A Study on the Economic and Social Benefits of the Microgrid Business Model in Island Areas : Consumer’s Community Solar Participation in Development

SangHee Lee; Hae-Seok Lee; Kyung Nam Kim

doi:10.21218/CPR.2021.9.2.059

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Current Photovoltaic Research. 30 June 2021. 59-73
https://doi.org/10.21218/CPR.2021.9.2.059

A Study on the Economic and Social Benefits of the Microgrid Business Model in Island Areas : Consumer’s Community Solar Participation in Development

도서지역 마이크로그리드 사업모델의 경제적, 사회적 편익에 관한 연구 : 수요자의 태양광 에너지 공동체를 중심으로

SangHee Lee¹

Hae-Seok Lee¹^*

Kyung Nam Kim¹^**

이 상희¹

이 해석¹^*

김 경남¹^**

¹Energy Environment Policy and Technology, The Graduate School of Energy and Environment (Green School), Korea University (KU), Seoul 02841, Korea

¹에너지환경정책기술학과, 에너지환경대학원, 고려대학교, 서울, 02841

^{*Corresponding Author}

^{**Corresponding Author}

ABSTRACT

The purpose of this study is to develop a business model that efficiently converts diesel power generation systems to renewable energy microgrids (MG) in large-scale islands. Most of the previous studies on the conversion of renewable energy MG in islands had limitations dealing with efficiency from the perspective of suppliers. However, the microgrid has the characteristic of getting benefits through the interaction between the consumer and the supplier. In addition, the efficient MG business model from the perspective of new institutional economics is a structure in which consumers and suppliers jointly participate. Therefore, this study assumed that the MG business model in which the supplier’s MG and the consumer’s community solar participated would benefit all participants, and verified the assumptions using domestic island data. In terms of supplier investment, the cost of power supply (LCOE) of assumed model was calculated to be 14.0% lower than that of the diesel model and 3.7% lower than that of the supplier-only MG model. From the perspective of consumer investment, electricity bills are expected to be reduced by more than 200,000 won per household per year through self-generation of solar power. Social benefits are expected to reduce external environmental costs. The CO₂ emissions of the assumed model were calculated to be 39.5% lower than the diesel model and 1.5% lower than the supplier-only MG model. Therefore, the MG business model with consumer participation proposed in this study is expected to be an efficient alternative to renewable energy MG conversion in domestic islands, and is meaningful as an energy plan that improves the benefits of local residents.

Keywords

Microgrid business model

Community solar

Interaction

Participatory development

CBA

MAIN

Nomenclature
Subscript
1. 서 론
2. 선행연구
3. MG 이론적 배경과 국내 에너지 정책
3.1 MG의 기술적 정의 및 편익
3.2 주민참여 MG 사업모델 효율성
3.3 국내 에너지 지원정책 및 제도
4. 연구 모델 및 가설
5. 연구 방법
5.1 수요자 참여 MG 개발 프레임워크
5.2 경제적 편익 분석
5.3 사회적 편익 분석(환경편익)
6. 연구 대상과 데이터 수집
6.1 연구 대상
6.2 프로젝트 요건
6.3 전력수요 정보
6.4 에너지 기술 선택
7. 연구 결과
7.1 수요자 참여 MG 구성과 안정성
7.2 수요자 참여 MG 경제적 편익
7.3 수요자 PV 시스템 경제적 편익
7.4 수요자 참여 MG 사회적 편익
8. 연구결과 논의

Nomenclature

i : discount rate

Subscript

MG : microgrid

BM : business model

PV : photovoltaic

CBA : cost benefit analysis

NPV : net present value

IRR : internal rate of return

NPC : net present cost

LCOE : levelized cost of energy

SP : simple payback periods

1. 서 론

국내 내륙지방과 멀리 떨어져 있는 도서지역은 전력계통 연계가 어려워 거주 주민들은 대부분 각 섬에 설치된 디젤발전소로부터 전력을 공급받고 있다. 디젤발전만으로 전기를 생산하면 높은 연료비로 인해 발전원가가 높아진다. 그러나 국내는 정책적으로 주민의 경제적 부담 경감을 위해 도서지역의 높은 디젤발전원가를 전기요금에 반영하지 않고 육지와 동일한 전기요금체계를 적용한다. 이에 따라 도서지역은 전력공급 시 지속적으로 발전원가 결손분이 발생하며 정부가 보조금으로 결손분을 지원하고 있어, 정부 보조금 절감을 위해서는 전력공급 효율성 제고가 필요하다. 또한 디젤발전은 화석연료 사용 시 발생하는 온실가스와 환경오염 문제가 있어 이에 대한 대책도 필요하다.

최근에는 태양광, 풍력 발전 등 재생에너지의 효율 향상과 친환경성을 고려하여 전 세계적으로 재생에너지 마이크로그리드(MG) 시스템이 도서지역 디젤발전 시스템의 대안으로 검토되고 있다. 국내 도서지역도 재생에너지 MG 시스템 확대를 모색하고 있으며 가사도 등 소규모 도서를 중심으로 정부 및 지자체 지원 융복합 사업, 유틸리티 R&D 실증사업이 추진되고 있다. 그러나 대규모 도서는 재생에너지 발전 시스템 전환에 많은 초기 투자비 소요로 추진에 어려움이 있어 보다 효율적인 MG 전환 방안 마련이 필요한 상황이다.

이에 본 연구는 국내 대규모 도서의 재생에너지 MG 전환을 경제적으로 추진할 수 있는 개발방식과 사업모델을 모색하고자 한다. 그리고 새로운 개발방식과 사업모델에 대해 국내 에너지 정책 및 제도를 반영하여 현실성을 높이고 이 모델의 경제적, 사회적 편익을 분석하여 기존 방식 대비 효율성을 검증하고자 한다.

2. 선행연구

도서지역 재생에너지 MG 개발에 대한 효율적 대안 모색을 위해 Table 1과 같이 선행연구를 조사하였다. 연구 주제는 크게 세가지로 첫번째는 재생에너지 투자 의사결정방법과¹⁾ 도서지역 재생에너지 MG 개발 타당성 분석이다^2-⁴⁾. 두번째는 MG 사업모델 분야로 MG 사업모델의 효율적 참여구조 정립과⁵⁾ 도서지역 재생에너지 MG 사업모델 사례 분석이며⁶⁾, 세번째는 지역 에너지개발 패러다임 분야로 수요자 중심의 지역 에너지개발과 지역 주민 참여 분산 에너지원 활용의 이점 연구이다^7,⁸⁾.

Table 1.

Prior studies of microgrid business model

Topic	Subject	Author	Method	Findings	Limitation	This research
Energy policy and management- decision support methods for investment	Remote area	Strantzali (2016)	Systematic review	The proportion of CBA method is high	-	CBA method
	Island	Blechinger (2016), Eras-Almeida (2020) Athila (2018)	Techno-economic evaluation	Economic potential of a RE-based MG system	Supplier-centric model	Consumer, Supplier joint participatory model
Optimum participation structure of MG Biz-model, review of case studies	Remote area	Gui (2017)	Economic theoretical framework	Hybrid ownership and network governance	Qualitative analysis	Quantitative analysis
	Island	Eras-Almeida (2019)	Systematic review	Public-led models are dominant in large islands	-	Public-led model
Consumer participatory energy planning paradigm	Remote area	Herington (2017)	Systematic review	Need to engage local stakeholders for a appropriate solution	-	Participation of consumer
Consumer participatory energy planning paradigm	Island	Ghiani (2019)	Technical evaluation	Improvement of energy efficiency	-	Benefits of participants

Strantzali (2016)는 재생에너지 투자에 관한 의사결정방법 사례 연구에서 1995년~2014년까지 179개의 재생에너지 투자를 주제로 게재된 논문 분석 결과 에너지정책 및 운영 분야에서 의사결정방법은 경제적 편익을 분석하는 비용편익분석(Cost benefit analysis)이 전체의 36% 비중을 차지하며 가장 높음을 보여주었고, 비재화에 대한 가치 측정의 어려움으로 대부분 시스템 투자비, 운영 및 유지보수비 등에 대한 재무적 CBA 였다¹⁾. 이와 관련하여 Blechinger (2016)는 전 세계의 도서지역은 기후자원에 따라 재생에너지와 에너지저장장치 하이브리드 전력 시스템의 경제성이 디젤 시스템 대비 높을 수 있음을 보여주었으나 공급자 에너지원 중심 개발 방식이며 수요자 분산 에너지원을 효율적으로 활용하는 사업모델을 제시하지 못하는 한계가 있었다²⁾. Eras-Almeida (2020)의 Galapagos 섬³⁾, Athila (2018)의 Rottnests 섬 재생에너지 확대방안 연구에서도⁴⁾ 디젤 시스템 대비 재생에너지 시스템의 기술, 경제적 타당성을 분석하였으나 동일한 한계점이 있었다.

