1.1 연구의 배경

전 세계 핵심 경제 주체인 EU와 미국이 친환경에너지 산업의 육성 및 기후협약 이행에 대한 지속적인 의지표명으로 탄소중립은 이제 피할 수 없는 과제가 됐다⁽¹⁾. 국내에서도 탄소중립을 향한 정책적 지원이 이어질 전망이며 이에 대한 관심도 증가할 것이다. 특히, 2050년까지 신재생에너지의 전력생산 비중을 최대 70%까지 늘린다는 ‘2050 탄소중립 시나리오 초안’의 실현에 있어, 시간적 물리적 부담은 현실로 다가오고 있다. 여기서 탄소중립위원회는 발전분야의 재생에너지 비중을 최대 70.8%로 늘리고 석탄․LNG(액화천연가스) 등 화력을 제로화하거나 크게 감소시켰다. 원전 비중 또한 전체에서 부담비율을 6.1～7.2%로 낮췄다.

이러한 상황에서 이제 기존 탄소기반 에너지원에서 신재생에너지로의 에너지원 전환은 전력 에너지원 구성에 있어 필수 불가결한 사항이 되고 있다. 이에 맞춰 국내 신재생에너지개발은 환경조건이 적합한 지역을 대상으로 지속적으로 태양광, 풍력 등 다양한 에너지원을 조합하여 시도되고 있다. 이러한 신재생에너지원을 구성하여 전력자급형 그리드 형태로 소규모 지역에서 운영되기도 한다⁽²⁾.

특히, 도서지방과 같이 독립전원이 필요한 상황에서는 기존 디젤발전을 기반으로 한 분산전원 구성을 구축하였는데, 일례로 가사도 등 이 운영되고 있다. 이러한 친환경자림섬 형태의 도서지역에서는 독립전원 시스템 형태의 마이크로그리드 기반 전력 체계가 운영되고 있다^(3,4). 여기서 마이크로그리드 시스템을 구성하는 에너지원에 분산전원으로써 구성된 신재생에너지 비율을 확대 적용할 경우 탄소중립 목표에 효과적인 매개체가 될 것이다.

이를 위하여 마이크로그리드 시스템에 대한 각종 모델을 구성하고 비교 분석을 하는 것은 장기적인 전력 정책수립 등에 중요한 자료가 될 것이다. 현재 전력망을 구성하고 이를 분석할 수 있는 다양한 시뮬레이션 소프트웨어들이 사용되고 있다. 대표적인 전력 경제성 분석 시뮬레이션 소프트웨어로 HOMER가 있으며, 이를 통해 여러 가지 조합의 에너지시스템을 구성할 수 있고, 경제성을 평가할 수 있어 이를 통해 적용하였다.

1.2 연구의 목적 및 방법

마이크로그리드 시스템은 대상 사이트에 대하여 전력에너지의 종류, 전력 품질, 경제성, CO2 배출량 등을 제어하고 반영하여 기후 환경에 기반한 에너지 사용량을 예측 및 분산전원을 최적화 할 수 있도록 조합하여 운용할 수 있도록 한다. 따라서 대상지역의 에너지 수요를 분석하고, 신재생에너지원의 적용가능 여부를 판단하기 위해서 일사량, 풍속, 풍향, 기온 등을 데이터화하여 적용하였다. 연간 에너지 수요에 따라서 분산전원 설비의 종류 및 용량, 열전원, 보일러 설비 등을 적용 검토하여, 에너지 사용 밸런스를 고려하여 고정비와 변동비가 최소가 되는 분산전원 조합을 도출하였다. 전체 시스템 설비 조합에 대한 경제성 평가를 검토하고 탄소배출량을 고려하는 절차로, 최종방안을 분석하였다.

본 연구는 충청남도에 소재한 K대학교 대상으로 마이크로그리드 시스템을 모델링하여 시뮬레이션을 수행하였다. 모델 대상은 지방에 소재하여 비교적 저렴한 지대로 인해 교내외 신재생에너지 구축을 할 수 있는 부지 확보가 용이함로써, 유사한 지형 환경의 산재한 대학들에 독립적 전원 구성 가능성을 염두하는 자료로 고려하였다. 시스템 구성별로 HOMER프로그램을 기반으로 비교․분석하였고, 각각의 구성 조합 등이 어떠한 차이가 있는지 비교․분석하였다.

