3.1 태양광 발전기의 계통 접속 허용용량 증대를 위한 편익 및 비용 정량화

태양광 발전기의 계통 접속 허용용량 증대를 위한 비용과 편익을 정량화하기 위해 공통으로 사용되는 항목은 할인율과 경제성 평가기간이다. 실질할인율은 참고문헌⁽⁸⁾에 따라 4.5%로 가정하고, 물가상승률은 참고문헌⁽⁹⁾의 2019년 기준 0%를 가정한다. 따라서 실질할인율과 물가상승률을 고려하여 경제성 평가에 사용되는 할인율은 4.5%를 가정한다. 경제성 평가기간은 태양광 발전기의 평균 수명을 고려하여 25년으로 가정한다⁽¹⁰⁾.

선정된 시나리오의 편익은 회피된 신설선로의 비용이다. 신설선로의 비용 구성은 건설비용과 배전설비의 교체비용, 경제성 평가 기간 동안의 운영유지비용으로 구성됨을 가정한다. 신설선로의 km당 단가를 구하기 위하여 설비들의 km당 설치대수를 구한다. km 당 설치대수는 전주의 경우 표준경간을 50 m, 수동개폐기와 자동개폐기는 각각 0.5 km/대, 1 km/대로 가정한다^(11,12). 차단기, 리클로저, RTU(Remote Terminal Unit)는 가상 배전계통 조건에 따라 km당 설치대수로 산출한다. 배전설비의 km당 설치대수에 배전설비의 단가를 적용하여 km당 가상 배전계통의 신설선로 건설비 단가를 구한다. 신설선로의 운영 중 배전설비의 교체비용을 구하기 위하여 경제성 평가 기간 동안 배전설비의 수명을 고려한다. 보호기기와 통신기기인 자동·수동개폐기, RTU, 차단기, 리클로저의 수명을 15년으로 가정한다. 단가상승률을 고려하여 교체되는 설비들의 km당 배전설비 교체비용을 구한다. 신설선로의 연간 운영유지비용을 산정하기 위하여 참고문헌^(13,14)의 2018년 기준 유지보수 예산 집행실적으로 사용된 14,418억원과 2018년 배전선로 길이 493,331 km를 통하여 km당 신설선로의 연간 운영유지비용을 구한다. Table 1은 배전선로의 설비 목록이며, Table 2는 신설선로 비용을 구성하는 항목들의 km당 단가이다.

신설선로의 건설비용을 구하기 위하여 길이가 24 km인 신설선로의 건설을 가정한다. 현재가치화 한 신설선로의 총 비용을 산출하기 위하여 수식 (1)을 제시한다.

여기서, $N$은 경제성 평가 기간(년), $\cos T_{N ,\: L i n e}$은 $N$년 동안의 신설선로의 총 비용(원), B는 배전선로의 공사기간(년), $Construction_{t=-B}$는 선로의 건설비용 단가(원/km), $km$는 선로의 길이, $i$는 할인율, $k$는 배전설비의 수명주기, $RE_{k\times t,\: L i n e eqipment}$는 $k\times t$시점의 설비의 교체비용 단가(원/km), $N^{'}=QUOTIENT(N,\:k)$, $OM_{t,\: L i n e}$는 $t$시점의 신설선로의 운영유지비용 단가(원/km)를 의미한다. (단, $QUOTIENT(N,\:k)$는 $\dfrac{N}{k}$의 몫을 반환한다.)

경제성 평가 기간은 25년, 배전선로의 공사기간은 참고문헌⁽¹⁵⁾에 따라 1년, 할인율은 4.5%, 선로의 길이는 24 km와 신설선로 구성항목의 비용 단가를 수식 (1)에 적용하여 현재가치화 된 신설선로의 총 비용을 계산한다. 현재가치화 된 신설선로의 총 비용은 Table 3에 제시한다.

시나리오의 비용은 태양광 발전기의 계통 접속 허용용량을 10 MW에서 12 MW와 14 MW까지 확대하기 위한 추가 설비의 비용이다. 분산전원의 경우 과전압의 문제로 수용 가능한 분산전원의 계통 한계 접속 용량이 존재한다⁽⁵⁾. 태양광 발전기의 계통 접속 허용용량 증대를 위해 적용되는 설비는 전압-무효전력 제어(Volt-Var Curve, VVC)로 전압제어가 가능한 스마트인버터를 가정한다^(5,16,17). 계통 접속 허용용량이 12 MW와 14 MW까지 확대될 경우 스마트인버터가 설치된 태양광 발전기의 대수는 수식 (2)를 통하여 구한다⁽⁵⁾.

여기서, $VVC-peneration$은 스마트인버터 탑재율, $N_{vvc-pv}$는 스마트인버터가 설치된 태양광 발전기의 수, $N_{pv}$는 태양광 발전기의 수를 의미한다.

계통 접속 허용용량이 12 MW, 14 MW인 경우 태양광 발전기의 수를 구하기 위하여 참고문헌⁽¹⁾의 2018년 신재생 에너지 보급용량 조사를 참고한다. 계통 접속 허용용량이 12 MW, 14 MW인 경우 약 10%, 17%의 스마트인버터 탑재율을 통하여 스마트인버터가 설치된 태양광 발전기의 수를 구한다⁽⁵⁾. Table 4는 계통 접속 허용용량이 12 MW와 14 MW로 확대 될 경우 태양광 발전기의 용량별 $N_{vvc-pv}$와 $N_{pv}$이다.

