일본 정부는 최근 전력 수급 구조에 대한 변화의 흐름에 따라 큰 전환기를 맞이하고 있다. 구체적으로는 태양 광 발전 비용의 급격한 하락, 디지털 기술의 발전, 에너지 시스템 개혁의 진전, 재생 에너지를 요구하는 수요와 이에 대한 RE100, SDGs 등, 다발 자연 재해를 고려한 전력 공급 시스템의 탄력성 향상요청, 에너지를 활용 한 지역 경제 활성화 등에 정책을 전개하고 있다.

이러한 변화로 인해 "대기업 전력 회사가 대규모 전원과 수요지를 계통에 연결하는 기존의 전력 시스템"에서 "분산 형 에너지 자원을 유연하게 활용하는 새로운 전력 시스템 '으로 큰 변화가 생겨나고 수급 일체형 전력 모델 (분산 형 에너지 모델)의 보급을 더욱 촉진하는 것이 요구되고 있다.

스가 일본 총리가 2050 년 탄소 중립 탈 탄소 사회의 실현을 목표로하는 것을 선언하고 재생 가능 에너지를 포함하는 분산 형 에너지 모델의 중요성은 향후 더욱 높아질 것으로 예상된다.

이런 의미에서 우리보다 먼저 분산에너지 확대와 시스템 구축에 나선 일본의 사례는 시사하는 바가 크다. 이런 가운데 에너지경제연구원은 최근 '일본의 분산형 전력시스템(Distributed Energy Resources) 확대 동향'이라는 제목의 분석자료를 살펴본다.

◇전력시스템 개혁… 사업자?전원 다각화

일본 정부는 동일본 대지진으로 대두된 대규모 집중형 원전 에 의존하는 경직적인 기존 전력시스템의 한계를 해결하기 위해 3단계의 전력시스템 개혁을 추진해왔다. 이에 따라 전력시장에 참여하는 사업자 및 전원의 다각화를 진행하고 있다. 전력시스템 개혁은 광역계통운영기관(OCCTO) 설립(2015년), 전력소매시장의 전면 자유화(2016년), 일반전기사업자 송배?전부문의 법적분리(2020년) 등 3단계에 걸쳐 진행됐다.

전력소매시장 전면자유화 이후 기존 일반전기사업자가 지역독점해온 저압부문(50kW 미만)시장에 참가하는 신전력사업자가 늘어나고 있다. 경제산업성에 소매전기사업자로 등록한 사업자 수는 2020년 10월 1일 기준으로 679개사이며 자유화 이후 2020년 6월 말까지 기존 일반전기사업자에서 신전력사업자로의 공급계약(저압) 변경 건수는 약 1395만 건이다.

총 전력판매량(특고압?고압, 저압)에서 신전력사업자가 차지하는 비율은 자유화가 시행된 2016년 4월 5.2%에서 2020년 6월에는 17.8%까지 증가했다. 이 중 저압부문 전력판매량에서 차지하는 신전력사업자의 점유율은 19.0%까지 확대됐다.

전력시스템 개혁으로 경쟁이 활성화되고 자유화된 시장 환경 아래서 안정적으로 전력을 공급하기 위해 기저전원시장?용량시장이 개설된 데 이어 2021년 4월에는 일반송?배전사업자가 공급구역 내 실시간 수급조정을 위한 조정전력을 조달할 수 있는 수급조정(밸런싱)시장이 개설될 예정이다.

자유화된 발전?소매부문과 달리 거액의 설비투자가 필요한 송?배전부문은 안정적인 전력 공급을 이유로 정부의 허가를 받은 사업자만 참가할 수 있다. 일반송·배전사업자는 발전사업자와 소매전기사업자가 수립한 계획에 따른 공급량과 실질 공급량의 오차 등을 조정전력을 이용해 실시간 수급을 일치시키는 역할을 담당하고 있으며 각 공급구역 내에서 개별적 입찰을 통해 조정전력을 조달하고 있다.

경제산업성은 일반송?배전사업자의 효율적인 조정전력 조달을 위해 전국 규모의 수급조정(밸런싱)시장을 개설하기로 했다. 수급조정시장 개설로 입찰 경쟁이 활성화돼 조정전력 조달비용이 절감되고 전기요금 상승 억제 효과로 이어질 것으로 기대되고 있다. 분산에너지자원을 활용한 가상발전소(VPP) 및 수용가측 전력량을 조절하는 수요반응(DR) 등과 관련된 사업이 활성화돼 기존 대규모 전원의 설비투자 및 운영비용 절감이 기대된다.