Gui (2017)는 전력 인프라 건설이 어려운 지역은 지역 주민과 민간이 분산 에너지원 투자에 참여하는 마이크로그리드(MG) 모델이 솔루션이 될 수 있지만 참여자별 편익을 고려하지 않을 시 실폐하는 사례도 있어 상황에 적합한 사업 참여구조 정립의 필요성을 제기하였다. 또한 분산 에너지원을 활용한 많은 마이크로그리드 추진 사례가 있음에도 수요자, 공급자, 사회적 전반의 편익을 최대화하는 사업모델의 부재를 지적하고 해결책 마련을 위해 신제도경제학 관점에서 MG의 수요자 분산 에너지원과 공급자 전력망의 재산권, 거래의 특수성을 고찰하였다⁵⁾. 이를 통해 지역 분산 에너지원 참여 MG 사업모델에 대해 최적의 참여방식(Ownership)과 거버넌스(Governance) 구조를 분석 결과 주민, 유틸리티, 민간 공동 소유와 상호 연계 거버넌스 모델이 효율적임을 주장하였다. Eras-Almeida (2019)는 재생에너지 MG 사업모델 추진 사례 연구에서 El Hierro, Graciosa, Ikaria, Kodiak 등의 대규모 섬은 공공사업 모델 또는 공공, 민간, 지역 주민 공동 참여 모델이 추진되었고 모두 공공 주도로 많은 인센티브가 있었음을 보여주었다⁶⁾.

Herington (2017)은 과거 에너지 계획 패러다임이 공급자 중심으로 경제적 편익을 우선 추구했지만 최근 패러다임은 지속가능성과 사회적 편익에 초점을 맞춘다고 하였다. 따라서 에너지 계획에 주민 등 다양한 이해관계자의 참여가 가치를 가지므로 지역 주민의 참여를 더욱 고려해야 최선의 에너지 포트폴리오가 될 수 있다고 주장하였다⁷⁾. Ghiani (2019)는 이탈리아 Berchidda 섬에서 지역 주민의 Rooftop 태양광과 에너지저장장치 시스템이 참여하여 추진하고 있는 “Local energy community” 프로젝트에 대해 기술적 분석 결과 주민의 전기요금과 유틸리티 전력공급 비용 모두 절감할 수 있을 것으로 예상하였다⁸⁾.

위와 같이 선행연구에서는 도서지역 재생에너지 MG 투자 의사결정을 위한 경제적 타당성 분석 사례가 있었지만 공급자 중심의 개발 방식이며, 수요자 분산 에너지원 공동 참여방식의 효율성을 고려하지 못하는 한계가 있다.

본 연구는 이와 차별화하여 수요자 분산 에너지원이 참여하는 MG 개발방식과 국내 정책및 제도를 고려한 사업모델을 모색하고, 국내 도서지역 적용 가능성과 효율성을 검증하고자 한다. MG 사업모델은 해외 대규모 섬의 추진사례에서 공공 주도 및 지원 모델이 많아 이를 반영하고, 경제학적 이론을 배경으로 효율적 사업모델로 제시된 공급자(유틸리티)와 수요자(주민) 공동 참여 방식을 모색할 것이다. 또한 최근 지역 에너지개발 패러다임의 초점인 사회적 편익과 지속가능성을 고려 지역 주민 참여 확대로 사회적 가치를 높이고 환경적 영향을 최소화하는 방안을 고려할 것이다.

본 논문의 구성은 Section 3 마이크로그리드의 이론적 배경과 편익을 이해하고 경제학 관점에서 본 효율적 MG 사업모델과 이에 필요한 국내 제도에 대해 고찰한다. Section 4 이론적 배경을 바탕으로 국내 도서지역 재생에너지 MG 확대를 위한 효율적 대안으로 수요자 참여 MG 사업모델을 가정한다. Section 5 수요자 참여 MG 사업모델 개발을 위한 프레임워크와 이 모델의 경제적, 사회적 편익을 측정할 연구방법을 설정한다. Section 6 가정 연구 모델 검증을 위해 국내 적용 대상을 설정하고 데이터를 수집하며, Section 7 이 모델의 실현 가능성, 경제적 편익과 사회적 편익을 분석한다. 마지막으로 본 연구 결과가 갖는 의미와 다음 연구를 위한 제안으로 결론을 맺는다.

3. MG 이론적 배경과 국내 에너지 정책

3.1 MG의 기술적 정의 및 편익

U.S. DOE (United states of department of energy)는 마이크로그리드를 “명확히 경계한 지역 내에서 단독의 관리자에 의해 전력망 제어가 가능하고 상호작용하는 부하와 분산 에너지원이 연계된 그룹”이라고 정의하고 있다⁹⁾. 주된 기능은 다음과 같다¹⁰⁾.

- 충분하고 안정적인 에너지 공급

- 스토리지 사용, 에너지 제어와 최적화

- 다양한 분산 에너지원의 그리드 활용 또는 에너지 시장에 이용, 그리드와 연계 및 분리

이에 따라 수요자는 마이크로그리드 또는 중앙 전력망으로부터 경제적으로 전기를 얻을 수 있다. 전력망 운영자는 분산 에너지원을 활용한 최대부하 대응으로 에너지 공급과 사용을 효율화할 수 있고 온실가스 배출 저감이 가능하다¹¹⁾.

3.2 주민참여 MG 사업모델 효율성

Gui (2017)는 신제도경제학^1]의 관점에서 MG 내 수요자와 공급자 자산의 특수성, 거래비용¹²⁾을 고찰하고 지역 주민의 분산 에너지원이 참여하는 MG 사업 추진사례를 바탕으로 사업모델의 최적 참여방식과 거버넌스 구조를 Table 2와 같이 4가지 타입으로 정립하였다⁵⁾.

Table 2.

Characteristics of the institutional forms⁵⁾

BM	Community benefits	Owner's risk	Circumstances suited
Community ownership	High	Community bears most of risks	Community benefits↑
Utility ownership	Mid	Utility bears most of risks	Utility benefits↑
Private ownership	Low	Private bears most of risks	Private benefits↑
Hybrid owner-ship/ network governance	High	Risk and reward sharing	Municipalities and residents participation↑

^1] 신제도경제학(New institutional economics) : 거래비용(transaction cost)과 재산권(property rights)을 주요 분석도구로 활용하며 신고전학파 경제학을 수정·보완하는 경제학으로 규칙, 제도(institution), 사회적 자본 등을 경제적 성과 개선의 중요 요소로 고려한다. 코즈(Coase, 1937)와 노스(North, 1990a) 및 윌리엄슨(Williamson, 1985)이 대표적 학자이다¹²⁾.

각 사업모델에 대해 분석 결과 주민, 유틸리티, 민간 재무적 공동 소유(Ownership)와 상호협력 거버넌스(Governance) 모델이 지역 주민의 사회적 편익 향상과 높은 가치 선호 반영, 참여자간 경제적 편익 공유 및 리스크 분담이 가능함을 주장하였다. 또한 이 모델은 수요자와 공급자 상호협력 거버넌스를 위해 제도(Institution)적 뒷받침이 중요한 역할을 함을 강조하였다.

반면 리스크 측면에서 지역 주민, 유틸리티, 민간 단독 소유 사업모델은 많은 불확실성과 투자위험을 혼자 부담하며 이런 위험 때문에 유틸리티 또는 민간 단독 소유 사업모델은 주민 편익이 충분히 고려되지 못했다.

3.3 국내 에너지 지원정책 및 제도

마이크로그리드 적용 대상인 국내 도서지역 전력공급과 수요자 분산 에너지원에 대한 지원정책 및 제도는 Table 3과 같다.

Table 3.

Government subsidies for energy

Participants	Government subsidies		Reference
	Investment	Cost
Supplier	Costs used to supply electricity (excluding income from electricity bills)		Rural electricity supply promotion Act, Article 20-2¹³⁾
Power supply Biz in islands
Consumer	50% of initial investment cost*	-	Support announcement for RE (house)¹⁴⁾
Residential PV

*Some municipalities provide additional 20% support for cost¹⁵⁾

① 도서지역 전력공급 지원 정책은 도서주민 생활 향상을 위해 농어촌전기공급사업촉진법으로 도서전력 공급자의 자가발전시설 운영결손비에 대해 보조금을 지원하고 있다¹³⁾.

