1.1. 연구배경

최근 탄소중립 정책과 재생에너지 보급 확대에 따라 태양광발전(PV)을 중심으로 한 분산에너지 시스템의 도입이 빠르게 증가하고 있다. 우리나라는 「재생에너지 3020 이행계획」과 「제11차 전력수급기본계획」을 통해 재생에너지 보급 확대와 전력계통의 친환경 전환을 추진하고 있으며^{[1, 2]}, 국제에너지기구(IEA)와 국제재생에너지기구(IRENA) 또한 재생에너지 확대와 함께 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)의 활용 필요성을 강조하고 있다^{[3, 4]}.

자가소비형 태양광 발전시스템은 생산된 전력을 현장에서 우선 소비함으로써 전력구입 비용을 절감할 수 있는 대표적인 분산에너지 시스템이다. 그러나 태양광 발전은 발전시간과 전력사용시간이 일치하지 않을 경우 잉여전력이 발생하며, 이로 인해 자가소비율(Self-Consumption Ratio)이 감소할 수 있다. 이러한 한계를 보완하기 위한 방법으로 ESS가 활용되고 있으며, 잉여전력을 저장하였다가 발전량이 부족한 시간대에 활용함으로써 자가소비율 향상과 전기요금 절감효과를 기대할 수 있다^{[4, 6]}.

1.2. 연구의 필요성

기존의 PV-ESS 관련 연구는 발전사업자, 공동주택 또는 상업시설을 중심으로 수행되어 왔으며, 교육시설을 대상으로 한 연구는 상대적으로 부족하다. 특히 직업훈련기관은 전기설비 실습, PLC 실습 및 교육활동이 대부분 주간시간대에 이루어지므로 태양광 발전시간과 전력사용시간의 일치도가 높은 부하특성을 가진다.

본 연구대상 시설의 24개월 전기품질분석자료를 분석한 결과 최대부하는 대부분 오전 9시부터 오후 3시 사이에 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 특성은 태양광 발전전력의 직접 자가소비율을 높이는 데 유리하지만, 일부 잉여전력은 여전히 발생할 수 있다. 따라서 직업훈련기관에서는 ESS를 적용하였을 때 일반적인 상업시설이나 발전사업자와는 다른 경제성이 나타날 가능성이 있으며, 실제 부하특성을 고려한 ESS 적용성 검토가 필요하다.

1.3. 연구목적

본 연구는 산업용 전기요금을 적용받는 특정 직업훈련기관을 대상으로 자가소비형 태양광 발전시스템에 ESS를 추가 적용할 경우의 자가소비율 변화와 증분 경제성을 분석하고, 동일한 분석조건에서 ESS 용량별 상대적 경제성을 비교하여 적용 범위를 검토하는 사례연구(Case Study)를 목적으로 한다.

이를 위하여 기존 연구에서 구축한 39.6 kWp 자가소비형 태양광 발전시스템을 기준으로 ESS를 추가 적용하였으며, PV 단독 시스템을 기준안으로 설정하여 20kWh, 40kWh, 60kWh 및 80kWh의 ESS 용량 시나리오를 비교하였다.

각 시나리오에 대하여 자가소비율 변화, 연간 전기요금 절감액, ESS 추가 설치에 따른 연간 증분편익, 순현재가치(Net Present Value, NPV), 내부수익률(Internal Rate of Return, IRR) 및 투자회수기간(Payback Period, PBP)을 분석하였다. 또한 경제성 분석 결과와 자가소비율 향상효과를 종합적으로 비교하여 대상 시설에 적용 가능한 ESS 용량 범위를 검토하였다.

1.4. 연구범위 및 방법

본 연구는 대구광역시에 위치한 직업훈련기관을 대상으로 수행하였다. 대상 시설은 산업용(고압A) 전기요금제를 적용받으며, 교육과 실습활동이 대부분 주간시간대에 이루어지는 대표적인 주간부하형 수용가이다.

태양광 발전설비는 기존 연구에서 설계한 39.6kWp 계통연계형 시스템을 기준으로 적용하였으며, PVsyst를 이용하여 연간 발전량을 산정하였다. 또한 기존 자가소비형 태양광 경제성 연구 결과와 대상 시설의 부하특성을 고려하여 기준 자가소비율을 80%로 설정하였다.

ESS는 리튬인산철(LFP) 배터리를 대상으로 하였으며, 왕복효율은 90%, SOC 운전범위는 20~90%로 적용하였다. ESS 용량은 20kWh, 40kWh, 60kWh 및 80kWh의 네 가지 시나리오로 구성하였으며, PV 단독 시스템을 기준으로 ESS 추가 설치에 따른 증분비용과 증분편익을 비교하여 경제성을 평가하였다. 경제성 평가는 순현재가치(NPV), 내부수익률(IRR) 및 투자회수기간(PBP)을 이용하였으며, 자가소비율 향상효과와 경제성 분석 결과를 종합적으로 고려하여 대상 시설에 적용 가능한 ESS 용량 범위를 검토하였다.

2.1. 자가소비형 태양광 발전시스템

자가소비형 태양광 발전시스템(Self-Consumption Photovoltaic System)은 생산된 전력을 전력계통으로 판매하기보다 수용가에서 우선 소비하는 방식으로 운영된다. 이러한 시스템은 전력구입량을 감소시켜 전기요금을 절감할 수 있으며, 전력계통 의존도를 낮출 수 있다는 장점을 가진다. 특히 산업용 및 업무용 건물과 같이 주간부하 비중이 높은 수용가에서는 태양광 발전시간과 전력사용시간의 일치도가 높아 자가소비율 향상에 유리한 것으로 보고되고 있다^{[5, 6]}.

