2.1 에너지 공유 시스템 개념

Fan et al.⁽³⁾에서 제시한 건물과 신재생에너지시스템 운영/제어 방법에 대한 개념을 이용하여 ‘제로에너지 타운’의 운영 개념으로 활용하였다. 단일건물에 신재생에너지와 에너지 저장장치 ESS의 최적 제어를 활용할 경우, 건물의 최대부하 제어를 통한 건물 단위의 제로에너지건물 실현이 가능하며, 특히 열원 저장 설비는 전기 저장보다 에너지 분배의 효율성을 높일 수 있는 장점이 있다(Fig. 1(a) 참고). 하지만 타운 내 건물의 군집을 이룰 경우, 단일 건물에 비하여 에너지 사용 프로파일이 각 건물마다 다르고, 제로에너지타운을 형성하기 위해서는 공동제어(Collaborative Control)가 요구되어진다. 결국 공동제어가 적용되지 않을 경우에는 동일 시간대에 에너지 과잉 생산되는 건물과 부족한 건물 간에 공유가 불가하여 에너지 부족 건물의 경우에는 전력망에서 고가로 에너지를 구매해야하고, 에너지 과잉 생산되는 건물의 경우는 전력망을 통해 에너지를 판매하도록 구성되게 된다. 건물의 군집단위인 타운 내 공동제어는 에너지 비용 효율 및 전력망 내 에너지 손실을 줄이는 측면에서 매우 이득이다(Fig. 1(b) 참고).

2.2 신재생에너지공급인증서 및 공급인증서가중치(REC)

｢신에너지 및 재생에너지 개발․이용․보급촉진법｣에 따라 ‘신재생에너지 공급인증서’란 신재생에너지 설비를 이용하여 에너지를 공급하였음을 증명하는 인증서를 말하며, REC(Renewable Energy Certificate)란 공급인증서의 발급 및 거래단위로서 공급인증서 발급대상 설비에서 공급된 MhW 기준의 신재생에너지 전력량에 대해 가중치를 곱하여 부여하는 단위를 뜻한다. 태양광발전 신재생에너지 공급인증서 가중치는 Table 1과 같다.

에너지타운 내 발전한 전기는 계통한계가격(System Marginal Price, SMP)값으로 한국전력에서 태양광발전소로 매입하는 전기단가로 전력의 시장 가격을 매길 때 거래하는 시간별 일반 생산 전력량에 적용하는 값이다. SMP는 거래시간별 가격 변동이 있고, 육지와 제주지역으로 구분하여 가격이 다르게 산정된다. 에너지타운 내 태양광 발전량과 건물에너지소비량 운영에 따라 타운 내 태양광발전 수익금액이 다르게 생성된다. 간단하게 설명하면, 식(1)과 같다.

3.1 제로에너지타운 개요

제로에너지타운 내 개별 건축물의 시간대별 냉난방 에너지 소요량 예측을 위해, TRNSYS 17를 활용하였으며 건물 사양, 건물용도(스케쥴) 등을 반영하여 수행하였다. 분석대상은 진천에 위치한 제로에너지타운으로, 타운 내 건물 유형을 다양하게 구성하기 위해 6개 유형의 건축물과 4종의 신재생에너지 시스템으로 구성되어 있다. 신재생에너지 시스템 공유대상 에너지원은 전기로 한정하였다. 실제 실증 단지에 건립되어 있는 건물 유형 이외에 공동주택 50세대 및 사무소 건물을 가상으로 추가하여 에너지타운을 구성하였다. 총 6개 건물 유형을 대상으로 에너지 시스템 구성 및 최적화 예측 모델을 분석하였다. 타운 내 신재생에너지시스템은 열에너지 시스템은 학교 건물과 주거 건물의 난방에 대한 에너지 공급을 담당하고, 태양광에 의한 전기를 타운 내 건물군에서 공유 및 저장하는 것으로 가정하였다(Table 2 참조).

3.2 제로에너지타운 에너지사용량 및 태양광발전량 결과

진천 제로에너지 타운의 건물별 에너지사용량과 진천지역 태양광 발전설비의 발전량의 월간 분포 에너지 밸런스 결과는 Table 3과 같다. 제로에너지타운 내 건물별 에너지소요량의 에너지원은 거래 에너지원으로 전기 (전력)으로 가정하였고, 현재 한국전력에서는 건물 용전에 따라 전력 단가를 구분하고 있기 때문에 전력 소요량은 용도별 단가로 구별하였다(Table 4 참고).

