Subscript
1. 서 론
2. 선행 연구 조사
2.1 연구 사례
2.2 기존 연구와의 차별성
3. 연구 방법론
3.1 경제성 분석방법
3.2 연구대상 설계
3.3 데이터 입력
4. 연구 결과
4.1 대상 학교 태양광 발전 잉여발전량
4.2 참여자별 경제성 분석결과
4.3 민감도 분석
4.4 추가 Case Study
5. 결론 및 시사점
5.1 결론 및 요약
5.2 연구 한계점 및 시사점
Subscript
RE100 : renewable energy 100%
REC : renewable energy certificate
ESS : energy storage system
NDC : nationally determined contribution
PPA : power purchase agreement
NREL : national renewable energy laboratory
SAM : system advisor model
NPV : net present value
RPS : renewable portfolio standard
1. 서 론
전 세계적으로 기후위기 극복을 위해 국가 차원의 NDC (Nationally Determined Contributions) 목표를 수립하는 한편, 2050년까지 사용전력의 100%를 재생에너지로 전환하겠다고 자발적으로 선언하는 RE100 캠페인에 가입하는 글로벌 기업들이 점점 늘어나고 있다1). 세계적인 RE100 흐름에 RE100에 참여하는 글로벌 수요기업들의 재생에너지 사용 요구에 따라 RE100에 가입하지 않은 국내 기업들도 이에 대한 대응이 필요한 상황이다. 특히 국내 제조업 수출의 70% 이상을 차지하는 산업단지의 RE100 달성에 대한 중요도가 커지면서2) 이를 위한 재생에너지 확보 방안을 모색하는 한편, 정부는 잉여전력의 활용방안에 대해서도 고민하고 있다. 재생에너지 확대에 따라 새로운 전력 수급 주체인 에너지 프로슈머(Prosumer)가 등장하였기 때문이다. 프로슈머는 에너지 생산자(Producer)와 소비자(Consumer)의 합성어로, 태양광 발전 등 에너지 설비 기술의 발달로 소비자가 중소규모의 에너지 설비를 설치하여 직접 에너지를 생산하고 소비하며, 남는 에너지를 판매할 수 있는 여건이 마련되면서 등장한 개념이다3, 4). 국내 프로슈머의 전력거래 방식으로는 상계거래, 자가용 PPA (Power Purchase Agreement) 제도 등이 존재하지만, 여러 환경적 제약으로 인해 여전히 활용되지 못하는 잉여전력량이 많은 실정이다. 특히 정부 주도로 태양광 설치 사업을 추진한 공공기관과 학교의 경우, 상계거래를 활용하기 어려운 다양한 제약으로 인해 상계거래를 신청한 비율이 공공기관은 12.8%, 학교는 25.6%에 불과한 상황으로 추가적인 지원 방안이나 제도적 검토가 필요한 상황이다5, 6). 한편, 재생에너지 도입 확대에 따라, 가변성이 높은 대규모 재생에너지 운영에 필요한 유연한 서비스 공급 및 전력계통운영에 도움을 줄 수 있는 분산에너지의 중요성이 더욱 커지고 있다. 분산에너지는 일반적으로 소비자 인근에 설치되는 소규모 자원으로 분산형 전원, 전력저장, 수요자원 등을 포함한 개념이다7). 우리나라는 2023년 6월, 분산에너지 활성화 특별법을 제정 및 공포하였으며, 이때 재생에너지의 출력 변동성 보완을 위해 필수적으로 필요함에도 높은 초기비용 때문에 보급에 어려움을 겪고 있는 ESS의 신규 사업기회를 창출하고 시장 활성화를 도모하고자 저장전기판매사업을 규정하였고 2023년 10월, 전기사업법 일부 개정을 통해 전기 신사업‘재생에너지전기저장판매사업’의 근거를 마련하였다. 재생에너지전기저장판매사업은 재생에너지로 생산한 전력을 ESS에 저장 후 전력시장을 거치지 않고 전기소비자에게 직접 전기를 판매할 수 있어 ESS 사업자들의 신규 사업기회 창출이 예상된다8).
이에, 본 연구에서는 재생에너지전기저장판매사업을 통해 산업단지 인근 학교의 태양광 발전 잉여전력을 산업단지에 조달하는 사업모델을 제안하고 각 참여자의 경제성을 분석하고자 한다. 이를 통해 재생에너지전기저장판매사업의 활성화를 통한 태양광 발전 잉여전력의 효율적인 활용, 산업단지의 RE100 달성 및 ESS 보급 활성화에 기여하고, 정책적 시사점을 제시하고자 한다.
2. 선행 연구 조사
2.1 연구 사례
관련한 기존 연구를 살펴보면 RE100 달성을 위한 연구와 에너지 프로슈머 관련 연구로 나눌 수 있다.
2.1.1 RE100 달성 관련 연구
RE100 달성 현황을 분석하고 RE100 이행방안에 대한 경제성 분석, 정부 정책 영향 및 제도적 지원의 필요성 등에 관한 많은 연구가 이루어졌다. 신훈영, 박종배(2021)는 PPA가 민간차원의 재생에너지 구매 수단 중 가장 적합한 방법임을 도출하고 국내에 PPA가 활성화되기 위해서는 발전가격 하락, 전력시장 제도 개선 등이 필요하다 제안하였다9). 안상효, 우종률(2022)은 RE100 이행방안에 따른 기업의 비용을 순현재가치(NPV)로 분석한 결과, 가장 경제적인 방법은 자체건설이지만 여유 부지가 없는 대부분의 기업에게는 녹색프리미엄 방식이 가장 경제적인 대안으로 나타났다. 그러나 실질적인 재생에너지 확대를 위해서는 PPA가 경쟁력을 갖추어야 하며 이를 위해 망 이용료 및 관련 부가금을 일부 유예하거나 감면해주는 등의 제도적 지원이 필요하다고 판단하였다10).
