2.1.1 전기자동차 충전인프라 이용실태 조사

국내 전기자동차의 보급이 가장 활발하게 이루어지는 지자체는 제주도이다. 제주도는 2012년 탄소 없는 섬(Carbon Free Island Jeju by 2030) 구축계획을 수립하는 등 강력한 정책적 추진에 힘입어 2018년 말 기준으로 전기자동차가 15,549대가 보급되어 국내 전체 55,756대의 27.9%를 차지하며 지자체 중 단연 최고의 보급률을 보여주고 있다⁽²⁾. 최근 제주도의 아파트단지에 전기자동차 충전 인프라 시범 실증 단지를 선정하여 2018년 11월부터 운영하고 있다. 실증 단지는 560세대로 주차면 수 661개 규모의 단지이다. 이 단지에 완속형 충전기 100기(7㎾급 76기, 3㎾급 24기)를 설치하여 충전 인프라 전력 이용실태를 조사하였다.

현재까지 실증 단지에서 전기자동차 등록 후 충전설비를 이용 주민은 2018년 11월 5명에서 2019년 11월 38명으로 증가하였다. 이 기간에 전체 등록자 중에서 이용실적이 극히 저조한 주민(5명)을 제외한 전기자동차 충전기 이용자 33명의 이용분석 결과는 표 1과 같다. 분석 결과 전기자동차 평균 배터리 용량은 56㎾h, 1회 평균 충전량은 27㎾h, 1회 평균 충전소요 시간은 5.4시간, 평균 이용 횟수는 90회/년, 평균 충전 주기는 3.4일 정도로 분석되었다.

2.1.2 충전인프라 전력이용 실태 분석

실증 단지 전기자동차 충전 인프라 전력 이용실태를 원격검침을 시작한 ‘19.3월부터 11월까지의 한전 계량기 데이터를 이용하여 분석하였다. 그림 1에서와 같이 전기자동차 이용자의 지속적인 증가에 따라 월별 평균 피크 전력 값과 최대 피크 전력 값이 지속해서 증가하는 추세를 보여주다가 11월에는 45.3㎾로 다시 낮아지는 값을 보여주었다.

Fig. 1. Peak power pattern for EV charging by month

현재 실증 단지 전기자동차 충전설비용 계약전력은 84㎾이다. 2019년 10월 기준으로 전기자동차 32대일 때 월별 최대 피크 전력은 56.7㎾로 계약용량의 70% 가까운 값을 보여주고 있다. 향후 전기자동차의 보급 대수의 지속적 증가에 따라 피크 전력이 계약전력에 근접하거나 초과할 것으로 예상된다.

2.2.1 실증 단지 충전예약시스템 개요

실증 단지에 적용된 전기자동차 충전용 전원 설비는 변전실 저압 반의 동력용 변압기-전기자동차용 주 분전반-분기 분전반(4개 Zone) 순서로 전력을 공급하는 계통으로 구성되어있다. 분기 분전반에서는 3개의 회로로 40(A)의 차단기에 의해 분기하였으며 분기 회로는 총 12개로 구성하였다. 분기 회로 당 8∼9기의 충전기를 설치하여 전기자동차 충전 인프라를 구축하였다. 여기서, 충전기는 1기당 30(A)의 충전이 가능한 용량이고, 1개회로 당 충전 가능 용량은 안전율(10%)을 고려하여 36(A)이 되도록 계획하였다. 실증 단지에 설치된 충전 인프라와 충전 중인 사진은 그림 2, 충전설비의 전원공급 계통 구성은 그림 3과 같다.

아파트는 주거생활의 특성상 퇴근 후 저녁 시간대에 전기자동차의 충전 비중이 높다⁽³⁾. 이 시간대는 아파트 단지의 전력 이용률이 높은 최대부하 시간대로 충전전력과 겹쳐 피크 전력 상승으로 인하여 전기설비 용량에 문제가 될 수 있다. 전기자동차 충전전력이 집중되어 전기설비의 문제를 일으키는 것을 방지하기 위해서는 예약충전과 같은 시스템적 방법이 필요하다.

