KIEAE Journal

현재 인류의 발전단계에서 전기는 핵심적인 자원이며, 모든 소비 및 생산 활동에는 에너지가 사용된다[1, 2]. 전 세계의 에너지 사용량은 2018년에 비해 2040년까지 19%~24% 상승할 것으로 예상되며[3], 전기 에너지 사용량은 2040년까지 매년 2.1% 증가할 것이다[4]. 동시에 기존의 에너지원은 빠르게 고갈되고 있어[5], 환경 및 기후 문제에 대한 해결책으로 재생 에너지의 사용이 주목받고 있다[6, 7]. 재생 에너지는 지속 가능한 에너지 사용을 개발할 수 있는 가능성을 제공하기 때문에[8], 지난 10 년 동안 태양광 발전 설비의 사용이 확대되어 2019년에는 약 623.2GW까지 증가하였다[9]. 이러한 신재생 에너지의 도입으로 인해 기존의 건물 사용자는 에너지 소비자에서 에너지 소비, 생산 및 저장을 가능하게 하는 프로슈머(Prosumer)로 변화되고 있다[10-12]. 프로슈머가 모여 커뮤니티 (Community)를 구성하고 구성된 커뮤니티 내부의 커뮤니티 에너지 시스템 (Community Energy System)은 미래 에너지 시스템의 도전 과제를 해결하는데 중요한 역할을 한다[11]. 건물의 수요와 에너지 발전 시스템의 다양성을 고려할 때, 지역 사회에 존재하는 다양한 유형의 건물 간 에너지 공유는 가능성이 풍부하다[13]. 따라서 최근 몇 년 동안 여러 건물간의 공유 및 거래로 인한 시너지 효과와 건물 커뮤니티 내의 에너지 상호 작용이 관심을 받고 있다[14-16]. 이와 관련된 선행연구로 Zhang et al.[17, 18]에서는 에너지 거래 플랫폼을 개발하여 소비자 간 에너지 거래를 통해 지역 수요과 발전간의 균형을 조성하고 사용되는 전력량을 감소시킬 수 있음을 보였다. Neves et al.[19]은 경매 기반 에너지 시장을 제안하고, 에너지 시장을 통해 프로슈머와 소비자가 모두 경제적 이윤을 보장받을 수 있음을 확인했다. 또한 Cintuglu et al.[20]에서는 지역 시장을 생성하고, 프로슈머간의 경쟁적 행동을 유도하여 에너지가 낮은 가격으로 공급되도록 하였다. 이외에도 에너지 공유 플랫폼 개발[21, 22], 마이크로 그리드(Micro-grid) 운영 제안[23-25]에 관한 연구가 수행되었다. 선행연구에서는 대체로 그리드 혹은 커뮤니티를 조성한 후 거래 방식 혹은 소비자의 행동에 대한 연구에 초점이 맞춰져 있으며, 공유에 필요한 잉여 에너지를 효과적으로 활용하는 방법에 대한 연구는 미비하다. 효과적인 에너지 공유를 위해서는 신재생 에너지의 설치를 통한 에너지 생산이 필수적이며, 에너지 소비와 생산 사이에서 발생하는 잉여 에너지를 효과적으로 활용하는 것이 필요하다. 국내에서는 공공기관 설치 의무화 제도를 통해 공공 건축물의 신재생 에너지 사용을 독려하고 있으나, 민간 건축물에 대해서는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 신재생 에너지 설치 및 에너지 공유 활성화를 위한 기초 연구로 신재생 에너지원 중 하나인 태양광을 통해 에너지를 생산하고, 소비와 생산 사이에서 발생하는 잉여 에너지를 활용하는 방법을 제시하고자 한다. 제시한 방법을 통한 잉여 에너지 활용 효과를 국내 전기요금 체계에 대입하여 각 활용 방법에 따른 청구요금 비교를 통해 효과를 분석하고자 한다.