이종의, 김경남(2023)은 RE100 기업의 자체건설용 자가소비 태양광 발전의 경제적 비율 관점에서 연구를 수행한 결과, 자가소비를 위한 태양광 발전이 경제성이 있지만 100% 태양광 자가발전-소비는 구조적인 한계가 있기에 태양광 발전의 직접투자 외 녹색프리미엄 등의 다양한 이행수단의 활용이 불가피하다 분석하였다11).
2.1.2 에너지 프로슈머 관련 연구
국내 프로슈머 활성화를 위한 여러 선행 연구가 진행되었다. 이효석, 이태규 외(2019)는 태양광 잉여전력의 거래방법으로 상계거래, 플랫폼 활용 P2P 거래, 잉여전력을 한전에 판매하는 3가지 케이스를 설정하고 거래단가, 거래수수료별 수익률을 분석한 결과, 한전에 판매할 경우 상계거래보다 약 1.5배 이상의 수익률을 확보할 수 있는 것을 확인하였다4). 김주언, 손진빈 외(2023)는 국내 에너지 프로슈머 활성화를 위해서는 전기요금이 태양광 발전단가보다 높은 수준이 되어야 하며 이를 위해 전기요금 결정 과정에서 공급 비용이 충분히 반영될 수 있도록 전기요금 결정 절차를 투명하게 관리 및 태양광 인허가 비용을 낮추고 절차를 간소화해야 한다 제안하였다12).
ESS는 분산형 재생에너지 통합, 전력품질 요구사항 충족, 탄소배출 감축 측면에서 바람직한 설비이나 높은 구축비용으로 인해 ESS 보급이 크게 제한됨13)에 따라 이를 극복하고 ESS를 프로슈머 거래에 활용하기 위한 선행연구들도 진행되었다. S.Hashiba, H.Satoh 외(2023)는 가변적인 재생에너지를 효과적으로 사용하기 위해 필수적인 ESS의 높은 초기비용을 해결하는 방안으로 ESS를 공유하는 모델을 제안하고, 이를 통해 ESS 용량을 줄일 수 있고 사업자는 큰 용량의 ESS를 운영하면서 규모의 경제적 이점을 누릴 수 있다는 점을 확인하였다14).
황민수, 이명열 외(2017)는 초·중·고등학교의 태양광 발전 설비 발전량 중 자체 소비하고 남은 잉여전력의 경제적 활용을 위해 월별 최대수요 절감이 가능한 경제적인 ESS 용량산정 방안을 제안하였다15).
2.2 기존 연구와의 차별성
앞서 기존 문헌의 사례를 보았을 때, 잉여전력 활용방안을 검토한 연구가 많았고 산업단지 RE100 이행과 관련된 연구도 있었으나, 태양광 발전 잉여전력을 RE100 달성과 연계하는 방안에 관한 연구는 찾을 수 없었다.
이에, 본 연구에서는 전기 신사업으로 추가된 재생에너지전기저장판매사업을 통한 산업단지 RE100 달성에 잉여전력을 활용하는 사업모델을 제안하고 사업 참여자의 경제성을 분석하여 재생에너지전기저장판매사업의 활성화 방안을 제시하고자 한다. 이 연구를 통해 잉여전력의 효율적인 사용과 ESS 보급 활성화 및 산업단지 RE100 달성에 조금이나마 기여하고자 한다.
3. 연구 방법론
본 연구에서는 인근 학교의 태양광 발전 잉여전력을 재생에너지전기저장판매사업자가 구매하여 ESS에 저장 후 산업단지에 판매하는 사업모델의 참여자별 경제성 분석을 진행한다. 사업모델 구조는 Fig. 1 과 같다. RE100 성과를 주장하기 위해서는 재생에너지가 ESS에 저장된 후 산업단지의 각 입주 기업에 판매된 거래 데이터를 기록하고, 블록체인과 같은 추적 가능한 방식을 제공하는 것을 전제로 한다.
경제성 분석을 위한 학교 태양광 발전량, ESS 충전, 방전 스케쥴은 System Advisor Model (SAM)을 활용하여 시뮬레이션한다. SAM은 미국 NREL이 개발한 프로그램으로 에너지 시스템의 기술적, 경제적 분석에 적합한 프로그램이다.
3.1 경제성 분석방법
본 연구에서는 재생에너지전기저장판매사업자의 참여자별 비용과 편익을 순현재가치(NPV, Net Present Value)로 계산하여 경제성을 분석한다. NPV란 사업에 수반된 모든 비용과 편익을 기준연도의 현재가치로 환산하여 총 편익에서 총비용을 제한 값을 뜻하며 NPV가 0보다 크면 경제적 타당성이 있다고 판단할 수 있다16).
= 사업연도, = 기간의 현금 유입, = 기간의 현금 유출, = 할인율, = 사업 기간
본 연구는 ESS를 활용한 잉여전력 거래 시의 편익을 분석하기 위해, ESS는 판매자인 학교의 태양광 잉여발전량만을 충전하고 방전하는 것을 전제로 국가 전력망(Grid)과 연계한 충·방전은 고려하지 않았다. 구매자인 산업단지 측면에서도 ESS를 통한 부하 이동, 최대수요 절감, 수요반응 참여 등의 추가 편익과 망 이용료 등의 추가 비용은 고려하지 않았으며 참여자별 편익, 비용 결정요소는 Table 1과 같다.
Table 1.
Set benefit and cost for participant
사업자의 편익인 전력판매수익은 산업단지와 전력판매계약을 통해 결정한 판매단가를 적용한 수입이고 비용은 사업을 위해 필요한 ESS 설비 자본비용과 운영비용, 그리고 학교와 계약한 구매단가를 적용한 전력구매비용이다. 이때 ESS 설비 자본비용에는 장기대출을 통해 자금을 조달할 경우 이자 비용도 포함되는 것으로 한다.
