
8. ESS 보급 정책의 문제점과 개선 방안
8-1. 경제성에 대한 고려 없이 보급된 ESS
ESS 보급 사업의 문제점 중 하나는 경제성에 대한 고려 없이 보급되었다는 점이다. 피크저감용 ESS의 경우 한국전력공사가 2020년 12월까지 기한을 정하여 전기 요금을 할인해 주고 있으며, 계약전력 대비 ESS 배터리 용량(자가소비용)에 따라 할인율이 차등 적용된다. 전기공급약관 시행세칙 별표에 따르면 ESS 충전을 위하여 경부하시간대(23:00~익일 09:00)에 사용한 전력량에 대하여 전력량요금의 50%를 할인한다.
그러나 이러한 할인 혜택만으로는 ESS 설치 사업자의 투자비 회수를 충분히 보장하지 못하는 경우가 많았다.
8-2. 화재 사고의 영향
2020년 2월 현재 1,622개 사업장에 ESS가 보급되었으며, 이 중 28개 사업장에서 ESS 화재 사고가 발생하여 사업장 기준으로 화재 발생 확률은 1.73%였다. 다수의 화재 사고가 발생하면서 ESS 보급에 대한 신뢰가 크게 훼손되었다.
8-3. 전력계통에 대한 부정적 영향
대규모 ESS의 전력계통 접속은 전압 변동, 고조파, 계통 안정성 등에 영향을 미칠 수 있다. 재생에너지 연계 ESS의 경우 전력 수요관리 기능이 부족하다는 점도 문제로 지적되었다.
8-4. 개선 방안
전력수급기본계획 수립 시에 ESS가 전력계통 안전성에 미치는 영향을 평가해야 한다. ESS 화재 사고 이후 정부 권고에 따라 ESS 가동을 정지한 사업자의 수익 기회 상실에 대한 합리적 대응 조치를 개발할 필요가 있다. ESS 설치 사업자들이 안정한 환경에서 ESS를 가동할 수 있도록 안전 관련 설비와 소프트웨어를 보강할 수 있는 경과 규정을 마련하거나 유인책을 강구할 필요가 있다.
9. 해외 운영예비력 제도와의 비교
9-1. 미국의 운영예비력 시장
미국의 전력시장에서는 운영예비력 서비스에 자발적 입찰제도가 활성화되어 있다. 각 서비스의 기술 요건에 부합하는 다양한 자원들이 경쟁을 통해 예비력 시장에 참여하며, 시장 가격을 통해 합리적인 보상이 이루어진다.
배터리 전력저장장치의 경우, 주파수조정서비스에 적극적으로 참여하고 있으며, PJM, CAISO 등의 전력시장에서는 BESS의 주파수조정 참여가 이미 상용화 단계에 있다.
9-2. 영국의 운영예비력 시장
영국의 경우 주파수예비력은 기존 방식을 유지하되, 그 이외의 서비스는 자발적 입찰 방식을 도입하는 단계적 접근을 취하고 있다. 특히 주파수 조정 서비스를 세분화하여(Firm Frequency Response 등), BESS의 진입을 적극적으로 유도하고 있다.
9-3. 한국에의 시사점
해외 선진 전력시장의 사례를 참고하면, 한국의 운영예비력 제도는 다음과 같이 개선될 수 있다.
주파수조정서비스의 세분화: 현재 G/F과 AGC로만 구분되어 있는 주파수조정서비스를 더 세분화하면, BESS의 진입 기회가 확대될 수 있다.
자발적 입찰제도의 단계적 도입: 급진적으로 모든 서비스에 대해 입찰서비스를 도입하기보다, 영국의 경우처럼 가장 많이 사용되는 주파수조정의 경우 현재와 같은 방식을 유지하되, 그 이외의 서비스는 순차적으로 입찰방식 변경을 고려하는 것이 안정적인 예비력 확보를 위해서 타당하다.
용량과 실적의 분리보상: 발전자원에 대한 투자비용과 실제 자원에서 사용한 에너지를 분리하여 보상하는 체계를 도입하면, BESS의 투자비 회수가 용이해지고 신규 투자가 촉진될 수 있다.
10. ESS와 전력계통의 미래: 탄소중립 시나리오에서의 ESS
10-1. 2035년 청정에너지 80% 달성과 ESS
한국은 2035년까지 80% 전력을 청정 에너지원으로 공급하는 것이 가능하다는 시나리오가 제시되어 있다. 이를 달성하기 위해서는 대규모 ESS의 보급이 필수적이다.
2035년 한국 전력부문에서 청정에너지 80%를 달성하려면, 태양광·풍력 등 재생에너지의 대규모 확대와 함께, 그 간헐성을 보완할 수 있는 ESS의 충분한 확보가 필요하다. 또한 송전 설비나 에너지 저장 장치를 대폭 증설하지 않으면 전력 선로에 심각한 혼잡이 발생할 수 있다.
