전력계통 수급 안정을 위한 소규모 수요자원 경제성 분석 연구

Abstract

With the continued growth in demand for electricity at around 4 percent and breaking the new peak record of highest power demand every year for the last 10 years, Korean power plant capacity exceeded 129,361 MW in 2021. The imbalance of power supply and demand in Korea became notable since the late 2000s particularly due to the increased oil price. However, the imbalance has been intensified since 2003 as a result of inadequate government price control policy, motivating a more rapid increase in electricity use relative to the use of coal raw materials. To address the excess power demand, expansion of power generation facilities became necessary. However, the annual power peak generation time is 1 % of yearly electricity usage(50 ～ 100 hours); therefore, a large-scale increase in power generation facilities would inevitably entail inefficiency of operation during the low demand periods. Therefore, reducing the demand corresponding to the peak demands accounting for 1 % of the total electricity use would be more effective than wasting the excess supply 99 % of the time by expanding power generation facilities. The demand response (DR) market in Korea has been growing rapidly since its start in November 2014. By the end of 2020, the demand response market secured 4,514 MW and reduced power by about 1,000GWh since 2014, and the market size based on settlement amount has grown to about 200 billion won. DR market contributes to the power supply during the summer and winter peaks based on the demand response. However, it is currently based on load movement rather than aiming to reduce the electric power demand and limited seasonally to industrial and commercial sectors such as some manufacturing industries and buildings. Consequently, the current DR market benefits only a part of the market and focuses on the settlement distribution rather than the discovery of additional demand resources. For the long-term sustainability of the power supply and demand, it is necessary to reexamine the foundation of the system by considering the involvement of a larger number of people, providing monetary incentives, and systematically recruiting and managing fewer resources. National DR is a demand response resource that can secure short-term reserves and contribute to electricity supply at a low cost. National DR resources can be used as operational reserves for small-scale customers as it is possible to supply power even 20 minutes before the maximum reduction start time. National DR system is connected with other decentralized resources such as electric vehicles, solar power, and renewables, not to mention the IoT-based home energy service market such that national DR resources increase the flexibility of the power system and the opportunity cost paid for reduction is smaller compared to other resources. Given the expansion and the benefits of the national DR, this study aims to analyze the performance of DR market, as it can be an important determinant of participating in the DR market. By analyzing the benefits, the dissertation intends to present the theoretical basis for the development of the DR market and contribute to the stabilization of power supply and demand. The benefits of national DR resources are analyzed by examining the trading system of the DR market from the perspectives of stakeholders - electric consumer, demand management providers. The major performance of DR market measured by capacity increase and operation performance is divided by reliability demand response and economical demand response. Evaluation of the benefits of DR market system is analyzed both quantitatively and qualitatively. The quantitative evaluation examines cost-effectiveness by measuring facility avoidance cost, energy cost, and reduction of capacity acquisition cost in the electricity market. The qualitative evaluation confirms that the non-metering effect improved