구매자의 편익은 사업자에게 전력을 구매함에 따라 감소하는 전기요금과 절감된 REC 구매비용을 의미한다. 감소된 전기요금이란, 한국전력의 산업용 전기요금 단가가 적용된 요금이고 절감된 REC 구매비용이란, 대상 산업단지가 RE100 달성을 위해 RE100 이행수단 중 REC 구매를 통해 이행해온 것을 전제로 본 연구에서는 사업자에게 재생에너지를 구매함에 따라 절감되는 REC 구매비용을 구매자의 편익으로 고려하였다. RE100 이행수단은 REC 구매 외 PPA, 녹색프리미엄, 자가 발전 등이 있으나10) 자가발전, PPA를 통해 RE100을 이행 중인 산업단지는 이와 유사한 본 연구의 사업모델로 대체하여 이용할 실익이 적다 판단하여 제외하였으며, 녹색프리미엄은 탄소배출 감소와 연계되어 있지 않다는 이유로 환경단체 등으로부터 그린워싱 등의 비판을 받고 있고 녹색프리미엄 도입 시 글로벌 RE100 이행수단으로 인정하되 녹색프리미엄으로 조성된 기금을 재생에너지 생산에 투자하여 추가성을 보충하는 것을 조건으로 하였으나17), 추가성 증명에 대한 어려움으로 RE100 연간보고서상 한국기업이 보고한 RE100 실천 방안 중 57%의 에너지원이 국제 지침을 기준으로 출처 불명으로 분류되는 등18)의 한계로 지속가능성이 크지 않은 이행 방안으로 판단되어 본 연구는 글로벌 기업의 RE100 이행 요구에 따른 수출경쟁력 지속 등을 목표로 하는바 녹색프리미엄 이행수단도 비교 대상으로 고려하지 않았다.
판매자인 학교는 사업자에게 잉여전력을 판매함에 따라 얻는 판매 수익을 편익으로 고려하고 사업모델 적용 전에는 잉여전력을 한국전력과 상계거래를 통해 전기요금 할인을 받고 있었던 것을 전제로 상계거래를 통한 전기요금 절감 금액을 기회비용으로 보고 분석에 활용하였다.
3.2 연구대상 설계
경기도는 주요 수출산업인 반도체 공장을 중심으로 RE100 달성을 위한 확고한 의지로 지역 단위 RE100을 선언하고 전념하고 있다19). 그중 화성시는 산업단지와 제조기업 공장 등이 소재함에 따라 경기도 내에서 최종 에너지 소비량이 가장 크고 전력 자립도가 가장 낮은 지역20)으로 전력데이터개방포털시스템(이하‘포털시스템’)상 시범통계로 공개하고 있는 화성시의 산업단지 전력사용량 데이터를 활용하기 위해 본 연구는 경기도 화성시를 연구대상으로 선정하였다.
화성시 산업단지 중 전력사용량이 가장 많은 화성동탄일반산업단지(이하‘대상 산업단지’)를 선정하고 송전에 따른 전력손실 최소화 등을 고려하여 산업단지 인근 4개동(반송동, 금곡동, 오산동, 송동)에 소재한 10개 중·고등학교(이하‘대상 학교’)의 잉여전력을 조달하는 것으로 연구대상을 구체화하였다. 대상 학교는 선행연구를 참고하여 태양광 설치가 가능하다 판단되는 건축물노후도 20년 미만을 충족하는 건축물들로 선정하였다21).
3.3 데이터 입력
3.3.1 대상 학교의 태양광 잠재량
본 연구는 태양광 발전의 잉여 재생에너지를 활용하여 산업단지 RE100 달성을 목적으로 진행하였기에 대상 학교의 태양광 잠재량인 최대 설치 가능한 태양광 발전 설비 용량이 옥상에 설치되어 있다 전제하였다. 이를 위해 선행연구를 참고하여21, 22), 학교의 교사 대지면적이 옥상 면적과 동일하다 가정하고 건축물 유형별 면적당 설치 가능한 태양광 용량계수를 사용하여 대상 학교의 태양광 설비 용량을 산정하였다. 10개 학교의 대지면적에 문화교육 시설의 태양광 설치 가능 계수인 0.0286 kW/m2을21) 적용한 결과인 2.6 MW 용량 태양광 설비가 설치되어 있다 가정하였다.
3.3.2 전력부하 패턴(산업단지, 학교)
포털시스템이 제공하는 대상 산업단지의 시범통계 데이터인 2023년 9월부터 2024년 9월까지의 시간대별 전력사용량 데이터를 가공하여 1년간의 시간대별 전력부하 패턴을 분석한 결과, 대상 산업단지는 Fig. 2와 같이 하반기에 전력부하가 높았고, Fig. 3과 같이 시간대별로는 오전 9시부터 오후 18시, 그리고 평일이 주말 대비 전력부하가 높은 패턴을 보였다.
포털시스템에서 공유받은 화성시 6년간의(2018년~2023년) 전력사용량 데이터 중 한국표준산업분류를 기준으로 산업분류(대)P.교육서비스업, (중)85.교육서비스업, (소)852.중등교육기관에 해당하는 사용량 패턴을 분석한 결과(Fig. 4~6), 겨울철의 전력부하가 다른 계절 대비 높았으며 이는 냉방보다 난방 시 Electric Heat Pump의 전력소모량이 많기 때문으로 보인다23). 평일의 전력부하패턴은 학생들의 등교 이후부터 부하가 증가하기 시작하고 하교 시간에 하락하면서 오전 9시부터 오후 17시 시간대에 부하가 집중된 것을 확인하였다. 주말에는 평일과 확연히 다른 패턴이 나타났다. 주말은 오전 9시부터 오후 17시까지의 시간대에 사용량이 더 줄어드는 패턴이 나타나 주말이 평일보다 잉여발전량이 많을 것으로 예상된다. 여름방학과 겨울방학도 다른 패턴을 보였는데 전력부하가 확연히 줄어든 여름방학과 달리 겨울방학은 겨울학기 대비 부하가 줄었지만 다른 계절의 학기 대비 부하가 더 높아 겨울방학보다 여름방학에 잉여발전량이 많을 것으로 예상된다.
