가상 발전소가 전성기를 누리고 있습니다

독일 전력회사 RWE는 2008년에 처음으로 알려진 가상 발전소(VPP)를 구현하여 총 용량 8.6메가와트의 9개 소규모 수력 발전소를 통합했습니다. 일반적으로 VPP는 옥상 태양광, 가정용 배터리, 스마트 온도 조절기와 같은 여러 소형 구성 요소를 단일 조정 전력 시스템으로 통합합니다. 이 시스템은 저장된 에너지를 사용할 수 있도록 하거나 피크 시간 동안 스마트 장치의 에너지 소비를 줄이는 방식으로 수요에 따라 그리드 요구 사항에 대응합니다.

VPP는 2010년대 중반에 잠시 성장했지만 시장 상황과 기술이 잘 조화되지 않아 도약할 수 없었습니다. 전력 수요는 충분히 높지 않았으며 석탄, 천연가스, 원자력, 재생 에너지 등 기존 자원이 수요를 충족하고 가격을 안정적으로 유지했습니다. 또한, 태양광 패널, 배터리와 같은 하드웨어 비용이 하락함에도 불구하고 이러한 리소스를 연결하고 관리하는 소프트웨어는 뒤처져 있으며 따라잡을 재정적 인센티브가 많지 않았습니다.

그러나 시대는 변했고, 10년도 채 지나지 않아 스타들은 VPP에 유리한 쪽으로 정렬하고 있습니다. 이는 배포 변곡점에 도달하고 있으며 다른 솔루션보다 더 빠르고 저렴하며 친환경적인 방식으로 향후 5~10년 동안 에너지 수요를 충족하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

미국 전력 수요가 증가하고 있습니다

기술 컨설턴트인 ICF International의 추정에 따르면 미국의 전력 수요는 데이터 센터 구축, 전기 자동차, 제조 및 전기화로 인해 2030년까지 25% 증가할 것으로 예상됩니다.

동시에 수많은 병목 현상으로 인해 그리드 확장이 어려워지고 있습니다. 새로운 가스 터빈에는 최소 3~5년의 밀린 시간이 있습니다. 수백 기가와트의 재생 가능 에너지가 상호 연결 대기열에서 시들고 있으며 최대 5년의 백로그도 있습니다. 배송 측면에서는 해결하는 데 최대 5년이 걸릴 수 있는 변압기 부족과 송전선 부족이 있습니다. 이 모든 것은 발전 및 전달 용량을 추가하는 데 길고 느린 프로세스를 추가하며, 빠른 시일 내에 속도가 빨라지지 않습니다.

California Solar & Storage Association의 전무이사인 Brad Heavner는 “전통적인 접근 방식만으로 전기 자동차, 전기 열, 데이터 센터에 연료를 공급하면 이미 너무 높은 속도로 연료를 공급하게 될 것입니다.”라고 말합니다.

이미 활성화되어 그리드에 연결되어 있는 방대한 리소스 네트워크와 지금이 이를 확장할 시기를 만드는 요인의 완벽한 폭풍에 참여하세요. 사우스 캐롤라이나 대학의 전기공학과 교수인 아델 나시리(Adel Nasiri)는 그리드 규모의 배터리와 스토리지의 배치가 증가함에 따라 데이터 센터와 전기 자동차의 부하 변동성이 증가했다고 말했습니다. 이전보다 더 많은 분산형 에너지 자원을 사용할 수 있으며 지난 10년 동안 자율 제어를 사용한 그리드 관리가 발전했습니다.

하지만 그 중심에는 필요에 따라 전기를 저장하고 송전하는 기술, 즉 배터리가 있습니다.

배터리 기술의 발전

지난 10년 동안 배터리 가격은 급락했습니다. 평균 리튬 이온 배터리 팩 가격은 2014년 킬로와트시당 미화 715달러에서 2024년 kWh당 115달러로 떨어졌습니다. 자동차 제조업체인 Stellantis의 에너지 저장 및 전기화 부문 수석 연구원인 Oliver Gross는 재료 발전, 배터리 셀 설계 최적화, 배터리 시스템 패키징 개선의 결합으로 인해 에너지 밀도가 동시에 증가했다고 말했습니다.

