1.1. 연구의 필요성

최근 우리 정부는 2021년 탄소중립기본법을 제정하여 2050년까지 탄소 중립을 달성하겠다는 구체적인 목표와 이행 체계를 법제화했다. 정부는 2030년까지 재생에너지 발전 비중을 약 20% 수준으로 확대하기 위한 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 추진하고 있으며, 이를 통해 태양광과 풍력 등 재생에너지 보급 확대 정책을 시행하고 있다. 정부는 재생에너지 보급 확대를 위해 다양한 정책과 제도를 추진하고 있으며, 신재생에너지 기본계획에서는 태양광 발전을 중심으로 재생에너지 비중 확대를 목표로 하고 있다^[1]. 또한 전력수급기본계획에서도 태양광 발전의 역할이 지속적으로 증가할 것으로 전망하고 있다^[2]. 한편 태양광 발전 보급 확대를 위해서는 인허가 절차 개선 및 제도적 지원이 필요하다는 연구도 보고되고 있다^[3]. 이와 더불어 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법의 시행령」을 개정하여, 신재생에너지공급의무화제도(RPS) 의 무공급비율 상한을 기존 10%에서 25%로 상향 조정함으로써 재생에너지 확대를 위한 제도적 기반을 강화했다^[4]. 신재생에너지 확대 정책에 따라 태양광 발전 시스템의 설치 및 운영이 증가하고 있다. 특히 건물 옥상 및 유휴부지를 활용한 분산형 발전이 주목받고 있으며, 이에 따라 태양광 시스템의 발전 성능과 경제성 분석의 중요성이 증가하고 있다. 또한 RE100 참여 확대와 전력 비용 상승에 따라 전력 사용량의 재생에너지 전환이 요구되고 있으며, 이를 위한 주요 대응 수단으로 자가소비형 태양광 발전 시스템이 주목받고 있다. 자가소비형 태양광 시스템은 생산된 전력을 자체적으로 소비하여 전력 구매 비용을 직접적으로 절감할 수 있으며, 기업 및 기관의 재생에너지 사용 비율을 높이는 효과적인 방법으로 평가된다^[5]. 특히 산업용 전력 소비가 높은 시설에서 자가소비형 태양광 시스템은 전력요금 절감 효과가 크며, 전력가격 상승 시 경제성이 더욱 향상되는 것으로 보고되고 있다^[6]. 그러나 최근 태양광 발전은 금리 상승, 보조금 축소, 계통 연계 제약 및 출력제어 증가 등의 요인으로 인해 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 기존의 전력 판매 중심 구조는 송배전망 의존성이 높고, 출력제어에 따른 수익 감소 위험을 내포하고 있어 안정적인 수익 모델로서의 한계성을 보인다.

본 연구에서는 산업용전기요금을 사용하는 직업훈련기관을 대상으로 40kW급 태양광 발전 시스템을 설계하고, PVsyst를 이용한 시뮬레이션을 통해 발전량을 산정하였다. 또한 경제성 분석을 통해 투자 타당성을 평가하고, 분석 기간(20년, 25년)에 따른 경제성 변화를 비교하였다.

1.2. 연구의 목적

본 연구의 목적은 산업용 전기요금체계를 적용받는 직업훈련기관을 대상으로 태양광 발전 설비의 생애주기 경제성을 분석하고, 자가소비 모델과 PPA 모델의 경제성을 비교하여 최적 운영 방식을 도출하는 데 있다. 특히 대상 기관의 실제 전력 사용 데이터를 기반으로 태양광 발전량과 부하 특성의 일치도를 분석하여 자가소비형 태양광의 적용 가능성을 정량적으로 평가하였다.

기존 연구는 주로 발전 전력 판매 중심의 경제성 분석이나 대규모 발전사업을 대상으로 수행되었으며, 실제 건물 부하 특성을 반영한 자가소비형 태양광의 경제성 분석은 상대적으로 부족한 실정이다. 또한 산업용 전기요금 체계를 적용받는 교육시설을 대상으로 자가소비와 PPA 모델을 동시에 비교한 연구는 거의 이루어지지 않았다.