앞서 살펴본 화성시 전력사용량 데이터 중 가장 최근 데이터인 2023년 중등 교육기관의 전력사용량을 화성시의 전체 중·고등학교의 사용량으로 보고 전체 중·고등학교의 교사 대지면적과 대상 학교의 교사 대지면적 비율을 활용하여 연구대상으로 선정한 10개 대상 학교의 1년 전력부하를 Fig. 7과 같이 설정하였다.
3.3.3 전기요금
국내 전기요금은 2부 요금제로 기본 요금과 전력량 요금으로 구성되며 한국전력 기본공급약관 별표2에 정의된 광업, 제조업 및 기타사업의 산업에 전력을 이용하는 전기사용자에 산업용 전기요금이 적용되고, 계약전력 용량 300 kW 기준 미만이면 산업용 전력(갑), 이상이면 산업용 전력(을)로 나누어진다. 사용 전압 및 사용패턴에 따라 기본요금과 전력량 요금이 달라지고 소비자가 전기요금 종류를 선택할 수 있다. 대상 산업단지 1년 전력사용량과 입주 기업 수를 활용하여 추정한 계약 전력용량은 300 kW 미만으로 본 연구에서는 산업단지에 입주한 기업들은 산업용(갑)Ⅱ, 고압A, 선택Ⅱ 요금제를 선택한 것으로 가정하였고 24년 11월 기준, 단가는 Table 2와 같다. 계절별, 시간대에 따라 경부하, 중간부하, 최대부하로 나누어 단가가 다르게 적용되고, 고압A와 고압B는 수전 전압에 따라 나뉘는 것으로 고압A는 전압 3,300 V~66,000 V, 고압B는 154 kV이상의 전압으로 공급받는다. 선택 Ⅰ,Ⅱ는 기본요금과 전력량 요금의 차이가 있다. 선택Ⅰ이 선택Ⅱ에 비해 기본요금이 낮고 전력량 요금이 높으므로 전기사용시간이 적은 고객에게 유리하다.
Table 2.
Industrial electricity rates
|
Base Charges (Won/kW) | Usage Charges (Won/kWh) | |||
| Load | Summer | Spring & Fall | Winter | |
| 7,470 | Light | 90.8 | 90.8 | 98.2 |
| Medium | 116.6 | 95.6 | 115.1 | |
| Full | 150.1 | 114.8 | 144.5 | |
대상 학교의 전기요금도 앞서 살펴본 전력부하 패턴을 고려하여 교육용(갑), 고압A, 선택Ⅱ 요금제를 사용한다 설정하였다. 교육용 전기요금 단가는 Table 3, 그리고 계절별, 시간대별 구분은 Table 4와 같다.
Table 3.
Educational electricity rates
|
Base Charges (Won/kW) | Usage Charges (Won/kWh) | ||
| Summer | Spring & Fall | Winter | |
| 6,370 | 118.8 | 82.1 | 104.8 |
Table 4.
Seasonal and time-of-day segmentation
3.3.4 REC 비용
국내는 일정 규모 이상의 발전사업자에게 총발전량 중 일정량 이상을 신재생에너지 전력으로 공급하도록 의무화한 신재생에너지공급의무화제도(RPS, Renewable Portfolio Standard)를 도입하고, 재생에너지로 조달하지 못한 의무량을 다른 발전사업자로부터 신재생에너지 공급인증서(REC)를 구매하여 충당하도록 하였다24). 이후 국내 RE100 제도인 K-RE100이 재생에너지 조달수단으로 REC를 인정하면서 별도의 RE100 REC 거래시스템을 구축하여 RPS REC와 RE100 REC 거래시장을 분리하여 운영하고 있기에1) 본 연구에서는 RE100 REC 시장의 평균가를 기준으로 21년 9월부터 24년 9월까지의 3년 평균 66,791원/MWh를 경제성 분석에 활용하였다.
3.3.5 제원 및 재무조건 설정
재무조건은 Table 5와 같다. 본 연구는 구체적인 재무적 분석보다는 큰 틀에서 전기 신사업인 재생에너지전기저장판매사업의 경제성을 확인하고 사업 활성화를 위한 정책 제언을 목표로 한다. 이에 상업적 소유권 하에 사업모델을 설계하기 위해, 본 사업은 사업 기간과 동일한 장기대출을 통해 자금의 80%를 조달받는 것을 가정하였으며, 아래 표에 기재되지 않은 감가상각, 잔존가치, 세금(Tax) 등은 고려하지 않았다. 인플레이션은 모든 비용에 적용되는 기준으로 전기요금과 전력거래단가도 인플레이션율만큼 매년 증가한다. 경제성 분석을 위해 필요한 제원은 Table 6과 같이 설정하였다.
Table 5.
Financial parameters
| Component | Data | Source |
| Discount Rate | 4.5% | Prior Research28) |
| Inflation Rate | 1.8% | |
| Debt Ratio | 80% | |
| Debt Rate | 4.4% | |
| Debt Period | 25 years |
long-term loan with a duration equal to the project period |
Table 6.