잉여 에너지 활용 방법과 방법에 따른 효과를 분석하기 위해 에너지 시뮬레이션 프로그램인 IESVE 2022를 통해 건물을 모델링하고, 가상의 커뮤니티를 구성하였다. 대상 건물은 공동주택 (아파트), 중규모 사무소, 병원 건물로, Reference 건물을 사용하였다. 가상의 커뮤니티 내에는 용도가 서로 다른 3개의 건물이 존재하며 개요는 Table 1.과 같다.

대상 건물의 용도는 A, B, C가 각각 공동주택, 중규모 사무소, 의료관련 시설이다. Building A는 공동주택 건물로, 10층으로 구성되어 있으며 연면적은 12815.0 m²이다. 이외의 Building B와 Building C는 Table 1.과 같다.

대상 건물을 구성하는 구조체의 열관류율은 2022년 7월 시행된 건축물 에너지 절약 설계 기준[26]을 참고하여 서울시를 기준으로 중부 2지역의 열관류율을 입력하였다. 또한 Weather data는 서울시의 TMY(Typical Meteorological Year, 2007~2021) data를 사용하였다.

각 건물에 설치된 PV(Photovoltaic)은 모두 단결정 타입의 20.1% 효율을 가진 것으로 세 개의 대상건물에 동일하게 사용하였다.

건물에서 발생하는 잉여 에너지 활용 효과를 나타내고 비교하기 위해 본 연구에서는 전기요금 체계를 활용하였다. 전기요금은 전기 에너지 사용에 따른 요금을 의미하며, 한국전력에서 발행하는 청구서를 통해 지불된다. 따라서 건물별 에너지 사용량에 따라 요금이 달라지기 때문에 전기요금의 특징을 활용하여 잉여 에너지 활용 효과를 분석할 수 있다. 잉여 에너지의 활용 효과를 분석하기 위해 가상의 커뮤니티에 존재하는 3개의 대상 건물에서 적용될 수 있는 요금제 중 부하율별 선택요금제, 주택용전력 요금 누진제를 적용하여 잉여 에너지 활용 효과를 분석하였다. 주택용 전력 요금제가 적용되는 Building A는 주택용 전력 (고압) 요금을, 일반용 건물의 전기요금이 부과되는 대상 Building B와 Building C는 일반용 전력(갑) Ⅱ, 고압 A 선택 Ⅱ 요금을 적용하였다.

Building A에 적용되는 주택용전력 요금 누진제는 사용량이 증가함에 따라 순차적으로 높은 단가가 적용되는 요금으로, 현재 200 kWh 단위로 3단계, 최저와 최고간의 누진률은 2.7배로 운영되고 있다. 전기요금은 기타계절과 여름철로 나누어져 있어 여름철 에너지 사용량이 높은 경우 더 많은 요금이 청구될 수 있다. Table 2.는 2023년 5월 16일부터 시행 중인 주택용 전력(고압, 기타계절 (여름제외))의 요금표를 나타낸 것이다[27].

Building B와 Building C에 적용되는 부하율별 선택요금제는 고객이 사용하는 부하율의 크기에 따라 기본요금 및 전력량 요금의 상대적 크기가 달라지는데, 이때 시간대별 계측기가 설치된 건물에 한해 시간대별 요금이 적용된다. 시간대는 Table 3.과 같이 경부하, 중간부하, 최대부하로 분류되며, 경부하 시간대 요금이 가장 낮고, 최대부하 시간대 요금이 가장 높기 때문에 최대부하 시간대에 잉여 에너지를 활용함으로써 청구요금을 절감시킬 수 있다.

또한 신재생 에너지를 설치하여 사용하는 이용자 중 발전사업 허가를 받은 이용자에 한해 건물에서 사용하고 남은 잉여 에너지를 한전으로 역송하여 ‘전기 판매대금’의 이윤을 얻는 역송 전력체계를 활용하였다. 역송전력체계는 시간대별 SMP(System Marginal Price) 단가에 역송 전력량, 즉 잉여 에너지량을 곱하는 것으로 계산되며, 시간대별 SMP 단가는 EPSIS 전력통계정보 시스템에서 확인할 수 있다. 위와 같은 전기요금 체계와 특징들을 이용하여 건물에서 발생하는 잉여 에너지를 효과적으로 사용하는 방법을 제시하고 이에 따른 절감액을 확인하고자 한다.