Fig. 2. EV charger and charging site

Fig. 3. EV charging facility power system Diagram

본 논문에서 제안한 충전예약시스템의 적용 목적은 이용자가 자발적으로 전력수요가 높은 최대부하 시간대의 충전 부하를 경부하 시간대로 이동하도록 유도하는 것이다. 이 시스템을 활용하면 전기설비 측면에서는 전력 피크를 개선할 수 있다. 한편 이용자 측면에서는 경부하 시간대의 낮은 요금의 적용으로 전기료를 절감할 수 있다⁽⁴⁾.

실증단지의 충전예약시스템은 그림 3에서처럼 총 12개의 분기 회로로 구성하였다. 이렇게 구성된 분기 회로에 각각 충전기 2기까지 최대 24기의 충전기가 동시에 예약충전이 가능하게 계획하였다. 충전예약시스템의 순서도는 그림 4와 같다. 편리한 이용을 위하여 운영 클라우드와 연결된 충전기의 단말기를 통하여 카드나 스마트폰으로 전기요금 결재 후 충전예약이 가능하게 되어있다. 이용을 위해 미리 아파트 단지 전기자동차 관리시스템에 회원등록을 하여야 한다. 이용 방법은 회원 등록된 사용자가 충전기 선택, 예약충전 선택, 충전 시간 선택, 전기요금 결재 및 차량에 연결된 충전용 케이블의 커넥터를 충전기 소켓에 연결하면 충전예약이 완료된다. 충전예약 시간 도래 시 자동 충전이 시작되고 충전 완료 시 충전 종료와 동시에 종료 상황을 시스템에서 사용자 스마트폰 앱의 푸쉬업 메시지로 자동 전송한다.

Fig. 4. Flowchart of EV charging by reservation

그림 5는 충전예약시스템 활용의 예를 보여준 그래프이다. 한 개의 분기 회로에서 1번 차량은 22시로, 2번 차량은 24시로 미리 충전예약을 한 경우를 가정한 것이다. 앞에서 언급하였듯이 충전기의 용량은 1기당 30(A)이고, 1개회로 당 충전 가능 용량은 36(A)이다. 여기서 예약충전 실행은 먼저 예약한 1번 차량이 22시부터 30A의 전류로 충전을 시작하고 나중에 예약한 2번 차량은 24시부터 회로 잔여 충전 가능 용량인 6A의 전류로 동시에 충전을 시작하게 된다. 그리고 1번 차량의 충전이 완료되는 3시부터는 2번 차량만 충전 완료 시까지 30A로 계속 충전을 하게 된다.

Fig. 5. Charging reservation system for EV

2.2.2 충전예약시스템 전력이용실태 분석

실증 단지 충전예약시스템을 2019년 10월부터 도입하여 실증한 결과, 표 2와 같이 10월에는 전체 충전 횟수 284회 중 예약충전이 6회로 미비하였지만, 11월에는 296회 중 56회로 전체 충전 횟수 중 19%로 예약충전 이용률이 급증하였으며, 전체 예약충전전력량과 충전 시간의 비율도 각각 22%, 23%로 증가한 결과를 확인하였다.

아울러 시간대별 충전 피크 전력 변화는 그림 6과 같이 나타났다. 예약충전을 시행하지 않는 9월과 예약충전 도입 초기인 10월에는 피크 전력이 퇴근 직후인 19시∼22시에 발생한다. 하지만 예약충전이 활성화된 11월에는 피크 전력 발생이 0시∼01시로 이동하였다. 이로 인하여 9, 10월 충전 피크 전력이 56.6㎾, 56.7㎾에서 11월 45.3㎾로 약 20% 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 6. The charging peak power of demonstration apartments by month

현재 전기자동차 충전요금은 경부하 시간대(23시∼09시)에 가장 저렴한 요금을 제공하고 있다⁽⁴⁾. 충전예약시스템 적용으로 인하여 입주민들은 저렴한 요금으로 충전이 가능하고, 전력계통 측면에서는 피크 전력 감소로 변압기의 이용률을 높이고 손실도 줄이는 경제적인 활용이 가능할 것으로 분석되었다.

