1. 서 론

2022년을 기준으로 우리나라의 에너지원별 발전량은 원자력 29%, 석탄 35.6%, 가스 26.4%, 신재생에너지 6.6%의 비중을 차지하고 있으며, 자원 한계 및 환경오염 문제로 인해 매년 화석연료를 이용한 발전은 감소하고 신재생에너지 발전은 증가하는 추세이다^[1]. 또한, 10차 전력수급 기본계획에서는 2030년까지 기존의 화력 발전설비를 축소하고 신재생에너지 발전량 비중을 21.6%로 확대하며, 2036년까지 30.6%로 확대할 예정이다^[2]. 또한, 정부의 자가용 신재생에너지 설비 비용 지원에 따라 태양광 패널 설치 수요는 매년 증가하는 추세에 있다^[3].

현재 우리나라는 상계 거래 제도에 따라 태양광 패널이 설치된 주택은 요금 상계를 통해 누진제 부담을 줄일 수 있다. 상계 거래 제도는 10kW 이하 신재생에너지 발전설비를 가진 사업자가 자가소비 후 남은 잉여전력만큼 전기요금에서 차감하여 상계하는 것이다. 그러나 상계 거래 제도는 사업자가 상계를 충당하고 남은 잉여전력을 한전과 전력시장에 판매하는 과정이 수요예측, 용량 입찰, 가격 결정, 발전계획 수립, 실시간 근접 운영, 운영발전 계획수립, 시장가격 결정, 계량 및 정산, 결제 등 8단계로 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 또한 현행 전기사업법에서는 발전과 판매 겸업을 금지하고 있으며, 생산된 전기는 전력시장을 통해서만 판매해야 한다.

구역 전기사업자의 경우 태양광을 이용한 자가용 전기설비를 갖춘 사업자에 한정하여 직접 전력 판매를 가능하게 하고 있다. 그러나 이러한 전력 잉여량이 매년 미 상계된 상태로 누적되어, 에너지 이용 관점에서 비효율적으로 운용되고 있다. 이러한 상계 거래 제도의 문제점을 해결하고 소규모 분산전원이 점차 확대되는 추세에 따라 P2P(Peer-to-Peer) 방식의 개인 간 전력 거래 제도가 전 세계적으로 활성화되고 있으며, 국내에서도 에너지 프로슈머(Energy Prosumer)의 전력 거래 실증과 관련된 시범사업을 추진하고 있다^[4].

에너지 프로슈머와 관련하여 해외에서는 영국의 Piclo, 네덜란드의 Vandebron, 독일의 Sonnen Community 등과 같은 전력 거래 플랫폼이 활성화되고 있다. Piclo는 P2P 전력 거래 플랫폼으로 일반 전력 수용가가 아닌 전력 소비가 많은 상업 부문을 대상으로 하며, Vandebron은 풍력 터빈 발전기를 가진 농가를 통해 소비자가 직접 전력을 구매할 수 있다. 또한, Sonnen Community는 소규모 발전사업자가 전력 거래에 참여할 수 있도록 배터리 저장 기술을 활용하고 있다. Fig. 1은 Vandebron의 전력거래 화면을 나타낸 것이다^{[5, 6]}.

북미의 보스턴 Yeloha는 태양광 패널 설치지원 서비스를 제공하며 생산된 전력의 일부를 수수료로 부과하는 방식으로 개인 간 전력 거래를 활성화하고 있다^[7].

이와 같은 흐름에 따라 국내에서도 지속적으로 증가하는 자가발전의 효율적인 운용과 전기요금 절약을 위해 에너지 프로슈머의 전력 거래와 관련된 연구가 필요한 상황이다. 따라서, 본 논문에서는 자가 발전자원의 에너지 효율화를 위한 전력 거래 플랫폼을 개발하고 경제성을 분석하였다. 즉, 에너지 프로슈머와 일반 소비자를 대상으로 전력 거래 플랫폼 이용 전, 후의 전기요금 비교를 통해 전력 거래 플랫폼의 효용성을 검증한다.