잉여 에너지를 저장하였다가 최대부하 시간대에 사용하는 Method 1은 건물 에너지 소비와 생산 사이에 잉여 에너지가 발생하면 ESS에 저장하고, 시간대가 최대부하일 때 에너지 생산량과 함께 사용하여 전기요금을 절감시키는 방법이다. 이때, 시간대가 경부하 혹은 중간부하 시간대이거나 생산량이 소비량보다 높더라도 ESS에 저장된 전력을 사용하지 않으며, 최대부하 시간대에 태양광 생산량이 에너지 소비량보다 높은 경우에는 ESS에 저장된 에너지를 사용하지 않고 에너지 소비량을 생산량에서 먼저 충당한 후 초과된 잉여 에너지를 ESS에 저장한다. Method 1의 알고리즘은 Fig. 1. 과 같다.

Fig. 1. 
Utilizing surplus energy Method 1

Method 2는 건물 에너지 소비와 생산 사이에 잉여 에너지가 발생하면 발생한 잉여 전력을 한전으로 역송한다. 에너지 소비량이 생산량보다 높은 경우에는 한전에서 전력을 구매하여 사용하며, 생산량이 소비량보다 높은 경우 발생하는 잉여 에너지를 한전으로 되파는 형식이다. 이때 한전으로 되파는 역송 전력량에 시간대별 SMP 단가에 잉여 에너지량을 곱하여 그 금액만큼을 한전으로부터 환수 혹은 경감받는 것으로 설정하였다. 이때 요금은 월별 청구요금에서 역송 전력량에 SMP 단가를 곱한 총액을 감하는 것으로 설정하였다. Method 2의 알고리즘은 Fig. 2. 와 같다.

Fig. 2. 
Utilizing surplus energy Method 2

건물간 에너지 공유를 통한 잉여 에너지 활용 방법인 Method 3과 Method 4는 이웃 건물에서 발생한 잉여 에너지를 모두 CESS (Central Energy Storage System)에 저장하여 사용한다. Method 3의 경우에는 이웃 건물에서 발생한 잉여 에너지를 공동주택에서 사용하며, 시간대는 고려하지 않는 것으로 설정하였다. 에너지 소비량이 생산량보다 높은 경우 CESS에 있는 전력을 생산량에 합산하여 소비량을 절감시키고, 생산량과 CESS에 저장되어 있는 전력의 합산보다 에너지 소비량이 높은 경우 한전에서 에너지를 구매한다. 한편 에너지 소비량보다 생산량이 큰 경우에는 생산량에서 소비량을 감한 후 남은 전력을 다른 건물과 마찬가지로 CESS에 저장하는 것으로 설정하였다. Fig. 3.은 Method 3의 알고리즘을 나타낸 것이며, Fig. 3. a)는 공동주택으로 잉여 에너지를 공유하는 일반용 건물에서의 알고리즘을, Fig. 3. b)는 다른 건물로부터 잉여 에너지를 공유받아 사용하는 공동주택에서의 알고리즘을 나타낸 것이다.