본 연구는 이러한 연구 공백을 보완하기 위해 실제 사례 기반 분석을 수행하고, 출력제어 및 계통 제약에 따른 PPA 모델의 한계를 고려하여 자가소비 모델의 경제적 타당성을 검증하였다. 더 나아가 자가소비 확대를 위한 정책적 시사점을 제시함으로써 분산형 전원 확대 전략에 기여하고자 한다.

특히 산업용 전기요금 체계를 적용받는 직업훈련기관과 같은 교육시설은 일반 상업시설과 달리 주간 부하 집중도가 높고 계절별 변동성이 뚜렷하여 자가소비형 태양광 시스템 적용에 유리한 특성을 가진다. 그러나 이러한 시설을 대상으로 실제 전력 사용 데이터를 반영한 경제성 분석 연구는 제한적으로 수행되어 왔다. 본 연구는 실제 운영 데이터를 기반으로 자가소비형 태양광과 PPA 모델을 동시에 비교 분석함으로써 실무 적용 가능성이 높은 사례 연구라는 점에서 의의를 갖는다.

본 연구의 차별성은 다음과 같다.

첫째, 기존 태양광 경제성 연구가 발전사업자 중심의 전력 판매 모델을 대상으로 한 것과 달리, 본 연구는 산업용 전기요금을 적용받는 직업훈련기관을 대상으로 자가소비형 태양광 시스템의 경제성을 분석하였다.

둘째, 실제 기관의 2년간 전력 사용 데이터를 기반으로 최대수요전력과 시간대별 부하 특성을 분석하여 자가소비율을 산정함으로써 현실성을 확보하였다.

셋째, 동일 조건에서 자가소비 모델과 PPA 모델을 비교하여 경제성뿐만 아니라 계통 의존도 및 출력제어 영향까지 함께 평가하였다.

넷째, 분석 기간을 20년과 25년으로 구분하여 장기 운영 시 경제성 변화를 정량적으로 제시하였다.

2.1. 부하 특성 분석

대상 기관의 전력 사용 특성을 분석하기 위해 월별 최대수요전력과 시간대별 부하 데이터를 활용하였다. 분석 결과, Fig. 1은 직업훈련기관의 시간대별 전력 사용 패턴을 나타낸다. 최대수요전력은 대부분 주간 시간대(09:00~15:00)에 발생하는 것으로 확인되었으며, 이는 태양광 발전 시간대와 높은 일치도를 보인다. 이러한 부하 특성은 발전 전력의 현장 소비 비율을 높일 수 있어 자가소비형 태양광 시스템의 적용에 유리한 조건을 제공한다.

Fig. 1에서 확인할 수 있듯이 최대수요전력은 대부분 오전에서 오후 초반의 주간 시간대에 발생하는 경향을 보였다. 2024년과 2025년 모두 여름철에는 정오 및 오후 경향형이 증가하였으며, 겨울철에는 오전 집중형이 상대적으로 많이 나타났다. 이러한 결과는 냉난방 부하의 계절적 특성이 최대부하 발생 시점에 영향을 미치고 있음을 보여준다. 또한 주간 시간대의 최대부하 비중이 높다는 점은 태양광 발전 시간과 부하 발생 시간의 일치도가 높음을 의미하며, 자가소비형 PV 시스템의 적용 가능성을 뒷받침한다.

2.2. 시스템 구성 및 분석 방법

본 연구에서 적용한 PV 설비 용량은 대상 기관의 옥상 설치 가능 면적, 최대수요전력 수준, 자가소비율 확보 가능성을 종합적으로 고려하여 약 40kWp로 설정하였다.

3.1. 태양광 발전 시스템 개요

태양광 발전은 온실가스를 배출하지 않는 대표적인 친환경 분산형 발전원으로, 건물 옥상이나 유휴 공간을 활용하여 설치할 수 있다는 장점을 가진다. 특히 자가소비형 태양광 시스템은 생산된 전력을 현장에서 직접 소비함으로써 전력 구매 비용을 절감하고 송배전 손실을 줄일 수 있는 효율적인 방식으로 평가되고 있다^[5]. 또한 주간 전력 사용 비중이 높은 시설에서는 태양광 발전 시간과 부하 발생 시간의 일치도가 높아 자가소비율이 증가하며, 이에 따라 경제적 효과가 크게 나타나는 것으로 보고되고 있다^{[7, 8]}. 이러한 특성으로 인해 자가소비형 태양광 시스템은 산업용 전력 소비 시설이나 대형 건물에서 효과적인 에너지 비용 절감 수단으로 활용되고 있다.

