글로벌 수요반응 운영현황 분석 및 전망

김지희 한전 경제경영연구원 디지털신산업연구팀 선임연구원

1. 개황
수요반응(DR ; Demand Response)이란 전기소비자가 인센티브 또는 시간대별 차등요금에 반응해 자신의 평상 시 소비패턴으로부터 전기사용량 수준을 변경하는 것이다. 이러한 수요반응은 비용 지불방법, 활용 목적, 제어 가능유무, 운영 주체 등을 기준으로 표1과 같이 다양하게 분류할 수 있다. 이러한 수요반응 운영을 통해 발전, 송·배전, 판매 및 고객측 영역 등 전력산업 전 분야에 걸쳐 긍정적인 효과를 기대할 수 있을 것이다.

2. 글로벌 수요반응 운영현황
가. 미국
글로벌 최대 DR시장을 운영 중인 미국은 수요자원의 전력산업 참여 확대를 위해 2007 년부터 다양한 제도를 마련하고 있다. 미국의 DR관련 제도 운영추이는 표 3과 같다.

① 계통운영자 주도 DR
2016 년 미국 ISO가 운영하는 수요자원 규모는 총 29 GW로, 최대부하의 5 . 7 % 수준이다. 이는 전년( 2015 년) 대비 수요자원 용량 및 최대부하 점유율 모두 감소한 수치인데, DR시장을 가장 활발히 운영 중인 PJM의 용량시장 내 수요자원의 급감(∆ 2 , 900 MW)이 미국 전체 수요자원 축소를 야기하였다 판단된다. 각 ISO 별 수요자원 용량 및 최대부하 점유율 현황은 그림 1과 같다.
최근 미국 도매시장에 참여 가능한 수요자원의 범위는 기존 수요감축 자원에서 ESS, DG 등 분산자원으로 확대되고 있는 추세이다. 또한, 이렇게 다양해지고 있는 수요자원을 효율적. 안정적으로 운영하기 위해 계량, 통신, 성과검증 기준 및 페널티 등과 관련된 수요자원 운영규칙은 엄격해지고 있다. 미국 주요 지역 별 ISO 주도 DR 운영현황은 그림 2와 같다.

② 유틸리티 주도 DR
미국 유틸리티가 2016 년 확보한 수요자원 용량은 36 GW이다. 이 중 산업용 고객이 약 14 GW를 점유하고 있으며, 뒤이어 상업용, 주택용이 각각 11 GW, 10 GW를 차지하고 있다. 반면 고객 수의 경우 주택용 고객의 규모가 874 만호 수준으로 가장 높고, 상업용 103 만호, 산업용 7 만호가 유틸리티 주도 DR에 참여하고 있다. 미국 주요 지역별 유틸리티 주도 DR 운영현황은 그림 3과 같다.

또한, 유틸리티 주도 DR의 경우 고객 규모에 따라 다른 특징의 DR을 운영하고 있다. 유틸리티는 대규모 고객을 대상으로 수요감축 요청 시 직접 또는 수동제어를 통해 수요를 감축하는 기존 DR을 운영하는 경향이 있다. 반면 소규모 고객에게는 BYOT-DR(Bring Your Own Thermostat-DR : 제어기기 기반 수요반응), BDR(Behavioral DR : 행동 수요반응) 등 신규 DR을 확대 운영 중이다.
BYOT-DR이란 고객이 스마트폰, 태블릿, 컴퓨터 등을 이용하여 시간, 장소에 관계없이 에너지소비 제어 및 모니터링을 할 수 있는 DR 프로그램이다. 이 때 유틸리티는 고객이 전기요금 절감을 목적으로 별도 구매한 기기를 통해 BYOT-DR을 운영한다. 2017 년 4 월 PNM사는 아칸소주 상업용 및 주택용 고객 부하 60 MW를 대상으로 Wi-Fi 기반 자동온도조절장치를 활용하여 BYOT-DR 실증사업을 운영하였다. 기존 DR프로그램과 BYOT-DR 프로그램의 차이점은 표 5 와 같이 정리할 수 있다.

다음으로 BDR은 시간대별 차등요금제 및 부하제어 인프라 없이 수요감축 요청에 따라 고객이 자발적으로 부하를 삭감하는 DR 프로그램을 가리킨다. 예를 들어 유틸리티는 고객 당사자와 이웃을 전력사용량을 함께 보여줌으로써 고객이 이웃보다 전기를 더 쓴다는 사실에 ‘내가 뭘 잘못하고 있나? 이웃은 뭘 잘 하고 있나?’라는 생각을 하도록 유도한다.
이러한 유틸리티의 정보제공으로 인해 해당 고객은 결과적으로 에너지를 줄이는 행동을 모색한다. BDR과 관련하여 PGE사는 2016년 12개 관할구역 내 주택용 고객 30 만호를 대상으로 BDR, TOU(Time-Of-Use : 계시별 요금제), PTR 실증사업을 전개하였다. 본 실증사업에서 동·하계기간 동안 14번의 피크 당일 DR이벤트를 공지하여 총 1.1 MW의 부하를 감축하였다. 기존 DR 중 하나인 직접부하제어(DLC : Direct Load Control)와 BDR 프로그램의 차이점은 표 6 과 같이 나타낼 수 있다.