Technical and Price Parameters of business model specifications (Baseline Case)
| Technical Data | |||
| Compo. | Details | Sources and remarks | |
| ESS | Lithium Ion Battery |
SAM program-provided primary battery 3,000 kWh capacity (average of estimated daily surplus) | |
| PV |
Manufacturer: LONGi Green Techonology Type: Mono-c-Si Model Name: R6-60PB-305M |
SAM program-provided Specification 2.6 MW capacity, 19.3% efficiency | |
| Inverter |
Manufacturer: Sungrow Power Supply Model Name: SG250HX-US |
SAM program-provided Specification 1.8 MW capacity, 98.6% efficiency | |
| ETC |
Annual DC degradation : 0.45%/year Battery bank replacement Threshold: 20% Capacity Battery Depth of discharge: 80% |
Degradation: Prior Research25) Replacement Threshold: Prior Research26) | |
| Price Data | |||
| Component | Data | Sources and remarks | |
| ESS | Capital | 552 kWon/kWh | Prior research27) |
| Replacement | 274 kWon/kWh | Using the Replacement/Capital ratio from prior research28) | |
| O&M | 3 kWon/kWh | Prior research28) | |
|
PV & Inverter | Capital | 1,296 kWon/kW | Prior research25) |
| O&M | 24.9 kWon/kW | ||
|
Industrial Complexes – Business Owner Power Purchase Rate | 247 Won/kWh | Average of the Tariff of the discharge forecast time period * 1.4 | |
|
Business Owner - School Power Purchase Rate | 98 Won/kWh | Average unit cost of electricity per load | |
| Business period : 25 years, Weather data uses Hwaseong City weather data provided by SAM program | |||
4. 연구 결과
4.1 대상 학교 태양광 발전 잉여발전량
선정된 10개 대상 학교에 설치된 2.6 MW 용량의 태양광 설비와 전력부하 기준으로 SAM 프로그램을 활용하여 시뮬레이션한 결과, 1년 동안 약 1.1 GWh의 잉여전력이 발생하였다. 일별 잉여발전량의 연평균은 3,019 kWh, 최대 일 잉여발전량은 12 MWh였다. 학교의 계절별 학기와 방학 기간별로 살펴보면 Fig. 8과 같이 여름방학, 봄학기 동안 태양광 발전량이 많고 전력부하가 적어 여름방학 5,379 kWh, 봄학기 4,079 kWh로 일 평균 잉여발전량이 가장 많이 발생하였다.
ESS 충전, 방전 패턴은 Fig. 9와 같이 오전 8시부터 오후 12시까지의 시간대에 충전이 집중되고, 오후 18시부터 21시까지는 방전이 집중되었다. 앞서 살펴본 일별 잉여발전량의 연평균 3,019 kWh를 고려하여 본 연구에서는 ESS 용량을 3,000 kWh로 설정하였기에 학교의 잉여발전량 전부를 산업단지에 조달하지 못한다. ESS에 충전하지 못하는 잉여발전량은 국가 전력망을 통해 한국전력과 상계거래하는 것으로 가정하였다. 산업단지 RE100 달성을 위해서는 더 많은 재생에너지 조달이 필요하지만, 본 연구에서 시뮬레이션한 잉여발전량을 보면 시간대별 0.28~1,589 kWh, 일별 0.8~12,030 kWh로 태양광 발전량과 전력부하에 따라 잉여전력의 변동 폭이 매우 크기 때문에 ESS 용량이 늘어날 경우 산업단지로 조달 가능한 재생에너지 전력량은 증가하겠지만 시간대별로 유휴 ESS 용량이 발생할 가능성이 크기에 잉여발전량 전부를 조달하기 위해서는 추가 수단이 필요하고 이 점은 추후 서술하는 본 연구의 한계점 및 추가 연구가 필요한 부분이다.
4.2 참여자별 경제성 분석결과
산업단지는 사업자로부터 구매하는 전력량은 연평균 364 MWh였으며 이로 인해 절감되는 산업용 전기요금과 REC 구매비용의 합이 사업자에게 지급하는 전력구매비용보다 커서 25년 순현재가치는 102백만원으로 경제적 타당성이 있었다.
학교가 사업자에게 판매한 잉여발전량은 연평균 377 MWh였다. 앞서 앞서 살펴본 초기연도 전체 잉여발전량 1.1 GWh 기준, 34%를 ESS를 통해 판매 가능하였고, 판매 수익 현재가치는 667백만원으로 판매한 377 MWh를 상계거래 시 절감 가능한 전기요금을 기회비용으로 보면 현재가치 비용은 655백만원으로 학교의 순현재가치는 12백만원이었다. 산업단지보다 경제성이 낮았지만, 경제적 타당성이 있었다.
사업자의 전력판매수입 현재가치는 965백만원이고, 전력구매비용과 O&M 비용의 현재가치는 827백만원으로 Capex 비용을 고려하지 않으면 수입이 더 컸지만, Capex 비용과 장기대출로 조달한 비용의 원금상환과 이자 비용을 고려하면 사업자의 순현재가치는 (-)1,505백만원으로 높은 자본비용(Capex)에 따른 매우 낮은 NPV로 경제적 타당성이 없음이 확인되었다. 참여자별 편익과 비용의 현재가치는 Table 7과 같다.
Table 7.
Net Present Value of each participant for business period : Baseline (Unit: million Won)
4.3 민감도 분석
사업자의 경제적 타당성이 없음에 따라 사업자의 경제성 분석의 주요 변수들에 대한 민감도 분석을 진행하였다. 산업용 전기요금 단가가 Fig. 10과 같이 2022년 이후 2년 6개월 동안 약 51% 상승한점30)을 고려하여 초기 연도의 산업용 전기요금 단가와 사업자와 구매자 간 전력거래 단가가 0%~50%까지 상승하는 조건을 고려하였다. ESS 자본비용(Capex)도 매년 기술 발달 등으로 Fig. 11과 같이 단가가 지속 하락하는 추세로 2022년 $482/kWh인 ESS 자본비용이 2050년에는 최대 $159/kWh까지 하락할 가능성이 있다31). 이에, ESS Capex가 0%~70% 하락하는 조건을 민감도 분석에 고려하였다. 또한, 해외 주요 국가들 또한 현재 시장환경에선 ESS 사업의 경제성 확보가 어렵기 때문에 Table 8과 같이 ESS 보급 활성화를 위한 정책적인 지원을 하고 있다. 그중 ESS 설비 투자금에 대한 세액 공제, 보조금 지급 정책을 참고32)하여 ESS 설비 투자금에 대한 지원금의 비율 0%~70%를 고려하였다.