Fig. 3. 
Utilizing surplus energy Method 3

Method 4는 일반용 건물 중 청구요금이 가장 높게 나타난 건물에 다른 건물에서 발생하는 잉여 에너지를 공유하여 최대부하 시간대에 사용한다. 이때 일반용 건물은 시간대별 부하를 고려하기 때문에 Method 1과 같이 경부하와 중간부하 시간대에는 에너지 소비량이 생산량보다 높더라도 CESS에 저장되어 있는 에너지를 사용하지 않는다. 또한 경부하 및 중간부하 시간대에 에너지 소비량보다 생산량이 높은 경우 발생하는 잉여 에너지는 모두 CESS로 공유하여 저장된다. 반면, 최대부하 시간대에는 에너지 소비량이 생산량보다 높은 경우 CESS에 저장되어 있는 에너지를 사용하는 것으로 설정하였으며, 생산량과 CESS에 저장되어 있는 전력의 합산보다 에너지 소비량이 높은 경우 한전에서 에너지를 구매하는 것으로 설정하였다. Fig. 4. 는 Method 4의 알고리즘을 나타낸 것이며, Fig. 4. a) 는 청구요금이 가장 높은 건물에 에너지를 공유하는 건물의 알고리즘을, Fig. 4. b) 는 다른 건물로부터 잉여 에너지를 공유받아 사용하는 청구요금이 가장 높은 건물의 알고리즘을 나타낸 것이다.

Fig. 4. 
Utilizing surplus energy Method 4

건물은 건물을 사용하는 빈도, 재실 스케줄, 부하 등의 여러 이유로 소비 패턴이 달라진다. 따라서 잉여 에너지의 분포도 건물의 용도에 따라 달라질 수 있다. 각 건물에 따라 발생하는 에너지 소비량, 생산량 및 잉여 에너지 흐름을 파악하는 것이 중요하다. 가상의 커뮤니티 내에 존재하는 공동주택, 사무소, 의료 관련 시설의 에너지 소비량 및 잉여 에너지 분포는 다음과 같다.

Fig. 6.은 Building A의 연간 에너지 소비량, 에너지 생산량 및 잉여 에너지 현황을 나타낸 것이다. 1~3월, 11~12월은 낮은 실외 기온으로 인해 난방 에너지를 사용하고, 6~9월은 높아진 실외 기온으로 냉방 에너지를 사용하기 때문에 에너지 소비량이 높게 나타났다. 3월과 5월, 10월에는 냉난방을 사용하지 않는 동시에 에너지 생산량이 높기 때문에 잉여 에너지가 비교적 크게 나타난 것으로 보인다. 반면 여름철에는 에너지 소비량이 높고 생산량이 낮기 때문에 잉여 에너지가 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 공동주택의 경우에는 청구요금 기준에서 여름철의 전기요금이 따로 구분되어 있고, 사용량 요금이 기타 계절에 비해 높기 때문에 여름철 에너지 공유를 통한 요금 절감 효과를 기대할 수 있을 것으로 보인다.

Fig. 6. 
Energy flow in Building A

Fig. 7.은 Building B의 연간 에너지 소비량, 에너지 생산량 및 잉여 에너지 현황을 나타낸 것이다. 사무소 건물인 Building B의 경우 점심 시간대 건물의 이용이 적을 것이며, 주말에는 건물 이용이 대체적으로 적다. 따라서 주말에는 에너지가 생산되지만, 건물 이용이 적기 때문에 잉여 에너지가 대체로 모든 월에 발생하는 것으로 나타났다. 사무소 건물의 경우에는 주말에 저장된 잉여 에너지를 자가 건물의 최대부하 시간대 사용하거나 다른 건물로 공유하여 사용하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.

Fig. 7. 
Energy flow in Building B

Fig. 8.은 Building C의 연간 에너지 소비량, 에너지 생산량 및 잉여 에너지 현황을 나타낸 것이다. 의료관련 시설인 Building C의 경우에는 의료관련 시설의 특성상 장비부하가 높기 때문에 여름철 냉방으로 인한 에너지 소비량이 증가한 것으로 보이며, Building A와 Building B와 비교했을 때 에너지 소비량이 가장 높은 것으로 나타났다. 또한 진료부와 병동부 운영으로 재실자가 상시 존재하고, 에너지를 계속해서 사용하기 때문에 잉여 에너지가 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 의료관련 시설의 경우 다른 건물로부터 에너지를 공유받아 사용하여 자가 건물 최대부하 시간대 부과되는 요금을 절감시키는 것이 효과적일 것으로 보인다.

Fig. 8. 
Energy flow in Building C