② 수요자가 설치하는 신재생에너지 발전원에 대한 지원 정책은 신재생에너지보급(주택지원)사업으로 단독 또는 공동 주택에 설치하는 자가용 태양광 발전설비 설치비용의 50%까지 정부 보조금을 지원한다¹⁴⁾. 또한 지자체에 따라 추가 보조금을 지원하는 경우도 있다¹⁵⁾.

③ 상기 수요자가 생산한 신재생에너지 거래는 요금상계거래제에 의해 전기사용장소에서 신재생 발전 전력 자가소비 후 잉여 전력을 유틸리티에 공급하고 그 잉여 전력량을 유틸리티로부터 공급받은 전력량에서 상계한다¹⁶⁾.

4. 연구 모델 및 가설

선행연구를 통해 마이크로그리드는 에너지 저장과 제어가 가능하여 수요자 분산 에너지원과 공급자 전력망이 상호작용(Interaction)하며 참여자가 기술적, 경제적, 환경적 편익을 얻을 수 있음을 이해하였다.

신제도경제학 관점에서 MG를 구성하는 분산 에너지원과 공급자 전력망 자산의 특수성 및 상호간 거래비용을 고려할 때, MG 사업모델의 최적 참여 방식과 거버넌스 구조는 수요자와 공급자가 공동 소유하며 거버넌스를 상호 연계하는 모델이 효율적이고 사회적 편익이 높음을 고찰하였다. 또한 이 모델에 필요한 제도적 여건에 대해 국내 에너지 정책 및 제도 조사 결과 정부 보조금 지원 정책과 공급자와 수요자간 재생에너지 거래제도가 있음을 확인하였다.

상기 결과를 종합하면 수요자(주민)와 공급자가 공동 참여하는 MG 개발방식과 사업모델이 본 연구의 목적인 국내 도서지역 재생에너지 MG 전환의 효율적 대안이 될 수 있을 것으로 예상된다. 상기 대안의 가능성과 효율성을 검증하기 위해 다음과 같이 가설을 설정하였다.

가설) 도서지역 재생에너지 MG 방안으로 수요자 소유의 주택용 PV를 대규모화한 태양광 에너지 공동체(Community solar)^2]^2,¹⁷⁾ 참여 MG 사업모델(③, Fig. 1)이 디젤발전 모델(①), 유틸리티 단독 MG (②) 모델보다 참여자 모두에게 편익이 있을 것이다(Table 4).

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Fig. 1

Alternative business model (Hypothesis)

Table 4.

Comparing benefits of business model

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^2] 태양광 에너지 공동체(Community solar, U.S. DOE) : 전력소비자 소유 건물 및 부지에 태양광을 설치하여 공동체 형태로 전력을 생산, 소비, 그리드와 상계 거래하는 유틸리티 연계 모델부터 집단 투자 형태로 발전용 태양광을 소유하고 참여자가 전력 판매 수익을 공유하는 모델 등이 있다¹⁷⁾.

이 가설을 검증하기 위한 세부 연구질문과 검증 과정은 Fig. 2와 같다.

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Fig. 2

Hypothesis test

질문1) 국내 도서지역 재생에너지 MG를 공급자(유틸리티)가 통합 운영하고, 수요자의 대규모 주택용 PV가 MG를 구성하는 발전원 역할을 하며 전력거래에 참여하는 수요자 태양광 에너지 공동체 참여 MG(이하 ‘수요자 참여 MG’라 한다) 에너지 모델이 실현 가능한지?

- MG 구성 PV 용량을 주택용 PV 잠재 규모가 충족 가능한지, MG의 전력수요 대응 안정성

질문2) 가능하다면 상기 수요자 참여 MG 사업모델(③)이 기존 디젤발전 사업모델(①), 유틸리티 단독 MG 사업모델(②)보다 개선점이 있는지?

- 공급자(유틸리티, 정부 보조금) 관점 MG 경제적 편익

- 수요자 관점 주택용 PV 경제적 편익

- 상기 MG 모델의 사회환경적 편익

5. 연구 방법

5.1 수요자 참여 MG 개발 프레임워크

MG 개발 프레임워크는 본 논문에서 새롭게 가설로 설정한 수요자 참여 MG 에너지 모델 실현 가능성을 검증하고 이 모델에 투자하는 참여자의 경제적, 환경적 편익을 분석하기 위해 Fig. 3과 같이 설계하였다. 그리고 개발 관련 국내 전반의 여건(Criteria)을 고려하였다¹⁸⁾.

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Fig. 3

MG energy model design framework

MG 에너지 모델 실현 가능성 검증은 수요자 주택용 PV 잠재 규모가 최적화 된 MG 시스템을 구성하는 태양광 설비용량 충족이 가능한지 분석한다. 이때 수요자의 적정 PV 설비용량 산정은 해당 도서지역 내 주택용 전력사용량과 가구수를 고려한다. 기술적 안정성은 MG 시스템이 도서지역 전력수요에 부족 없이 대응하는지 분석한다.

참여자의 경제적 편익은 최적화 된 MG 설비에 투자하는 공급자 자본과 주택용 PV에 투자하는 수요자 자본 각자의 관점에서 분석하고, 사회환경적 편익은 MG 프로젝트의 CO₂ 배출량 산정으로 분석한다.

5.2 경제적 편익 분석

공공 프로젝트의 경제적 가치 평가방법으로 비용편익분석(Cost benefit analysis)이 많이 쓰인다. 본 논문은 에너지 정책 및 운영 분야에서 재생에너지 투자 의사결정을 위해 주로 사용되는 시스템 투자비, 운영 및 유지보수비 등에 대한 재무적 CBA로 프로젝트의 경제적 편익을 분석하고자 한다¹⁾. CBA는 분석 주체에 따라 비용과 편익이 다르므로¹⁹⁾ 유틸리티 투자(정부 보조금), 주민 투자 관점에서 각각 분석한다.

유틸리티 관점에서 도서지역 전력공급 사업은 지역 경제에 필요한 전력공급이 목표(Benefit)이며 전력공급원가 손실을 정부 보조금으로 지원 받는 비수익 공공사업으로써 에너지 모델 대안들의 편익은 동일하다. 따라서 도서지역 MG 프로젝트 기간동안 시스템 투자 및 운영에 소요되는 총 비용(Total cost)과 발전원가를 산출하고 비교하여 비용절감 편익을 분석한다.

주민 관점에서는 주민이 투자비를 분담한 주택용 PV 시스템에 대해 경제적 편익을 분석한다. 주민 부담 PV 시스템 투자 및 운영비가 비용(Cost)이 되고 해당 태양광 발전을 통해 얻는 전력거래 수익이 편익(Benefit)이 된다.

본 논문에서는 CBA에서 의사결정에 도움을 주는 경제적 편익 지표 중 화폐의 시간의 가치(Time value of money)를 고려하여 다음의 지표를 산출한다^20-²²⁾.

순현재가치(NPV, Net present value)는 프로젝트의 기간동안 모든 편익과 비용에 할인율(Discount rate)을 적용하여 현재 가치화한 값이다. NPV 값이 0보다 크면 경제성이 있는 것으로 보고, 해당 값이 더 높은 대안에 우선순위를 둔다.

(1)

N P V = \sum_{t = 1}^{N} \frac{(R_{t} - C_{t})}{(1 + i)^{t}} - I_{0}

R_t = t기간의 수익 ; C_t = t기간의 비용 ; I₀ = 초기투자비, N = 프로젝트 기간, i = 할인율

내부수익률(IRR, Internal rate of return)은 NPV 값이 0이 되는 할인율로 공공사업에서 사회적 할인율보다 높을 경우, 민간사업은 자본비용(Cost of capital)의 최소요구수익률(MARR, Minimum attractive rate of return) 또는 가중평균자본비용(WACC, Weighted average cost of capital)보다 높으면 경제성이 있는 것으로 본다.

(2)

\sum_{t = 1}^{N} \frac{(R_{t} - C_{t})}{(1 + i)^{t}} = I_{0}

순현재비용(NPC, Net present cost)은 프로젝트 기간 동안 총 비용을 현재 가치화한 값으로, 각 투자 대안의 편익이 유사할 때 편익을 제외하고 순현재비용만 산출하여 낮은 값을 갖는 대안을 우선순위에 둔다.