Fig. 11
Global gross battery storage capacity additions by year and total installed electricity storage project cost31)
Table 8.
Major country ESS subsidy policies
* Trends in Overseas Energy Storage System (ESS) Support Policies and Implications (Lee, 2024)32), tabulated by author
민감도 분석결과, ESS Capex 10% 감소 및 지원금 10% 증가 시 앞서 살펴보았던 Baseline Case의 사업자 NPV (-)1,505백만원을 대비 +164백만원, 거래단가 10% 증가 시 +97백만원의 NPV 변화를 보였다. 이에, ESS 비용감소나 정책 지원에 따른 Capex 변화가 거래단가 증가보다 경제성 변동에 더 큰 영향을 줌을 알 수 있었다. 민감도 분석을 진행한 지표 중 거래단가 부분은 구매자인 산업단지의 NPV에도 영향을 미치기 때문에 거래단가 변동에 따른 구매자 NPV도 분석하였다. 그 결과 초년도 거래단가가 40% 이상 증가할 경우 구매자의 경제적 타당성이 없었다. 이는 태양광 발전 패턴에 따른 잉여전력이 발생하는 시간대와 방전하는 시간대의 산업용 전력요금 단가 차이에서 기인한 결과이다.
민감도 분석을 통해 잉여발전량 거래만으로 사업자의 경제성이 확보되기 위해서는 ESS 비용감소, 정책적 지원, 산업용 전력요금 상승이 복합적으로 병행되어야 함을 확인할 수 있었으며 관련 결과는 Table 9와 같다.
Table 9.
Sensitivity analysis (unit : million Won)
4.4 추가 Case Study
앞서 살펴본 바와 같이 현재 정책, 시장환경에서는 재생에너지전기저장판매사업자의 경제적 타당성이 없음에 따라 경제성 확보를 위한 Case Study를 추가로 시행하였다. 현재 시범사업 중인 실시간 시장 및 재생에너지 입찰제도 도입 시와 REC 부여 시의 NPV 변동을 분석하였다.
4.4.1 실시간 시장, 재생에너지 입찰제도 도입 시 효과
변동성이 큰 재생에너지 증가에 따라 전력거래소는 실시간 변동성을 반영할 수 있도록 전력시장 구조 개선을 추진 중이며, 재생에너지 비중이 높은 제주도에서 시범사업 중이다. 시범사업 내용은 실시간 시장, 예비력 시장, 재생에너지 입찰제도로 구성되며 실시간 시장은 실시간 전력 수급을 고려한 실시간 발전계획 수립 및 가격 결정 시장이고, 예비력 시장은 예비력을 시장 상품화하여 실시간으로 거래하는 시장이다. 재생에너지 입찰제도는 단독 또는 집합형 1MW를 초과하는 재생에너지를 급전 가능 재생에너지로 등록하여 재생에너지도 시장에 참여하게 하는 모델이다33).
현재 산업용 전기요금은 앞서 살펴본 바와 같이 계절별, 시간대별 전기요금 단가를 달리 적용하고 있으며 최대부하 시간대가 경부하, 중간부하 시간대보다 단가가 높다. 하지만 재생에너지의 비중이 높아짐에 따라 재생에너지 발전패턴, 특히 태양광 발전이 가능한 시간대에 전력한계가격(SMP)이 낮아질 것으로 예상되고 제주도의 시범사업 SMP를 살펴봐도 Fig. 12와 같이 태양광 발전량이 높은 시간대의 SMP가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 실시간 시장, 재생에너지입찰제도 도입 시 덕커브 구간에서 재생에너지가 음의 가격을 형성하여 SMP 하락에 영향을 주기 때문에 시간대별 SMP 변화에 따라 재생에너지 비율이 증가할수록 SMP 차액의 증가요인이 되어 ESS 수익성이 개선될 수 있다는 선행연구도 있었다33).
이에, 현재 산업용 전기요금의 부하 시간대를 제주도 시범사업 SMP 결과를 토대로 변경하였다. 예를 들어, 현행 전기요금 단가 체계 하에서는 최대부하 시간대의 전기요금 단가가 높다. 여름철의 경우 최대부하 시간대인 11~12시와 13~18시에 전기요금 단가는 150.1원/kWh로 경부하 시간대 90.8원/kWh, 중간부하 시간대 116.6원/kWh 보다 높다. 하지만 제주도 시범사업 SMP를 기준으로 살펴보면 SMP 단가가 가장 높은 시간대는 오후 16~17시와 18~23시간대이다. 따라서 SMP 단가와 전기요금 단가를 연동시켜 가장 비싼 단가 시간대인 최대부하 시간대를 SMP 단가가 높은 시간대(오후 16~17시, 18~23시)로 변경한 것이다. 봄, 여름, 가을철의 부하 시간대를 제주도의 SMP와 연동하여 변경하고, 겨울철은 제주도의 데이터가 현재 부재하다는 점과 상대적으로 태양광 발전량이 적은 점을 고려하여 부하 시간대 변경하지 않았다. 변경한 시간대는 Table 10과 같다.
Table 10.