자가소비율(Self-Consumption Ratio)은 태양광 발전량 중 수용가에서 직접 소비되는 전력의 비율을 의미하며, 자가소비율이 증가할수록 전력구입량이 감소하여 경제성이 향상되는 것으로 알려져 있다. 따라서 자가소비형 태양광 시스템의 경제성은 설치용량뿐만 아니라 부하특성, 전력요금 체계 및 자가소비율에 크게 영향을 받는다.

2.2. 자가소비형 PV-ESS 시스템의 운전 특성

자가소비형 PV-ESS 시스템은 태양광 발전전력을 부하에 우선 공급하고, 발전량이 부하를 초과할 경우 발생하는 잉여전력을 ESS에 저장한 후 발전량이 부족한 시간대에 방전하여 활용하는 방식으로 운영된다.

ESS는 일반적으로 배터리(Battery), 전력변환장치(Power Conversion System, PCS) 및 에너지관리시스템(Energy Management System, EMS)으로 구성된다. 배터리는 전기에너지를 저장하고, PCS는 충·방전 과정에서 전력변환을 수행하며, EMS는 태양광 발전량, 부하전력 및 배터리의 충전상태(State of Charge, SOC)를 종합적으로 고려하여 충·방전 운전을 제어한다.

PV-ESS 시스템의 성능은 ESS의 명목용량뿐 아니라 SOC 운전범위, 충·방전 효율, PCS 용량, 태양광 발전패턴과 부하패턴의 시간적 일치도, 그리고 운전전략에 의해 결정된다. 특히 주간부하 비중이 높은 시설은 태양광 발전전력을 직접 소비하는 비율이 높기 때문에 ESS 추가 설치에 따른 경제적 편익이 상대적으로 제한될 수 있다. 따라서 ESS 적용효과는 전체 전기요금 절감액이 아니라 PV 단독 시스템 대비 ESS 설치에 따른 추가 절감편익을 기준으로 평가할 필요가 있다.

2.3. 태양광 연계 ESS 용량 및 경제성 관련 선행연구

기존 PV-ESS 연구에서는 부하곡선과 태양광 발전곡선을 기반으로 ESS 용량을 산정하거나, 전기요금 절감 및 자가소비율 향상을 목적함수로 설정하여 경제성을 분석하는 연구가 주로 수행되어 왔다.

강민수^[7]는 태양광 연계 ESS의 경제성을 고려한 용량 산정모델을 제안하였으며, Lee 등^[8]은 건물형 PV-ESS 시스템에서 부하특성과 에너지관리전략을 고려한 ESS 용량 산정의 중요성을 제시하였다. 또한 Koskela 등^[9]은 전력요금, PV 용량 및 ESS 용량 변화에 따른 경제성을 분석하였으며, Uhlemeyer 등^[10]은 건물의 부하특성과 태양광 발전의 시간적 일치도가 ESS 적정용량 결정에 중요한 영향을 미친다고 보고하였다.

그러나 대부분의 선행연구는 주거용 또는 상업용 건물을 대상으로 시간단위 부하데이터와 최적화 기법을 적용하였으며, 산업용 전기요금을 적용받는 직업훈련기관을 대상으로 PV 단독 시스템 대비 ESS 추가 설치의 증분 경제성을 분석한 연구는 매우 제한적이다.

또한 주간부하 비중이 높은 교육시설에서는 태양광 발전전력의 직접 자가소비율이 이미 높은 수준을 보일 가능성이 있으므로, ESS 용량을 증가시키더라도 추가적인 경제적 편익은 제한될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 ESS 설치를 전제로 경제적 최적용량을 도출하기보다, PV 단독 시스템을 기준으로 ESS 용량별 추가 투자와 추가 편익을 비교하여 기술적 적용 가능성과 경제성을 종합적으로 평가하였다.

2.4. ESS 경제성 평가 방법

ESS의 경제성은 일반적으로 순현재가치(Net Present Value, NPV), 내부수익률(Internal Rate of Return, IRR), 투자회수기간(Payback Period, PBP) 등을 이용하여 평가한다.

순현재가치(NPV)는 분석기간 동안 발생하는 순현금흐름을 할인율로 현재가치화한 후 초기 투자비를 차감한 값으로, NPV가 0 이상이면 경제성이 있는 것으로 판단한다.

내부수익률(IRR)은 순현재가치를 0으로 만드는 할인율이며, 내부수익률이 기준 할인율보다 높을 경우 투자 타당성이 있는 것으로 평가한다.

투자회수기간(PBP)은 초기 투자비를 연간 순편익으로 나누어 산정하며, 투자회수기간이 분석기간보다 짧을수록 경제성이 우수한 것으로 판단한다.

본 연구에서는 PV 단독 시스템을 기준안으로 설정하고, ESS 추가 설치에 따른 증분비용과 증분편익을 이용하여 NPV, IRR 및 PBP를 산정하였다. 이를 통해 ESS 용량 증가에 따른 경제성 변화를 비교·분석하였다.

2.5. 기존 연구와의 차별성

기존 PV-ESS 연구는 발전사업자, 공동주택 및 상업시설을 중심으로 수행되어 왔으며, 대부분 ESS 설치를 전제로 최적용량을 산정하거나 투자수익을 극대화하는 데 초점을 두었다.

반면 본 연구는 직업훈련기관의 실제 부하특성을 고려한 자가소비형 태양광 발전시스템을 대상으로 수행한 기존 연구^[11]을 기반으로 ESS를 추가 적용하여 경제성을 확장 분석한 연구라는 점에서 차별성을 가진다. 기존 연구에서는 39.6 kWp 자가소비형 태양광 시스템의 발전량과 경제성을 분석하였으며^[11], 본 연구에서는 동일한 PV 시스템과 발전량 데이터를 기준으로 ESS 용량별 증분 경제성을 비교하였다.