(3)

N P C = \sum_{t = 1}^{N} \frac{C_{t}}{(1 + i)^{t}} + I_{0}

균등화발전원가(LCOE, Levelized cost of energy)는 시스템에서 에너지 1 kWh 생산에 소요되는 평균비용으로 서로 다른 발전원에 대해 에너지생산단가 산정 및 비교에 주로 사용된다.

(4-1)

L C O E = \frac{C_{a n n . t o t}}{E_{s e r v e d}} = \frac{C R F (i, N) \cdot C_{N P C, t o t}}{E_{s e r v e d}}

(4-2)

C R F (i, N) = \frac{i (1 + i)^{N}}{(1 + i)^{N} - 1}

C_ann.tot = 균등화한 연간 프로젝트 소요비용(원/yr) ; C_NPC,tot = 프로젝트 총 순현재비용(원) ; CRF(i, N) = 균등화자본회수율 ; E_served = 연간 평균발전량(kWh/yr)

회수기간(SP, Simple payback periods) 산정은 프로젝트의 경제적 가치 판단을 위해 화폐의 시간 가치를 반영하지 않는 간편한 경제성 측정 방법으로는 프로젝트 기간동안 순편익으로 투자비 회수기간을 산정하는 것이다.

(5)

\sum_{N} Δ I_{N} \leq \sum_{N} Δ S_{N}

ΔI = 프로젝트 기간동안 누적 투자비용 ; ΔS = 프로젝트 기간동안 누적 순편익

5.3 사회적 편익 분석(환경편익)

사회적 편익 측정 지표로 화석연료 발전에서 발생하는 대기 오염물질 중 외부환경비용 분석에 주로 고려되는 온실가스인 CO₂ 배출량을 산출하였다. 각 사업모델의 시스템을 구성하는 디젤발전설비 제원과 연료소비량을 반영 다음과 같이 CO₂ 배출량을 산출한다.

(6)

C O_{2 emission, tot} = e_{factor} \times f_{consumed}

CO₂ emission,tot = 총 CO₂ 배출량(g)

e_factor = 디젤연료 CO₂ 배출계수(g/L)

f_consumed = 디젤발전기별 연료소비량(L)

6. 연구 대상과 데이터 수집

6.1 연구 대상

수요자 참여 MG 에너지 모델 실현 가능성을 연구방법을 통해 검증하고 참여자의 경제적, 사회적(환경) 편익을 분석하기 위해 전라남도 진도군 남서쪽 1 km 지점에 위치한 조도면을 연구대상으로 선정하였다. 그리고 연구방법에서 제시한 프레임워크의 단계별 분석에 필요한 데이터를 수집하였다.

조도면은 우리나라의 면 가운데 섬을 가장 많이 거느린 행정구역이다. 총 면적 56.96 km²에 유인도 35개, 무인도 119개 등 총 154개 섬이 조도면 소속이며 인구 3,024명, 1,830가구가 살고 있다(2020년 기준)²³⁾.

조도면 내의 많은 섬들은 Fig. 4와 같이 분산되어 있고 섬간 전력망 연계가 어려워 유틸리티 디젤발전소 전력 공급 가능 도서와 지자체 및 주민 자체 발전소 운영 도서가 있다.

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Fig. 4

Islands in JODO districts (NAVER map)

연구대상인 유틸리티가 운영하는 디젤발전 설비 용량은 3.4 MW로 국내 도서지역 중 상위 일곱 번째 규모이며 1,531가구에 전기를 공급하고 있다²⁴⁾. 또한 재생에너지 기후 자원이 우수하여 MG 시스템 전환 시 경제적, 환경적 가치가 크다. 주민은 자가용 태양광 시스템 구축 시 자가발전으로 전기요금 절감과 전력사용 안정성 확보가 가능하여 섬 거주 여건 개선에 많은 도움이 될 것으로 예상된다.

6.2 프로젝트 요건

재생에너지 MG 시스템의 제한 요건(Fixed constraints)은 전력공급의 안정성을 위해 전력공급 용량 부족 0%, 최대부하 예비력 30%로 하고²⁵⁾, 변화 가능한 요건(Variable constraints)은 MG 시스템의 재생에너지 비중을 최소 30% 이상으로 하였다.

6.3 전력수요 정보

전력수요 정보는 가장 최근 1년간 유틸리티의 조도 디젤발전소 실제 시간대별 발전량 자료를 활용하였다. 2018년 1년동안 조도 디젤발전소 총 발전량은 10,706,139 kWh, 일일 평균 발전량은 29,331 kWh/day이며 최대전력은 2,070 kW 이다²⁶⁾. Fig. 5는 계절별 전력수요 패턴으로 여름인 7, 8월에 전력수요가 많음을 보여주고, Fig. 6은 시간대별 전력수요 패턴으로 오전과 낮시간대보다 18시 이후 저녁 시간 대에 전력수요가 많음을 보여준다.

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Fig. 5

Monthly load profile of JODO in 2018

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Fig. 6

Daily load profile of JODO in 2018

6.4 에너지 기술 선택

6.4.1 재생에너지 기후자원 정보

재생에너지 기후자원은 에너지기술평가원 신재생에너지 자원지도²⁷⁾의 조도지역(34°18’21”N, 126°02’36”E) 태양광 일사량, 풍속 평균값을 적용하였다. 태양광은 천리안위성영상 수평면 전 일사량 평균값과(2012년~2016년), 풍력은 수치모델 예측치 평균값(2010년~2015년)을 Table 5와 같이 적용하였다. 시스템 출력은 보수적으로 PV 출력 86%(평균발전시간 3.31 hr/day), 풍력발전 출력 손실 9.75%, 풍속 측정계 높이를 40 m로 하였다.

Table 5.

Renewable energy resources

Resource	Daily irradiation (kWh/m²/day)	Wind speed (m/s)
Average	3.86	6.2

PV Site specific input : Derating factor 86% (Panel slope 34°, azimuth 0°), Wind overall loss factor 9.75% (availability, wake), Anemometer height 40 m

6.4.2 디젤 시스템 및 연료정보

현재 조도 디젤발전소는 총 설비용량 3.4 MW로 500 kW 2대, 800 kW 3대로 구성된다²⁶⁾. 이 중 비상 예비설비(800 kW)는 별도로 보유하고 상시 운전하는 2.6 MW 디젤발전기를 Table 6과 같이 MG 에너지 모델 최적화 대상으로 반영하였다. 디젤발전기 사용 연료는 ’13년~’18년 5개년 조도발전소 연료소비실적 자료 연료가격의 평균값인 772원/L을 반영하였다²⁸⁾.

Table 6.

Power generator set

Category	Components	Capacity [kW]*	Quantity
Diesel Generator	500 kW	1,000	2 (500*2)
Diesel Generator	CAT-1000 kVA-PP	1,600	2 (800*2)
Total	-	2,600	4

* Additionally, It has a standby diesel generator for emergency (+0.8 -MW)

6.4.3 발전원별 소요비용(Cost)

Table 7은 발전원별 설비 초기투자비, 유지보수비(O&M), 설비의 수명이후 교체 비용이며 해당 기관 용역자료와 IRENA가 조사한 지역별 Cost를 참고하였다^14,^25,^26,^28,²⁹⁾. 초기투자비는 시장가격으로 자재, 운송, 설치비를 포함하며 부지임대 및 매입비는 제외한다. 각 설비의 수명은 디젤발전기 20년, 태양광 시스템 25년, 풍력발전기 20년, 배터리 및 컨버터는 15년을 적용하였다.

Table 7.