2.1 마이크로그리드 개요

마이크로그리드란 중소규모의 분산된 전력원과 제어기기의 융합체로 구성하여 분산전원과 부하(전기,열)를 효율적으로 운영 관리하는 시스템이다. 이것은 전기판매사업자인 한국전력의 배전 계통에서 독립하여 운전 또는 계통 연계 운전이 가능한 에너지 공급처라고 할 수 있다. 따라서 전체 계통 측면에서 볼 때, 마이크로그리드는 제어 가능한 발전원 및 부하로써, 마이크로그리드 내부에는 신재생에너지원을 포함한 다양한 에너지원이 구성될 수 있다. 전체 형태는 그리드의 연결여부에 따라 계통연계형과 독립형으로 구분할 수 있다(Fig. 1).

Fig. 1. Schematic diagram of microgrid system

2.2 연구 배경

마이크로그리드 시스템을 구성하는 시나리오에 대한 경제성 분석은 HOMER프로그램을 통해 최적화 검토로 사용되고 있다^(5,6). 특히 각각의 에너지원에 대한 하이브리드 운영에 대한 발전용량과 주요 인수들의 변화 추이를 입력값으로 넣어 최적의 시스템 구성을 계산하였다⁽⁷⁾. 시스템 간의 밸런스 운영을 통한 경제성검토를 통해 비용 중심의 설계에 초점을 맞추었으나, 이산화탄소 배출 등에 대한 면밀한 고찰은 하지 않았다. 독립적인 전원 구성으로 태양광, 디젤, 배터리, 연료전지 조합의 하이브리드 형태로 시스템을 구성하여 시스템의 가변 항목을 변화시켜 시나리오 별 비교를 하여 분석하는 연구를 통해 시스템 용량 및 적합한 복합 운영방안에 대한 시뮬레이션 결과는 효율적이었으나, 비용대비 환경적인 부분에 대한 운영 방안의 제시에는 한계가 있었다⁽⁸⁾. 이 논문에서는 이러한 환경적 측면을 고려하면서, 최저 비용과의 관계를 비교하여 비용의 증가량이 적은 시스템 구성 시나리오에서, 탄소 배출량을 감소시키는 시스템 구성 시나리오 분석에 초점을 두었다.

2.3 모델링을 통한 경제성 분석

HOMER에서는 대상 지역의 기후 데이터를 적용하여 전기·열 사용량을 기반으로 신재생에너지 적합 설계가 가능한 시뮬레이션 프로그램이다. 초기투자비를 기반으로 프로젝트 총 기간 동안의 고정운영비와 이 때 발생하는 수입을 계산하여 이 값을 순 현재비용(NPC)로 계산한다. 비용을 최소화 시키는 시스템의 구성을 위한 최적조합을 결과값으로 도출하게 되는 것이다^(9,10).

경제성 분석을 하기 위해서 각각의 시스템에 대한 비용을 계산한다. 여기서 비용이란, 순 현재비용(Net Present Cost), 발전단가 비용(Cost of Energy), 잔존가치(Salvage Value), 구성품의 초기비용(Capital Cost), 교체비용(Replacement Cost), 유지보수비용(O&M Cost)등을 고려한다.

상기 계산식에서 $NPC$는 순 현재비용, 는 연간 총비용, $i$는 연간 이자율,N은 프로젝트 기간, $CRF()$는 자본회수율이다. 즉, 자본회수 계수로써 시스템 구축 등에 당초 투입한 자본을 일정 기간에 일정한 금액으로 회수하는 것으로 했을 때 당초의 투입 자본에 대한 회수 액의 비율, 회수 연수와 이자율에 의해 복리 계산으로 산출된다. $COE$(Levelized Cost of Energy)는 시스템에서 생산된 전기에너지의 kWh당 평균비용으로서 발전단가 비용으로 나타낸다.

상기 계산식에서 $C_{boiler}$는 보일러 한계비용[$\$$/kWh], $E_{thermal}$는 열 부하[kWh/yr], $E_{served}$는 총 전기부하[kWh/yr], $E_{grid,sale}$는 전력망에 판매하는 전기부하[kWh/yr]를 의미한다.