또한 본 연구는 ESS 설치 자체를 전제로 하지 않고, PV 단독 시스템 대비 ESS 설치에 따른 추가 편익과 추가 투자비를 비교하여 경제성을 평가하였다. 경제성 분석 결과 특정 ESS 용량이 경제성을 확보하지 못하는 경우에도 자가소비율 향상효과, 초기 투자부담 및 용량 증가에 따른 한계편익을 종합적으로 고려하여 우선 검토 가능한 용량 범위를 제시하였다는 점에서 기존 연구와 차별성을 가진다.

3.1. 연구 개요

본 연구는 산업용 전기요금을 적용받는 직업훈련기관을 대상으로 자가소비형 태양광 발전시스템에 ESS를 추가 적용할 경우의 자가소비율 변화와 증분 경제성을 분석하였다.

먼저 대상 시설의 2024년 1월부터 2025년 12월까지의 전기품질분석자료를 이용하여 부하특성을 분석하였다. 이후 기존 연구에서 설계한 39.6 kWp 자가소비형 태양광 발전시스템을 기준으로 PVsyst를 이용하여 연간 발전량을 산정하고, 기준 자가소비율을 적용하여 잉여전력 규모를 산출하였다.

이를 바탕으로 20kWh, 40kWh, 60kWh 및 80kWh의 ESS 용량 시나리오를 구성하였으며, ESS 용량 증가에 따른 자가소비율 변화와 연간 전기요금 절감효과를 비교하였다.

경제성 분석은 PV 단독 시스템을 기준안(Baseline)으로 설정하고, ESS 설치에 의해 추가로 발생하는 절감편익과 ESS 투자비 및 운영·유지관리비를 이용하여 증분 현금흐름을 산정하였다. 경제성 평가는 순현재가치(NPV), 내부수익률(IRR) 및 투자회수기간(PBP)을 이용하였다.

본 연구는 수학적 최적화 알고리즘을 이용하여 단일 최적용량을 산정하는 연구가 아니라, 동일한 조건에서 ESS 용량별 상대적 경제성을 비교하는 사례연구(Case Study)이다. 따라서 경제성 기준을 충족하는 용량이 존재하지 않는 경우에는 특정 ESS 용량을 경제적 최적용량으로 제시하지 않고, 상대적으로 우선 검토 가능한 용량 범위를 제시하였다.

본 연구의 전체 연구절차는 Fig. 1과 같다.

3.2. 연구대상 시설

연구대상은 대구광역시에 위치한 직업훈련기관으로 산업용(고압A) 전기요금제를 적용받는 교육시설이다.

대상 시설은 전기설비 실습실, PLC 실습실, 강의실 및 냉·난방 설비를 운영하고 있으며 교육활동 대부분이 주간시간대에 이루어진다. 따라서 일반적인 상업시설보다 태양광 발전시간과 전력사용시간의 일치도가 높은 특성을 가진다.

본 연구에서 적용한 태양광 발전설비는 기존 자가소비형 태양광 경제성 연구에서 설계한 39.6kWp 계통연계형 시스템을 그대로 적용하였다. 따라서 ESS 용량별 비교는 동일한 PV 시스템 조건에서 수행하였다.

(1) 연구대상 개요

수용가 형태 : 직업훈련기관

PV설치 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°)

연구대상 직업훈련기관과 적용된 태양광 발전시스템의 주요 조건은 Table 1과 같다.

3.3. 부하특성 분석

부하특성은 2024년 1월부터 2025년 12월까지의 전기품질분석자료를 이용하여 분석하였다.

분석자료에는 월별 최대수요전력, 최대부하 발생시간 및 월별 전력사용량이 포함되어 있으며 이를 통해 대상 시설의 전력사용 특성을 분석하였다.

분석 결과 최대부하는 대부분 오전 9시부터 오후 3시 사이에 발생하는 것으로 나타났다. 이는 직업훈련기관의 교육과 실습활동이 대부분 주간에 이루어지기 때문으로 판단된다.

이와 같은 부하특성은 태양광 발전시간과 부하발생시간의 일치도를 높여 자가소비형 태양광 발전시스템 운영에 유리한 조건을 제공한다. 그러나 일부 잉여전력은 여전히 발생할 수 있으므로 ESS 적용 효과를 검토할 필요가 있다.

본 연구에서 활용한 전기품질분석자료는 시간별 부하곡선이 아닌 월별 최대부하 정보를 제공하므로, 실제 ESS 충·방전 시뮬레이션 입력자료로 사용하지는 않았다. 대신 연구대상 시설이 주간부하형 수용가임을 확인하는 근거자료로 활용하였다.

3.4. 태양광 발전량 산정

본 연구에서 적용한 39.6kWp 태양광 발전시스템은 기존 자가소비형 태양광 경제성 연구에서 설계·검증한 시스템을 그대로 적용하였다^[11]. 따라서 모든 ESS 용량 시나리오는 동일한 PV 발전량 조건을 기준으로 비교하였다.

태양광 발전량은 PVsyst Version 8.0^[12]을 이용하여 산정하였다.

기상자료는 Meteonorm 8.2^[13]를 적용하였으며, 설치지역은 대구광역시로 설정하였다.

시뮬레이션 결과 연간 발전량은 51,288kWh, 단위설비용량당 발전량은 1,295kWh/kWp·yr, 성능비(PR)는 88.32%로 분석되었다.

본 연구에 적용한 태양광 발전시스템의 주요 구성조건은 Table 2에 제시하였으며, PVsyst를 이용한 태양광 발전량 시뮬레이션 결과는 Table 3과 같다.

3.5. ESS 용량 산정 방법

ESS 용량은 20kWh, 40kWh, 60kWh 및 80kWh의 네 가지 시나리오로 설정하였다.

기준 시나리오에서 연간 잉여전력은 약 10,258kWh이며, 일평균 잉여전력은 약 28.1kWh/day로 산정되었다.

ESS 용량에 따른 상대적 경제성을 비교하기 위하여 Table 4와 같이 0, 20, 40, 60 및 80kWh의 용량 시나리오를 구성하였다.