3.3 제어 알고리즘 설정

제로에너지타운의 건물별 소비량과 신재생에너지 발전량에 따른 결과에 따라서 에너지 공유 제어 알고리즘은 3가지로 구분하였다. 제어 방법별 에너지 공유처는 다중 건물이 대상일 경우, 가장 전기단가가 높은 용도별 전기 순(판매 → 가정용 → 일반용 → 교육용)으로 설정하였다. 전력망 판매량은 Table 1과 같이, 신재생에너지 공급인증서 및 공급인증서가중치(REC)를 고려하여 정리하였다.

제어알고리즘00은 타운에 필요한 전력은 전량 전력망에서 구매, 태양광 전력은 모두 전력망에 판매하는 것이다. 신재생에너지 판매단가가 전력망 구입 단가보다 높을 경우, 타운 내 에너지 비용 측면에서 가장 유리한 제어방식이다(Fig. 2(a) 참조).

제어알고리즘01은 태양광 발전 시점에서 타운 내 필요한 전력으로 소비된 후, 잉여전력은 전력망에 판매하는 제어방식이다. 소비 시점과 생산시점이 정확하게 일치하지 않기 때문에 전력망 판매량은 제어알고리즘00을 적용한 경우와 동일하다. 생산과 소비 시점이 일치할 때 생산되는 전력은 전력망으로 판매하지 않고 타운에서 소비하기 때문에 에너지비용 수익은 제어알고리즘00보다 적을 것이다(Fig. 2(b) 참조).

제어알고리즘02는 태양광 발전 시점에서 타운에 필요한 전력을 타운 내에서 소비, 잉여 전력은 에너지저장 설비(ESS)에 저장하는 제어방식으로서, 이때 ESS의 용량을 초과하는 전력은 전력망에 판매하는 방식이다. 소비시점과 생산 시점이 일치하지 않고 생산된 전력을 ESS에 저장할 경우, 전력이 생산되지 않을 때 타운 내에서 건물 간 전력 거래도 가능하다. 전력망에 판매하는 잉여 전력량을 최소화하기 때문에 에너지 비용 수익 측면에서는 가장 불리한 제어방식이다. 하지만, ESS 설비를 설치한 경우에는 4.0 REC로 전력량가중치로 판매할 수 있도록 신재생에너지공급인증서에 의하여 운영되고 있다(Fig. 2(c) 참조).

4.1 제어알고리즘00

제어알고리즘00은 타운에 필요한 전력은 전량 전력망에서 구매, 태양광 전력은 모두 전력망에 판매하는 것으로, 이 제어알고리즘00 방법에 따른 결과는 Table 5와 Fig. 3과 같다. 제로에너지타운 내 전력망 내 전력 구매량은 6~8월 여름철에 많이 집중되어있고, 평균 전력망 내 전력구매량은 127.8 MhW인 것으로 나타났다. 전력망 내 태양광 전기발전량 판매량은 평균 307.3 MhW로 나타났다. 8월을 제외하고 전력망에 판매하는 양이 더 많은 것으로 나타났다.

이를 2월(겨울), 5월(봄), 8월(여름), 11월(가을)의 대표 달로 설정하여 1~2주에 타운 내 건물에너지소비량과 태양광발전량을 분석하였다.

2월은 교육시설 및 상업시설의 난방에너지소비량이 주중에 증가하는 시기이고, 각 건물의 운영프로필에 따라 난방에너지소비량의 변화가 있는 것으로 나타났다. 주말에 해당하는 기간에는 교육시설의 난방에너지사용량이 없는 것으로 나타났다(Fig. 3(a) 참조). 5월과 11월은 타운 내 건물에너지소비량 중 냉난방에 소요되는 에너지가 다른 계절에 비하여 적은 달로서, 봄, 가을의 계절에는 태양광발전량에 따른 전력망 내 판매량이 매우 증가하는 시기인 것으로 나타났다(Fig. 3(b), Fig. (d) 참조).