3.2. 운용 시나리오 정의

(1) 자가소비 모델

자가소비 모델은 태양광 발전 전력을 건물 내에서 직접 소비하여 전기요금을 절감하는 방식이다. 본 연구에서는 대상 시설의 주간 부하 특성을 고려하여 자가소비율(SCR)을 80%로 설정하였다. 이는 Fig. 1에서 나타난 것처럼 전력 사용 피크가 태양광 발전 시간대와 높은 일치도를 보이기 때문이다.

(2) PPA 모델

PPA 모델은 발전된 전력을 계통에 판매하여 수익을 창출하는 방식이다.

본 연구에서 적용한 주요 경제성 분석 변수는 국내 산업용 전기요금 수준과 태양광 발전 사업의 일반적인 투자 조건을 고려하여 설정하였다. 전력 단가는 최근 산업용 전기요금 평균 수준을 반영하여 150원/kWh로 가정하였다. 자가소비율은 대상 기관의 주간 부하 특성을 고려하여 60%, 80%, 100%의 시나리오로 설정하였다.

3.3. 분석방법

본 연구에서는 PVsyst를 통해 산정된 발전량을 기반으로 자가소비 및 PPA 시나리오별 현금흐름을 계산하였다. 이후 할인율을 적용하여 NPV를 산정하고, IRR 및 투자회수기간을 도출하였다. 또한 금리, 전기요금, 자가소비율 변화에 따른 민감도 분석을 수행하였다.

(1) 시스템 개요

설치 용량: 약 40kWp (39.6kWp)

설치 위치: 대구광역시 달서구 이곡동

건물 규모: 대지면적 513.3㎡

지하1층 – 지상10층

옥상층 면적 347.98㎡

시스템 형태: 계통연계형(Grid-connected)

모듈: 600 W급 단결정 모듈

인버터: 50kW급

설치 방식: 고정식 (Tilt 15°)

대상 기관의 계약 전력 및 계약 유형 정보는 Table 1에 나타내었다.

본 연구에서 적용한 태양광 시스템 용량은 대상 직업훈련기관 건물의 설치 가능 면적, 전력 사용 특성 및 자가소비율 확보 가능성을 종합적으로 고려하여 약 40kWp(39.6kWp)로 선정하였다.

첫째, 대상 건물은 지하 1층, 지상 10층 규모의 직업훈련시설로 옥상에 태양광 설치가 가능한 유효 면적은 약 347.98m²로 조사되었다. 최근 보편적으로 사용되는 600 W급 모듈의 면적과 설치 간격을 고려할 때 해당 면적에서 설치 가능한 최대 용량은 약 40kWp 수준으로 산정되었다.

둘째, 기관의 전력 사용 특성을 분석한 결과, 최대수요전력은 약 80~100kW 범위에서 발생하며 주간 시간대(09:00~15:00)에 집중되는 것으로 나타났다. 이는 태양광 발전 시간과 높은 일치도를 보이며, 약 40kWp 규모의 태양광 설비를 설치할 경우 과도한 잉여전력 발생 없이 높은 자가소비율 확보가 가능한 수준으로 판단되었다.

셋째, 산업용 전기요금 체계를 적용받는 건물의 경우 자가소비를 통한 전기요금 절감 효과가 경제성 확보에 중요한 요소이므로, 발전량이 수요를 초과하여 계통으로 역송되는 비율을 최소화하는 적정 용량 선정이 필요하다. 이에 따라 자가소비 중심 운영에 적합한 용량으로 약 40kWp를 적용하였다.

마지막으로, 국내 건물형 태양광(BIPV 및 옥상형 PV) 설치 사례에서도 중소형 교육시설의 경우 30~50kWp 범위가 일반적으로 적용되고 있으며, 본 연구 대상의 규모와 부하 특성을 고려할 때 40kWp는 기술적·경제적으로 타당한 용량으로 판단된다.