◇재생에너지 확대로 계통 한계 대두

일본 정부는 2030년까지 발전량 기준 재생에너지 비중을 22∼24%로 확대한다는 목표 아래 다양한 지원제도를 실시해왔다. 2012년 FIT제도 도입 이후 태양광을 중심으로 재생에너지 도입이 대폭 늘어나 발전량 기준 재생에너지 비중은 2010년의 9.5%에서 2019년에는 18.0%까지 확대됐다.

재생에너지 도입 확대로 재생에너지 발전설비의 특성을 고려하지 않은 기존 전력망의 한계가 대두돼 재생에너지 발전설비를 대상으로 한 출력제어 가능성이 높아지고 있다. 경제산업성은 기존 전력망을 효율적으로 활용하면서 재생에너지 보급 확대에 대응하기 위해 'non-firm형(유연한) 접속방식' 도입을 검토하고 있다.

Non-firm형 접속방식은 계통의 실제 송전량을 고려해 계통에 송전여유가 있는 시간대에만 발전할 수 있고, 계통 혼잡 시에는 출력제어 받는 것을 조건으로 계통에 접속하는 형태로 현행의 선착순 계통 접속에 비해 유연하다. Non-firm형 접속방식은 2019년 9월부터 지바지역, 2020년 1월부터 기타 도호쿠지역과 가시마지역 등 송전용량 부족이 뚜렷한 지역을 중심으로 시범적으로 실시되고 있다. 2021년에 전국적으로 도입될 계획이다.

향후 '태양광발전 잉여전력 매입제도'에 의한 매입 보장기간이 만료되는 태양광설비가 증가할 전망으로 이를 효율적으로 활용할 필요가 대두되고 있다. 매입 보장기간이 만료되는 10kW 미만의 태양광 발전사업자는 2023년에 약 160만 가구로 예상되며 이로 인해 약 7000MW 규모의 잉여전력이 발생할 것으로 보인다.

이들 발전사업자는 전력회사 및 개인 수용가 등 새로운 잉여전력 판매처와 계약을 하거나 ESS 등을 활용해 자가소비 할 수 있다. 이에 따라 일본 내 가정용 ESS 시장은 2023년에 약 1200억엔 규모로 확대될 전망이다.

환경과 경제를 양립시킨 지속 가능한 에너지 이용을
위한 솔루션을 제공한다. (사진출처=ecolomy.co.jp)

◇분산형 전력시스템 구축 실증사업

경제산업성은 기존 전력시스템의 한계를 해소하고 보급이 확대되고 있는 재생에너지를 안정적?효율적으로 활용하기 위해 IoT 기술을 활용한 'VPP 구축 실증 사업'을 추진하고 있다.

우선 수용가 측 에너지자원을 활용한 VPP 구축 실증사업을 들 수 있다. 'VPP 구축 실증사업'은 50MW 이상의 EV·ESS 등 에너지자원을 IoT로 원격 통합·제어해 수급조정에 활용하는 기술 확립을 목표로 2016∼2020년에 실시된 실증 사업이다. VPP 중개사업자 참여를 위한 제도 마련, EVPS(EV power station) 및 가정용 연료전지('에네팜') 등 원격 통합 제어 가능한 에너지자원 종류 확대, ESS 규모 확대를 목표로 했다.

'계시별요금제 도입한 전기차 충전 실증사업'은 전기차 충전요금을 도매전력 가격에 연동해 시간대별로 설정하고 계통이 혼잡한 시간대를 피해 전기차 충전을 실시하도록 유도하는 실증사업으로 3년간(2020∼2023년) 실시될 예정이다.

재생에너지 도입 촉진을 위한 고도의 배전 안정화 제어 기술의 구축 실증 사업도 추진된다. 기존 배전계통은 일방적인 전력 흐름을 전제로 운영되고 있으나 재생에너지, 전기차 등 분산형전원 보급 및 DR 도입 확대에 따라 배전 안정화를 위해 쌍방향 전력 흐름을 고려할 필요가 있어졌다.

경제산업성은 실제 배전계통의 조류 및 전압 상태를 고려한 제어방식을 검토하고 배전용 변전소 단위로 전압관리를 실시하는 기술을 개발할 예정이다. 또한, 분산형전원이 배전 안정화에 기여할 수 있는 제어 기술 및 거래시스템을 구축하기 위해 국내외 사례를 포함해 실현 가능성을 검증할 방침이다. 이를 통해 배전계통의 설비 확충을 억제하고 분산형전원을 활용한 새로운 비즈니스 모델을 확립하는 동시에 재생에너지 도입 확대를 추진한다는 것이다.