8월의 경우, 시간당 태양광발전량보다 타운 내 건물 냉방에너지소비량이 증가하는 역전 시기가 있는 것으로 나타났다. 특히, A에 해당하는 시기는 낮시간에 태양광발전량이 적고, 건물 내 에너지소비량이 증가하는 시기인 것으로 나타났다. 그리고 B는 태양광발전량이 없는 저녁시간에 건물 내 냉방에너지소비량이 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 3(c) 참조).

4.2 제어알고리즘01

제어알고리즘01은 태양광 발전 시점에서 타운 내 필요한 전력으로 소비된 후, 잉여전력은 전력망에 판매하는 제어방식이다. 이 제어알고리즘01 방법에 따른 결과는 Table 6과 Fig. 4와 같다. 제로에너지타운 내 전력망 내 전력구매량이 8월에 110.9 MhW로 가장 크고 4월에 2.3 MhW로 가장 작은 것으로 나타났다. 전력망 공유가 제일 높은 달은 8월 148.5 MhW이고 제일 낮은 1월 23.6 MhW로 나타났다. 전력망 판매량이 제일 높은 달은 4월 340.7 MhW이고, 가장 낮은 달은 7월 150.0 MhW로 나타났다.

이를 2월, 5월, 8월, 11월의 대표 달로 설정하여 1~2주에 타운 내 건물에너지소비량과 태양광발전량을 제시 하였다.

2월에 해당하는 주중전력밸런스와 주말전력밸런스의 차이가 있는 것으로 나타났다. 주중전력밸런스(A)에 따르면 시간별 타운 내 건물전기요구량이 태양광발전이 없는 시간에는 전력망에서 구매하고, 태양광발전량이 건물전기요구량보다 더 발전할 경우, 전력망 공유와 전력망 판매가 이루어진다. 주말전력밸런스(B)에서는 학교, 상업건물에서의 요구량이 줄어들어 태양광발전량만큼 전력망에서 판매되는 것으로 나타났다(Fig. 4(a) 참고).

5월과 11월은 타운 내 건물에너지소비량 중 냉난방에 소요되는 에너지가 다른 계절에 비하여 적은 달로서, 봄, 가을의 계절에는 전력망 내 공유 및 태양광발전량에 따른 전력망 내 판매량이 매우 증가하는 시기인 것으로 나타났다(Fig. 4(b), Fig. 4(d) 참고).

8월은 타운 내 건물의 냉방에너지 사용량이 증가하는 시기이기 때문에 A와 같이, 전기요구량이 많아지는 시점에서 전력망 구매가 증가하고, 태양광발전이 많아지는 시기에는 전력망 공유가 일어남으로서 전력망 내 판매는 일어나지 않는 시기가 발생하는 것으로 나타났다. B의 경우 밤 시간 때 태양광발전이 이루어지지 않는 시간 때에는 모두 전력 구매하는 전력밸런스가 있는 것으로 나타났다(Fig 4(c) 참조).

4.3 제어알고리즘02

제어알고리즘02는 태양광 발전 시점에서 타운에 필요한 전력을 타운 내에서 소비, 잉여 전력은 에너지저장 설비(ESS)에 저장하는 제어방식으로서, 이때 ESS의 용량을 초과하는 전력은 전력망에 판매하는 방식이다. 이 제어알고리즘02 방법에 따른 결과는 Table 7과 Fig. 5와 같다. ESS가 설치 운영하면서, 전력망 구매는 거의 없는 것으로 나타났으며, 전력망에서 평균적으로 공유되는 전력량이 127.8 MhW로 나타났다.

이를 2월(겨울), 5월(봄), 8월(여름), 11월(가을)의 대표달로 설정하여 1~2주에 타운 내 건물에너지소비량과 태양광발전량을 제시하였다. 2월, 5월, 11월은 타운 내 건물에서 사용하는 에너지소비량은 전력망 공유를 위해 태양광발전 전기에너지를 ESS에 저장한 전기를 이용하여 운전하는 것으로 나타났다. 이는 주중, 주말전력밸런스에 영향이 크게 없는 것으로 나타났다(Fig. 5(a), Fig. 5(b), Fig. 5(d) 참조). 발전량 중에 건물에서 사용하고 남은 잉여 전력은 ESS에 저장하고, ESS의 용량을 초과하는 전력은 전력망에 판매하는 양은 미미한 것으로 나타 났다.

