태양광 발전은 태양의 빛 에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 태양전지를 이용한 것으로써 우리나라에는 1998년 전후로 해서 보급되기 시작하였다(송기인, 2012). 또한, 태양광에너지는 가장 관심을 받고 있는 에너지원으로 한 시간 동안 지구상에 도달하는 에너지량은 인류의 연간 에너지사용량의 약 2배가 될 정도로 막대한 자원으로 알려져 있다(이성훈 외, 2012).

태양광 모듈은 2011년 전 세계에 27.1∼28.8 GW 가량 설치되었다. 전반적으로 2010년 대비 태양광 모듈 설치량은 49% 확대되었지만, 태양광 모듈의 비용은 유럽 주요국들의 정책 변화 등과 같은 변수로 약 48% 하락하고 있는 추세이다(안지운, 2012).

태양광 산업의 성공 여부는 정부의 정책적인 지원에 따른다. 이에 IEA에서는 개발이 완전하게 이루어지지 않은 기술에 대해 경제적인 경쟁력보다는 안정적인 FIT, 초기보조금과 같은 낮은 리스크의 지원 정책을 사용하는 것이 필요하며, 상대적으로 기술 진보가 이루어진 기술은 고정프리미엄 가격과 같은 시장지향적인 지원정책을 적용하는 것이 적절하다고 언급하였다(IEA, 2008).

우리나라의 경우, 지식경제부에서 ‘태양광을 제2의 반도체로, 풍력을 제2의 조선으로 육성’시키겠다는 비전으로 2015년까지 세계 시장에서 태양광 점유율 15%, 풍력 15%를 목표로 설정하였다. 또한, 국내 신재생에너지 공급 비중은 2030년까지 11%로 확대할 계획이다(지식경제부, 2011). 그리고 서울시의 경우, ‘서울시 친환경에너지 선언(2007)’과 ‘그린디자인 2030 선언 (2009)’ 이후 태양광, 연료전지의 설비용량이 크게 증가하고 있는 추세이다(서울시정개발연구원, 2012). 그리고 서울시는 짧은 일조시간과 높은 임대료 및 공사비, 신재생에너지 공급 인증서의 판매경로 등 어려움에 직면해 있는 소규모 태양광 발전시설을 활성화하기 위한 노력을 하고 있다. 이에 따른 방안으로 50 kW 이하의 소규모 태양광 발전시설이 1 kWh를 생산할 때마다 50원씩 보조금을 지원하는 ‘서울형 발전차액 지원제도’ 방안을 내었다. 그리고 서울시와 발전사들과의 협약을 통해 최대 100개 태양광 발전사업자의 신재생에너지 공급 인증서를 책임지고 구매할 수 있도록 12년간 장기계약을 하여 소규모 태양광 발전시설 활성화 방안을 내놓았다(서울시, 2013).

계통연계형 태양광 시스템은 기존의 전력공급계통과 연계하여 태양광 발전시스템에서 발전된 전력을 공급하고, 야간, 우천시와 같이 발전하기 힘든 환경일 경우, 기존의 전력시스템으로부터 전력을 공급받는 시스템이다(한국태양광산업협회, 2012).

기존 가로등의 재생에너지 시스템은 주로 독립형 가로등 시스템이다. 이 시스템은 배터리 교체와 남는 전력의 미활용 등으로 인해 효율적 운용의 한계를 가지고 있다. 최근에 이러한 문제점을 해결하기 위해 주간에 생산된 전력을 모두 역송전하고, 야간에 전력망으로부터 전력을 공급받는 계통연계형 시스템이 하나의 방안으로 나타나고 있다(이지희 외, 2012).

Fig. 1 
Central grid PV street lamp system.

RETScreen은 신재생에너지를 이용하는 다양한 시스템을 대상으로 신재생에너지 설비 및 설치 비용 등 신재생에너지와 관련된 각종 정보를 제 공하기 위해 캐나다 Natural Resources Canada (NRCan)의 VANMET Energy Diversification Re-search Laboratory(CEDRL)에서 개발 보급하고 있는 개방된 프로그램이다(산업자원부, 2006). 이 프로그램은 특정 신재생에너지 프로젝트를 설정하고, 관련된 기상자료, 설비특성, 투자비용 등의 요인을 사용하여 에너지 생산량과 이에 따른 수입 등을 계산하여 에너지 분석 및 경제성 평가를 수행할 수 있다(이성훈 외, 2011).

RETScreen 모델은 하나의 프로젝트에 대한 경제성 분석 만을 실시할 수 있기 때문에, 다양한 신재생에너지원 도입에 따른 통합적인 분석은 힘들다는 한계점을 가지고 있다. 하지만 자료 입력 및 분석방법이 간편하여 신재생에너지 프로젝트의 예비타당성 조사 시 유용하게 사용할 수 있는 장점이 있어 하나의 신재생에너지원 도입에 따른 분석을 쉽게 실시할 수 있다(이주수 외, 2013).