ESS 모델링에 적용한 배터리 종류, 용량, 왕복효율, SOC 운전범위 및 배터리 수명 조건은 Table 5와 같다. 배터리 수명은 설비 특성의 참고조건으로 제시하였으며, 본 연구의 경제성 분석에서는 배터리 교체비용과 열화에 따른 용량 감소를 반영하지 않았다.

Table 6의 ESS 용량별 자가소비율은 시간단위 충·방전 시뮬레이션을 통해 직접 산출한 값이 아니라, ESS가 기준 잉여전력 중 일부를 저장하여 추가로 자가소비하는 비율을 단계적으로 설정한 비교 시나리오이다. 본 연구에서는 ESS가 잉여전력 중 저장·활용하는 비율을 잉여전력 포착률(Surplus Energy Capture Ratio)로 정의하였다.

ESS 미적용 시 기준 자가소비율은 80%이며 잉여전력 비율은 20%이다. ESS 적용 후 자가소비율은 다음 식과 같이 기준 자가소비율에 ESS가 추가로 포착한 잉여전력 비율을 더하여 산정하였다.

여기서,

$SCR_{i}$는 ESS 용량별 자가소비율

$SCR_{0}$는 ESS 미적용 기준 자가소비율

$\alpha_{i}$는 ESS 용량별 유효 잉여전력 포착률을 의미한다.

본 연구에서 유효 잉여전력 포착률은 ESS의 SOC 운전범위와 왕복효율에 따른 충·방전 손실을 고려하여 최종적으로 부하에서 추가 자가소비되는 잉여전력의 비율을 의미하는 시나리오 입력값이다.

이에 따라 ESS의 자가소비율은

20kWh는 80%+(20%×35%)=87%,

40kWh는 80%+(20%×60%)=92%,

60kWh는 80%+(20%×75%)=95%,

80kWh는 80%+(20%×80%)=96%로 산정하였다.

잉여전력 포착률은 실제 시계열 운영결과가 아니라 동일한 조건에서 ESS 용량 증가에 따른 상대적인 경제성 변화를 비교하기 위한 시나리오 입력값이다. 따라서 본 연구에서 제시한 자가소비율은 실제 운영성과를 의미하지 않으며, 향후 시간별 또는 15분 단위 부하데이터와 태양광 발전데이터를 이용한 충·방전 시뮬레이션을 통해 검증할 필요가 있다.

본 연구에서 적용한 39.6kWp 태양광 발전시스템은 연구대상 시설을 대상으로 수행한 기존 자가소비형 태양광 경제성 연구에서 설계·검증된 기준 시스템을 그대로 적용하였다. 해당 시스템은 대상 시설의 옥상면적(347.98㎡), 설치 가능한 모듈 배치, 유지관리 공간 및 설치조건을 종합적으로 고려하여 600 W급 단결정 태양광 모듈 66장을 적용한 설계용량이다. 또한 인버터는 기존 시스템에서 적용한 50kW급 사양을 동일하게 사용하였다. 본 연구의 목적은 PV 시스템이나 인버터의 최적설계가 아니라 동일한 PV 시스템 조건에서 ESS 용량 변화에 따른 상대적 경제성을 비교하는 데 있으므로, 모든 ESS 용량 시나리오에 동일한 PV 및 인버터 조건을 적용하였다.

20kWh는 소규모 ESS 적용 가능성을 검토하기 위한 최소 용량으로 설정하였으며, 40kWh와 60kWh는 ESS 용량 증가에 따른 자가소비율 향상 효과를 비교하기 위한 단계적 시나리오로 적용하였다. 또한 80 kWh는 일평균 잉여전력을 초과하는 조건으로 설정하여 과대설치에 따른 한계편익 감소 여부를 검토하였다.

ESS의 명목용량은 SOC 운전범위와 충·방전 손실로 인해 전 용량을 실제로 이용할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 SOC 운전범위와 왕복효율을 고려하여 ESS 용량별 사용 가능 에너지와 유효 공급에너지를 각각 식 (2)와 식 (3)을 이용하여 산정하였다. SOC 운전범위 20~90%를 적용한 사용 가능 에너지는 20, 40, 60 및 80kWh ESS에서 각각 14.0, 28.0, 42.0 및 56.0kWh로 산정되었다. 여기에 왕복효율 90%를 적용한 유효 공급에너지는 각각 12.6, 25.2, 37.8 및 50.4kWh로 나타났다.

여기서,

$E_{usable,i}$ : ESS 용량별 사용가능에너지(kWh)

$C_{i}$: ESS 명목용량(kWh)

$SOC_{max}$ : 최대 SOC(90%)

$SOC_{min}$ : 최소 SOC(20%)

여기서,

$E_{effective,i}$ : ESS 용량별 유효 공급에너지(kWh)

$\eta_{rt}$ : ESS 왕복효율(90%)

기준 시나리오의 일평균 잉여전력은 약 28.1kWh/day이므로, 20kWh ESS의 유효 공급에너지는 일평균 잉여전력의 약 44.8%, 40kWh ESS는 약 89.7%, 60kWh ESS는 약 134.5%, 80kWh ESS는 약 179.4%에 해당한다. 이에 따라 20kWh 시나리오는 일부 잉여전력의 활용 가능성을 검토하기 위한 소용량 조건이며, 40kWh 시나리오는 일평균 잉여전력과 유사한 수준의 유효 공급에너지를 제공하는 조건으로 해석할 수 있다. 반면 60kWh와 80kWh 시나리오는 일평균 잉여전력을 초과하는 조건으로서, 일별 변동 및 과대설치에 따른 한계편익 감소를 비교하기 위한 시나리오이다.