태양광 발전기의 용량과 동일한 스마트인버터의 설치로 가정하여 경제성 평가를 진행한다. 인버터의 단가는 학습현상이 존재하여 누적생산량이 증가 할수록 원가가 감소하지만, 2017년부터는 인버터의 가격수렴성이 나타난다^(18,19). 따라서 스마트인버터의 가격동향은 인버터와 동일하다 가정하여 스마트인버터의 신규설치 시 원가하락은 고려하지 않는다. 스마트인버터의 투자비용은 설치비용, 폐기비용, 유지비용으로 가정한다. 수식 (3)은 스마트인버터의 총 비용 산출방법이다.

여기서, $N$은 경제성 평가 기간(년), $\cos T_{N,\:\in verter}$는 $N$년 동안의 스마트인버터의 총 비용, $y$는 스마트인버터의 수명, $i$는 할인율, $N^{'}=QUOTIENT(N,\:y)$, $\in STALL_{y\times t,\:\in verter}$는 $y\times t$ 시점의 스마트인버터의 설치비용, $DISPOSAL_{y\times t,\:\in verter}$는 $y\times t$시점의 스마트인버터 폐기비용, $OM_{t,\:\in verter}$는 $t$시점의 스마트인버터 유지비용이다. (단, $QUOTIENT(N,\:y)$는 $\dfrac{N}{y}$의 몫을 반환한다.)

스마트인버터의 폐기비용은 참고문헌⁽²⁰⁾의 기준에 따라 설치비의 50%, 스마트인버터의 연간 운영 유지비용은 설치비용의 2% 스마트인버터의 수명은 7년으로 가정하여 수식 (3)에 적용한다. Table 5는 수식 (3)을 통하여 구한 계통 접속 허용용량 별 스마트인버터의 비용과 Table 3의 편익을 적용한 비용편익 비율이다.

계통 접속 허용용량이 증가할 경우 편익효과로 정의된 회피한 신설선로의 투자비용은 선로의 길이에만 영향을 받게 되어 동일한 선로의 편익효과는 계통 접속 허용용량에 상관없이 동일하게 발생된다. 계통 접속 허용용량이 14 MW인 경우 수식 (2)를 통하여 구한 스마트인버터를 설치한 태양광 발전기의 수가 많아져 스마트인버터의 비용이 12 MW보다 많게 작용하여 비용편익 비율이 더 작게 나온 것을 알 수 있다. 10 MW에서 증가한 현재 계통 접속 허용용량인 12 MW 경우 배전사업자의 관점에서 비용편익 비율이 1보다 커 경제성이 있지만, 추후 연계용량 증가를 고려한 14 MW인 경우 비용편익 비율이 1보다 작아 경제성이 없는 것으로 나타났다.

3.2 민감도 분석

경제성 평가는 미래의 값을 추정하여 진행되기 때문에 미래비용의 불확실성을 평가하기 위하여 민감도 분석을 시행한다. 민감도 분석을 진행할 사항은 Table 6에 제시한다.

참고문헌⁽¹⁸⁾에 제시된 다른 배전설비의 폐기비용의 변동성이 30%부터 50%까지 존재하기 때문에 스마트인버터의 폐기비용을 설치비용 대비 50%, 40%, 30%로 가정하여 경제성 평가를 진행한다. 스마트인버터의 폐기비용 변화에 따른 계통 접속 허용용량별 총 비용과 Table 3의 편익 결과를 적용한 비용편익 비율은 Table 7에 제시한다.

설치비용 대비 폐기비용에 관계없이 스마트인버터의 첫 번째 설치기간에 발생하는 비용은 폐기비용을 포함하지 않아 계통 접속 허용용량 별로 동일하게 적용된 것을 알 수 있다. 계통 접속 허용용량이 14 MW인 경우 설치비용 대비 폐기비용이 30%가 되어도 비용편익 비율이 1보다 작아 경제성이 없는 것으로 나타났다.

참고문헌^(13,14)에서 발표한 2014, 2017, 2018년 기준 유지보수 예산 집행실적과 2014, 2017, 2018년 배전선로 길이를 비교하여 배전선로의 연간 운영유지비의 단가가 2,305 천원/km, 2,923 천원/km 3,868 천원/km일 경우 경제성 평가를 수행한다. 배전선로의 연간 운영유지비용 비용단가 변화에 따른 편익과 Table 5의 스마트인버터의 총 비용을 적용하여 구한 비용편익 비율은 Table 8에 제시한다.

계통 접속 허용용량이 14 MW인 경우 선로의 연간 운영유지비용 단가에 상관없이 비용편익 비율이 1보다 작아 경제성이 없는 것으로 나타났다.

또한 배전 선로의 연간 운영유지 비용 단가에 따른 비용편익 비율의 변화가 작은 것을 통하여 연간 운영유지 비용 단가가 민감도가 낮은 경제성 평가 항목이라는 것을 알 수 있다.

신설배전선로의 비용은 거리에 따라 종속적으로 변하기 때문에 회피된 신설배전선로의 길이변화에 따른 편익을 구한다. 가상 배전선로의 길이에 따른 총 편익과 Table 5의 스마트인버터의 총 비용을 적용하여 구한 비용편익 비율은 Table 9에 제시한다. 계통 접속 허용용량이 12 MW인 경우 15 km 이상의 선로에서 비용편익 비율이 1보다 커 경제성이 있는 것으로 나타났다. 계통 접속 허용용량이 14 MW인 경우 30 km 이상의 선로에서 비용편익 비율이 1보다 커 경제성이 있는 것으로 나타났다. 민감도 분석 결과, 배전사업자의 관점에서 경제적으로 타당한 투자를 진행하기 위해서는 계통 접속 허용용량이 12 MW와 14 MW인 경우 선로의 길이가 최소 15 km, 30 km 이상의 지역을 고려하여야하고, 그 다음으로는 스마트인버터의 폐기비용이 경제성 평가 결과에 영향을 많이 미치는 것을 확인할 수 있다.