가장 큰 개선은 배터리의 양극과 전해질에서 이루어졌으며, 니켈 기반 음극은 약 10년 전부터 사용되기 시작했습니다. “여러 면에서 음극은 배터리의 용량을 제한하므로 더 높은 용량의 음극 재료를 활용함으로써 우리는 양극 재료의 고유한 더 높은 용량을 활용할 수 있었습니다.”라고 미시간 대학 배터리 연구소 소장인 Greg Less는 말합니다.

다른 금속에 비해 음극에서 니켈 비율을 높이면 니켈이 코발트나 망간과 같은 물질보다 그램당 더 많은 리튬을 보유할 수 있고 더 많은 전자를 교환하고 리튬을 배터리 안팎으로 이동시키는 산화환원 반응에 더 완전히 참여할 수 있기 때문에 에너지 밀도가 증가합니다. 양극에서 더욱 보편화된 실리콘의 경우에도 마찬가지입니다. 그러나 절충안이 있습니다. 이러한 재료는 배터리 사이클링 중에 더 많은 구조적 불안정성을 유발합니다.

양극과 음극은 액체 전해질로 둘러싸여 있습니다. 전해질은 열폭주나 화재, 급격한 열화와 같은 안전 위험을 방지하기 위해 양극과 음극에 노출될 때 전기적, 화학적으로 안정해야 합니다. Gross는 “진정한 혁명은 에너지 밀도를 높이기 위해 반응성이 더 높은 음극 물질에 대해 전해질을 안정하게 만드는 화학의 획기적인 발전이었습니다.”라고 말했습니다. 전해질용 화합물 첨가제(대부분 황 및 붕소 화학 기반)는 전해질과 양극 및 음극 재료 사이에 안정적인 층을 만드는 데 도움이 됩니다. “이러한 보호층은 제조 공정 초기에 형성되어 전지가 수명 내내 안정적으로 유지됩니다.”

이러한 발전은 주로 전기 자동차 배터리에서 이루어졌는데, 이는 EV가 종종 주차되거나 유휴 상태인 반면 그리드 배터리는 지속적으로 연결되어 에너지를 전달할 준비가 되어 있어야 한다는 점에서 그리드 규모 배터리와 다릅니다. 그러나 Gross는 “EV의 에너지 밀도를 높이는 것과 동일한 접근 방식을 그리드 저장 최적화에도 적용할 수 있습니다. 재료는 약간 다를 수 있지만 방법론은 동일합니다.”라고 말합니다. 현재 그리드 축전지에 가장 널리 사용되는 양극재는 인산철리튬(LFP)입니다.

이러한 기술적인 이점과 비용 절감 덕분에 도미노 효과가 시작되었습니다. 즉, 더 많은 배터리를 배치할수록 가격이 낮아지고, 이는 더 많은 배치를 촉진하고 긍정적인 피드백 루프를 생성합니다.

텍사스, 캘리포니아, 푸에르토리코 등 정전이 자주 발생하는 지역은 가정용 배터리의 주요 시장입니다. 지난 10월 시리즈 C 자금으로 10억 달러를 모금한 텍사스에 본사를 둔 Base Power는 고객의 집에 배터리를 설치하고 소매 전력 공급업체가 되어, 풍력이나 태양열 생산이 과잉되면 가격이 저렴해지면 배터리를 충전하고, 수요가 급증하면 해당 에너지를 전력망에 다시 판매합니다.

그러나 여전히 개선의 여지가 있습니다. 더 폭넓게 채택하려면 “대형 VPP 배포의 경우 배터리 설치 비용이 kWh당 100달러 미만이어야 합니다.”라고 Nasiri는 말합니다.