Fig. 1. Energy trading screen of vandebron

2. P2P 전력 거래 플랫폼 개발

P2P 전력 거래는 일반 수용가가 발전사업자로부터 전력을 공급받는 기존의 시스템이 아니라 직접 전력을 생산하고 잉여전력을 판매하는 에너지 프로슈머로부터 전력을 직접 공급 받는 시스템이다^[8]. 이러한 개인 간 전력 거래를 위해 실시간으로 에너지 프로슈머의 상태, 판매 전력량, 공급 가능 위치 등을 파악할 수 있는 웹사이트 형식의 플랫폼이 필요하며, 본 논문에서는 에너지 프로슈머와 일반 수용가 사이의 전력 거래를 중개하고 자가발전을 위한 서비스 등을 이용할 수 있는 플랫폼을 개발하였다.

Fig. 2 ∼ Fig. 4는 본 논문에서 개발한 P2P 전력 거래 플랫폼의 화면을 나타낸다. Fig. 2는 전력 거래 플랫폼의 구성요소이다. 에너지 프로슈머는 플랫폼 내에서 발전원 종류, 판매 가격 등을 결정하며 소비자는 해당 플랫폼에 접속하여 거래를 원하는 에너지 프로슈머와 연결할 수 있다. Fig. 3은 전력 거래 플랫폼의 접속 웹사이트 화면을 나타낸다. 전력 거래에 참여하는 에너지 프로슈머가 쉽게 접근할 수 있도록 버튼 형식으로 구성했다.

구매자는 Fig. 4의 전력 구매 화면에서 GPS 기반으로 판매자가 등록한 판매 정보를 확인할 수 있다. 즉, 구매자는 판매량, 거래가격, 발전원 종류 등을 웹사이트에서 확인하여 본인에게 맞는 판매자를 선택할 수 있다.

전력 거래 플랫폼의 순서도는 Fig. 5와 같다. 거래를 원하는 에너지 프로슈머는 자가발전을 통해 남은 잉여전력을 전력 거래 플랫폼에 등록한다. 이후 거래를 희망하는 소비자가 구매요청을 하면 구매자와 판매자가 매칭되고 플랫폼 내의 거래 시스템을 통해 전력 거래를 중개한다. 이후 거래가격으로 거래 대금이 결제되고 구매자는 구매 용량만큼 전기요금을 상계할 수 있다. 또한, 전기 사용량에 따라 누진 단계를 하락시킬 수 있다.

Fig. 2. Energy trading platform composition

Fig. 3. Website main screen

Fig. 4. Power purchase screen for consumer

Fig. 5. Energy trading flowchart

3. 전력 거래 경제성 분석

3.2 분석 Case 구성

분석 Case 구성을 위해 본 논문에서는 산업통상자원부와 한전의 통계 데이터를 사용하였으며, 참고문헌에 표시하였다. 먼저, 계절별 수요 및 공급의 유동성을 고려하여 춘계, 하계, 추계, 동계에 대한 Case를 각각 구성한다. 각 Case의 구매자와 판매자의 월 전력 소비량은 Table 2의 계절별 월 평균전력 소비량에 대한 % 데이터를 이용하여 결정한다^[11].

Table 2. Percentage of monthly average power consumption by season

	춘계	하계	추계	동계
월 평균전력 소비량[%]	100	122	106	120

수요함수 결정을 위해 Table 3과 같이 월별 누진 단계별 가구 수 데이터를 이용하여 가구 비율을 구하고, 이를 이용하여 수요량을 계산한다^[12].

Table 3. Ratio of number of households by step of progressive system in all year round

누진 단계	사계절 누진 단계별 가구 비율[%]
	춘계	하계	추계	동계
1단계	65.41	57.14	86.36	58.21
2단계	30.18	32.41	11.47	33.18
3단계	4.40	10.45	2.17	8.61

판매자는 일반적인 태양광 패널 공급 업체에서 가정용으로 많이 쓰는 3kW급 태양광 패널을 사용하고 같은 조건에서 발전한다고 가정한다. 태양광발전 시간은 Fig. 6과 같이 최근 2년 평균 데이터를 이용한다^[13]. 일반적으로 춘추계와 비교하여 하계의 일사량이 많아 평균 발전 시간이 긴 것이 정상이나 2020년∼2021년에는 긴 장마 기간으로 춘계보다 하계의 평균 발전 시간이 짧아졌다.

계절별 태양광 발전량은 수식 3을 이용하여 계산하며, Table 4는 계절별 태양광 발전량을 나타낸 것이다.

