2.1 전기철도 급전계통 구성

전기철도의 전력공급시스템은 전력회사로부터 수전한 전력을 열차에 적합한 전기공급 방식으로 변환하는 시스템이며, 수전, 변전, 배전, 전차선로 설비 등으로 구성된다. 도시철도의 경우 공통적으로 직류 및 교류 방식이 적용되는데, 최근 각국의 대도시 내에서 운행되는 철도는 직류급전을 적용하고, 도시와 지역을 연결하는 철도는 교류급전을 적용하는 추세이다. 국내의 경우도 서울, 부산, 대구, 인천 등 대도시 내 철도 급전은 직류방식을 적용하고 있으며, 교외구간의 연계운전이 필요한 경부선, 경인선, 과천선의 수도권 전철 구간과 고속철도에서는 교류 AT(Auto Transformer) 급전방식을 적용하고 있다. 이러한 직류급전 및 교류급전 방식을 표 1에 간단히 정리하였다^[11].

직류급전과 교류급전 방식 중 재생에너지 적용을 위해는 전기적인 특성보다 전기철도의 환경을 고려할 필요가 있다. 직류급전은 대도시의 지하철 형태로 적용되기 때문에 태양광발전을 적용하기 위해서는 공간 제약이 있다. 그러나 국내 교류급전을 적용하는 고속철도와 수도권 전철 1호선의 일부 구간의 경우 지상구간이 많기 때문에 태양광발전 적용에 적합하다. 본 연구에서는 태양광발전이 적용되는 전기철도 대상을 교류급전계통으로 한정한다.

전기철도 교류 급전계통은 그림 1과 같다. 154[kV]의 3상 전원을 수전하여 Scott 변압기를 통해 단상 55[kV]의 전압으로 강하한다. 이때 Scott 변압기의 2차측에는 T좌와 M좌 두 개의 단상 급전이 가능하도록 되어 있으며, T좌와 M좌 간에는 90도 위상차가 발생한다. 한편 Scott 변압기 2차측은 평균 10[㎞] 마다 단권변압기가 전차선과 급전선 사이에 설치되어 열차에 전력을 공급한다^[12].

그림 1. 전기철도 교류급전 시스템

Fig. 1. Diagram of AC electric railway system

2.2 전기철도 부하 특성

전기철도 부하는 열차 부하와 철도역사 부하로 구분할 수 있으며, 철도 부하의 특징은 첨두부하가 발생하는 시간대가 일반 전력부하와 다르다. 철도 부하의 첨두부하는 출퇴근 시간대에 차량운행이 가장 빈번하기 때문에 아침 출근 시간대인 오전 8시와 저녁 퇴근 시간대인 오후 7시에 각각 발생하는데 첨두부하 발생 빈도는 출근 시간대가 더 높다. 그리고 철도 부하에서 열차 부하와 역사 부하의 소비 전력량을 비교하면 각각 70[%]와 30[%]의 분포를 나타낸다^[13]. 따라서 철도 부하의 특성은 열차의 부하 패턴 특성을 따른다.

철도 부하 패턴을 분석하고자 그림 2와 같이 구성된 수락산 변전소에서 열차 부하 데이터를 취득하였다^[3]. 수락산 변전소는 3개의 역사와 전차선에 전력을 공급하는데 ‘14년 8월 1일, 수락산 변전소의 전차선을 통해 공급한 열차 부하의 패턴은 그림 3과 같았다. 지상역사인 도봉산역사의 소비전력은 100[㎾] 이하의 적은 전력이 소모되는 것으로 나타났는데, 이는 지하역사에 비해 지상역사는 공조 부하와 조명 부하가 상대적으로 적기 때문이다. 따라서 철도부하의 소비전력을 감축하기 위해서는 열차부하 특성을 반영하는 것이 중요하며, 지상역사의 경우 적절한 용량의 태양광발전을 설치할 경우 전력사용 요금을 상당히 감축할 수 있을 것으로 예상된다.