(2) 기상 데이터

데이터 출처: Meteonorm 8.2

평균 일사량: 약 1344.5kWh/m²/year

평균 기온: 약 13.9℃

(3) 시뮬레이션 결과

연간 발전량: 51.3MWh/year

Specific Production: 1295kWh/kWp/year

Performance Ratio(PR): 0.883

Fig. 2는 태양광 일사량과 시스템 출력 에너지 간의 관계를 나타낸다. 일사량이 증가할수록 시스템 출력 에너지도 증가하는 경향을 보이며, 태양광 발전 시스템이 정상적으로 동작함을 확인할 수 있다.

Fig. 3은 태양광 발전 시스템의 출력 분포를 나타낸다. 발전 출력은 주로 중간 출력 구간에서 많이 분포하며, 이는 실제 태양광 발전이 다양한 일사 조건에서 운전됨을 보여준다.

Fig. 4는 태양광 발전 시스템의 연간 발전량 확률 분포(P50–P90)를 나타낸다. 이를 통해 발전량의 불확실성과 예상 가능한 발전량 범위를 확인할 수 있다.

Fig. 5는 태양광 발전 시스템의 성능비(Performance Ratio, PR)를 나타낸다. PR 값은 시스템의 실제 발전 성능을 평가하는 지표로, 시스템 효율과 운전 상태를 종합적으로 나타낸다.

4.1. 전기요금 분석

본 연구에서는 한국전력공사의 월간 전기품질 분석 보고서를 기반으로 2년간의 전기요금을 분석하였다. 분석 결과, 대상 기관의 연평균 전기요금은 약 5,800만~6,000만 원 수준으로 나타났다.

또한 월별 전기요금은 최대수요전력의 변화에 따라 변동하는 경향을 보였으며, 특히 여름철 냉방 부하 증가로 인해 전기요금이 상승하는 것으로 분석되었다.

2024년과 2025년의 월별 전기요금 비교 결과는 Table 2에 제시하였다.

4.2. 자가소비 모델 분석

본 자가소비 모델은 태양광 발전 전력을 건물 내에서 직접 소비하여 전기요금을 절감하는 구조이다.

본 연구에서는 40kW 태양광 시스템을 적용하고 자가소비율 80%를 기준으로 분석하였다.

분석 결과, 연간 약 51,300kWh의 발전량 중 약 41,040kWh가 자가소비되는 것으로 나타났으며, 이에 따라 연간 약 6,156,000원의 전기요금 절감 효과가 발생하는 것으로 분석되었다. 또한 태양광 발전으로 인한 최대수요전력 감소 효과를 고려할 경우 기본요금 절감 효과도 추가적으로 기대할 수 있다.

4.3. PPA 모델 분석

PPA 모델은 태양광 발전 전력을 계통에 판매하여 수익을 창출하는 구조이다.

본 연구에서는 발전량 전체를 판매하는 경우를 기준으로 분석하였으며, 전력 판매 단가와 출력제어를 반영하여 경제성을 평가하였다.

분석 결과, 출력제어 및 계통 제약으로 인해 실제 발전량이 감소할 수 있으며, 이에 따라 수익 변동성이 존재하는 것으로 나타났다.

식 (1)은 태양광 발전 시스템의 연간 전력 판매 수익을 계산하기 위한 식이다.

Revenue = 51,288× 150 = 7,693,200 (KRW/year)

여기서, Eannual : 연간 발전량 (kWh/year)

Pppa : 전력 판매 단가 (KRW/kWh)

출력제어율에 따른 경제성 분석 결과는 Table 3과 Table 4에 각각 나타내었다. PPA 모델의 경제성은 출력제어율에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 출력제어가 없을 경우(0%) 연간 매출은 약 7.69백만 원이며, 20년 기준 NPV는 약 2,645만 원, IRR은 12.55%로 나타났다. 그러나 출력제어율이 20%로 증가할 경우 NPV는 약 605만 원까지 감소하고 회수기간은 약 13.9년으로 증가하여 투자 매력도가 크게 저하된다.

분석 기간을 25년으로 확장할 경우 NPV와 IRR은 개선되지만, 출력제어의 영향은 여전히 크게 나타났다. 이는 계통 연계형 태양광 발전에서 출력제어 위험이 경제성에 결정적인 요인임을 보여준다.