2.3.1 국내 전기자동차 수요 예측

국내에서는 2010년부터 본격적으로 전기자동차(EV : Electric Vehicle)의 보급이 시작되었으며 이후 2018년 기준 년 3만여 대의 전기자동차가 보급되었다. 전 세계적으로 전기자동차 판매량은 그림 7에서 보듯이 향후 2030∼2040년까지 꾸준히 증가할 것으로 예상되고 빠르면 2038년이나 2040년에는 내연기관(ICE : Internal Combustion Engine)을 넘어설 것으로 보고 있다⁽¹⁾. 특히, 제주도의 경우 2020년까지 55,500대 그리고 2030년에는 전체 운행차량의 100%인 377,000대 보급을 목표로 하고 있어 전기자동차의 보급이 대폭 증가할 것으로 예상된다⁽⁵⁾.

Fig. 7. Global EV and ICE share of long-term passenger vehicle sales

당초 2010년 정부는 그린카 산업 발전전략 및 과제 제시를 하면서 2020년까지 전기자동차 100만대 보급을 선언하였지만, 현실적인 부분을 고려하여 2014년 전기자동차 보급 확대 및 시장 활성화 계획을 발표하면서 20만대로 축소하였다^(6-7). 2019년 10월 기준 국내 전기자동차 누적 대수는 83,000대로 당초 보급목표치보다는 적지만 보급 속도는 가파르다. 또한 아파트 전기자동차의 보급을 예측한 여러 논문에서 2020년 시점이면 일반 분양아파트의 경우 가구당 0.2대 수준^(8-9) 그리고 2024년 시점에 가구당 0.23∼0.28대 등의 전망을 하였다⁽¹⁰⁾. 그리고 가장 최근에 진행된 2018년 연구에서는 정부정책과 그동안의 보급 진행 상황 등을 종합적으로 고려하여 2030년 시점에는 가구당 0.35대 수준, 2040년에는 가구당 0.49대까지 보급되는 것으로 예측하였다⁽¹¹⁾.

2.3.2 실증 단지 미래 전력수요 추정

여러 선행 연구에서 보면 전기자동차의 보급은 정부 정책 규제와 보조금 등에 매우 큰 영향을 받는다⁽¹²⁾. 그래서 전기자동차와 같은 신제품과 신사업은 정부 정책의 의지에 따라서 얼마든지 보급 대수가 변경될 소지가 다분하다. 본 연구에서는 비교적 가장 최근에 진행된 연구 결과를 바탕으로 보급 대수를 추정하여 2030년에는 실증 단지의 가구당 0.35대인 196대, 2040년에는 가구당 0.49대인 275대가 보급될 것으로 추정하였다⁽¹³⁾. 현재 전기자동차의 보급 대수가 가구당 0.06대 수준이므로 지금으로부터 10년 후 시점에는 현재보다 약 6배 수준, 20년 후에는 8.3배 수준의 전기자동차가 보급될 것으로 추정된다.

만약 해당 실증 단지에 별도의 충전예약시스템 없이 현재 충전패턴에 따라 운영된다고 가정하면, 10년 후 또는 20년 후에는 전기자동차 충전에 의한 피크 전력이 2019년 10월 56.7㎾의 6∼8.3배인 340∼470㎾에 이르게 될 것으로 추정된다. 현재 해당 단지의 동력용 변압기는 550㎸A가 설치되어 있고 아파트 공용부 일반부하 용도로 동력용 변압기 용량의 30%인 165kVA가 이용되고 있다⁽¹³⁾. 여기서 전기자동차 충전에 이용 가능한 설비용량은 동력용 변압기에서 공용부 일반부하를 제외한 여유 용량인 385kVA가 되어 과부하 등으로 미래시점에는 전력계통에 문제가 발생할 것으로 보인다. 하지만 본 실증 단지에 적용한 충전예약시스템을 적용하여 집중 부하를 경부하 시간대로 분산시키는 경우에는 그림 1과 그림 6에서 보듯이 충전 피크 전력을 약 20% 낮출 수 있는 것으로 나타났다. 이에 따라 별도의 계통 용량 증가 없이도 상당 기간 충전 수요를 감당할 수 있을 것으로 판단된다.