Economic values for simulation and optimizations

Component	Parameter	Unit	Cost	Lifetime	Source
Diesel	Capital	K￦/kW	1,805	20	KEPCO's report (2012, 2018)^25,²⁶⁾
	Replacement	K￦/kW	1,805		Same as initial capital
	O&M	K￦/kW/year	69		Initial capital ×3.9%²⁶⁾
Fuel	Diesel	K￦/Liter	772		Status in islands (2014~2018)²⁸⁾
PV	Capital	K￦/kWp	1,953	25	IRENA-Korea (2019)²⁹⁾, Island surcharge 30%
	Replacement	K￦/kWp	1,367		Initial capital ×70%
	O&M	K￦/kWp/year	17		Initial capital ×1.25%
Wind	Capital	K￦/kW	3,694	20	IRENA-Asia (2019)²⁹⁾, Island surcharge 30%
	Replacement	K￦/kW	2,955		Initial capital ×80%
	O&M	K￦/kW/year	37		Initial capital ×1.25%
Battery	Capital	K￦/kWh	2,600	15	KEPCO's report (2018)²⁶⁾
	Replacement	K￦/kWh	1,289		²⁶⁾
	O&M	K￦/kWh/year	3		²⁶⁾
Converter	Capital	K￦/kW	600	15	²⁶⁾
	Replacement	K￦/kW	600		²⁶⁾
	O&M	K￦/kW/year	7		²⁶⁾
Distributed Generation (in islands)	Capital	K￦/kWp	2,010	25	Support announcement for RE (2020)¹⁴⁾
	Replacement	K￦/kWp	1,407		Initial capital ×70%
	O&M	K￦/kWp/year	25		Initial capital ×1.25%

6.4.4 수요자 참여 MG 최적화

[공급자 투자 관점(유틸리티·정부 보조금)]

MG 에너지모델 시뮬레이션과 비용 최적화는 HOMER (Hybrid Optimization of Multiple Electric Renewables) Tool을 활용하였다. HOMER는 기술적으로 수 많은 발전원 조합의 MG 시스템 발전량을 시간대별로 계산하여 전력수요에 대응시키도록 시뮬레이션 한다. 경제적으로는 MG 시스템에 대해 설비 수명, 초기 투자비용, 연료비용, O&M비용, 교체비용 등을 반영한 수명기간비용 분석(Life cycle cost analysis)으로 에너지모델별 전력공급비용(NPC)과 균등화발전원가(LCOE)를 산출하여 최소비용의 시스템으로 최적화한다.

HOMER를 통해 기존 디젤발전 시스템의 비용을 시뮬레이션하고, 새롭게 도입하는 재생에너지 MG 시스템을 가장 낮은 비용으로 최적화하여 각 시스템에서 생산되는 에너지의 비용효율성을 비교하였다.

유틸리티(정부 보조금) 투자 비용은 Table 8과 같이 적용하여 다른 모델과 경제성을 비교한다. 공급자 도서지역 전력공급비용(전기요금 충당금액 제외)과¹³⁾ 주택용 PV 설치비의 일부를 정부 보조금으로 지원받으므로¹⁴⁾, 유틸리티(정부 보조금) 투자 관점에서 수요자 참여 MG 에너지 모델은 정부 보조금 지원분의 주택용 PV(정부 보조금 50%)와 유틸리티 MG 설비(정부 보조금 100%)를 공급자 통합 MG 시스템으로 간주하고 최적화하였다.

Table 8.

Sharing the burden for investment of business model

Business Model	① Diesel	② MG	③ Community solar + RE-MG
Business Model	① Diesel	② MG	Residential PV	RE-MG
Ownership	Utility	Utility	Community	Utility
Investment (burden rate)	Utility (100%)	Utility (100%)	Community (30%) Government (50%)¹⁴⁾, Municipality (20%)¹⁵⁾,	Utility (100%)

Source : Government subsidies (KEA, 2020)¹⁴⁾, Municipal subsidies (Jeonnamdo Office, 2020)¹⁵⁾

6.4.5 태양광 에너지 공동체 분석

[수요자 투자 관점(주민)]

수요자 태양광 에너지 공동체 대상은 정부와 지자체의 지원이 있는 주택용 태양광으로 한정한다. 주택용 태양광의 잠재규모가 MG를 구성하는 PV 용량 충족이 가능한지 검증하기 위해 1가구당 적정 PV 용량을 산출하고, PV 설비에 투자한 주민 관점에서 경제성을 분석하였다.

주택용 PV 적정 용량 산출을 위해 유틸리티로부터 전력을 공급 받는 조도면 수요자의 주택용 전력사용량을 조사 결과 2018년 기준 조도면 주택용 전력 총 판매량은 3,087,756 kWh이다²⁴⁾. 이것을 1,531가구수로 나누면 1가구당 주택용 전력사용량은 연 평균 2,016 kWh, 월 평균 168 kWh로 추정된다. 월 평균 사용량 추정치가 200 kWh 이하이므로 적정 주택용 PV 용량을 2 kW로 설정하였다¹⁴⁾.

주택용 PV 시스템 시뮬레이션은 미국 NREL의 SAM (System Advisory Model) Tool을 활용하였고 태양광 발전시간은 앞서 HOMER와 동일한 일 평균 3.31시간으로 설정하였다.

주민 투자 관점에서 경제성분석(CBA)은 Table 9와 같이 비용과 편익을 적용하였다.

Table 9.

Residential PV simulation parameters

PV	Generation time/day	Initial capital	Transaction revenue
2 kW	3.31 hr	￦1,206,000 (O&M ￦25,000/kW-yr)	￦93.3~￦187.9/kWh
Remarks	HOMER's data	Community (30%)	Electricity rates

시스템 투자 비용(Cost)은 신재생에너지 보급사업 상한가격인 2,010천원/kW 중 주민이 30%를 부담하고(지자체 보조금 20% 제외) 유지보수비용은 연 25천원/kW으로 가정하였다. 주민 편익(Benefit)은 발전전력에 대한 거래수익으로 상계거래제도와 한전의 주택용 전력요금제를 반영하였다¹⁶⁾.

6.4.6 경제성 분석 요소

유틸리티(정부 보조금)와 주민 투자자본을 기준으로 명목할인율을 Table 10과 같이 적용하였다. 유틸리티 MG 구축은 한전 투자보수율(WACC)과 공공사업 할인율을 고려 4.7%, 주민참여 수요자 태양광 에너지 공동체(주택용 PV) 시스템 구축은 최근 가계 신용대출 평균금리와 기대수익률 고려 8.5%로 설정하였다. 인플레이션율 2%와 프로젝트 수명 25년은 동일하다.

Table 10.

Financial parameters

Parameters	RE-MG (Utility)	Residential PV (Community)
Discount rate* (nominal)	4.7%	8.53%
Inflation rate	2%	2%
Project lifetime	25 yr	25 yr

* Reference : 2014~2018 The average of WACC 4.02% (KEPCO), The discount rate for public project 4.5% (Guidelines for conducting a preliminary feasibility study- Article 55), 2016~2020 Average household loan interest rate 4.13% (Bank Of Korea)

7. 연구 결과

7.1 수요자 참여 MG 구성과 안정성

RQ1 본 논문에서 가정한 수요자 참여 MG 에너지 모델 실현 가능성을 조도지역 데이터를 반영하여 HOMER Tool로 분석하였다. 분석 결과 최적화 된 MG를 구성하는 PV 용량(kW)은 해당 도서 내 주택용 PV로 충족 가능한 규모로 수요자 PV 참여 MG 개발방식 추진이 가능하며, MG 시스템은 전력수요에 안정적으로 대응하는 것으로 나타났다.

Table 11은 유틸리티(정부 보조금) 투자 관점에서 조도지역 전력을 공급하는 주택용 PV (정부 보조금 50%)와 유틸리티 MG (정부 보조금 100%) 통합 시스템을 최적화한 결과다. 나머지 주택용 PV 투자비 20%는 지자체 보조금, 30%는 참여 주민이 별도 부담한다.

Table 11.

Most optimal energy system design of MG

Diesel* [MW]	PV [kW]	WT [MW]	Battery [MWh]	Converter [kW]	LCOE [￦/kWh]	NPC [B￦]	Initial Capital [B￦]	O&M [B￦/yr]	Ren Frac. [%]
1.8 (3ea)	1,864	1.2	1.1	1,210	209.32	40.6	12.4	1.56	38.7
2.1 (3ea)	1,996	1.2	1.2	2,229	212.07	41.1	13.4	1.53	39.3
2.6 (4ea)	2,737	-	9	1,712	218.65	42.4	9.79	1.8	23.4
2.1 (3ea)	2,770	-	9	2,432	219.3	42.5	8.92	1.86	23
1.8 (3ea)	-	1.9	1.1	1,188	221.68	43	13.1	1.65	34

* Additionally, It has a standby diesel generator for emergency (+0.8 MW)

유틸리티(정부보조금) 투자 관점에서 25년의 프로젝트 기간동안 전력공급비용(NPC)과 균등화발전원가(LCOE)가 가장 낮고 전력수요를 만족시키는 MG 시스템 구성은 디젤발전기 1.8 MW (기존 디젤발전기 500 kW 2대, 800 kW 1대), PV 1.8 MW, 풍력발전기 1.2 MW, 배터리 1.1 MWh, 컨버터 1.21 MW이다.