Fig. 2 
RETScreen model analysis procedure.

RETScreen을 사용한 태양광 발전시설에 관한 선행연구의 분석기간은 태양광 설비의 수명을 고려하여 20년의 기간을 많이 적용하고 있다. 그리고 조사된 11건의 사례 중 발전분배 방식은 배터리에 전력을 충전하는 독립형 발전 방식을 적용하여 분석한 연구가 6건으로 주로 이루어졌다. 그리고 계통연계형 발전 시스템에 대한 분석 연구는 2건으로 상대적으로 적게 나타나, 계통연계형 발전 시스템에 대한 연구가 추가적으로 이루어져야할 것으로 보인다.

기준 에너지모델은 기존에 대상지역으로 설정한 광진구에 설치된 40 W LED 가로등 1주를 대상으로 설정하였다. 그리고 기본가정은 광진구의 평균 점등시간 및 점등일수를 고려하여 각각 12시간, 365일로 설정하였다. 대안 에너지모델은 기준 에너지모델에 계통연계형 태양광 시스템을 설치하는 것으로 가정하였다. 적용 태양광 모듈은 일반적으로 태양광 가로등 용으로 많이 사용되는 100 W 급 단결정 셀을 사용하고, 태양광 모듈의 최적효율을 위해 경사각은 30°를 유지하도록 하였다. 또한, 집열판은 유지관리가 용이한 고정형 방식을 선택하였으며, 발전전력의 역송전에 사용되는 인버터는 400 W, 95% 효율을 가진 제품을 설치하는 것으로 가정하였다.

재정모델의 할인율은 한국개발연구원에서 제시하고 있는 사회적 할인율 6.5%로 설정하였으며, 평가기간은 태양광 모듈 평균수명에 준한 20년, 초기비용에 대한 대출비율은 40%로 하였으며, 이는 서울시 태양발전 융자지원제도에 근거하여 연 2.5%, 8년 분할 상환하는 것으로 설정하였다. 가로등 전력공급 단가는 2013년 한전에서 고시한 가로등용 전력요금 81.50원/kWh, 역송전 단가는 2013년 8월 11일 기준 162.11원/kWh로 설정하였다. 그리고 RPS 도입에 따른 신재생에너지 인증서(Reneweable Energy Certificate)가격은 2013년 7월 거래가격을 기준으로 기존건물에 태양광시설을 설치하여 가중치를 고려한 금액 237.9원/kWh 로 설정하였다. 추가로 보조금은 서울시에서 발표한 서울형 발전차액제도를 적용하여 5년간 50원/kWh을 지원하는 방안으로 설정하였다. 그리고 가로등에 설치할 태양광 발전 설비비용은 인버터, 태양광 모듈, 컨트롤러를 합한 금액을 적용하였으며, 상세금액은 표 5와 같다.

태양광 설비의 운영유지 비용은 미국전력연구원에서 1 MW 이하의 태양광 발전설비에 대한 유지관리 비용을 전체 설비비용의 1∼5% 정도로 추정하고 있다(EPRI, 2010). 본 연구에서는 앞서 조사한 선행연구 중 2건의 연구(이성훈외, 2011;, 박윤민외, 2011)에서 적용된 전체 설비의 1%의 비용을 유지관리비로 설정하도록 하였다.

본 연구에서는 계통연계형 가로등 시스템의 경제성 평가 시 영향을 줄 수 있는 요인을 고려하고자 유지관리비용, 전기 역송전 단가를 고려하여 민감도 분석을 실시하였다.

Fig. 3 
SMP cost trend.

출처: 한국전력거래소

태양광 발전의 경제성 평가 요소 중 태양광 설비비용도 중요하지만, 발전설비의 유지관리 비용의 변동에 따른 영향을 파악하는 것도 중요하다. 본 연구에서 적용된 유지관리 비용은 1%이지만, EPRI(2010)에서 추정하고 있는 1∼5% 범위에서 볼 때 추가적인 비용이 소모될 수 있다. 이러한 영향을 파악하고자 전체 설비비용의 3%, 5%를 적용하여 분석을 실시하였다.

그리고 발전된 전력의 판매단가에 해당되는 계통한계 가격(System Marginal Price)의 변동은 태양광 발전시설 경제성 평가에 영향을 줄 수 있는 요인이 될 수 있다. 계통한계 가격은 점점 증가하고 있으며, 2011년부터 2012년까지 연평균 10.87 % 상승한 추세를 보이고 있다.

본 연구에서 적용한 2013년 8월 11일 기준 계통한계 가격 162.11원/kWh 이외에 추가적인 영향을 파악하고자 3년 평균계통한계가격 133.37원/kWh, 5년 평균계통한계가격 125.09원/kWh을 적용하여 경제성을 분석하도록 하였다.