그림 2. 수락산 변전소의 급전 구성도

Fig. 2. Single line diagram of Suraksan substation

그림 3. 철도열차의 평일 부하 패턴

Fig. 3. Train load curve of weekdays in urban railway

철도공사에서는 154[kV]로 수전을 받기 때문에 한국전력공사의 산업용(을) 고압B 선택 Ⅱ 요금제를 적용하고 있다^[14]. 이는 표 2와 같으며, 특히 한전 전기요금은 계절별 차등 요금제를 도입하고 있기 때문에 그림 2의 열차 부하에 적용하고자 그림 3과 같이 시간에 따른 여름철 전기요금 요율을 나타내었다. 이는 태양광발전 도입으로 인한 경제성 효과 분석에 활용된다.

그림 4. 산업용 전기요금 여름철 전기요금 요율

Fig. 4. Industrial electricity charge rate in summer

3.1 계통한계가격 변동이 철도에 미치는 영향

국내 전력시장에서는 발전회사에서 생산된 전기를 계통한계가격으로 한국전력공사에 판매하고 있다. 거래 전일 시간별 수요예측을 바탕으로 입찰을 통해 낮은 가격 순으로 발전기를 선정하며, 마지막으로 투입되는 발전기의 공급가격에 의해 모든 발전기의 전력판매 가격이 결정된다. 최근 국제 에너지 가격의 급등은 그림 5와 같이 국내 SMP의 상승을 초래하였다.

그림 5. 2017년 이후 월별 SMP 변동 추이

Fig. 5. SMP variation since 2017

이는 한국전력공사 경영 악화에 기여하고 결국 전기요금 상승으로 이어지게 되며, 철도공사의 전기요금 지출이 증가하게 된다. 철도통계연보에 따르면 최근 인상된 전기요금을 적용할 경우, 2021년 철도 전력량 소비 기준 742억원의 비용 부담이 증가하는 것으로 나타났다^[15]. 향후 철도공사는 전력사용량 감축을 위한 방안이 필요할 것이며, RE100(Renewable Energy 100%) 이슈와 함께 재생에너지 도입이 필수적 요소가 될 것이다.

3.2 재생에너지 수급 및 정책이 철도에 미치는 영향

최근 계통한계가격의 상승과 함께 REC(Renewable Energy Certificate, 공급인증서) 가격도 상승하면서 기존 발전사뿐만 아니라 신재생발전사의 수익도 개선되었다. REC 가격은 RPS(Renewable energy Portfolio Standard) 제도를 통한 공급의무량과 REC 발급량 간의 수급에 따라 가격이 결정된다. 공급의무량은 정부의 재생에너지 보급 정책과 연관이 있기 때문에 향후 REC 가격에 대한 전망은 재생에너지 보급 정책에 따라 결정된다고 판단된다. 또한 탄소중립에 대한 사회적 책임이 강조되면서 철도공사도 RE100 달성을 피할 수 없게 되었다.

그림 6은 2017년부터 2022년 10월까지 REC 가격 변동을 나타낸 그래프이다. REC 가격은 2021년부터 증가하였으나, 향후 REC 가격 전망에 따라 철도공사의 재생에너지 도입 속도에 영향을 미칠 것이다. REC에 대한 전망은 최근 정부가 발표한 재생에너지 정책 개선방안을 통해 분석이 가능하다. 정부에서는 RPS 의무비율을 하향하고, 1[MW] 이하의 소규모 태양광발전을 지양하며, 계통 안정도 향상에 기여할 수 있는 재생에너지를 확대, 그리고 기업의 RE100 이행을 지원하는 안을 발표했다. 따라서 [MW]급 이상의 대용량 재생에너지를 구축할 수 있는 부지를 갖고 있는 철도공사의 경우 향후 태양광발전 중심의 재생에너지 도입이 긍정적인 상황인 것으로 분석되었다.

그림 6. 2017년 이후 REC 가격 변동 추이

Fig. 6. REC price variation since 2017

4.1 전기철도 태양광발전 도입 방안

전기철도에 태양광발전 도입에 대한 예시를 그림 7에 제시하였다. 역사 지붕에 태양광발전을 설치하는 방법, 철도 방음벽에 수직형 태양광발전을 설치하는 방법, 그리고 기타 유휴부지에 설치하는 방법이다. 이중 지붕에 설치하는 태양광발전과 철도 방음벽에 설치하는 태양광발전에 대해 도입 방안을 제시한다.