나. 유럽
유럽의 경우 2020 년까지 에너지소비 20 % 감축목표를 설정한 에너지효율지침(Energy Efficiency Directive) 및 2030년까지 신재생전원 비율을 최대 35 %까지 달성한다는 내용의 EU 청정에너지 패키지(Clean Energy Package)에서 수요반응의 중요성을 강조함으로써 신재생전원의 출력 간헐성 보완수단으로 수요자원을 적극적으로 활용하고 있다. 먼저 에너지효율지침에서는 EU국가의 밸런싱, 예비력 등 전력시장에 수요자원 참여를 장려할 뿐만 아니라 국가별 규제기관이 수요관리사업자 및 고객과의 긴밀한 협력을 통해 DR관련 기술을 개발하도록 권고하고 있다. 또한, 청정에너지 패키지는 명확한 분산자원 운영기준 등을 마련하여 DSODistribution System Operator : 배전계통운영자)가 운영하는 DR, DG, ESS 등 다양한 분산자원이 TSO(Transmission System Operator : 송전계통운영자)가 운영하는 전력시장에 효율적으로 참여할 수 있도록 유도한다.

2018년 유럽이 운영 중인 총 수요자원 용량은 20 GW 수준이다. 특히 프랑스, 영국, 스위스, 벨기에, 핀란드, 아일랜드 등이 EU의 DR 운영을 선도하고 있으며 과거 DR을 미운영하였던 에스토니아, 스페인, 이탈리아의 경우 최근 DR에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이다. 하지만 여전히 시장 설계 및 규제 등의 이슈가 존재하는 실정이므로 지속적은 DR활성화 제도가 필요할 것이다. EU 지역 별 DR 운영현황은 그림4 와 같다.

① 프랑스
EU의 DR 선도국가 중 하나인 프랑스는 2003년부터 현재까지 단계적으로 수요자원의 전력시장 참여를 표7 과 같이 확대하고 있다. 또한, 현재 프랑스 전력시장 내 수요자원 운영현황은 표8과 같다. 이 중 프랑스 에너지 시장 내 참여하는 수요자원의 경우 2014년 310MWh에서 2015년 1,522 MWh, 2016년 10,313 MWh의 수준으로 감축 실적이 증가하고 있다.

② 영국
2000 년 중반 이전 부분적으로 수요자원의 시장 참여를 허용하였던 영국은 2000 년 중반 이후 기후변화 대응, 에너지 공급 안보, 효율향상 수단으로 활용하기 위해 수요자원 운영을 증가하고 있다. 하지만 수요관리사업자가 에너지시장에 참여하기 위해서는 판매사업자의 별도 동의가 필요 하는 등 일부 제한이 존재한다. 영국 전력시장 내 수요자원 운영현황은 표 9와 같다. 최근 영국 송전망 운영 공기업인 National Grid사는 밸런싱 시장 내 수요자원 참여요건의 간소화뿐만 아니라 산업용 및 상업용 고객을 대상 DR, DG, ESS등 분산자원의 시장 참여 독려를 위한 Power Responsive 프로그램 신규 운영 등 시장 내 수요자원의 운영 활성화를 도모하고 있다.

다. 일본

일본은 2011 년 후쿠시마 원전사고 이후 Schneider사, EnerNOC사, Comverge사 등 다양한 글로벌 수요관리사업자가 일본 정부 및 유틸리티와의 협업을 통해 소규모 DR 실증사업을 다수 운영하였다. 특히, 정부 주도로 실증사업 선운영 후, 유틸리티가 뒤를 이어 실증사업을 운영하는 계획을 시행했다. 2017 년 DR시장(NegaWatt Market) 개설됨에 따라 일본 내 수요자원의 중요성이 본격적으로 부각되었다, 특히, 일본 최대 유틸리티인 TEPCO사는 수요자원 활용을 통한 계통신뢰도 유지 및 노후화된 석탄발전원의 운영비용 절감을 위해 다수의 수요관리사업자와의 협업을 진행하였다. 또한, 2019 년부터 DR이 주파수조정에 참여 가능할 것으로 예상됨에 따라 TEPCO사는 고객에게 신에너지서비스를 제공할 뿐만 아니라 보조서비스로도 활용 가능한 수요자원 발굴하고 있다.

