VPP(가상 발전소) 기본 사항 — 분산 자원을 묶어 발전소로 판매하는 방법

수 kW 규모의 옥상 태양광 발전 설비나 가정용 배터리는 그 자체로는 전력망 운영자 입장에서 "발전소"로서의 가치가 없습니다. 하지만 이러한 설비들을 수천, 수만 개씩 묶어 통신과 소프트웨어를 통해 동시에 제어한다면, 그 총 발전량은 단일 화력 발전소에 필적할 수 있습니다. 이것이 바로 VPP(가상 발전소)의 기본 개념입니다. VPP는 새로운 발전 방식이 아니라, 기존의 분산형 자원들을 하나의 단위로 묶어 시장에서 거래할 수 있도록 하는 정보 플랫폼입니다. 분산형 자원들을 묶어 거래할 수 있도록 하는 통신 및 계량 기반은 스마트 그리드 입문에서 다루었습니다. 이 글에서는 그 기반 위에 구축된 비즈니스 구조와 일본의 제도적 설계, 그리고 실제 사례에 대해 중점적으로 살펴봅니다.

30초 핵심 요약

• 가상 발전소(VPP)는 옥상 태양광, 가정용 배터리, 전기차, 공장 수요반응(DR) 등 특성이 매우 다른 분산 자원을 통신 및 소프트웨어를 통해 하나의 제어 가능한 발전소처럼 통합하는 메커니즘입니다.

• 일본에서는 이 시스템이 두 계층 구조로 설계되었습니다. 하나는 소비자와 직접 계약을 맺고 자원을 관리하는 "자원 통합 사업자"이고, 다른 하나는 여러 자원 통합 사업자가 제공하는 출력을 모아 도매 거래를 처리하는 "통합 조정 사업자"입니다. 2022년 4월, 지정된 도매 공급자 시스템이 시행되었고, ENERES는 일본 최초로 이 시스템에 따라 인증된 통합 사업자가 되었습니다.

• VPP가 목표로 하는 자원은 반응 속도, 지속 시간, 예측 가능성이 각기 다릅니다. 배터리와 전기차는 반응 속도가 빠르지만, 태양광은 증가 추세 제어가 어렵고, 공장 냉난방 시스템 및 생산 설비의 DR은 규모는 크지만 유연성이 제한적입니다.

• 일본 VPP의 주요 경쟁 무대는 도매 전력 시장(JEPX) 자체라기보다는 일반 송배전 사업자가 조정 전력을 조달하는 균형 시장입니다. 이 시장은 응답 시간과 지속 시간에 따라 여러 상품 범주로 나뉘며, VPP는 보유 자원의 특성에 따라 어떤 상품에 입찰할지 선택합니다.

• 실제 사례로, 2022년 여름 전력 수급 불균형 상황에서 REXEV와 ENERES는 차량 공유 전기차 배터리를 활용한 V2G(차량 대 가스) 기술을 실증적으로 활용하여 조정 전력을 공급했습니다. VPP는 제도적 설계와 실제 운영이 점차 함께 발전하여 시범 단계를 넘어선 기술입니다.

1. VPP란 무엇인가 - "가상"의 의미

VPP에서 "가상"은 자체적인 물리적 발전소를 보유하지 않는다는 것을 의미합니다. 태양광 패널, 가정용 배터리, 전기차 배터리, 공장의 수요 반응 설비는 각각 물리적으로 서로 다른 위치에 있는 작은 자원일 뿐입니다. 이러한 자원들을 네트워크로 연결하면, 중앙 소프트웨어가 각 개별 자원의 상태(잔여 전력, 발전량 예측, 운영 일정 등)를 파악하고 필요한 시점에 출력 증가 또는 감소 명령을 보냅니다. 전력망 운영자나 전력 시장의 관점에서 보면, 이러한 시스템 전체는 마치 "하나의 발전소"처럼 작동합니다.

그림 1 — VPP에서 자원 통합자는 다양한 특성을 가진 분산 자원을 직접 계약하고 제어하며, 통합 조정자는 이러한 자원을 통합하여 균형 시장, 도매 전력 시장 및 일반 송배전 사업자와 직접 거래합니다. 이는 2단계 구조입니다.

2. 일본의 통합 시스템 — 2단계 구조

일본의 VPP 시스템은 자원 통합자와 통합 조정자라는 두 가지 역할로 나뉩니다. 자원 통합자는 소비자(가정 또는 공장)와 직접 VPP 서비스 계약을 체결하고 태양광 패널, 배터리 또는 수요 반응(DR) 장비를 제어합니다. 통합 조정자는 여러 자원 통합자가 수집한 출력을 통합하여 일반 송전 사업자와 직접 전력 거래를 수행합니다. 그리고 배전 사업자 또는 소매 전력 공급자가 있습니다.