Set up load time-zone change
변경된 시간대를 기준으로 경제성 분석을 시행한 결과, 변경된 전기요금체계 하에는 ESS 충전이 집중된 시간대(오전 8시~오후 12시)의 SMP 가격이 현재보다 낮아지고 ESS 방전이 집중되는 시간대(오후 18~21시)의 SMP는 현재보다 높아지기 때문에 구매자가 ESS를 통해 재생에너지를 조달받는 시간대의 전기요금 단가가 Baseline Case 대비 상승하여 구매자의 전기요금 절감 편익이 커지고 경제성이 Table 11과 같이 개선됨을 확인할 수 있었다. 이에, 앞서 살펴보았던 Baseline Case 민감도 분석 시에는 초년도 거래단가를 60% 이상 상승시키면 구매자의 경제적 타당성이 없었지만 부하시간대 변경 후에는 구매자의 경제성이 개선되어 90%까지 상승시켜도 구매자의 경제적 타당성이 있었다. 구매자의 경제적 타당성이 있었다. 따라서, Baseline Case의 사업자 경제성 분석에서는 고려하지 못했던 초년도 거래단가를 60%~90% 증가시키는 Case에 대한 사업자 경제성 민감도 분석을 추가 시행하였다. 그 결과 Table 12와 같이 초기 연도 산업용 전기요금 단가와 전력거래 단가가 상승함에 따라 사업자의 경제성이 개선되었다. 분석에는 전기요금 부하 시간대 변경에 따른 판매자(학교)의 전력판매단가는 변경하지 않았으므로, 잉여발전량이 발생하는 시간대의 SMP가 Baseline Case 대비 하락한다는 점을 고려하여 판매자가 잉여발전량 판매단가를 하락시킨다면 사업자의 전력 구매와 전력판매단가 차이가 벌어져 더 큰 경제성 개선이 있을 것으로 예상된다.
Table 11.
Buyer NPV by changing load time-zone and increasing purchase rate (unit : million Won)
| Rate | 0% | 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | 90% | 100% |
| NPV | 184 | 165 | 147 | 128 | 109 | 91 | 72 | 54 | 35 | 17 | (-)2 |
Table 12.
Sensitivity analysis by changing load time-zone (unit : million Won)
4.4.2 REC 효과
개정된 전기사업법 제 16조 5 ①항,④항에 따르면 재생에너지전기저장판매사업자가 전력시장을 거치지 아니하고 전기사용자에게 공급한 전기는 신재생에너지 공급인증서(REC)의 발급대상이 되지 않는다. 이에, 사업자의 경제성 분석 시 REC 발급은 고려하지 않았으나 앞서 살펴본 사업자의 경제성이 낮음에 따라 REC 발급대상이 되는 경우를 가정하여 추가로 경제성 변화를 분석하였다. REC 가격은 앞서 분석에 활용한 RE100 시장 REC 21년 9월~24년 9월까지의 3년 평균가인 66,791원/MWh를 사용하였다. 분석결과, 사업자의 경제성 개선 효과가 확인되었으며 이 경우, ESS Capex 비용이 70%로 하락한다면 현재 전기요금 단가 기준으로 정책적 지원이 없어도 경제성 확보가 가능하였으며, 관련 결과는 Table 13과 같다.
Table 13.
Sensitivity analysis when REC Issuance Assumptions (unit : million Won)
5. 결론 및 시사점
5.1 결론 및 요약
전기사업법 개정으로 신사업으로 추가된 재생에너지전기저장판매사업을 통해 학교의 태양광 발전 잉여발전량을 ESS에 저장하고 이를 전력시장을 거치지 않고 인근 산업단지에 판매하여 산업단지의 RE100 달성에 기여하는 사업모델을 제안하고 사업 참여자인 구매자(산업단지), 판매자(학교), ESS 사업자의 경제성을 분석하였다.
학교 옥상에 설치 가능한 최대 태양광 설비 잠재용량을 산정하고 SAM 프로그램으로 시뮬레이션한 결과, 초기 연도 기준 1년 동안 약 1.1 GWh의 태양광 발전 잉여발전량이 발생하였다. 일 평균 잉여전력량을 기준으로 3,000 kWh 용량의 ESS를 기준으로 사업모델을 설정한 결과 연평균 약 364 MWh를 산업단지에 조달 할 수 있었다.
경제성 분석결과, 현재 ESS Capex 비용과 전기요금 단가 및 체계 하에서는 사업모델의 경제적 타당성이 없음이 확인되었다. 민감도 분석결과, 경제적 타당성 확보를 위해서는 산업용 전기요금 단가 상승, ESS Capex 비용 하락, ESS 설치비 지원 정책 등이 복합적으로 병행되어야 함을 확인하였다. 또한, 제주도에서 시범사업 중이 실시간 시장과 재생에너지 입찰제도 도입 시의 SMP 변화에 연계하여 산업용 전기요금 부하 시간대 변경을 가정하여 경제성을 추가 분석한 결과, 구매자의 경제성이 개선되어 사업자와 구매자의 전력거래단가를 추가로 상승시킬 수 있고, 이를 통해 사업자의 경제성 개선이 가능하였다. 추가로 사업자가 판매하는 재생에너지에 REC를 발급할 경우, ESS Capex가 70% 하락한다면 현재 산업용 단가 기준으로 추가 정책 지원 없이도 사업자의 경제성 확보가 가능하여 가장 큰 경제성 개선 효과가 있는 것으로 확인되었다.
5.2 연구 한계점 및 시사점
5.2.1 연구 한계점
본 연구에서 수행한 경제성 분석에 사용된 주요 변수들의 값들은 물가 상승, 정부 정책, 한국전력의 전기요금 상승률, 글로벌 원자재 가격 등에 따라 변동성이 크기 때문에 본 연구에서 시행한 경제성 분석에서 설정한 변수들의 값이 변경될 경우 연구 결과와 차이가 나는 결과가 발생한다는 한계점이 있다. 더불어 경제성 분석을 더 상세하게 시행하기 위해서는 사업자와 산업단지의 경제성 분석 시, ESS를 활용한 수요반응 참여, 최대부하 감축 등에 따른 추가 편익과 망 사용료 등 이번 연구에서 고려하지 않은 편익과 비용을 추가하여야 하고 구체적인 재무적 분석을 위해 감가상각, 세금 등의 고려가 필요하다. 더불어, 높은 ESS Capex 비용과 선행연구에서 이와 같이 가정한 사례34)를 참고하여 Loan Term을 사업 기간과 동일한 25년 장기대출로 고려하였으나, 재생에너지 프로젝트에선 흔치 않은 사례로 실제 사업 시행 시 이와 같은 자금조달이 가능한지 확인이 필요하다. 또한, 본 연구에서는 학교의 경제성 분석 시, 교사 대지면적을 옥상 면적으로 가정하고 선행연구에서 제시한 건축물 유형별 면적당 설치 잠재량 계수를 적용하여 설치 가능한 태양광 설비 용량을 산정하였으나, 이는 옥상의 각종 설비와 음영 등의 제한사항을 충분히 고려되지 않은 수치이기에 구체적인 사례에서는 이를 고려한 용량산정이 필요하고, 태양광 설비가 옥상에 설치 가능한 최대 용량으로 이미 설치되어있다 가정하여 판매자의 태양광 설비 Capex는 판매자 경제성에 고려하지 않았기에 판매자 측면의 최적화된 태양광 용량산정과 경제성 분석이 추가로 필요하다. 또한, 본 연구에서는 일 평균 잉여발전량을 기준으로 ESS 용량을 산정하였으나 실제 사업모델 구성 시에는 최적화된 ESS 용량을 설정하고 이후 ESS 용량으로 조달하지 못하는 잉여발전량을 RE100 달성에 활용할 수 있는 추가 방안에 관한 연구와 실시간 시장 및 재생에너지 입찰제도 도입 시 음의 SMP 시간대에 전력시장으로부터 재생에너지를 구매하여 ESS를 충전할 시의 경제성 개선에 대한 추가 연구가 필요하다.