10-2. 재생에너지 확대와 ESS의 동반 성장
2050 탄소중립 시나리오에서 재생에너지 발전 비율 목표를 달성하려면 태양광 기준 약 550GW~880GW가 필요하다. RPS 제도만으로는 이러한 목표 달성이 어려우며, RE100 등 자발적인 신규 재생에너지 소비제도를 활성화해야 한다. RE100 이행방안 중에서도 신규 재생에너지 확대와 직접 연계 가능한 재생에너지 PPA의 활성화가 필요하지만, 재생에너지 원가가 높아 민간의 실제 참여는 소극적인 상황이다.
재생에너지 확대가 가속화될수록 ESS의 수요도 함께 증가한다. ESS는 재생에너지의 간헐성을 보완하고, 계통 안정화를 지원하며, 전력시장에서의 변동성을 완화하는 핵심 인프라이다.
10-3. 2050년 전력수요 증가와 ESS의 역할
한국의 전력 수요는 2035년에는 2020년 대비 31%, 2050년에는 113%까지 증가할 것으로 예상된다. 지속적인 경제 성장과 타 부문에서의 전력화가 이루어지면서 전력 수요가 급증하고, 이에 대응하기 위해서는 청정 에너지의 대규모 보급과 함께 ESS의 역할이 더욱 중요해진다.
전력계통의 안정성을 확보하기 위해서는 재생에너지의 간헐성을 극복하고 전력계통의 안정성을 확보할 수 있는 방안이 필요하며, 이를 위해 지역 분산형 ESS 및 수소 충·저장 시스템의 구축이 요구된다.
11. ESS의 전력계통 기여도 평가와 보상의 정교화
11-1. ESS의 다중 서비스 제공
ESS는 하나의 설비로 여러 가지 서비스를 동시에 또는 시차를 두고 제공할 수 있다. 주파수조정, 피크저감, 재생에너지 출력 안정화, 전압 조정, 예비력 제공 등 다양한 서비스를 하나의 ESS가 유연하게 전환하며 제공할 수 있는 것이 ESS의 가장 큰 강점이다.
그러나 현행 전력시장에서는 이러한 다중 서비스 제공에 대한 합리적인 보상 체계가 미비하다. 하나의 서비스에 참여하는 동안 다른 서비스에 참여하지 못하는 기회비용, 서비스 전환에 따른 운영 비용, 배터리 열화에 따른 수명 감소 비용 등이 충분히 반영되지 않고 있다.
11-2. ESS의 계통 기여도 정량화
ESS의 전력계통 기여도를 정량화하는 것은 합리적인 보상 체계 수립의 전제조건이다. 주파수 안정화 기여도, 전압 안정화 기여도, 혼잡 완화 기여도, 재생에너지 수용 확대 기여도 등을 각각 정량적으로 산정하고, 이를 바탕으로 서비스별 보상 단가를 결정해야 한다.
현재 국내 운영예비력 제도에서는 기회비용과 운영비에 대한 명확한 보상 체계가 미비하다. 해외 선진 전력시장에서는 발전자원에 대한 투자비용과 실제 에너지 비용을 분리하여 보상하는 체계를 운영하고 있으며, 한국도 이 방향으로의 제도 개선이 필요하다.
11-3. 배터리 수명과 보상의 연계
ESS 배터리는 충·방전 반복에 따라 점진적으로 열화된다. 운영예비력 서비스 참여 시频繁한 충·방전이 발생하면 배터리 수명이 단축되는데, 이 비용이 현재의 보상 체계에 충분히 반영되지 않고 있다.
ESS 사업자가 장기적으로 지속적인 서비스를 제공하기 위해서는 배터리 수명 감소에 대한 합리적인 보상이 이루어져야 한다. 15년 거래기간 동안 보증수명 70% 이상, 운전효율 65% 이상을 유지해야 한다는 ESS 중앙계약시장의 요건은 이러한 맥락에서 이해할 수 있다.
12. 분산형 ESS와 전력계통의 미래 구조
12-1. 분산형 전력계통으로의 전환
전통적인 전력계통은 중앙집중형 구조였다. 대규모 발전소에서 전력을 생산하고, 송전망과 배전망을 통해 소비자에게 전력을 공급하는 단방향 구조였다. 그러나 재생에너지와 ESS의 보급이 확대되면서 전력계통은 분산형 구조로 전환되고 있다.
태양광 발전과 ESS가 소비자 가까이에 설치되고, 이들이 전력계통의 주파수와 전압을 안정화하는 데 기여하는 분산형 전력계통은 에너지 전환의 핵심 비전이다.
12-2. 마이크로그리드와 ESS
ESS는 마이크로그리드의 핵심 구성요소이다. 마이크로그리드는 대규모 전력계통으로부터 독립적으로 운영될 수 있는 소규모 전력망으로, ESS를 통해 재생에너지의 간헐성을 보완하고, 계통으로부터의 독립적 운영을 가능하게 한다.
12-3. 가상발전소(VPP)와 ESS
가상발전소(Virtual Power Plant, VPP)는 분산된 소규모 발전원과 ESS를 ICT로 통합하여 하나의 발전소처럼 운영하는 개념이다. ESS는 VPP에서 핵심적인 역할을 수행하며, 수요반응(Demand Response), 주파수조정, 피크저감 등 다양한 서비스를 제공한다.