4.4. 경제성 비교 분석

자가소비 모델과 PPA 모델의 경제성을 비교한 결과는 Table 5에 나타내었다.

순현재가치(NPV), 내부수익률(IRR), 투자회수기간은 재생에너지 발전사업의 경제성 평가에 널리 사용되는 대표적인 지표이다^[4].

Table 5에 나타난 바와 같이, 출력제어가 없다는 가정하에서는 두 모델 모두 경제성이 확보되는 것으로 나타났으나, PPA 모델이 자가소비 모델보다 다소 높은 수익성을 보였다. 그러나 PPA 모델은 전력 판매 단가와 계통 제약, 출력제어 발생 여부에 따라 경제성이 크게 변동하는 특성이 있다^[6]. 반면 자가소비 모델은 전력 판매가 아닌 전기요금 절감 효과에 기반하므로 계통 제약의 영향을 직접적으로 받지 않고 비교적 안정적인 수익 구조를 유지할 수 있다. 특히 주간 전력 사용 비중이 높은 시설에서는 태양광 발전 시간과 부하 발생 시간의 일치도가 높아 자가소비율이 증가하며, 이에 따라 장기적인 경제성이 향상되는 것으로 분석되었다. 따라서 직업훈련기관과 같이 주간 부하 중심의 전력 소비 구조를 가지는 시설에서는 자가소비형 태양광 시스템이 보다 안정적이고 실효성 있는 적용 방안으로 판단된다.

4.5. 민감도 분석

본 연구에서는 주요 경제성 변수의 변동에 따른 영향을 분석하기 위해 기준값 대비 ±20% 범위에서 민감도 시나리오를 설정하였다. 민감도 분석을 통해 금리, 전기요금, 자가소비율 변화에 따른 경제성 변화를 분석하였다.

민감도 분석에 사용된 변수 정의는 Table 6에 정리하였다.

분석 결과, 자가소비율과 전기요금이 증가할수록 경제성이 크게 향상되는 것으로 나타났으며, 산업용 전력 단가 상승 시 자가소비 모델의 경제적 우위가 더욱 확대된다. 자가소비에 따른 경제적 효과는 전력량 요금 절감뿐 아니라 최대수요 감소에 따른 기본요금 절감 효과를 포함할 수 있으나, 본 연구에서는 보수적 평가를 위해 전력량 요금 절감만을 고려하였다.

자가소비율과 전기요금 수준에 따른 절감액은 Table 7에 나타내었다.

여기서, EPV : 연간 태양광 발전량 (kWh/year)

SCR : 자가소비율 (0~1)

Pgrid : 구매 전력 단가 (원/kWh)

할인율 변화에 따른 민감도 분석 결과, 할인율이 증가할수록 순현재가치(NPV)는 감소하고 할인 회수기간은 증가하는 것으로 나타났다. 이는 미래 현금흐름의 현재가치가 할인율 상승에 따라 감소하기 때문이다. 반면 내부수익률(IRR)은 동일한 현금흐름 구조에서 결정되는 프로젝트 고유 수익률이므로 할인율 변화에 직접적으로 영향을 받지 않았다. 또한 25년 시나리오는 20년 시나리오에 비해 추가적인 현금흐름이 반영되므로 모든 할인율 조건에서 더 높은 NPV를 보였다.

할인율 변화에 따른 경제성 분석 결과는 Table 8과 Table 9에 각각 제시하였다.

민감도 분석 결과, 전기요금 상승 및 자가소비율 증가 시 경제성이 크게 향상되는 것으로 나타났다. 전기요금이 증가할수록 자가소비를 통해 절감되는 비용이 증가하기 때문에 NPV와 IRR이 개선되는 경향을 보였다.

반면 할인율 상승은 미래 현금흐름의 현재가치를 감소시켜 경제성을 저하시켰다. 특히 할인율이 높은 경우 초기 투자비 회수가 지연되며 투자 매력도가 감소하는 것으로 나타났다.

자가소비율이 높을수록 잉여 전력 판매 비중이 감소하고 전력 구매 대체 효과가 증가하여 경제성이 개선되었다.