따라서 향후 지자체 차원에서 산업단지 RE100 달성 지원을 위한 지역의 학교, 공공기관의 태양광 잉여발전량을 활용하는 구체적인 계획과 지원 정책을 결정하기 위해서는 이번 연구에서 다루지 않은 주요 변수를 조금 더 정교하게 유추하고 설정하여 ESS를 활용한 추가적인 편익을 발굴하여 사업모델에 결합한 경제성 분석에 관한 후속 연구가 필요하다.
5.2.2 시사점 및 제언
기후위기 극복을 위한 글로벌 RE100 흐름에 따라 국내 수출경쟁력을 유지하기 위해서는 산업단지 RE100의 중요성이 커지고 있는 상황에서 태양광 보급사업이 추진된 공공기관, 학교의 잉여발전량 활용 활성화가 되지 못하고 있다는 점에 기반하여 잉여발전량을 활용한 산업단지 RE100 달성방안을 고민한 연구였다. 이번 연구는 전기사업법 개정으로 새로 추가된 재생에너지전기저장판매사업을 활용하여 인근 지역에 있는 태양광 잉여전력을 산업단지에 조달하여 RE100 달성에 기여하기 위한 방안을 검토하였다는 점에서 시사점이 있다. 10개 학교 옥상에 2.6 MW 태양광 설비를 설치하면 잉여발전량 1.1 GWh/년이 발생한다는 이번 연구의 시뮬레이션을 기반으로 추정해 보건대, 지역 내 태양광 모듈 설치가 가능한 옥상의 태양광 잠재량을 활용한다면 상당히 많은 재생에너지 조달이 가능할 것이고 이는 지역 차원의 RE100 달성에 큰 도움이 될 것으로 보인다. 다만, ESS의 높은 Capex 영향으로 재생에너지전기저장판매사업모델은 경제성이 낮아 ESS Capex 비용이 일정 수준 이하로 하락하기 전까지는 보조금 지급, REC 발급 등 정부의 정책적 지원이 필요하다 분석되었다. 또한, 제주도에서 시행 중인 실시간 시장, 재생에너지 입찰제도 시범사업의 SMP 결과를 토대로 이와 연계한 산업용 전기요금의 부하 시간대를 조정하면, 산업단지의 경제적 편익이 증가하여 사업자의 경제성을 개선할 요인이 될 수 있는 것으로 확인되었다.
따라서, 재생에너지 확대에 따른 SMP 가격 변동성을 반영할 수 있는 전력시장 구조 개편과 이와 연계한 전기요금 단가, 시간대별 요금 체계 개편이 선행되어야 자생적인 사업자의 경제성 확보가 이루어지고, 재생에너지전기저장판매사업이 활성화가 가능한 환경이 마련될 것이다. 또한, ESS Capex 비용이 정부 정책 없이도 경제성을 확보할 수 있는 수준으로 하락하기 전까지는 일시적으로 세액 공제 혜택이나 REC 발급 등과 같은 정책적 지원에 대한 고려가 필요하다. 산업단지의 입주 기업이 대부분 중소기업인 점을 고려하여 RE100 달성을 지원하기 위해 지자체 차원에서 공공기관, 학교의 잉여발전량을 낮은 단가로 조달할 수 있는 지원을 해준다면 추가적인 정부의 보조금 등의 정책 지원 없이도 경제적 타당성이 확보되고 초기 사업 활성화에 많은 도움이 될 것으로 보인다.
앞서 언급한 정책적 지원을 통해 사업자의 경제성이 개선되어 재생에너지전기저장판매사업이 활성화된다면, 정부는 재생에너지의 가변적인 특성으로 재생에너지 비중이 높아질수록 전력계통 안정화를 위해 필요한 ESS 보급이 확대되고 RE100 달성에 이바지하여 국제적인 탄소 중립 추세에 맞춰 수출산업의 경쟁력을 유지할 수 있는 이익을 얻을 수 있고, 판매자인 학교 입장은 상계거래 절차의 복잡함, 관리 인력 부족 등 여러 환경적 제약에 따라 상계거래를 하지 못하고 활용이 어려웠던 잉여전력 관리를 통해 이익을 얻을 수 있다. 산업단지 입장에선 RE100 달성과 더불어 전기요금과 REC 구매비용 절감이라는 편익을 얻을 수 있을 것이다. 따라서, 본 연구가 재생에너지전기저장판매사업의 활성화 및 이를 통한 잉여발전량의 효율적인 활용, RE100 달성, ESS 보급 활성화 등 사회적 가치 제고에 기여되길 희망하고 이에 따라 지자체의 RE100 달성을 위한 계획 수립 의사결정에 도움이 되길 바란다.