13. ESS 관련 법령 및 제도의 정비 방향
13-1. 전기사업법과 ESS
전기사업법 제43조는 저탄소 전원 중앙계약시장의 근거 규정이며, ESS 중앙계약시장은 이 규정에 따라 운영된다. 전력시장운영규칙 제15장은 ESS 중앙계약시장의 세부 운영 기준을 규정한다.
13-2. 전력수급기본계획에서의 ESS 반영
전력수급기본계획 수립 시에 ESS가 전력계통 안전성에 미치는 영향을 평가하는 것이 필요하다. 제11차 전력수급기본계획에는 2027년까지의 ESS 도입 필요 물량이 반영되어 있으며, 이에 따라 ESS 중앙계약시장 입찰이 진행되고 있다.
13-3. 계통연계 기준의 발전
한국전력공사의 '신재생발전기 송전계통 연계 기술 기준'과 같은 계통연계 기준이 지속적으로 발전하고 있으며, ESS의 계통 접속에 대한 기술 요건도 강화되고 있다. 차세대 인버터의 기능(Volt-VAR, 주파수 드룹 제어, 라이드스루, 그리드포밍 등)이 계통연계 기준에 반영되어야 한다.
14. 결론: ESS가 전력계통의 미래를 만든다
ESS는 단순한 에너지 저장 장치가 아니다. ESS는 전력계통의 주파수를 안정화하고, 전압을 유지하며, 재생에너지의 간헐성을 보완하고, 송전 혼잡을 완화하며, 그리드포밍을 통해 전력계통의 기반을 형성하는 핵심 인프라다.
한국의 전력계통은 지금 역사적 전환점에 서 있다. 2035년 청정에너지 80%라는 도전적인 목표를 달성하기 위해서는 대규모 ESS의 보급이 필수적이며, 이에 따라 ESS 중앙계약시장이 도입되고, 운영예비력 제도가 개선되고, 계통연계 기준이 발전하고 있다.
그러나 아직 갈 길이 멀다. 운영예비력 서비스의 세분화와 자발적 입찰제도의 도입, ESS의 다중 서비스 제공에 대한 합리적 보상 체계의 수립, 분산형 ESS와 마이크로그리드의 활성화, 그리드포밍 기술의 상용화 등 해결해야 할 과제가 산재해 있다.
ESS가 안전하게 만들어지고(citation: 이전 글 주제 15), 안전하게 설치되고(citation: 이전 글 주제 79), 안전하게 운영되며(citation: 이전 글 주제 34), 합리적으로 보상받을 때 — ESS는 비로소 전력계통의 미래를 만드는 핵심 동력이 될 것이다.
ESS와 전력계통의 관계는 단방향이 아니라 쌍방향이다. 전력계통은 ESS에게 안정적이고 예측 가능한 운영 환경을 제공하고, ESS는 전력계통에게 안정성과 유연성을 제공한다. 이 상호작용이 건강하게 작동할 때, 한국의 에너지 전환은 비로소 현실이 될 것이다.
참고 자료 및 출처
Lawrence Berkeley National Laboratory, 「한국 전력 계통의 도전과 기회: 대규모 청정 에너지를 성공적으로 빠르게 보급하기 위한 우선 과제」 (2023.4)
탄소중립위원회, 「2050 탄소중립 시나리오 - 산업계(재생에너지) 의견수렴」 (2021.8.24)
국회입법조사처, 「전기저장시스템(ESS) 보급 정책의 문제점과 개선방안」 현안분석 제140호 (2020.5.30)
SILMA Energy, 「전력계통 해석 및 신재생에너지 연계 검토」
대한전기학회 2018년 하계학술대회 발표자료집
차세대 인버터 기능 관련 기술자료 (Volt-VAR, Frequency Droop, Ride-Through, Grid-Forming 등)
- 종합 에너지 기술 전문 매체
법무법인(유) 세종, 「2025년 제2차 ESS 중앙계약시장 입찰 공고 분석」 (2025.11.27)
에너지경제연구원, 「전력저장장치 활용에 따른 운영예비력 제도 개선 방향 제언」 정책이슈페이퍼 18-11 (2018)
전북대학교 전력계통 연구실, 연구과제 목록 (ESS 계통안정화, BESS 검증, 주파수조정 등)
에너지경제연구원, 「전력 저장장치 특성을 반영한 합리적 운영예비력 제도 및 보상방안에 대한 연구」 기본연구보고서 17-23 (2017)
「전기사업법」 제43조 — 저탄소 전원 중앙계약시장
「전력시장운영규칙」 제15장 — ESS 중앙계약시장 운영 규정
「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」 제23조의5 — 공급의무화제도
「에너지이용합리화법」 제22조·제23조 — 고효율에너지기자재 인증 및 사후관리
「조세특례제한법」 제25조 — 특정 시설 투자 등에 대한 세액공제
한국전력공사, 「신재생발전기 송전계통 연계 기술 기준」
한국전력거래소, 「전력시장운영규칙」 — 운영예비력 서비스 기준
ESS 중앙계약시장 입찰 공고 (2025년 제1차·제2차)
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