다만 Table 7의 유효 공급에너지는 ESS 명목용량에 SOC 운전범위와 왕복효율을 적용하여 산정한 용량 기준의 에너지값이며, 실제 시간별 충·방전 시뮬레이션 결과를 의미하지 않는다. 반면 Table 6의 잉여전력 포착률은 연간 잉여전력 중 ESS를 통해 최종적으로 추가 자가소비되는 비율을 나타내는 시나리오 입력값이다. 따라서 두 지표는 동일한 의미를 갖지 않으며, Table 7은 ESS 용량의 물리적 규모를 비교하기 위한 참고자료이고, Table 6은 경제성 분석을 위한 시나리오 조건으로 적용하였다.

3.6. ESS 모델링 조건 및 운전 알고리즘

ESS 미적용 시 기준 자가소비율은 80%로 설정하였다.

ESS는 태양광 발전량이 부하보다 많은 경우 잉여전력을 우선 저장하고, 발전량이 부족한 시간에는 저장된 전력을 우선 공급하는 방식으로 운전하는 것으로 가정하였다.

배터리의 왕복효율(Round-Trip Efficiency)은 90%, SOC 운전범위는 20~90%를 적용하였다.

본 연구에서는 시간별 또는 15분 단위 부하데이터를 확보하지 못하였으므로 실제 시계열 기반 충·방전 시뮬레이션은 수행하지 않았다.

따라서 ESS 적용 후 자가소비율은 실제 운전결과가 아니라 ESS 용량별 잉여전력 포착률을 적용한 비교 시나리오이다. 이러한 접근은 동일한 조건에서 ESS 용량 변화에 따른 상대적 경제성을 비교하기 위한 연구목적에 부합한다.

건물형 태양광 시스템의 자가소비 특성은 건물의 부하패턴과 태양광 발전시간의 일치도에 따라 달라질 수 있다. Martín-Chivelet과 Montero-Gómez^[14]는 업무용 건물의 자가소비 특성을 분석하였으며, Al-Saadi 등^[15]은 상업용 건물의 수요 프로파일이 태양광 시스템 구성에 미치는 영향을 제시하였다. 또한 Elkholy 등^[16]은 부하 및 발전데이터의 시간해상도가 태양광 자가소비와 계통 상호작용 분석결과에 영향을 줄 수 있음을 보고하였다. 따라서 실제 ESS 적용효과를 정밀하게 평가하기 위해서는 시간별 또는 15분 단위 부하 및 태양광 발전데이터를 이용한 시계열 분석이 필요하다.

3.7. 경제성 평가 방법

경제성 평가는 PV 단독 시스템을 기준안으로 수행하였다.

ESS 설치에 따른 추가 절감액은 PV-ESS 시스템의 연간 절감액에서 PV 단독 시스템의 연간 절감액을 차감하여 산정하였다.

연간 순편익은 추가 절감액에서 ESS 운영·유지관리비를 차감하여 계산하였다.

경제성 평가지표는 순현재가치(NPV), 내부수익률(IRR) 및 투자회수기간(PBP)을 적용하였다.

여기서 $B_{ESS}$는 ESS 설치에 따른 연간 추가 절감액, $S_{PV-ESS}$는 ESS 용량별 PV-ESS 시스템의 연간 절감액, $S_{PV}$는 PV 단독 시스템의 연간 절감액을 의미한다.

ESS의 연간 순편익은 연간 추가 절감액에서 ESS 운영·유지관리비를 차감하여 산정하였다.

여기서 $NB_{ESS}$는 ESS 연간 순편익이며, $C_{OM}$는 ESS의 연간 운영·유지관리비이다.

순현재가치는 분석기간 동안 발생하는 ESS 연간 순편익을 할인율로 현재가치화한 후 ESS 초기 투자비를 차감하여 산정하였다.

여기서 $I_{0}$는 ESS 초기 투자비, $CF_{t}$는 t년도의 순현금흐름, r은 할인율, n은 분석기간이다.

내부수익률은 ESS 증분 현금흐름의 순현재가치를 0으로 만드는 할인율로 산정하였다. 투자회수기간은 ESS 초기 투자비를 연간 순편익으로 나누어 산정하였다.

순현재가치가 0 이상이고 내부수익률이 기준 할인율보다 높으며 투자회수기간이 분석기간 이내일 경우 ESS 추가 투자의 경제성이 확보된 것으로 판단하였다.

ESS 용량에 따른 PV 단독 및 PV-ESS 시스템의 연간 전기요금 절감액은 Table 8과 같다.

ESS 설치단가를 500,000원/kWh로 적용하여 산정한 용량별 초기 투자비는 Table 9와 같다.

3.8. 경제성 분석 조건 및 적용 근거

본 연구의 경제성 분석은 ESS 용량별 상대적 경제성을 동일한 조건에서 비교하기 위한 사례분석으로 수행하였다. 분석기간은 20년, 할인율은 6%, 전력가치는 150원/kWh로 설정하였다.

ESS 설치단가는 500,000원/kWh로 설정하였으며, 연간 운영·유지관리비는 초기 투자비의 2%로 가정하였다. 해당 값은 특정 사업의 실제 견적이나 확정된 시장가격을 의미하지 않으며, ESS 용량 변화에 따른 증분 경제성을 동일한 조건에서 비교하기 위한 시나리오 입력값으로 적용하였다.

본 연구의 경제성 분석에 적용한 주요 조건은 Table 10에 정리하였다.

Table 11은 PV 단독 시스템을 기준으로 ESS 추가 설치에 따른 증분 현금흐름을 나타낸다. ESS 설치에 따른 연간 추가 절감액은 각 PV-ESS 시나리오의 연간 전기요금 절감액에서 PV 단독 시스템의 연간 절감액 6,154,560원을 차감하여 산정하였다.

20kWh ESS의 연간 추가 절감액은 538,524원이며, 연간 운영·유지관리비 200,000원을 차감한 연간 순편익은 338,524원으로 산정되었다. 40kWh ESS의 연간 순편익은 523,184원, 60kWh ESS는 553,980원, 80kWh ESS는 430,912원으로 분석되었다.