(3)

$PV_{month}= t_{PV}$ × $C_{PV}$ × $30$(일)

$PV_{month}$ : 월평균 태양광 발전량(kWh)

$t_{PV}$ : 태양광발전 시간(h)

$C_{PV}$ : 태양광 패널 용량(kW)

Fig. 6. Monthly solar power generation times during recently 2 years

Table 4. Seasonal solar energy generations

	춘계	하계	추계	동계
태양광 발전량[kWh]	414.3	350.4	305.1	261.3

공급함수 결정을 위해 Table 4의 계절별 태양광 발전량에서 각 판매자의 자가 소비량을 제외하고 남은 발전량으로 판매자의 공급량을 결정한다.

3.2.1 춘계기간 Case

춘계기간은 태양광 발전량이 가장 많고 전력 수요량은 가장 적다. 이에 따른 수요량 및 공급량을 Table 5에 표시하였다. Fig. 7은 춘계기간의 수요-공급 그래프를 나타내며 거래가격이 153.4원으로 형성되었다.

Table 5. Electricity demand and supply by user during spring season

	월 전력 소비량[kWh]	수요량[kWh]	공급량[kWh]
구매자 1	275	75	-
구매자 2	300	100	-
구매자 3	315	115	-
판매자 1	190	-	224.3
판매자 2	200	-	214.3
판매자 3	210	-	204.3
합계	1,490	290	642.9

Fig. 7. Spring supply-demand graphs

3.2.2 하계기간 Case

하계기간은 전력 수요량이 가장 높고 춘계와 비교하여 상대적으로 태양광 발전량이 적다. 이에 따른 수요량 및 공급량을 Table 6과 같이 나타난다. Fig. 8은 하계기간의 수요-공급 그래프를 나타내며 거래가격이 205.8원으로 형성되었다.

Fig. 8. Summer supply-demand graphs

Table 6. Electricity demand and supply by user during summer season

	월 전력 소비량[kWh]	수요량[kWh]	공급량[kWh]
구매자 1	336	136	-
구매자 2	366	166	-
구매자 3	384	184	-
판매자 1	232	-	118.6
판매자 2	244	-	106.4
판매자 3	256	-	94.2
합계	1,818	486	319.2

3.2.3 추계기간 Case

추계기간은 Table 7을 보면 춘계와 비교하여 전력 수요량이 차이가 없고 공급량이 2배 이상 적음에도 불구하고 Fig. 9의 수요-공급 그래프에서 거래가격이 153.7원으로 춘계와 비슷하게 형성되었다. 이는 추계기간의 누진제 1단계 가구 비중이 가장 높아서 거래가격이 낮아졌다.

Fig. 9. Fall supply-demand graphs

Table 7. Electricity demand and supply by user during fall season

	월 전력 소비량[kWh]	수요량[kWh]	공급량[kWh]
구매자 1	292	92	-
구매자 2	318	118	-
구매자 3	334	134	-
판매자 1	201	-	103.7
판매자 2	212	-	93.1
판매자 3	223	-	82.5
합계	1,580	344	279.3

3.2.4 동계기간 Case

동계기간은 Table 8과 같이 전력 수요량이 높고 공급량이 계절 중 가장 낮다. 따라서, 춘계와 반대로 높은 수요로 인해 Fig. 10의 수요-공급 그래프에서 거래가격이 284.4원으로 가장 높게 형성되었다.

Fig. 10. Winter supply-demand graphs

Table 8. Electricity demand and supply by user during winter season

	월 전력 소비량[kWh]	수요량[kWh]	공급량[kWh]
구매자 1	330	130	-
구매자 2	360	160	-
구매자 3	378	178	-
판매자 1	228	-	33.3
판매자 2	240	-	21.3
판매자 3	252	-	9.3
합계	1,788	468	63.9

3.3 경제성 분석

3.3.1 판매자의 판매수익 분석

Table 9는 판매자가 전력 거래 플랫폼을 이용하여 얻을 수 있는 연간 판매 총수익을 나타낸다. 판매수익은 각 판매자의 계절별 잉여 전력량 및 거래가격을 고려하여 수식 4와 같이 계산한다.