최적화된 MG 구성 설비 중 재생에너지 설비 고장 시는 상시운전 설비용량과 별도로 보유한 예비 디젤발전기(0.8 MW)를 가동하여 총 2.6 MW 디젤발전기로 최대전력수요(2,070 kW)에 부족 없는 대응이 예상된다. 그러나 재생에너지 확대로 감소된 상시운전 디젤발전기의 설비 고장에 대비하여 예비 디젤발전기 추가 확보에 대한 기준 보완으로 전력공급 안정성을 높이는 것이 필요하다.

RQ1-1 앞서 조도의 1가구당 적정 주택용 PV 용량은 실제 주택용 전력 총 가구수와 판매량을 고려하여 2 kW로 산정하였다. 최적화된 MG 시스템을 구성하는 PV 용량 1,864 kW를 1가구당 주택용 PV 예상용량 2 kW로 나누면 약 932가구의 PV 설치가 필요하다. 이 가구수는 유틸리티 디젤발전소로부터 주택용 전력공급을 받고 있는 조도면 1,531가구의 약 61%에 해당하여 주택용 PV 용량만으로 MG를 구성하는 PV 용량 충족이 가능하다.

RQ1-2 Fig. 7은 수요자 참여 MG 에너지 모델이 총 전력수요(Total electrical load served)가 가장 높은 하계 기간(8월)에도 미충족 전력수요(Unmet electrical load) 없이 안정적으로 전력을 공급하는 것을 보여준다.

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Fig. 7

Electricity demand and power generation

일사량이 풍부한 낮 시간대(10시~16시)는 주민 소유의 태양광 에너지 공동체 발전원(LR6-72BK)이 총 전력수요에 비중 있게 대응하고, 풍황에 따라 풍력발전(M-21)이 전력을 공급한다. 반면 태양광 일사량, 풍황이 적은 시간대는 유틸리티 디젤발전기(Genset-1000 kVA, 500 kW)가 주로 전력을 공급한다. 에너지저장장치(Li-Ion State of Charge)는 재생에너지가 발전될 때 전력을 일부 저장하고, 재생에너지 발전이 적을 때 저장 전력을 방전하여 재생에너지의 단점인 전력생산의 간헐성을 보완한다.

단, 본 MG 모델은 전원 구성 시 도서지역 총 전력수요에 부족 없이 대응하고 유틸리티(정부보조금) 투자 관점에서 경제적 편익을 위해 에너지 공급단가(LCOE) 최소값을 우선으로 각 설비용량을 최적화하였다. 따라서 만약 총 전력수요와 에너지저장장치 용량을 초과하는 재생에너지가 발전되어 전력망 운영에 영향을 준다면 에너지 공급단가의 경제성을 우선으로 하는 경쟁적 선택(Trade-off)에 의해 유틸리티 발전원인 풍력발전 출력에 대한 제한이 필요할 수 있을 것으로 예상된다. 또는 잉여 재생에너지를 도서주민과 관련된 선박, 전기차 등에 사용하는 공익적 활용도 고려될 수 있을 것이다.

7.2 수요자 참여 MG 경제적 편익

[공급자 투자 관점(유틸리티·정부 보조금)]

RQ2-1 유틸리티(정부 보조금) 투자 관점에서 프로젝트 기간 25년간 도서지역 전력공급비용에 대하여 현재 시스템인 디젤발전 모델, 기존 접근 방식인 유틸리티 단독 MG 모델, 새로운 접근 방식인 수요자 참여 MG 모델의 경제성을 분석한 결과는 Table 12와 같다. 수요자 참여 MG 모델이 상대적으로 NPC와 LCOE가 가장 낮아 비용효율성 있는 도서지역 MG 전환 방안이 될 수 있을 것으로 예상된다.

Table 12.

Comparison list with the different business model

BM	Diesel* [MW]	PV [kW]	WT [MW]	Battery [MWh]	LCOE [￦/kWh]	NPC [B￦]	Initial Capital [B￦]	O&M [B￦/yr]	Ren Frac. [%]
① Existing System	2.6	-	-	-	243.04	47.1	4.69	2.34	0
② Utility MG	1.8	1,392	1.3	1.1	217.06	42.1	13.6	1.57	37.7
③ DER + MG	1.8	1,864	1.2	1.1	209.32	40.6	12.4	1.56	38.7

* Additionally, It has a standby diesel generator for emergency (+0.8 MW)

현재 디젤시스템 시뮬레이션 결과 NPC 471억원, LCOE 243원/kWh, 초기투자비는 47억원이다. 기존 접근 방식인 유틸리티 단독 MG 모델 최적화 결과 NPC 421억원, LCOE 217원/ kWh, 초기투자비는 136억원, 생산 전력 중 재생에너지 비중은 37.7%로 산출되었다.

새로운 접근 방식인 수요자 참여 MG 모델 최적화 결과 NPC는 406억원 LCOE는 209원/ kWh이며, MG 시스템 생산 전력 중 재생에너지 비중은 38.7%로 산출되었으며 초기투자비는 124억원으로 주택용 PV 정부보조금 50%(18억원)를 포함한다. 나머지 주택용 PV 투자비는 지자체(20%, 7억원), 참여 주민(30%, 11억원)이 별도 부담한다.

각 모델의 발전원가를 비교하면 수요자 참여 MG 사업모델의 LCOE가 디젤 모델보다 14.0% 낮고, 공급자 단독 MG 모델보다 3.7% 낮아 상대적으로 경제적 편익이 있는 것으로 분석되었다. 또한 기존 접근 방식인 유틸리티 단독 MG 보다 초기투자비 12억원 절감과 재생에너지 비중 1% 상향이 가능할 것으로 예상된다.

증분분석 디젤발전 모델(Table 12. ①)보다 수요자 참여 MG 모델(Table 12. ③)의 초기투자비가 높아 MG 모델의 증가한 투자비용을 고려 경제적 타당성을 판단하기 위해 상호 배타적인 투자 대안에 대한 일반적 의사결정방법인 증분분석을 적용하였다²²⁾. 프로젝트 A와 B (B가 더 큰 투자비용 요구)의 증분투자에 대한 내부수익률(IRR_(B-A))과 최소요구수익률(MARR) 또는 가중평균자본비용(WACC)을 비교하여 다음과 같이 판단하는 것이다.

· IRR_(B-A) > MARR 이면 프로젝트 B를 선택

· IRR_(B-A) < MARR 이면 프로젝트 A를 선택

25년간 디젤발전 모델 A (Table 12. ①)와 수요자 참여 MG 모델 B (Table 12. ③)의 연도별 NPC의 차이 값인 증분현금흐름(Incremental cash flows)은 Fig. 8과 같다. 증분현금흐름(B-A)이 모델 B의 초기투자 시기와 특정설비 교체 시기를 제외하면 지속적으로 양(+)의 값을 갖는다. 디젤발전 모델 A가 연료비로 인한 운영비용이 많기 때문이다.

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Fig. 8

Incremental cash flows (B-A, discounted)

또한 Table 13과 같이 상기 두 모델간 NPC의 누적 증분현금흐름(B-A)의 순현재가치(NPV)는 65.4억원이며 이 값을 0으로 만드는 할인율인 IRR이 9.1%로 산출되었다. IRR이 유틸리티의 투자보수율(WACC) 4.7% 보다 높으므로 수요자 참여 MG 모델 B가 초기투자비는 높지만 투자할 가치가 있는 것으로 판단된다.

Table 13.

Incremental analysis of NPC (B-A)

Indicators	Cumulative incremental cash flow (B-A)
NPV	￦6.54B
IRR	9.1%
SP	9.2 yr

민감도분석(유가, 기후) 새롭게 가정한 수요자 참여 MG 모델이 디젤발전 모델보다 경제적으로 투자할 가치가 있다는 것은 입증되었지만 재생에너지의 특성상 기후자원의 변동성 고려가 필요하다. 또한 유가의 변동성이 디젤 시스템의 발전원가에 영향을 미치므로 풍속, 태양광 일사량과 함께 조건을 변경하여 가정 MG 모델의 경제성을 분석하였다.

위 변수조합 중 가장 나쁜 조건인 모든 변수의 기존 대비 -10% 조건에(유가 694원/L, 풍속 5.58 m/s, 태양광 일사량 3.47 kWh/m²) 대해 가정 MG 모델 최적화 결과 Table 14와 같이 디젤발전설비 용량이 소폭 증가하였다. NPC와 LCOE는 Table 15와 같이 기존 디젤 모델 보다 값이 낮아 상대적으로 경제적 편익이 있을 것으로 예상된다.