VPP 소프트웨어 개선

한때 VPP를 파일럿 프로젝트로 제한했던 소프트웨어 인프라는 강력한 디지털 백본으로 성숙해 그리드 규모에서 VPP를 운영하는 것이 가능해졌습니다. AI의 발전이 핵심입니다. 이제 많은 VPP는 기계 학습 알고리즘을 사용하여 부하 유연성, 태양열 및 배터리 출력, 고객 행동 및 그리드 스트레스 이벤트를 예측합니다. 이는 역사적으로 그리드 운영자의 주요 관심사였던 VPP 용량의 신뢰성을 향상시킵니다.

태양광 패널이 발전하는 동안 VPP는 최근까지 필요한 소프트웨어에 대한 유사한 발전이 부족하여 방해를 받았습니다.선런

사이버 보안 및 상호 운용성 표준은 여전히 ​​진화하고 있습니다. 많은 영역에서 상호 연결 프로세스와 데이터 가시성이 일관되지 않아 분산된 리소스를 효과적으로 모니터링하고 조정하기가 어렵습니다. 간단히 말해서, VPP에 대한 기술과 경제성은 확고히 자리 잡고 있지만 규제, 인프라 및 시장 설계를 조정하는 작업은 아직 완료되지 않았습니다.

기술 및 비용 제약 외에도 VPP는 기존 발전기와 같은 에너지 시장에 참여하는 것을 방해하는 규정으로 인해 오랫동안 방해를 받아 왔습니다. SolarEdge는 최근 VPP 프로그램에 500MWh 이상의 가정용 배터리 저장 장치를 등록했다고 발표했습니다. 회사의 그리드 서비스 수석 관리자인 Tamara Sinensky는 이 이정표를 달성하는 데 가장 큰 장애물은 기술적인 것이 아니라 규제 프로그램 설계였다고 말합니다.

2022년 중반에 시작된 캘리포니아의 수요측 전력망 지원(DSGS) 프로그램은 가정, 기업 및 VPP에 비용을 지불하여 전력망 비상 상황에서 전기 사용을 줄이거나 에너지를 방전시킵니다. Sinensky는 “주로 DSGS 프로그램 덕분에 VPP 등록이 엄청나게 증가했습니다.”라고 말했습니다. 마찬가지로 Sunrun의 북부 캘리포니아 VPP는 7월에 가정용 배터리에서 전력망으로 535메가와트의 전력을 공급했으며 VPP 참여가 작년보다 400% 증가했습니다.

2020년에 발행된 FERC 명령 2222는 지역 그리드 운영자가 VPP가 전력을 판매하거나 부하를 줄이거나 그리드 서비스를 도매 시장 운영자에게 직접 제공하도록 허용하고 해당 서비스에 대해 기존 발전소와 동일한 시장 가격을 받을 것을 요구합니다. 그러나 많은 주와 그리드 지역에서는 아직 FERC 명령을 준수하기 위한 프로세스가 마련되어 있지 않습니다. 그리고 유틸리티는 VPP 배포가 아닌 그리드 확장으로 이익을 얻기 때문에 VPP를 운영에 통합할 인센티브가 없습니다. Heavner는 유틸리티 회사가 “고객 배터리를 경쟁업체로 간주합니다”라고 말합니다.

Nasiri에 따르면 VPP는 시장 최고 전력의 2% 침투를 달성하면 그리드에 의미 있는 영향을 미칠 것입니다. “그리드 계획 및 운영에 의미 있는 용량 영향을 미치려면 최대 4시간 동안 최대 5%의 더 큰 침투가 필요합니다.”라고 그는 말합니다.

즉, VPP 운영자는 가정, 기업 및 EV의 유연한 용량을 계속해서 활용하기 위해 자신의 작업을 중단해야 합니다. 추가적인 기술 및 정책 발전을 통해 VPP는 틈새 신뢰성 도구에서 향후 에너지 혼란에 대비한 주요 전원 및 그리드 안정 장치로 이동할 수 있습니다.