이러한 구조를 제도적으로 뒷받침하는 것은 2022년 4월부터 시행된 지정 도매 공급자(집계 사업자) 제도입니다. 이 제도는 분산형 자원을 묶어 발전 사업처럼 전력을 도매하는 사업에 법적 근거를 제공하며, ENERES는 이 제도 하에서 일본 최초로 인증받은 집계 사업자가 되었습니다. 제도화 이전에도 경제산업성(METI)의 가상 발전소(VPP) 시범 사업(2016~2020년)은 자원 집계 사업자와 집계 조정자 간의 역할 분담과 이들 간의 통신 인터페이스 표준화를 이미 검증했습니다.

3. VPP가 묶는 자원의 유형 및 특성

VPP가 목표로 하는 자원은 균일하지 않습니다. 응답 속도, 지속 시간, 출력 예측 가능성은 자원에 따라 크게 다르므로, 애그리게이터는 자원을 어떻게 조합하느냐에 따라 제공할 수 있는 조절 전력의 특성을 설계합니다.

태양광은 햇빛 없이는 출력을 늘릴 수 없기 때문에 상향식 DR 자원으로는 적합하지 않습니다. 반면 배터리와 전기차는 충전과 방전 모두 가능하므로 VPP의 핵심 조절 전력원이 될 가능성이 높습니다. 전기차를 이용한 V2G(Vehicle to Grid)는 차량에 탑재된 배터리를 단순히 운송 수단으로만 사용하는 것이 아니라, 차량을 사용하지 않는 시간 동안 조절 전력원으로 활용하는 개념입니다.

4. 제어 아키텍처 — 통신 계층 복습

VPP가 다수의 소규모 자원을 실제로 제어하려면 스마트 그리드 입문에서 다룬 통신 계층이 기반이 됩니다. ECHONET Lite가 자주 사용됩니다. 가정용 기기 제어에는 OpenADR을, 기업 간 수요 반응 신호 자동화에는 OpenADR을 사용합니다. 집계자의 클라우드 측 시스템에서는 개별 자원의 상태(SOC, 운영 일정, 발전량 예측)가 집계되고, 시장의 명령을 수신하여 각 자원에 할당합니다. 이 할당 알고리즘의 정확성과 속도는 VPP가 제공할 수 있는 조절 전력의 품질을 직접적으로 결정합니다.

5. 일본의 시장 구조 - 균형 시장 및 JEPX

VPP가 수익을 창출하는 주요 시장은 크게 두 가지로 나뉩니다. 하나는 전력 자체를 사고파는 도매 전력 시장(JEPX)이고, 다른 하나는 일반 송배전 사업자가 주파수 및 수급 균형을 유지하기 위해 조절 전력을 구매하는 균형 시장입니다.

균형 시장은 2021 회계연도부터 단계적으로 개방되어 1차 조절 전력부터 3차 조절 전력 ②까지 다양한 상품이 거래되고 있으며, 이는 응답 시간과 지속 시간에 따라 분류됩니다(이 분류의 자세한 물리적 배경은 [그리드]에서 다룹니다). 전력망 관성 및 주파수 조절 입문 참조). 빠른 응답 속도를 가진 배터리와 전기차는 응답 시간이 짧은 제품 범주에 적합하고, 상대적으로 응답 속도가 느린 공장 수요 반응(DR)은 응답 시간에 여유가 있는 범주에 적합합니다. 가상 발전소(VPP)는 결합할 자원의 응답 특성을 평가하여 어떤 제품 범주에 참여할지 결정합니다.

더 나아가, 도매 시장에서 전력을 판매하고, 균형 시장에서 조절 전력을 공급하며, 피크 부하 감소를 통해 소비자의 비용을 절감하는 등 여러 수익원을 확보하는 "수익 중첩" 전략이 VPP의 사업 타당성을 결정합니다. 단일 시장만으로는 투자금을 회수할 수 없는 자원이라도 여러 용도를 결합하면 수익성이 확보될 수 있습니다.

6. 실제 사례 - 시범 사업에서 실용적인 V2G로

일본의 VPP 부문은 경제산업성(METI)의 2016~2020 회계연도 VPP 시범 사업을 통해 여러 기업이 자원으로 참여했습니다. 집계자 및 집계 조정자는 통신 표준 및 운영 규칙을 검증합니다. KDDI와 ENERES는 5G 및 MEC(다중 액세스 에지 컴퓨팅)를 활용한 VPP(가상 발전소) 구축 사업을 추진해 왔는데, 이는 통신 인프라 측면에서 VPP 제어 지연 및 신뢰성을 개선하려는 시도의 대표적인 사례입니다.