지역 마이크로그리드 구축 사업에 보조금을 제공한다. 지역 내 재생에너지를 활용해 평상시에는 계통 흐름을 파악·제어하고 재해 등에 따른 대규모 정전 발생 시에는 독립적으로 전력을 공급할 수 있도록 지역 마이크로그리드를 구축하는 민간사업자에게 보조금을 지급할 예정이다.

또한, 지역 마이크로그리드 구축을 위한 사업계획을 작성하는 민간사업자에게 보조금을 지급한다. 2020∼2022년 기간 중 12건의 지역 마이크로그리드 시범 모델을 구축했고 향후 전국적 보급을 목표로 하고 있다. 이를 통해 지역 내 재생에너지 효율적 활용 및 대규모 전원 신설 비용 절감에 기여할 것으로 기대하고 있다.

◇차세대 전력망 구축

일본 정부는 경제산업성 산하 검토회를 통해 재생에너지 도입 확대 및 차세대 전력망 구축 방안을 논의해왔다. 재해 발생 시 안정적인 전력 공급이 가능한 전력 인프라에 대한 필요성이 제기됐기 때문이다.

재생에너지 주력 전원화 제도 개혁 소위원회는 2020년 2월 재생에너지 도입 확대 및 FIT제도 개정 방안을 논의한 중간보고서를 통해 분산형에너지를 활용해 차세대 전력망을 구축하는 제도 방향을 제시했다. 일본 정부는 제5차 에너지기본계획에서 재생에너지를 주력 전원화한다는 목표를 제시하고 있다. 이를 달성하기 위해서는 재생에너지 설비의 특성을 고려하지 않은 기존 전력계통의 비효율성을 해결할 수 있도록 분산형 에너지시스템을 구축할 필요가 있으며 이에 필요한 배전사업자 및 중개사업자에 대한 규제 및 제도를 법제화할 필요가 있다고 판단했다.

지속가능한 전력시스템 구축 소위원회는 발·송전 분리 및 신규 시장 도입 등의 변화에 대응할 수 있는 지속적인 안정공급시스템 구축을 위해 전력시스템의 분산화 및 전원 투자 내용을 담은 중간보고서를 지난 2월 발표했다.

산악지역 등 주요 전원 및 계통과 이격된 지역의 경우 분산형전원을 활용해 배전망을 독립시켜 송배전망 유지비용 감소에 따른 전력시스템 비용 인하, 재해 등 긴급 사태 대응 능력 향상을 도모할 필요가 있다는 것이다. 가정용 태양광설비 및 전기차 등 분산형전원 보급이 확대됨에 따라 네가와트 거래 등 새로운 형태의 거래 수요가 높아지고 있어 이에 대응할 수 있는 계량제도를 마련할 필요가 있다는 것이다.

경제산업성은 이같은 논의 내용을 바탕으로 분산형전력망 구축 및 분산형전원 도입 촉진을 위한 환경 정비 등의 내용을 담은 개정 전기사업법을 제출했고 지난해 6월 5일 국회를 통과했다. 개정사업법에서는 일반송배전사업자로부터 양도·대여된 배전망을 AI?IoT 기술로 운용·관리하는 배전사업자를 규정해 비용 절감 및 재해 대응력을 강화했다.

분산형전원을 활용한 원격지 배전망 독립화도 담고 있다. 산악 지역 등 주요 전원 및 전력망에서 원거리에 위치한 지역의 재해 대응력을 향상시키기 위해 일반송배전사업자가 재생에너지 등 분산형전원을 활용해 원격지의 배전망을 독립시키는 것이다. 이를 통해 송배전망 유지·관리 비용이 낮아져 전력시스템 비용 절감으로 이어질 것으로 기대된다.

재생에너지 등 분산형전원을 묶어 공급력 및 조정전력으로 제공하는 중개사업자를 전기사업법에 규정해 재해 등 긴급 상황 발생 시 즉각 대응할 수 있도록 했다. 또한, 중개사업자에 대한 법적 규정을 통해 중개사업 여건이 마련돼 향후 자가발전설비, 소규모 재생에너지설비, ESS 등 분산형전원 보급이 확대될 것으로 전망된다.

일반 가정의 분산형전원(태양광발전 및 가정용 ESS 등) 등을 활용한 전력거래를 촉진하기 위해 계량법에 의거하지 않아도 일정한 기준을 만족시키는 계량기를 활용할 수 있도록 했다.