ESS 용량 증가에 따라 자가소비율과 전체 전기요금 절감액은 증가하였으나, 운영·유지관리비를 고려한 연간 순편익은 60kWh까지 증가한 후 80kWh에서 감소하였다. 이는 ESS 용량 증가에 따른 자가소비율 향상폭이 점차 감소하여 대용량 ESS의 한계편익이 낮아지기 때문이다.

본 연구의 목적은 동일한 조건에서 ESS 용량 증가에 따른 상대적 경제성을 비교하는 것이므로, 모든 ESS 시나리오에 동일한 ESS 단위 설치비, 운영·유지관리비율 및 경제성 분석조건을 적용하였다. 따라서 배터리 교체비와 용량 저하는 경제성 분석에 포함하지 않았으며, 이는 본 연구의 한계로 고려하였다. 향후에는 배터리 교체주기와 열화특성을 반영한 생애주기 경제성(Life Cycle Cost) 분석이 필요하다.

본 연구의 경제성 분석에서는 20년 동안 동일한 연간 순편익이 발생하는 것으로 단순화하여 현금흐름을 산정하였다. Table 5에 제시한 배터리 수명 15년은 일반적인 설비 특성을 나타내는 참고조건이며, 16년 차 이후의 배터리 교체비용과 열화에 따른 편익 감소는 본 분석에 반영하지 않았다. 따라서 본 연구의 NPV와 IRR은 실제 생애주기 경제성을 다소 과대평가할 가능성이 있으며, 절대적인 사업 타당성보다는 동일한 가정하에서 ESS 용량별 상대적 경제성을 비교한 결과로 해석해야 한다.

4.1. 부하특성 분석

본 연구에서는 2024년 1월부터 2025년 12월까지 수집한 24개월간의 전기품질분석자료를 이용하여 대상 시설의 부하특성을 분석하였다.

분석 결과 최대수요전력은 대부분 오전 9시부터 오후 3시 사이에 발생하는 것으로 나타났으며, 이는 직업훈련기관의 교육과 실습활동이 주간시간대에 집중되는 운영특성과 일치하였다. 이러한 특성은 태양광 발전시간과 전력사용시간의 중첩도를 높여 자가소비형 태양광 발전시스템 운영에 유리한 조건을 제공한다.

그러나 주간부하 비중이 높더라도 태양광 발전량이 순간적으로 부하를 초과하는 시간대에는 잉여전력이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 잉여전력을 ESS를 이용하여 저장·활용할 경우 추가적인 경제적 편익을 확보할 수 있는지를 검토하였다.

본 연구에서 활용한 자료는 월별 최대수요전력과 최대부하 발생시간을 포함한 전기품질분석자료이며, 시간별 또는 15분 단위의 연속 부하데이터는 포함하지 않는다. 따라서 실제 ESS 충·방전 시뮬레이션은 수행하지 않았으며, 부하특성은 연구대상 시설이 주간부하형 수용가임을 확인하는 근거자료로 활용하였다.

4.2. 태양광 발전량 분석

태양광 발전량은 PVsyst Version 8.0을 이용하여 산정하였다.

기상자료는 Meteonorm 8.2를 적용하였으며 설치지역은 대구광역시로 설정하였다. 기존 연구에서 설계한 39.6kWp 자가소비형 태양광 발전시스템을 동일하게 적용한 결과 연간 발전량은 51,288kWh, 단위설비용량당 발전량은 1,295kWh/kWp·yr, 성능비(PR)는 88.32%로 분석되었다.

4.3. 경제성 분석

ESS는 태양광 발전시간에 발생하는 잉여전력을 저장하였다가 발전량이 부족한 시간대에 활용함으로써 자가소비율을 향상시킬 수 있다. 그러나 ESS 용량이 증가할수록 초기 투자비와 운영·유지관리비 또한 증가하므로, 자가소비율 향상만으로 경제성을 판단하기는 어렵다.

본 연구에서는 PV 단독 시스템을 기준안으로 설정하고, ESS 설치에 따른 추가 절감편익과 추가 투자비를 이용하여 증분 경제성을 평가하였다.

분석 결과 ESS 용량 증가에 따라 연간 전기요금 절감액은 지속적으로 증가하였다. 그러나 추가 절감편익의 증가폭은 ESS 용량 증가에 비례하지 않았으며, 특히 40kWh 이후부터는 자가소비율 향상폭이 점차 감소하는 경향을 보였다.

이는 대상 시설이 주간부하형 수용가로서 이미 높은 자가소비율을 확보하고 있기 때문에 ESS 용량을 확대하더라도 활용 가능한 잉여전력이 제한되기 때문이다. 따라서 ESS 용량 증가에 따른 한계편익(Marginal Benefit)이 점차 감소하는 것으로 해석된다.

4.4. 순현재가치(NPV) 분석

순현재가치는 ESS 설치에 따른 연간 순편익을 분석기간 동안 현재가치로 환산한 후 초기 투자비를 차감하여 산정하였다. 분석기간은 20년, 할인율은 6%를 적용하였으며, ESS 용량별 순현재가치 분석 결과는 Table 12와 같다.

분석 결과 20kWh ESS의 순현재가치는 약 -6.12백만원, 40kWh는 -14.00백만원, 60kWh는 -23.65백만원, 80kWh는 -35.06백만원으로 나타났다.

모든 ESS 용량에서 순현재가치가 음수로 분석되었으며, ESS 용량이 증가할수록 음의 값이 더욱 커지는 경향을 보였다.

이는 ESS 용량 증가에 따른 추가 절감편익보다 초기 투자비 증가폭이 더 크기 때문이며, 현재의 전력요금과 ESS 설치단가 조건에서는 경제성이 확보되지 않는 것으로 판단된다.

특히 20kWh 시나리오는 모든 시나리오 가운데 순현재가치 손실이 가장 작게 나타나 상대적으로 가장 유리한 경제성을 보였다.