실제 적용 사례로는 2022년 여름 특히 전력 수급이 어려웠던 시기에 REXEV와 ENERES가 오다와라/하코네 지역의 카셰어링 사업에 사용되는 전기차의 배터리를 차량이 사용되지 않는 시간대에 V2G를 통해 방전시켜 간토 지역의 전력 공급을 조절하는 시스템을 실용화한 것을 들 수 있습니다. 이는 차량 배터리 하나로 교통 수단으로서의 가치와 전력망에 대한 전력 공급이라는 두 가지 가치를 동시에 창출하려는 시도로, V2G가 실용화 단계에 도달했음을 보여주는 대표적인 사례입니다.

7. VPP와 배터리 및 스마트 그리드의 관계

VPP 이는 그리드 규모 배터리 기술 자체(셀 화학, BMS, 왕복 효율 등)를 대체하는 것이 아닙니다. 오히려 파워 배터리 개요에서 다룬 개별 배터리들을 시장에서 거래 가능한 단위로 묶는 "비즈니스 계층"입니다. 마찬가지로, VPP(가상 발전소)는 스마트 미터 및 통신 프로토콜과 같은 하드웨어 인프라 위에 구축된 제도적, 운영적 메커니즘이며, 스마트 그리드 개요에서 다룬 계량 및 통신 인프라 없이는 작동할 수 없습니다. VPP, 배터리, 스마트 그리드는 경쟁 기술이 아니라 서로 다른 계층이 겹겹이 쌓인 것으로 이해하는 것이 실용적입니다.

8. 현재 과제 및 연구 초점

• 통신 지연 및 신뢰성: 다수의 자원에 동시에 명령을 전송하고 지정된 시간 내에 응답을 확인할 수 있는 메커니즘이 필요합니다. 5G 및 MEC(기계 통신 통신)를 사용하는 것이 그 방법 중 하나입니다. 이러한 과제에 대한 해답은 다음과 같습니다.

• 기준선 정확도: DR의 효과를 측정하려면 "제어되지 않았을 경우의 예상 사용량"(기준선)과의 차이를 평가해야 하며, 이 추정치의 정확도가 시장의 신뢰도를 직접적으로 결정합니다.

• 사이버 보안: 네트워크에 연결된 수많은 가정용 기기와 전기차(EV)로 인해 공격 표면을 관리하는 것이 중요해집니다.

• 자원 다양화: 히트펌프 온수기, 산업용 히트펌프, 데이터센터 부하 조정과 같은 새로운 유형의 자원을 통합하는 방안이 모색되고 있습니다.

• 표준화: 다양한 제조업체의 기기를 제어하기 위한 표준 인터페이스 구축과 전반적인 통신 표준 확립은 애그리게이터의 시장 진입 용이성에 영향을 미칩니다.

요약: VPP는 "발전소"가 아니라 "번들링 계층"입니다.

VPP는 차세대 기술이 아니라 태양광, 배터리, 전기차, DR과 같은 기존의 분산 자원을 통신 및 소프트웨어를 통해 단일 거래 가능한 단위로 묶는 메커니즘입니다. 일본은 이미 VPP를 구축했습니다. 자원 통합자와 통합 조정자로 구성된 2단계 시스템과, 거래를 위한 구체적인 장을 제공하는 균형 시장을 통해 시범 단계에서 실제 배포 단계로의 전환이 진행 중입니다.

가상 발전소(VPP) 사업을 평가할 때는 다음 사항을 확인하는 것이 좋습니다.

1. 어떤 자원(태양광, 배터리, 전기차, 수요반응)이 어떤 속도와 지속 시간으로 통합되는가?

2. 자원 통합자인가, 통합 조정자인가? 역할 분담은 어떻게 이루어지는가?

3. 도매 시장, 균형 시장, 비용 절감 등 어떤 수익원을 어떻게 활용하는가?

4. 기준선 측정 또는 통신 신뢰성은 어떻게 보장되는가?

이 네 가지 사항을 염두에 두면 VPP 발표를 구체적인 구조, 즉 분산 자원이 어떻게 통합되고 어디에서 거래되는지 이해하는 데 도움이 됩니다.

용량은 항상 사용 가능한가요?

충전 상태, 기기 제한, 사용자 요구 사항 및 통신은 가용성에 영향을 미칩니다. 특정 시점의 설치 용량과 제공 가능한 유연성을 구분하십시오.

참고 자료

• 천연자원에너지청 - VPP 및 DR이란 무엇인가?
• 천연자원에너지청 - VPP/DR 용어집
• 천연자원에너지청 - VPP/DR 활용
• ENERES Co., Ltd. - 전력 공급-수요가 부족한 상황에서 전기차 전력 활용
• REXEV Co., Ltd. - 전력 공급-수요가 부족한 상황에서 전기차 전력 활용
• [KDDI - ENERES와 KDDI의 비전] 가상 발전소(VPP)를 통한 탈탄소 사회
• 전력 예비 거래소(EPRX) - 균형 시장이란 무엇인가?
• 일본 송전 사업자 지역 간 협력 기구(OCCTO)