이 논문에서는 이러한 지표를 통해 조합 가능한 시스템 구성들을 모두 시뮬레이션 수행 후 최저 NPC값을 나타내는 시스템을 기준 시나리오(Case Ⅰ)로 설정하고, 이때 발생하는 는 이산화탄소 배출량에 대하여 고려하는 방식을 제안한다. 여기서, NPC 값이 증가하는 시스템 구성과 기준 시나리오에 대한 변동에 따른 이산화탄소 배출량의 감소량을 비교하는 방법을 통해 친환경적인 최종 시스템 시나리오(Case Ⅱ)를 제안한다. 추가로 신재생에너지 발전 비율을 30%와 50%이상으로 의무 설정시를 반영함으로써 다양한 시나리오에 대한 결과 비교를 면밀히 분석하였다.

3.1 독립형 모델 구성

계통인 Grid에 연결되지 않고 전기와 열을 자체 생산하여 공급하는 마이크로그리드 모델이다. 이러한 경우 모든 시스템의 신재생에너지원 구성을 위해 초기비용이 많이 투입되며, 발전단가(COE)가 높게 나오게 된다. 독립형 마이크로그리드 형태는 도서지역등 고립된 대상지에서 디젤연료와 하이브리드 형태의 에너지원 구성을 하고 있으며, 장기적으로 신재생에너지로의 확대를 위해 연구와 실증이 지속적으로 필요한 형태라고 할 수 있다. 시뮬레이션 대상지는 전력을 생산하여 자급할 수 있는 독립적인 마이크로그리드 모델로 설정하고 분석하였다.

신재생에너지 발전 비율 50%와 70%에서 시뮬레이션 결과의 주요 항목을 Table 3에 나타내었다. 시뮬레이션 결과를 보면 대상지에서 신재생에너지 발전 비율 50% 제한 조건을 설정시 독립운전을 할 때 NPC측면에서 최적의 조합은 PV, WT, 디젤의 연동 운전 형태이다. 이러한 경우, 디젤 발전의 운영은 전체 생산전력의 31.2%(2,194,544kW/yr)를 부담하게 되어, 탄소발생량이 2M(kg/yr)가 넘게 발생된다. 이는 경제적 논리로 마이크로그리드 내에서 저렴한 디젤로의 치중되는 전력생산의 결과이며, 다중 분산전원 구성이 요구되는 측면에서 단점이 될 수 밖에 없고, 환경적 측면에서 장기적으로는 반드시 신재생에너지의 전환이 이루어져야 한다. 신재생에너지 발전 비율을 70%으로 설정시에도 동일한 조합으로 운영하게 된다. 그러므로, 마이크로그리드 내에서 신재생에너지 발전원 비율을 늘려 탄소발생을 감소시키는 시스템 구성에 효과적인 해결점을 모색해야 한다. 즉 최저 NPC조합에서 NPC값 증가를 최소한으로 고려하고, 탄소 발생 수치가 획기적으로 줄어들 수 있는 특이점을 가진 최적 조합으로 구축하는 것이 효과적이다. Table 3에서 신재생에너지 발전비율을 50% 상으로 설정시 최저 NPC 조합은 28M$로 탄소배출량은 2,077,267(kg/yr)이다. 그러나 NPC값의 증가 부담이 경미하고, 탄소배출이 줄어드는 방안은 Fig. 5에서 연료전지와의 hybrid운영 시 도출된다. 다양한 시뮬레이션 조합 중에서 Fig. 5에서 표시된 3번째 시나리오가 제안된 최적 조합이다. Fig. 5에서 각 항목은 기획자가 최초에 구상한 시스템의 종류가 표시되어 있으며, 용량은 최소비용 운영을 위하여 각종 용량치의 다양한 경우의 수로 실현가능한 조합으로 각각 시뮬레이션 한 후 제안된다. 최저 NPC구성 방안 대비 제시된 조합은 탄소배출이 획기적으로 감소하는 방안으로써, 기존의 PV, WT, 디젤 조합에서 연료전지가 추가 되는 조합이다. 이러한 조합시 탄소배출량이 1,653,128(kg/yr)이다. 최저 NPC 대비하여, 연료전지 추가로 인한 비용으로 전체 NPC 값이 소폭(1.07%) 증가하지만, 배출량은 기존 대비 20.4% 감소하게 된다.