우리나라의 일반적인 태양광발전의 경우 발전량을 최대화하기 위해 정남향에 위도에 따른 일정한 경사각을 갖도록 설치한다. 만약 철도 역사 지붕이 안정적인 콘크리트 바닥이라면 정남향을 설치하는 것이 좋을 것이다. 그러나 기성 건물의 지붕은 많은 하중을 견딜 수 있도록 설계하지 않기 때문에 그림 8과 같은 형태의 동-서 지향형 태양광발전이 철도 역사에 설치하기 적합할 것이며, 이러한 형태의 태양광발전이 갖는 장점은 다음과 같다^[17].

그림 7. 철도 태양광발전 예시

Fig. 7. Examples of PV application to railway system

첫째, 태양광모듈의 주향이 각각 동쪽과 서쪽이므로 철도 급전계통과 원활한 연계가 가능하다. 아침과 늦은 오후 시간대에 철도 부하가 피크를 나타내기 때문에 일출 이후와 일몰 직전까지 태양광발전이 가능하며, 정오에는 태양광발전의 출력이 감소하지만 철도 부하도 감소하기 때문에 적합한 형태가 된다. 둘째, 동-서 방향의 태양광발전은 모듈이 동쪽과 서쪽으로만 경사를 이루고 있기 때문에 남쪽 기울기에 의한 음영이 발생하기 않아서 정남향 태양광발전 시스템과 비교하여 동일한 용량을 설치할 경우 설치 면적의 15~20[%]를 절약할 수 있다. 즉 동일한 설치 면적일 경우 15~20[%] 용량을 높일 수 있다. 셋째, 동-서 방향의 태양광발전은 단방향의 태양광발전보다 구조적으로 강도가 높기 때문에 구조물 무게에서 33[%] 효율적이며, 적설하중에도 더 유리한 장점을 지닌다. 참고문헌 ^[17]에서는 정남향 태양광발전이 동-서 지향형 태양광발전보다 8[%] 더 많은 전력을 생산하지만 구축 환경과 비용, 설비 수명에 따른 경제성을 종합하여 판단할 것을 제시하였다.

다음으로는 철도 선로의 방음벽에 양면형 수직 태양광모듈 방식 도입을 제안한다. 이미 해외 영농형 태양광발전에서는 그림 9(a)와 같이 동-서 방향의 양면형 수직 태양광발전을 농업에 적용하여 토지사용 효율을 높이고 있다^[9]. 또한 양면형 수직 태양광발전의 출력은 정남향 태양광발전보다 이른 오전에 피크 출력을 보이며, 일몰 전에 다시 출력이 높아지는 특성을 보인다^[18]. 따라서 양면형 수직 태양광발전을 그림 7(b)와 같이 열차 선로 방음벽에 부착하여 계통과의 연계를 통해 열차로 인한 첨두부하를 저감할 수 있을 것으로 예상할 수 있다. 참고문헌 ^[10]에서는 미국의 여러 카운티에 설치된 태양광발전의 다양한 형태에 따른 출력을 정남향 태양광발전의 출력과 비교한 결과를 제시하였다. 결과는 9 (b)와 같이 정남향의 일반 태양광발전 출력 대비, 동-서 방향의 양면형 수직 태양광발전은 거의 동일한 출력을 내었으며, 남향 수직형 태양광발전과 동/서향 수직형 태양광발전, 그리고 북향 수직형 태양광발전은 각각 65[%], 50[%], 그리고 20[%]의 전력을 생산하는 것으로 나타났다. 따라서 국내 철도 선로의 방음벽에 양면형 태양광 모듈을 적용하면 정남향의 일반 태양광발전과 유사한 출력을 낼 수 있을 것으로 판단된다.