Table 14.

MG optimization of -10% conditions (diesel, wind, irradiation)

Diesel [MW]	PV [kW]	WT [MW]	Bat. [MWh]	Ren Frac. [%]
2.1	1,864	1.2	1.1	33.9

Table 15.

MG economic analysis of -10% conditions (diesel, wind, irradiation)

BM	Diesel	DER + MG
NPC	￦43.1B	￦40.4B
LCOE	￦222/kWh	￦208/kWh
Initial capital	￦4.69B	￦13B

7.3 수요자 PV 시스템 경제적 편익

[수요자 투자 관점(주민)]

RQ2-2 수요자 참여 MG 사업모델에 태양광에너지 공동체로 참여한 주민의 투자비 관점에서 SAM Tool로 주택용 PV 시스템을 시뮬레이션하고 경제성을 분석한 결과는 Table 16과 같다.

Table 16.

Analysis of the benefits of PV investment per household (0% ~ +40% of consumption increase)

Residential PV	2 kW	2 kW	2 kW	2 kW
Electricity consumption (kWh/month)	168	202 (+20%)	218 (+30%)	235 (+40%)
NPV (K￦)	620	950	1,160	1,390
Electric bill savings (K￦/yr)	200	229	246	265
Total Electric bill savings (K￦/25 yr)	5,000	5,730	6,150	6,630
SP (yr)	7.5	6.4	5.9	5.4

주택용 PV 2 kW 설치 시 전력사용량에 따라 NPV값이 62만원~139만원으로 경제적 편익이 있는 것으로 분석되었다.

주택용 PV 2 kW는 조도면의 일사량을 반영하여 시뮬레이션 결과 연간 전력 2,418 kWh 생산이 예상된다. 1가구당 월 평균전력사용량이 168 kWh인 수요자는 이 발전전력을 자가 사용하고 잉여전력을 유틸리티와 상계하면 주택용 전기요금 체계에 의해 93원/kWh의 요금 절감효과가 있다. 이 거래에 따라 수요자는 연 평균 전기요금 20만원을 절감할 수 있으며 초기투자비 회수기간(SP)은 7.5년이다.

상기 1가구당 월 평균전력사용량은 유틸리티의 조도면 주택용 총 전력판매량을 가구수로 나눈 단순 평균값으로 실제로 개인 편차가 있을 것이다. 1가구당 월 평균전력사용량을 평균값 보다 20~40% 많이 사용하는 가구는 동일한 PV 2 kW 설치 시 사용량이 많을수록 경제적 편익이 높아진다. 월 평균전력사용량 200kWh ~350 kWh 구간에서 자가용 PV 발전전력 사용시 주택용 요금 187원/kWh의 절감효과가 있기 때문이다. 따라서 전력사용량이 많은 수요자는 PV 설치 참여율이 높을 것이다.

민감도 분석(지자체 보조금) 현재 주택의 자가용 PV 설치비에 대한 추가 보조금 지원은 지자체별로 다르고 이에 따라 수요자의 PV 투자비 부담금과 경제적 편익이 변화할 것이다. 수요자의 PV 투자 부담금이 높아져 경제적 편익이 없다면 주민의 태양광 에너지 공동체 참여가 어려우므로 이를 분석하기 위해 지자체 추가 보조금 지원을 0~10%로 적용한 주택용 PV 시스템의 경제적 편익 분석 결과는 Table 17과 같다.

Table 17.

Analysis of the benefits of PV investment per household

Residential PV	2 kW	2 kW	2 kW	2 kW
Electricity consumption (kWh/month)	168	168	218	218
Community's investment	40%	50%	40%	50%
Municipal subsidies	10%	0%	10%	0%
Community's burden increasing	10%↑	20%↑	10%↑	20%↑
NPV (K￦)	200	-185	758	357
SP (yr)	9.7	11.9	7.7	9.4
Community's cost (K￦)	1,600	2,010	1,600	2,010

PV 2 kW 설치시 지자체 보조금 없이 수요자가 설치비 50%를 부담하고 월 평균전력사용량이 평균값(168 kWh)일 경우 NPV값이 -18.5만원으로 경제성이 없는 것으로 산출되었다.

전력사용량이 상대적으로 높은(218 kWh) 수요자도 지자체 추가 보조금이 없을 경우 경제성이 감소하여 PV 시스템 투자 매력도가 낮을 것으로 예상된다. 따라서 지자체 추가 보조금 지원은 수요자 PV 경제적 편익 향상에 많은 영향을 미치므로 도서지역 수요자 참여 MG 추진 시 필수적으로 고려할 요소이다.

7.4 수요자 참여 MG 사회적 편익

[유틸리티·참여주민·환경 종합적 관점]

RQ2-3 수요자 참여 MG 사업모델이 환경적 영향을 저감하는 사회적 편익이 있는지 CO₂ 배출량을 산출하고 다른 사업모델과 비교 결과 수요자 참여 MG가 CO₂ 배출량이 가장 적어 사회적 편익이 있는 것으로 분석되었다.

각 사업모델의 CO₂ 배출량은 디젤 모델 7,520 ton/yr, 유틸리티 단독 MG 모델 4,620 ton/yr, 수요자 참여 MG 모델 4,553 ton/yr로 산출되어 수요자 참여 MG 모델의 CO₂ 배출량이 디젤모델 보다 39.5% 낮고, 공급자 단독 MG 모델보다 1.5% 낮아 외부환경비용을 최소화할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 다른 모델에는 없는 태양광 에너지 공동체에 주민이 참여하여 얻는 전기요금 절감 총 순편익이 매년 1억2천만원 발생하여 도서지역 주민 복지 향상에 기여 가능할 것이다.

이를 경제적 편익과 종합한 결과는 Table 18과 같으며 본 논문에서 새롭게 가정한 수요자와 공급자 공동 참여 MG 사업모델이 다른 모델보다 사회적, 경제적 편익 개선이 있을 것으로 예상된다.

Table 18.

Comparison of the benefits with the different business model

BM (Participants)	Microgrid project Cost (Utility-Government)			Community solar Benefit (932 households)	Environmental impact (Social)
BM (Participants)	LCOE [￦/kWh]	NPC [B￦]	Initial Capital [B￦]	Net Benefit [B￦/yr]	CO₂-emissions [ton/yr]
① Existing System	243.04	47.1	4.69	-	7,520
② Utility MG	217.06	42.1	13.6	-	4,620
③ DER + MG	209.32	40.6	12.4	0.13*	4,553

*Net benefit per household ￦145,448/yr = PV power transaction revenue – community’s Initial investment cost (30%) – O&M cost

8. 연구결과 논의

본 연구의 목적은 국내 대규모 도서지역 디젤발전시스템을 재생에너지 마이크로그리드로 효율적으로 전환하는 사업모델 개발이다.

목적 달성을 위해 마이크로그리드 기술의 수요자와 공급자간 상호작용에 따른 편익, 경제학 관점에서 수요자와 공급자 공동 참여 사업모델의 효율성을 고찰하고 국내 에너지 지원정책 및 수요자의 재생에너지 전력거래에 대한 제도적 여건을 조사하였다.

이를 바탕으로 수요자와 공급자가 공동 참여하는 개발방식과 사업모델이 대규모 도서지역 재생에너지 MG 전환의 효율적 대안이며 참여자 모두에게 편익이 있을 것이라는 가설을 설정하였다. 그리고 가설 검증을 위해 국내 도서지역인 조도면의 관련 데이터를 수집하고 HOMER, SAM Tool을 활용하여 가정 MG 사업모델의 수요자 PV 참여 개발방식 가능성, MG 시스템의 기술적 실현 가능성을 검증하였다. 또한 참여자 투자자본 관점에서 경제적 편익, 사회환경 편익을 분석하였다.

가설 검증 결과 최적화된 수요자 참여 MG 에너지모델을 구성하는 PV 규모는 해당 도서지역 수요자의 가구수와 전력사용량을 고려할 때 주택용 PV로 충족 가능한 규모로 수요자 PV 참여 MG 개발방식은 가능하며, MG 시스템은 전력수요에 부족 없이 대응하는 기술적 안정성이 있는 것으로 분석되었다.

또한 수요자 참여 MG 사업모델에 참여하는 수요자와 공급자 모두 경제적, 사회적 편익이 예상된다.