Fig. 5. The results of renewable fraction model(50%)

3.2 신재생에너지 발전 비율 설정(70%이상)

보다 구체적인 분석을 하기 위해 신재생에너지 발전비율을 70% 이상으로 설정하여 시뮬레이션 후 비교 검토하였다(Table 4). 발전비율에서 70% 이상 설정한 모델의 경우는 50%에 비해 최저 NPC가 상승하고, 탄소배출은 감소하게 된다. 기본적인 최저 NPC측면에서 최적의 조합은 Case Ⅰ로 표현하였다. PV, WT, 디젤의 연동 운전 형태이며, 디젤의 운전시 전체 발전 분담의 16.6%(2,194,544kW/yr)를 발전하게 되어, 탄소발생량이 0.88M(kg/yr)가 발생된다(Table 3, Table 4). 참고로 여기서 신재생에너지 발전비율이 높게 설정될수록 대상지의 최대 PV용량이 증가하며, 신재생 에너지 발전 비율을 100%로 설정 시, 설치가능 최대 용량치(8,897kW)와 WT(523kW)만으로 구성되어 분석된다. 이 경우 NPC최저치인 33.8M$ 대비 90.11% 증가하게 되어 탄소배출이 0이나, 실제 구축 시 비용측면에서 효율적이지 않다. 따라서 비용적으로 실현 가능한 한계치를 고려하여, 신재생에너지 발전비율을 70%로 설정시의 최소 NPC 조합을 Case Ⅰ로 나타내었다. Case Ⅰ과의 비교를 위해 후순위 조합 중 민감도 분석을 하여 NPC비용이 최솟값에 근접하면서, 탄소 배출량의 증가 대비 가장 효율적인 구성을 Case Ⅱ로 비교하여 나타내었다. Case Ⅱ는 PT, WT, 디젤, 연료전지의 조합으로 Table 4에 주요 지표값의 차이를 나타내었다.

여기서 CaseⅡ는 최저 NPC 조합인 Case Ⅰ에 대비하여, 비용은 9.5%(2.7M$) 증가하지만, 탄소 배출량은 기존 대비 61.3%(339,647kg/yr)로 현저하게 감소하게 됨을 알 수 있다.

Fig. 6에서 신재생에너지 발전 비율을 70%로 설정하고 시뮬레이션을 한 결과를 나타낸다. 여기서 NPC값이 가장 최저치인 조합과 탄소배출 민감도 지수가 높은 3번째로 제시된 시스템 구성(Case Ⅱ)와의 비교 분석시 유의미한 결과를 도출하게 된다. Fig. 6에서 나타낸 시뮬레이션 결과를 통해 Case Ⅰ과 Case Ⅱ각각의 시스템 구성을 살펴볼 수 있다.

Fig. 6. The results of renewable fraction model(above 70%)

이와 같이 구성하였을 경우 인버터 출력 특성은 Fig. 7에 나타내었다. HOMER에서 대상지의 연간 전력사용 분포에 기초하여, 피크(peak) 사용량 이하의 운영 가능한 인버터 용량으로 1,314kW가 제안 설정되었으며, 이는 현장에서의 구축 시 인버터 효율을 감안한 상용 제작용량으로 설치 할 수 있다.

Fig. 7. Pattern of the inveter system output during the day

Fig. 8에서는 NPC의 증가량과 배출량의 감소량에 대한 민감도 분석을 위한 비교 차트를 나타내었다. 비교를 위하여 CaseⅠ의 각 파라메타 값을 100으로 기준하여 설정 시 비교하였으며, 탄소배출 항목에 있어서 CaseⅡ는 상당히 변화량이 크며, 환경적 관점으로 비용대비 효과적임을 나타낸다. 그러므로, 이러한 중요 지표의 선별적 선택과 정량 분석을 통해, 중요 비용 파라메타 값과 탄소배출량의 비율 변동값을 분석함으로써, 간과할 수 있는 탄소배출량 저감 구성 방안을 효과적으로 우선 추출하여 검토할 수 있었다.

Fig. 8. Comparison of various factors in Cases