the efficiency of the power system and power market, stabilized the market price, improved the ability to respond to climate change, and solidified its position as an exemplary driving force of the new energy industry. Furthermore, ways to improve the DR market system were considered. First, the current issues of the DR market were diagnosed and the need for system improvement was derived. The national DR was proposed as a way to expand consumer participation, and the benefit calculation system of the national DR was designed and defined. The economic analysis of the existing power plant construction and load management system does not match the practical economic evaluation of the national DR as it links simple construction costs to the performance compensation of the load management system. A more sophisticated measure composing the benefits of each of the participants such as the public, company(demand management provider), and society is designed and calculated. Based on the national DR benefit calculation system, the "energy mission" experimental data which is designed and employed as part of the business model demonstration project was used to execute the benefit analysis. As a result, if the national DR is implemented for the next 10 years, the present values of the benefits for each participants range from KRW 76.15 billion to KRW 398.72 billion. The findings suggest that national DR can act as a power plant and a practical way to give the people an eco-friendly and economic effect. |우리나라의 전력수급 문제들은 2001년부터 전력산업구조개편 상황에서 해결책을 모색해왔으며 특히, 2010년 이후부터는 중앙집중적인 대규모 발전소 건설을 통해 전력수급을 유지하는 것보다 스마트그리드 등을 통해 수요를 줄이는 것이 더 효과적임을 인식하게 되었다. 수요자원은 공급설비에 비해 경제적이고 효과적인 수단으로 공급자원보다 우수한 자원으로 평가된다. 특히, 전력수요는 연중 1% 이내의 매우 짧은 시간에 집중되는 경향이 있어서 공급을 늘리는 경우, 이를 위해 증설한 설비는 개념상 연중 1% 시간만 운전하고 나머지 시간은 유휴 설비가 되어 자원을 낭비할 수밖에 없다. 따라서 이 1 %의 시간에 해당하는 수요를 감축하는 것은 99 %의 시간 동안 낭비되는 자원을 구제할 수 있기 때문에 매우 효과적인 방법이다. 국민DR(Demand response) 자원의 경우, 소규모 수요자원으로서 소규모 수용가를 기반으로 최대 감축시작시간 20분 전에도 급전지시가 가능하다는 점에서 운영예비력으로의 활용 가능성을 기대할 수 있으며, 전력시스템의 유연성을 높이는 데 큰 역할을 할 것이다. 이는 수요자원 감축을 위해 지불하는 기회비용이 다른 자원에 비해 작으며, 빠른 시간 내 급전지시가 가능하고, 전기차·태양광·신재생 등 다른 분산형 자원과의 연계가 용이할 뿐만 아니라, IoT 기반 가정용 에너지서비스 시장과도 연결되어 있기 때문이다. 이에 본 연구에서는 수요자원시장 제도를 조사 및 평가, 분석하여 시사점을 도출하고, 국민DR 자원에 대한 편익을 참여자, 수요관리사업자, 수용가영향도, 총자원비용, 사회적비용의 5개 관점에서 정량적·정성적으로 심도있게 분석하여 시범사업 결과를 통한 미래 수요자원시장의 나아갈 방향을 제시하고자 한다. 본 논문은 5개의 장으로 구성되어 있다. 제1장은 서론으로 본 논문의 필요성, 목적, 그리고 논문의 구성에 대하여 기술하였다. 수요자원은 전력수급균형에 있어서 공급자원의 한계를 극복할 수 있는 대안 자원으로서 가치가 인정되고 있다. 수요자원의 효용은 재무적 편익뿐만 아니라, 전력계통 신뢰도 제고, 계통혼잡 완화, 전력시장 효율성 향상 등의 이점이 있는 것으로 평가되어 왔으며, 세계의 많은 나라에서 수요자원이 도매전력시장에 참여할 수 있도록 제도화되어 있다. 우리나라도 2014년 11월에 수요자원 거래 시장을 도입하였고, 양적으로 크게 성장하였지만 선행 국가의 수요자원 시장과 비교할 때 대규모 수용가 위주로 편중되어 제도 전환의 필요성을 제시하였다. 제2장에서는 수요자원시장의 거래제도에 대해 조사하고 분석하였다. 우선 수요자원에 대한 일반이론으로서 수요자원의 도입 배경, 수요자원의 역할, 그리고 기대되는 편익 등에 대하여 분석하였다. 또한 선행 국가인 미국과 유럽의 대표적인 국가를 대상으로 수요자원 시장 제도의 현황을 조사하고 특성을 파악하였다. 끝으로 우리나라 수요자원 시장 제도에 대해서 평가하고 분석하였다. 수요자원의 주요 성과인 용량의 증대, 수요자원의 운영성과를 신뢰성 수요반응과 경제성 수요반응으로 구분하여 정리하였다. 이어서 수요자원 시장 제도에 대해서 계량적 척도와 비계량적 관점에서 평가, 분석을 시행하였다. 계량적 척도는 비용효과성을 중심으로 분석하였으며, 설비회피비용, 에너지 비용, 그리고 전력시장에서 용량확보 비용 절감의 차원에서 평가하였다. 비계량효과는 전력계통과 전력시장의 효율성 향상, 시장가격의 안정화, 기후변화 대응능력 제고, 그리고 에너지신산업에 대한 대표적 견인차로 입지를 굳힌 점 등이 확인되었다. 이후 수요자원 시장 제도의 개선 방안을 고찰하였다. 먼저 현행 수요자원 시장의 이슈를 진단하고 제도 개선 필요성을 도출하였으며, 이를 토대로 제도 개선 방안을 제시하였다. 제3장에서는 2장에서 제시한 개선방안을 융합하여 소비자 참여를 확대하는 방안으로 국민DR을 제시하고, 국민DR의 편익 산정체계를 설계 및 정의하였다. 기존 발전소 건설과 부하관리제도의 경제성 분석은 단순 건설비용에 부하관리제도 성과보상금을 연결시킨 것으로 국민DR의 실질적인 경제성 평가에 부합하지 않으므로 새로운 개념 도출이 필요하다. 따라서 참여자, 수요관리사업자, 수용가영향도, 총자원비용, 사회적비용의 5개 관점별로 편익을 구성하는 항목과 항목별 산정방식을 정의하고 설정하였다. 5개 관점별로 국민DR의 편익을 산정한 연구결과를 토대로 국민DR 편익 산정체계를 검증하였다. 사업모델(BM) 실증사업 일환으로 수행된 ‘Energy mission’ 실험자료를 가공하여 편익분석의 기초자료로 삼았다. 향후 10년 간 국민DR을 실시하였을 경우, 5개 관점별 편익의 현재가치(Present value, PV)를 도출하였다. 그 결과, 비용 측면에서 편익이 존재하고 그 누적 편익이 최소 761.5억에서 3,987.2 억 원에 해당 됨을 도출하였다. 제4장에서는 실증내용과 결과를 정리하였고, 마지막으로 제5장은 연구 결과를 종합하여 정리하고 시사점을 서술하였으며, 본 연구의 결론에 대해서 기술하였다.