Fig. 2에서 ESS 용량이 증가할수록 순현재가치의 음수 폭이 확대되는 것으로 나타났다. 20kWh 시나리오의 순현재가치는 약 -6.12백만원으로 상대적으로 가장 높았으며, 80kWh 시나리오에서는 약 -35.06백만원까지 감소하였다. 이는 ESS 용량 증가에 따른 추가 전기요금 절감효과보다 초기 투자비 증가가 더 크게 작용하기 때문으로 판단된다.

4.5. 내부수익률(IRR) 분석

내부수익률(IRR)은 ESS 설치에 따른 순현재가치를 0으로 만드는 할인율을 의미한다.

분석 결과 20kWh는 -3.45%, 40kWh는 -5.50%, 60kWh는 -8.04%, 80kWh는 -11.58%로 나타났으며, 모든 시나리오에서 기준 할인율(6%)보다 낮았다.

또한 ESS 용량이 증가할수록 내부수익률은 지속적으로 감소하였다.

ESS 용량별 내부수익률 분석 결과는 Table 13과 Fig. 3에 제시하였다. 분석 결과 20kWh는 -3.45%, 40kWh는 -5.50%, 60kWh는 -8.04%, 80kWh는 -11.58%로 나타났으며, 모든 시나리오에서 기준 할인율인 6%보다 낮았다.

이는 ESS 용량 증가에 따른 추가 수익 증가폭보다 초기 투자비 증가폭이 더 크다는 것을 의미하며, 현재의 경제성 조건에서는 대용량 ESS일수록 투자 타당성이 더욱 낮아지는 것으로 분석되었다.

4.6. 투자회수기간 분석

투자회수기간은 ESS 초기 투자비를 연간 순편익으로 나누어 산정하였다.

분석 결과 20kWh는 약 29.5년, 40kWh는 약 38.2년, 60kWh는 약 54.2년, 80kWh는 약 92.8년으로 나타났다.

모든 ESS 용량에서 투자회수기간이 분석기간인 20년을 초과하였다.

이는 ESS 용량 증가에 따라 초기 투자비는 선형적으로 증가하는 반면, 추가 절감편익은 점차 포화되는 특성을 보였기 때문이다.

따라서 현재의 ESS 설치단가와 전력요금 조건에서는 투자회수기간 기준에서도 경제성을 확보하기 어려운 것으로 판단된다.

ESS 용량별 투자회수기간 분석 결과는 Table 14와 Fig. 4에 제시하였다. 분석 결과 20kWh는 약 29.5년, 40kWh는 약 38.2년, 60kWh는 약 54.2년, 80kWh는 약 92.8년으로 나타났다.

4.7. 적정 ESS 용량 검토

본 연구에서는 자가소비율, 연간 추가 절감편익, 연간 순편익, 순현재가치(NPV), 내부수익률(IRR) 및 투자회수기간(PBP)을 종합적으로 비교하여 특정 직업훈련기관을 대상으로 한 사례연구 관점에서 ESS 용량별 상대적 경제성을 검토하였다.

분석 결과 ESS 용량이 증가할수록 자가소비율과 연간 전기요금 절감액은 증가하였으나, 추가 절감편익은 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 특히 40kWh 이후에는 ESS 용량 증가에 따른 자가소비율 향상폭과 경제적 편익 증가폭이 모두 둔화되었다.

20kWh 시나리오는 연간 순편익은 가장 크지 않았지만 초기 투자비가 가장 낮아 순현재가치 손실과 투자회수기간 측면에서 상대적으로 유리하였다. 반면 60kWh와 80kWh는 자가소비율은 높았지만 추가 투자비 증가에 비해 경제적 편익 증가폭이 작아 경제성이 더욱 불리하게 나타났다.

다만 ESS 설치가 정책적·운영상 별도로 요구되는 경우에는 자가소비율 향상효과, 초기 투자부담 및 용량 증가에 따른 한계편익 감소를 종합적으로 고려하여 20~40kWh 범위를 우선 검토 가능한 용량 범위로 제시할 수 있다. 그러나 이는 경제성이 확보된 최적 ESS 용량이나 실제 설치 권고용량을 의미하지 않으며, 실제 적용을 위해서는 시간별 또는 15분 단위 부하데이터와 태양광 발전데이터를 이용한 시계열 충·방전 시뮬레이션과 추가적인 기술적 검증이 필요하다.

5.1. 결론

본 연구는 산업용 전기요금을 적용받는 특정 직업훈련기관을 대상으로 자가소비형 태양광 발전시스템에 ESS를 추가 적용할 경우의 자가소비율 변화와 증분 경제성을 분석하고, 동일한 분석조건에서 ESS 용량별 상대적 경제성을 비교한 사례연구이다.

대상 시설의 24개월간 전기품질분석자료를 분석한 결과 최대부하는 대부분 오전 9시부터 오후 3시 사이에 발생하였으며, 태양광 발전시간과 전력사용시간의 일치도가 높은 대표적인 주간부하형 수용가의 특성을 나타냈다.

태양광 발전량은 기존 자가소비형 태양광 발전시스템 연구에서 설계·검증된 39.6kWp PV 시스템을 기반으로 PVsyst를 이용하여 산정하였다. 연간 발전량은 51,288kWh, 단위설비용량당 발전량은 1,295kWh/kWp·yr, 성능비(PR)는 88.32%로 분석되었다.

기준 자가소비율은 기존 연구 결과와 대상 시설의 부하특성을 고려하여 80%로 설정하였으며, 이에 따라 연간 잉여전력은 약 10,258kWh, 일평균 약 28.1kWh/day로 산정되었다. 이를 기준으로 20kWh, 40kWh, 60kWh 및 80kWh의 ESS 용량 시나리오를 구성하여 경제성을 비교하였다.