그림 8. 동서 지향형 태양광발전 예시^[17]

Fig. 8. East-west oriented photovoltaic system^[17]

그림 9. (a) 양면형 수직 태양광을 적용한 영농형 태양광발전 예시[9] (b) 양면형 수직 태양광발전 출력 비율 특성[10]

Fig. 9. (a) Vertical, bifacial agri-PV power plant[9] (b) The ratio of vertically oriented PV output to conventionally oriented monofacial PV output[10]

4.2 사례 연구를 통한 효과 분석

본 장에서는 철도공사 경부선의 군포역-의왕역 구간에 양면형 수직 태양광발전을 설치한 사례 연구를 진행하였다. 그림 10(a)와 같이 구로역부터 수원역까지 이어지는 경부선 구간은 남북방향의 철도 노선이기 때문에 방음벽 또는 안전 펜스에 태양광모듈을 설치할 경우 동-서 방향의 수직 태양광발전이 구축될 수 있다. 특히 그림 10(b)와 같이 군포역-의왕역 구간은 방향뿐만 아니라 철도 선로와 방음벽 간의 여유 공간이 있기 때문에 사례 연구로 적절하다고 판단하였다.

먼저 해당 구간에 설치 가능한 태양광발전 용량을 분석한다. H社에서 판매 중인 양면형 태양광발전의 정격 용량은 580[W]이고, 사이즈가 2,414[㎜] x 1,134[㎜]임을 반영하였다. 태양광 어레이 구성은 태양광모듈을 가로로 2장씩 설치하는 것으로 가정했다. 이를 통해 1[㎞] 구간에 설치 가능한 태양광모듈 수량은 10%의 마진을 반영하여도 펜스 1열당 700장 설치가 가능하다. 따라서 580[W] 양면형 태양광 모듈의 1[㎞] 구간에 설치 가능한 용량은 800[㎾]에 이를 것으로 분석하였다. 해당 철도 구간의 직선거리는 3.7[㎞]이지만 역사로 인해 설치가 어려운 구간을 고려하여 설치 가능 구간은 3[㎞]로 반영하였다. 최종적으로 군포역-의왕역 간의 양면형 수직 태양광발전 설치 가능 용량은 2.4[㎿]가 된다.

그림 10. (a) 철도공사 경부선, 구로-수원 구간 (b) 철도공사 경부선, 군포-의왕 구간

Fig. 10. (a) Korail LINE 1, between Guro and Suwon Station (b) Korail LINE 1, between Gunop and Uiwang Station

수락산 변전소의 열차 부하와 수직형 양면 태양광의 발전 데이터를 그림 11에 나타냈다. 그림 11의 수직형 양면 태양광발전 데이터는 정남향 태양광발전의 출력을 참고문헌 ^[7-9]의 결과를 바탕으로 보정한 결과이며, 수직형 태양광발전의 효과를 분석하고자 그림 4의 여름철 전기요금을 적용하여 표 3과 같은 결과를 얻었다. 비록 도시철도 3개 정차역을 기준으로 측정된 열차 부하와 경부선 2개 철도 구간에 설치한 태양광발전 보정 데이터였으나, 수직형 양면 태양광발전을 적용하여 열차의 피크 부하를 498[㎾] 낮췄으며, 이는 기존 피크 부하 대비 27[%]에 해당하는 용량이다. 또한 전력사용량 측면에서는 열차의 기존 하루 소비 전력량은 21,223[kWh]으로서 전기요금 2,559,444원에 해당되었다. 그러나 본 연구를 통해 수직형 양면 태양광발전을 통한 하루 전력생산량은 15,611[kWh]인 것으로 나타났으며, 태양광발전을 통해 감축되는 전기사용 요금은 2,221,801원으로 약 86[%]의 전기요금 저감 효과가 나타다는 것으로 분석되었다. 본 논문에서는 철도분야에 적합한 태양광발전 형태와 그에 따른 이득을 분석하였다. 다만 이번 사례연구에서는 수직형 태양광발전의 설치 비용과 수직형 태양광발전의 대안이 될 수 있는 정남향 태양광발전과의 비교 분석은 후속 연구를 통해 입증할 필요가 있다고 판단된다.

그림 11. 열차 부하 및 수직형 양면 태양광발전 출력 비교

Fig. 11. Comparison of train load and vertical bifacial PV output