(4)

$R_{PV}= P_{equil}(PV_{month}-E_{month})$

$R_{PV}$ = 태양광 발전량 판매수익(원)

$P_{e q u i l}$ : 거래가격(원)

$PV_{month}$ : 태양광 발전량(kWh)

$E_{month}$ : 월 전력 소비량(kWh)

각 판매자, 즉, 에너지 프로슈머는 전력 거래 플랫폼을 이용하여 잉여전력을 일반 소비자에게 판매하고 Table 9와 같이 경제적인 이득을 획득하였으며, 잉여 전력량이 커질수록 더 많은 이득을 취할 수 있다.

Table 9. Revenues of producer

	연 판매수익[원]
판매자 1	84,243
판매자 2	75,136
판매자 3	66,028

3.3.2 구매자의 전기요금 절감 분석

구매자 관점에서 경제성을 분석하기 위해서 전력 거래 플랫폼 이용 전, 후의 전기요금을 비교한다. 수식 5를 이용하여 플랫폼 이용 전의 전기요금을 계산하고, 플랫폼 이용 후의 전기요금은 수식 6을 이용하여 계산한다. 이때, 구매자는 플랫폼을 통해 얻은 추가 전력량을 통해 누진제 단계를 1단계까지 낮출 수 있다.

(5)

$P_{be{for}{e}}= 112E_{1}+206.6E_{2}+299.3E_{3}+f_{basic}$

$P_{be{for}{e}}$: 기존 요금제 전기요금(원)

$E_{1}$ : 누진 1단계 구간 전력소비량(kWh)

$E_{2}$ : 누진 2단계 구간 전력소비량(kWh)

$E_{3}$ : 누진 3단계 구간 전력소비량(kWh)

$f_{basic}$ : 기본요금(원)

(6)

$P_{a f t e r}=(E-200)P_{e q u i l}+ P_{b a s e}$

$P_{a f t e r}$: P2P 전력거래 시 전기요금(원)

$E$ : 전력 소비량(kWh)

$P_{e q u i l}$ : 거래가격(원)

$P_{b a s e}$ : 누진 1단계 요금 + 1단계 기본요금(원)

Fig. 11은 구매자의 전기요금을 계절별로 구한 결과를 전기요금 변동률로 표시한 것이다. 각 구매자는 전력 거래 플랫폼을 이용하면 춘계, 하계, 추계 기간에 전기요금에 대한 이득을 취할 수 있다. 즉, 춘계, 추계기간에는 전력 거래 플랫폼 이용 전보다 10% 이상의 전기요금을 절감할 수 있으며, 하계기간에는 2%의 전기요금을 절감하였다.

그러나, 동계기간에는 판매자의 발전량 부족으로 거래가격이 높게 형성되어 전력 거래 플랫폼을 이용하면 오히려 전기요금이 상승하는 것을 볼 수 있다.

Fig. 11. Rate of change in electricity bills by user

4. 결 론

최근 정부 정책과 환경 문제로 인해 태양광발전을 포함한 신재생에너지 발전 비율이 증가하는 추세이다. 아울러, 에너지 이용의 효율성을 높이기 위해 점차 에너지 거래가 활성화되고 있고, 우리나라에서도 자가 발전자원과 일반 수용가 사이의 거래 시장을 운영하고자 한다. 따라서, 본 논문에서는 에너지 프로슈머의 개인 간 전력 거래를 위한 플랫폼을 개발하고 경제성을 분석하였다.

P2P 전력 거래 플랫폼은 판매자와 구매자 등 사용자 친화적으로 구성하였으며, 에너지 프로슈머의 상태, 판매 전력량, 공급 가능 위치, 판매 가격 등의 정보를 확인하고 판매자와 구매자를 매칭시킨다.

전력시장 개념을 적용하여 수요-공급 곡선으로 전력 거래 플랫폼의 거래가격을 정하고 계절별 수요와 공급의 변동성을 고려하여 플랫폼 사용 전, 후의 경제성을 분석하였다. 이때, 판매자 입장에서는 잉여 전력량이 많을수록 더 많은 이득을 취할 수 있으며, 구매자 입장에서는 판매자의 공급량이 많을수록 수요-공급 곡선에 의한 거래가격이 낮게 형성되어 전기요금을 더 많이 절감할 수 있다.

향후 전력 거래 플랫폼의 다양한 거래방식과 판매자 및 소비자의 유형에 따른 거래 등을 추가 연구를 통해 진행할 예정이다.