8월은 타운 내 냉방에너지소비량은 ESS에 저장된 전력 공유로 소비하고, 그 전력패턴은 운영알고리즘01, 02에 해당하는 전력요구량의 패턴과 비슷한 것으로 나타났다. ESS에 저장과 공유된 전기량을 제외한 잉여전력은 전력망 판매량으로 사용되는 것으로 나타났다.

4.4 타운 내 전력수요 대비 태양광발전량과 발전량대비 ESS 용량에 대한 전력 밸런스

타운 내 건물에너지소요량 대비 태양광발전량의 비율이 제로에너지타운 형성에 중요한 기초데이터가 될 것이며, 이는 운영알고리즘02에 따라서 ESS 설치 용량 대비 저장하는 용량을 어떻게 조정하는 것에 따라서 타운 내 전력망 구매, 판매, 공유의 값이 어떻게 다른지 확인하고자 하였다.

제어알고리즘00의 타운 내 전력수요 대비 태양광발전량에 따라서 전력망 전력 구매비율과 전력 판매비율을 나타낸 것이다. 제로에너지타운으로 형성하기 위해서는 타운 내 전력수요 대비 태양광발전량을 90% 이상 형성을 해야, 타운 내 전력망 전력 판매에 이익을 얻을 수 있는 것으로 나타났다(Fig. 6(a) 참고).

제어알로리즘01의 타운 내 전력수요 대비 태양광발전량에 따라서 전력망 전력구매비율과 공유비율 및 판매 비율을 나타낸 것이다. 제어알고리즘00과 같이, 타운 내 전력수요 대비 태양광발전량이 90% 이상일 때, 전력망 내 전력 판매에 이익을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 이 비율은 타운 내 전력망 공유가 90% 이상에 해당하는 수치이다(Fig. 6(b) 참고).

제어알고리즘02는 타운 내 전력수요 대비 태양광발전량에 따라 ESS 저장용량에 따른 전력에너지밸런스 비율을 확인하고자 하였다. ESS 저장용량은 타운 내 전력수요대비 발전량의 저장용량으로 설정하고, 10%, 30%로 나누어 구분하였다. 제어알고리즘00, 제어알고리즘01과 다르게, ESS를 운영함으로서 태운 내 전력수요 대비 발전량 50%수준으로도 타운 내 전력에너지밸런스가 형성되는 것으로 나타났다. ESS 저장용량이 클수록 저장하고 남은 양을 판매해야하기 때문에 전력망 내 전력판매량은 ESS용량 증가에 따라 감소하는 것으로 나타 났다(Fig. 6(c) 참고).

제로에너지타운 내 제어알고리즘을 선택하기 위해서는 여러 가지를 고려해야할 것으로 판단된다. 제로에너지 타운 내 전력망 공유, 판매, 구매의 적정성을 고려하고 타운 내 전력수요만큼의 적정 태양광발전량 설치는 제로에너지건축 설계, 태양광발전량 설계, 건축비 등에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.

제어알고리즘에 따른 이산화탄소 발생량은 전력량 구매 전력량에 MWh당 0.4591 tCO₂량으로 환산하여 계산 하였다. 제어알고리즘00에 따라, 타운 내 연간 이산화탄소발생량은 704.1 tCO₂이며, 제어알고리즘01과 제어 알고리즘02에 연간 타운 내 에너지수요량 대비 태양광발전량 비율(%)과 ESS 용량(%)에 따라 이산화탄소발생량의 차이가 큰 것으로 나타났다. 제어알고리즘01은 제어알고리즘00에 비해 8.8%~63.1% 이산화탄소 절감률이 나타 나는 것으로 나타났다. 제어알고리즘02는 제어알고리즘00에 비해 10%~99.9%까지 이산화탄소 절감률이 나타 나는 것으로 나타났다. 타운 내 에너지수요량 대비 태양광발전량이 110% 이상 갖춰지고, ESS 용량이 증가할수록 이산화탄소 발생량은 0에 가까워지는 것으로 나타났다(Table 8 참고).