분석 결과 ESS 용량이 증가할수록 자가소비율과 연간 전기요금 절감액은 증가하였으나, 추가 절감편익은 용량 증가에 비례하여 증가하지 않았다. 연간 순편익은 20kWh에서 338,524원, 40kWh에서 523,184원, 60kWh에서 553,980원, 80kWh에서 430,912원으로 분석되었으며, 60kWh 이후에는 한계편익 감소가 뚜렷하게 나타났다.

20년의 분석기간과 할인율 6%를 적용한 결과 모든 ESS 용량에서 순현재가치는 음수로 나타났으며, 내부수익률은 기준 할인율보다 낮았고 투자회수기간 역시 모두 분석기간을 초과하였다. 따라서 본 연구에서 적용한 전력단가와 ESS 설치단가 조건에서는 ESS를 추가 설치하더라도 독립적인 경제성을 확보하기 어려운 것으로 분석되었다.

다만 ESS 설치가 정책적·운영상 별도로 요구되는 경우에는 자가소비율 향상효과, 초기 투자부담 및 용량 증가에 따른 한계편익 감소를 종합적으로 고려하여 20~40kWh 범위를 우선 검토 가능한 용량 범위로 제시할 수 있다. 그러나 이는 경제성이 확보된 최적 ESS 용량이나 실제 설치 권고용량을 의미하는 것은 아니며, 동일한 분석조건에서 상대적으로 검토 우선순위가 높은 용량 범위를 제시한 결과이다. 실제 적용을 위해서는 시간별 또는 15분 단위 부하데이터와 태양광 발전데이터를 이용한 시계열 충·방전 시뮬레이션과 추가적인 기술적 검증이 필요하다.

5.2. 학문적 시사점

본 연구는 특정 직업훈련기관을 대상으로 ESS 용량별 증분 경제성을 사례연구 방식으로 분석하였다는 점에서 기존 연구와 차별성을 가진다.

기존 연구가 태양광 발전설비 자체의 경제성을 평가하는 데 초점을 두었다면, 본 연구는 동일한 PV 시스템을 기준으로 ESS 설치에 따른 증분 경제성을 평가하였다. 이를 통해 ESS의 경제성은 자가소비율 향상 여부만으로 판단할 수 없으며, 초기 투자비와 추가 절감편익을 함께 고려해야 함을 확인하였다.

또한 주간부하 비중이 높은 교육시설에서는 태양광 발전전력의 직접 자가소비율이 이미 높은 수준이므로, ESS 용량을 증가시키더라도 추가적인 경제적 편익은 제한될 수 있음을 확인하였다. 이는 향후 주간부하형 건물의 ESS 경제성 평가와 적용성 분석을 위한 기초자료로 활용될 수 있다.

5.3. 실무적 시사점

직업훈련기관은 교육 및 실습활동이 주간시간대에 집중되므로 태양광 발전시간과 부하발생시간의 일치도가 높다. 따라서 PV 시스템만으로도 비교적 높은 자가소비율을 확보할 수 있으며, ESS를 추가 적용하더라도 기대되는 경제적 편익은 제한적일 수 있다.

실무적으로는 ESS 용량을 확대하기 전에 실제 잉여전력 발생 규모와 부하특성을 충분히 분석할 필요가 있다. 또한 ESS 설치 여부는 자가소비율 향상뿐 아니라 투자비, 운영비, 피크부하 저감효과 및 향후 전력시장 참여 가능성 등을 종합적으로 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.

5.4. 정책적 시사점

정부는 탄소중립과 분산에너지 활성화를 위해 태양광과 ESS 보급을 지속적으로 확대하고 있다. 그러나 본 연구 결과는 ESS가 모든 수용가에서 동일한 경제성을 확보하는 것은 아니며, 수용가의 부하특성과 전력사용 패턴에 따라 경제성이 크게 달라질 수 있음을 보여준다.

특히 직업훈련기관과 같은 주간부하형 시설에서는 태양광 발전전력의 직접 자가소비율이 이미 높은 수준이므로, 일률적인 ESS 보급정책보다는 부하특성과 잉여전력 규모를 고려한 차등 지원이 필요하다. 또한 ESS 설치비 절감과 피크부하 저감에 대한 경제적 보상체계가 마련될 경우 ESS의 활용성이 더욱 확대될 것으로 기대된다.

5.5. 연구의 한계 및 향후 연구과제

본 연구는 특정 직업훈련기관을 대상으로 수행한 사례연구(Case Study)로서 연구결과를 모든 교육시설이나 일반적인 ESS 경제성으로 일반화하기에는 한계가 있다.

첫째, 시간별 또는 15분 단위 부하데이터를 확보하지 못하여 실제 부하곡선과 태양광 발전곡선을 이용한 시계열 충·방전 시뮬레이션을 수행하지 못하였다. 따라서 본 연구에서 적용한 자가소비율과 잉여전력 포착률은 실제 운전결과가 아니라 비교 시나리오를 위한 입력조건이다.

둘째, ESS의 충·방전 출력, PCS 용량, 계절별 운전특성 및 일별 SOC 변화는 분석에 반영하지 않았다. 따라서 실제 운전환경에서는 경제성 결과가 달라질 가능성이 있다.

셋째, 배터리 교체비용, 용량 열화, 잔존가치 및 금융비용을 경제성 분석에 포함하지 않았다. 특히 분석기간을 20년으로 설정하였음에도 배터리 교체비용을 고려하지 않았으므로, 실제 생애주기 경제성은 본 연구 결과보다 낮아질 가능성이 있다.

향후 연구에서는 시간별 또는 15분 단위 부하데이터를 이용한 시계열 ESS 운전 시뮬레이션을 수행하고, 배터리 열화와 교체주기, 피크부하 저감효과, 수요반응(DR) 참여수익 및 전력시장 제도를 반영한 통합 경제성 평가가 필요하다. 또한 다양한 교육시설과 산업용 수용가를 대상으로 적용범위를 확대하여 ESS 경제성을 비교·분석하는 후속 연구가 이루어질 필요가 있다.