경제적인 편익은 유틸리티(정부 보조금) 투자 관점에서 기존 디젤 모델, 유틸리티 단독 MG 모델보다 발전원가를 최소화할 수 있는 것으로 산출되었다. 주민투자 관점에서도 투자비 일부를 부담하여 주택용 PV 시스템 설치 시 전기요금 절감으로 경제적 편익이 있는 것으로 나타났다. 온실가스(CO₂) 배출도 가정 MG 사업모델이 다른 모델보다 최소화할 수 있어 사회환경적 편익이 있을 것으로 예상된다.

본 연구는 상기 경제적, 사회적 편익을 Table 19와 같이 종합하여 도서지역 재생에너지 마이크로그리드 확대를 위한 효율적 대안을 제시함으로써 다음과 같이 기여하였다.

Table 19.

The benefits of new business model in islands

Participants	Consumer	Supplier	Government
Role	Community solar	MG operation	Energy subsidies
Burden of capital	Residential PV 30%	MG 100%	Residential PV 50%, Supplier's deficit 100%
Cost (NPC, 25 yr)	PV system operating cost	Power supply cost↓	Amount of subsidies↓
Benefit (power transaction)	Electric bill savings	None (power generation cost not recovered)	None (power generation cost assistance)
Economic net benefit (25 yr)	NPV >0	Power supply cost reduction	Savings of subsidies
Social benefit	Improvement of the living environment	Environmental cost reduction (CO₂ -emission )	Environmental cost reduction (CO₂-emission)

· 수요자와 공급자가 공동 참여하는 도서지역 MG 사업모델 제안

도서지역 재생에너지 MG 전환에 대한 기존연구는 공급자 중심의 개발방식과 경제성만을 고려하는 한계가 있었다. 본 연구는 기존연구와 차별화하여 수요자와 공급자가 공동 참여하는 MG 사업모델을 효율적 대안으로 제안하였다. 또한 국내 정책과 제도를 고려하여 현실성을 높였다.

· 제안 MG 사업모델 실현 가능성과 참여자 편익 검증

제안 MG 사업모델에 대해 국내 도서지역 데이터를 반영하고 에너지모델을 분석하여 수요자 참여 개발방식 가능 여부와 기술적 실현 가능성을 검증하였다. 또한 각 참여자 투자 관점에서 재생에너지 시스템의 경제적 편익을 분석하여 제안 모델이 기존방식 보다 효율적이고 모두에게 편익이 있음을 증명하였다.

· 수요자 분산 에너지원 활용 사회적 편익 향상과 지속가능성을 고려한 지역에너지 개발

수요자 참여 분산 에너지원 활용으로 기존 공급자 중심 개발방식에는 없는 주민 편익을 얻을 수 있고 동시에 국가적 편익 향상의 가능성을 사례를 통해 확인하였다. 또한 환경적 영향을 저감하여 최근 지역 에너지 개발 패러다임에서 중점을 두고 있는 사회적 가치 향상과 지속가능성을 고려한 에너지 계획에 의미가 있다.

· 도서지역 수요자 PV 참여 확대를 위한 제언

도서지역 수요자 참여 MG 사업모델은 많은 수요자의 PV 설치가 수반된다. 수요자 PV 설치율은 수요자가 태양광 설치로 얻는 경제적 편익이 클 수록 높아질 수 있으므로 상기 MG 사업모델 추진 시 다음과 같은 수요자 자가용 태양광 설치 지원방안 검토가 필요하다.

지자체 보조금 지원 수요자 주택용 태양광 설치 경제적 편익 분석결과 지자체 추가 보조금 지원 비율에 따라 주민의 편익이 낮거나 없는 경우가 있다. 따라서 수요자 PV 설치 확대를 위해서는 지자체 보조금 지원이 필수적이다. 전력사용량이 많은 수요자일수록 PV 투자에 대한 경제성이 높으므로 실제 개인별 전력사용량을 파악하여 전력사용량이 많은 수요자를 적극 지원하고 참여를 유인할 필요가 있다. 다만 PV 설치로 수요자가 얻는 전기요금 절감 편익은 전력사용량 증가에 영향을 미칠 수 있으므로 PV 설치 보조금 지원 대상에 대해서는 전력사용량 증가 폭 제한을 고려해야한다.

유틸리티 커뮤니티 솔라 프로그램 운영 또한 태양광 설비 대규모화로 투자비를 낮추고 금융 지원하여 주민 경제적 편익이 향상되면 수요자 PV 설치율을 높일 수 있으므로 주택용 PV 태양광 에너지 공동체에 커뮤니티 솔라 프로그램^3] 운영 고려가 필요하다³⁰⁾. 본 연구에서 가정한 MG를 구성하는 PV 용량이 총 1.8 MW로 대규모화가 가능하여 적정 커뮤니티 솔라 프로그램 운영 시 설치단가 하락, 금융지원으로 주민의 투자비 부담을 낮출 수 있을 것으로 예상되며 주민참여 활성화에 많은 도움을 줄 수 있을 것이다³¹⁾.

^3] 현재 미국의 약 20개 주에서도 유틸리티 또는 제3자가 대규모의 커뮤니티 솔라 프로그램을 운영하고 주택용 및 상업용 태양광 설치에 주민 참여 장려를 위해 금융지원을 하고 있다. 이를 위해 각 주마다 Community solar-green tariff (CA, OR), Solar rewards community (CO, MN), Group net metering (NH), Community based renewable energy program (HI) 등 다양한 정책이 지원되고 있다³⁰⁾.

참여기업 인센티브 부여 마지막으로 도서지역은 지리적 여건상 시스템 설치 및 유지보수에 어려움이 있어 참여 기업의 많은 지원 요구가 예상된다. 도서지역 수요자 자가용 PV 확대는 전력공급자 및 정부, 수요자 모두에게 경제적·사회적 편익이 있으므로 설비 제조·시공·운영 기업에 인센티브와 세제 혜택 부여 등으로 사업 매력도를 높여 참여를 장려하는 것이 필요하다. 또한 참여 기업이 대규모 수요자 태양광 설치와 함께 에너지효율화 서비스를 병행한다면 도서지역 전력공급의 비용 효율성을 더욱 높일 수 있을 것이다.

본 연구의 한계점은 새롭게 제안한 수요자 참여 마이크로그리드 사업모델을 국내 대규모 도서 중 한 개의 섬에 대해서만 적용하고 검증하였다. 향후 국내 타 도서 지역 또는 육지의 전력계통 연계가 어려운 지역에 대해서도 본 모델 적용 및 후속 연구를 제안한다.

Acknowledgements

이 논문은 KU-KIST스쿨 운영사업 및 4단계 두뇌한국(BK) 21 사업(관리번호 5199990314245)의 지원을 받아 수행된 연구임.

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Current Photovoltaic Research ISSN:2288-3274(Print) 2508-125X(Online)

Preview

A Study on the Economic and Social Benefits of the Microgrid Business Model in Island Areas : Consumer’s Community Solar Participation in Development

ABSTRACT

MAIN

Table 1.

Prior studies of microgrid business model

Table 2.

Characteristics of the institutional forms5)

Table 3.

Government subsidies for energy

Fig. 1

Alternative business model (Hypothesis)

Table 4.

Comparing benefits of business model

Fig. 2

Hypothesis test

Fig. 3

MG energy model design framework

(1)

(2)

(3)

(4-1)

(4-2)

(5)

(6)

Fig. 4

Islands in JODO districts (NAVER map)

Fig. 5

Monthly load profile of JODO in 2018

Fig. 6

Daily load profile of JODO in 2018

Table 5.

Renewable energy resources

Table 6.

Power generator set

Table 7.

Economic values for simulation and optimizations

Table 8.

Sharing the burden for investment of business model

Table 9.

Residential PV simulation parameters

Table 10.

Financial parameters

Table 11.

Most optimal energy system design of MG

Fig. 7

Electricity demand and power generation

Table 12.

Comparison list with the different business model

Fig. 8

Incremental cash flows (B-A, discounted)

Table 13.

Incremental analysis of NPC (B-A)

Table 14.

MG optimization of -10% conditions (diesel, wind, irradiation)

Table 15.

MG economic analysis of -10% conditions (diesel, wind, irradiation)

Table 16.

Analysis of the benefits of PV investment per household (0% ~ +40% of consumption increase)

Table 17.

Analysis of the benefits of PV investment per household

Table 18.

Comparison of the benefits with the different business model

Table 19.

The benefits of new business model in islands

Acknowledgements

References

Characteristics of the institutional forms⁵⁾