향후 일본의 수요자원 운영 규모는 표 11과 같이 2030년 최대 63GW까지 증가할 것이라 예상된다. 일본 정부는 주택용 및 상업용 고객의 냉방기, 온수기 및 전기자동차가 향후 수요자원으로 활용될 뿐만 아니라 기존 수요자원과 VPP(Virtual Power Plant : 가상발전소) 자원이 통합 운영될 것이라 전망하였다. 이에 따라 2018년 정부는 가정용 및 상업용 소규모 분산전원을 대상으로 한 VPP 구축 실증사업에 41억 엔을 투자하였으며 50 MW 이상의 용량제어가 가능한 기술을 연구개발하고 있다.

3. 향후 전망 및 해결과제
기존의 단방향통신 기반(DR 1.0), 온도조절장치 직접제어 및 양방향통신 기반(DR 2.0) DR을 거쳐 향후에는 스마트 온도조절장치를 이용할 뿐만 아니라 분산자원 서비스에 활용 가능한 DR(DR 3.0) 운영이 예상된다. 아래의 그림에서 기존 및 향후 수요반응 발전 추이를 나타내었다. DR 3.0의 가장 큰 특징으로 신재생전원, EV 등의 시장 참 여 확대로 인한 분산자원과 DR의 통합 운영을 들 수 있다.

특히, 신재생전원의 출력간헐성 보완수단으로 수요자원을 활용함으로써 석탄발전원 등 첨두발전원 운영 감소를 유도하여 온실가스 저감을 기대할 수 있다. 이러한 신재생전원 통합 수요반응의 글로벌 수익은 2017 년 1 억 3,210만 달러에서 2026년 13억 달러로 증가될 것이며, 이 중 EU와 북미지역이 각각 4억 9,450만 달러 및 3억 9,370 만 달러를 차지할 것이라 예상된다. 또한, 2040년 미국 EV 충전 관련 전기소비량이 400 TWh으로 예상됨에 따라 EV를 수요자원으로 활용해 EV 충전 스케줄링 최적화를 통한 피크 억제가 가능할 것으로 기대되고 있다. 그림6은 EV 충전 스케줄링 최적화 예시를 나타낸 것이다.

다음으로 전력설비 낙후 및 송전혼잡이 발생하거나 부하예측량이 설비용량을 초과하는 특정 지역을 대상으로 한 NWA로써의 DR운영이 DR 3.0의 또 다른 특징이라 할 수 있다. 미국 유틸리티인 Central Hudson사와 Con Edison사는 그림 7과 같이 특정지역 내 DR 운영을 통해 각각 16MW 및 69MW의 수요자원을 운영하여 설비회피를 유도하고 있다.
국내는 전력거래소가 2014년 11월 최대전력 감축을 위한 신뢰성 DR(피크감축 DR)과 도매시장가격 인하를 위한 경제성 DR(요금절감 DR)로 구성된 수요자원 거래시장을 개설한 이후 시장기반 거래로 개편되고 있다.
2017년 11월 국내 수요자원 거래시장 참여용량은 4.3 GW로서 수요관리사업자 20개사, 3,580 호의 고객으로 구성되어 있다. 또한, 현재는 2 MW 이상 감축 가능한 수요자원이 수요자원 거래시장에 참여 가능하며, 향후 정부 주도의 국민DR 도입 시 BTM(Behind The Meter)의 소규모 분산자원 또한 수요자원으로 활용 가능할 것이라 기대된다.

하지만 수요자원 거래시장 내 소규모 분산자원의 성공적 활용을 위해서는 전력산업 환경 정비가 필수적이다. 더 나아가 국내 및 글로벌 DR의 고도화를 위해서는 시장, 기술, 운영, 규제, 고객 인식 측면에서의 문제점 선결이 필요하다.

이 글은 한전경제경영연구원(KEMRI) 전력경제리뷰의 내용을 발췌해 작성되었음을 알려드립니다.

참고문헌
1. A. Conchado, The Economic Impact of Demand-Response Programs on Power Systems. A Survey of the State of the Art, 2010.2
2. FERC, Assessment of Demand Response and Advanced Metering, 2017.12
3. SEPA, 2017 Utility Demand Response Market Snapshot, 2017.10
4. SEDC, Explicit Demand Response in Europe Mapping the Market 2017, 2017.4
5. PLMA, Evolution of Demand Response on the United States Electricity Industry, 2017.5
6. BMW of North America LLC, BMW Electric Vehicles and the Grid, 2016.4
7. Con Edison, 2019 BQDM Program Extension Auction Requirements, 2017.12
8. Cadmus, Assessment of Barrier to Demand Response in the Northwest’s Public Power Sector, 2018.2

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