◇분산형 전력시스템 관련 비즈니스

일본 기업은 전력시스템 개혁 및 수급조정(밸런싱)시장 개설 등으로 향후 VPP 등 분산형 에너지시스템 관련 사업이 확대될 것으로 전망하고 상업화를 위한 실증사업을 실시하고 있다.

Itochu상사와 도쿄전력이 제휴해 일반 가정을 대상으로 AI기술을 활용한 차세대 ESS 시스템 판매를 2018년 11월부터 시작했다.이 시스템은 기후 및 수용가의 전력수요·발전량 등을 예측·분석하고 IoT 원격제어시스템과 연동해 효율적으로 ESS를 제어하는 것이다.

도호쿠전력은 분산형전원 원격제어 기술 확보를 위해 독일의 VPP 대기업인 Next Kraftwerke와 제휴해 도호쿠전력 연구개발센터 ESS를 대상으로 Next Kraftwerke의 시스템을 활용해 VPP 실증사업을 진행했다.

도쿄가스, 간사이전력, IT서비스 기업 Unisys, Sumitomo Electric, Panasonic은 가정용 연료전지를 활용한 VPP 실증사업을 실시했다. 도쿄가스의 도시가스 공급구역 내에서 잉여전력 매입 보장기간이 만료된 태양광 발전설비를 보유한 가구를 대상으로 태양광설비와 가정용 연료전지를 활용한 분산형에너지시스템 기술을 확립하기 위한 실증사업이다. 태양광설비의 발전량 및 전력수요 예측시스템을 통해 익일의 수급을 예측하는 것이다.

일본 기업들은 전력시스템 분산화로 향후 개인 간 전력거래(P2P)가 확대될 것이라는 판단아래 공정하고 효율적인 전력거래를 위한 블록체인 기술 도입을 위해 실증 사업을 시작하고 있다. 오사카가스는 환경·에너지 관련 실증을 위한 실험용 집합주택 'NEXT21'에서 가정용연료전지 및 태양광설비의 주택 간 전력융통을 진행해 블록체인 실증 실험을 실시했다.

Marubeni는 블록체인 기술을 활용한 전력거래 플랫폼을 개발하고 있는 미국의 LO3 Energy와 공동으로 블록체인 기술을 활용해 발전소 정보를 추적할 수 있는 전력거래 실증실험을 일본 내에서 개시했다. 주부전력은 Energy Web Foundation(EWF)의 블록체인 기술을 활용해 태양광설비의 잉여전력을 개인 간 거래하는 실증실험을 했다.

일본 기업은 자가소비 수요 확대 등으로 성장이 기대되는 ESS 시장을 염두에 두고 전기차 사용후 리튬이온전지 재활용 사업을 전개하고 있다. 리튬이온전지의 평균 수명은 8∼10년으로 사용후 리튬이온전지의 축전 능력은 신제품의 70% 수준이다. 또한, 일본 대규모 ESS의 평균가격은 15만∼20만엔/kWh으로 높은 수준이다. 따라서 사용후 리튬이온전지를 연결해 컨테이너형 ESS를 제조할 경우 가격을 10만엔/kWh 수준으로 낮출 수 있으며 향후 보급에 기여할 수 있을 것으로 예상되고 있다.

Itochu상사는 중국 전기차 대기업인 BYD와 제휴해 약 16∼20대의 사용후 리튬이온전지를 연결해 가정용 컨테이너형 ESS를 제조하는 리튬이온전지 재활용 사업을 하고 있다. 도쿄전력은 중국 종합상사로부터 들여온 사용후 리튬이온전지를 연결한 ESS 설비를 신제품보다 30∼50% 저렴한 가격에 재생에너지사업자를 대상으로 시범적으로 판매했고 2021년 이후 전국적으로 판매할 계획이다.

수미토모상사는 가고시마현의 고시키시마에서 전기차 사용후 리튬이온전지를 원격제어해 태양광전력을 효율적으로 사용하는 실증실험을 실시해왔으며 니산과의 공동출자회사(4R Energy)를 통해 니산의 전기차 리튬이온전지를 연결한 컨테이너형 ESS를 판매할 계획이다.

한편, 소규모 재생에너지 발전설비만 보유하고 있어 조정전력을 다루는 VPP 사업 참가가 용이하지 않은 신전력사업자를 대상으로 밸런싱 서비스를 제공하려는 사업 모델도 출현하고 있다. 전력관리회사 Eneres(KDDI와 J-Power 공동출자회사)는 신전력사업자를 대상으로 밸런싱 서비스를 제공하는 사업을 2021년 4월부터 개시할 예정이다.