5.1. Installation Cost (CAPEX)

태양광 발전 시스템의 총 설치비는 약 4,500만 원으로 산정하였다. 주요 구성 요소별 비용은 다음과 같다.

태양광 발전 시스템의 설치비 구성은 Table 11에 상세히 제시하였다.

5.2. Operating Cost (OPEX)

연간 운영 및 유지 비용은 설치비의 약 3.26% 수준으로 가정하였다.

연간 운영 및 유지비 구성은 Table 12에 나타내었다.

주요 경제성 분석 결과 요약은 Table 13에 제시하였다.

5.3. 20년, 25년 비교

본 연구에서는 태양광 설비의 경제성을 평가하기 위해 현금흐름 기반 분석을 수행하였다. 초기 투자비, 연간 전기요금 절감액 또는 전력 판매 수익, 운영 및 유지비(O&M), 설비 교체비를 고려하여 연도별 현금흐름을 구성하였다. 이를 기반으로 분석 기간을 20년과 25년으로 설정하고 경제성 지표의 변화를 비교 분석하였다.

분석 기간을 25년으로 확장할 경우 LCOE는 약 97.2/kWh 수준으로 감소하는 것으로 나타났다. 이는 초기 투자비가 더 긴 운영 기간에 걸쳐 분산되기 때문이며, 경제성 평가는 LCOE뿐 아니라 전기요금 절감 효과와 현금흐름 안정성을 함께 고려할 필요가 있다.

본 연구 대상 시스템의 연간 순현금흐름은 약 6.28백만 원으로 나타났으며, 초기 투자비 4,500만 원을 고려할 때 약 11년 후 투자비 회수가 이루어지는 것으로 분석되었다. 분석 기간 20년 종료 시 누적 순이익은 약 2,004만 원으로 나타나 장기적으로 안정적인 경제성을 확보하는 것으로 평가된다.

자가소비 모델과 PPA 모델의 경제성을 NPV, IRR, 투자 회수기간 측면에서 비교한 결과를 나타낸 것이다.

20년 기준 상세 현금흐름 분석 결과는 Table 14에 나타내었다.

현금흐름 분석 결과, 초기 투자 이후 일정 기간 동안 음의 현금흐름이 발생하였으나 전기요금 절감 효과가 누적됨에 따라 투자 회수 이후에는 안정적인 양의 현금흐름이 지속적으로 발생하는 것으로 나타났다. 이는 자가소비형 태양광 설비가 장기적으로 안정적인 비용 절감 효과를 제공함을 의미한다. 출력제어가 없는 이상적인 조건에서는 PPA 모델이 더 높은 수익성을 보일 수 있으나, 실제 운영 환경에서는 전력 판매 단가와 계통 제약에 따라 수익 변동성이 발생할 수 있다. 반면 자가소비 모델은 전력 판매에 의존하지 않고 전기요금 절감에 기반하므로 외부 조건의 영향을 상대적으로 적게 받아 안정적인 경제성을 확보할 수 있다.

5.4. Comparative Analysis

20년과 25년 시나리오를 비교하면 다음과 같다.

분석 기간 20년과 25년의 경제성 비교 결과는 Table 15에 정리하였다.

분석 기간을 25년으로 확장할 경우 단위 발전 비용은 감소하고 투자 수익성은 증가하는 것으로 나타났다. 반면 투자 회수기간은 두 시나리오 모두 9.8년으로 동일하게 나타났다.

5.5. Discussion

태양광 발전 설비는 초기 투자비 비중이 높은 장기 투자 사업으로, 운영 기간이 길어질수록 경제성이 향상되는 특징을 가진다. 특히 산업용 전기요금을 사용하는 시설에서는 자가소비를 통한 전기요금 절감 효과가 안정적인 수익 구조를 형성할 수 있다.

또한 본 연구 대상 기관은 주간 시간대 전력 사용 비중이 높아 태양광 발전 시간과 높은 일치도를 보이며, 이는 높은 자가소비율 확보와 경제성 개선에 중요한 요인으로 작용한다.

해외 연구에서도 자가소비형 태양광 시스템은 분산형 전원으로서 전력망 부담을 완화하고 장기적인 경제적 효과를 제공할 수 있는 것으로 보고되고 있다^{[6, 10]}.