본 연구에서 설정한 재정모델의 경우, 서울형 발전차액지원제도를 적용하고 있다. 서울형 발전차액지원 제도는 제도상에서 지원되는 금액과 전력역송전단가, REC 가격을 모두 합하여 지원받는 형태이다. 본 연구에서는 설정한 재정모델의 시나리오 이외에 추가적인 사항을 고려하고자 본 연구에서 기본적으로 가정한 재정모델을 시나리오 Ⅰ로 두고 서울형 발전차액지원 제도의 보조금을 지원하지 않는 것을 시나리오 Ⅱ, 신재생에너지 공급인증서 획득이 실패하여 REC를 팔지 못하는 경우를 시나리오 Ⅲ으로 설정하여 각 요소들이 경제성 분석에 어떠한 영향을 미치는지 파악하기 위하여 분석을 실시하였다.

대상도시에 적용된 계통연계형 태양광 가로등의 단위면적당 태양복사량은 1.33 MWh/m²로 나타났다. 그리고 한국전력공사에 역송전한 연간 총 전력량은 114 kWh로 산출되었으며, 연간 총 전력사용량은 약 175 kWh로 연간 사용되는 전력비용은 14,296원의 지출이 있을 것으로 분석되 었다.

기준에너지 모델에 대안 에너지 모델을 적용한 결과, 순현재가치(Net Present Value)는 155,362원으로 나타났고, 자기자본 측면에서 세전 내부 수익율은 19 %, 자산측면에서 세전 내부 수익율은 10.5 %로 나타났다. 그리고 단순상환은 5.8년, 자기자본회수는 5.2년 안에 회수 가능한 결과를 보였다. 또한, 시스템 적용 마지막년도가 되는 20년 후에는 401,935원의 수익을 창출할 수 있는 것으로 나타났다. 최종적으로 이러한 결과를 현재 광진구에 설치되어 있는 40 W LED등 150주에 적용하게 되면 20년 후에는 60,290,218원의 수익을 창출할 수 있는 것으로 분석되었다.

Fig. 4 
Cumulative cash flows of proposed model.

계통연계형 태양광 가로등 시스템의 경제성 평가 시 영향을 줄 수 있는 요인을 고려하고자 유지관리비용, 전기 역송전 단가를 고려하여 민감도 분석을 실시하였다.

유지관리비용에 따른 민감도 분석 결과, 자기자본회수 기간은 설치비용의 3%, 5%로 설정할 때 각각 7년, 8년으로 나타나, 본 연구에서 설정한 설치비용의 1%로 설정 시 분석된 자기자본회수 기간 6년과 비교할 때 3%, 5% 각각 1년과 2년의 차이를 보였다. 태양광 발전시설 내구 연한으로 설정한 20년 후의 최종수익 금액에 따른 유지관리 비용의 차이는 설치비용의 3% 설정 시 320,534원, 5% 설정 시 239,134원으로 나타나, 설치비용의 1%로 설정 시 401,934원과 비교할 때 3%, 5% 각각 81,400원, 162,800원의 차이를 보였다. 유지관리 비용의 변동에 따라 손익분기점은 최대 5년, 최종 수익금액은 최대 162,800원의 차이를 보이지만, EPRI(2010)에서 추정한 최대 비율인 5%의 비율 적용에도 최종적으로 양의 그래프를 보여 유지관리 비용의 변동에도 영향을 받지만, 최종적으로는 수익이 있음을 파악할 수 있었다.

SMP 가격에 따른 민감도 분석 결과, 손익분기점이 되는 자기자본회수기간은 3년 평균 SMP 가격 133.37원/kWh, 5년 평균 SMP 가격 125.09원/kWh으로 적용하였을 때 모두 약 7년으로 나타났다. 그리고 본 연구에서 설정한 2013년 8월 11일 기준 162.11원/kWh 적용 시 자기자본회수 기간 8년과 비교할 때 3년 평균, 5년 평균가격 모두 약 1년의 차이를 보였다. 또한, 태양광 발전시설 내구 연한으로 설정한 20년 후의 최종수익금액에 따른 SMP 가격의 차이는 3년 평균 SMP 가격 적용 시 336,311원, 5년 평균 SMP 가격 적용 시 317,411원으로 나타나, 2013년 8월 11일 기준 적용 SMP 가격 사용 결과인 401,935원과 비교할 때 3년 평균 SMP 가격, 5년 평균 SMP 가격 각각 65,623원, 84,523원의 차이를 보였다.

Fig. 5 
Cumulative cash flows by changed O&M costs ratio.

Fig. 6 
Cumulative cash flows by changed SMP cost ratio.

SMP 가격 변동에 따른 비용적인 부분에서의 차이는 약 6∼8만원의 차이를 보였으며, SMP 가격이 점점 상승하고 있는 추세이기 때문에, 추가적으로 경제성이 더 좋아질 것으로 예상된다.

본 연구에서는 설정한 재정모델의 시나리오 이외에 추가적인 사항을 고려하고자 진행한 시나리오 분석을 실시하였다. 분석 결과, 본 연구에서 기본적으로 가정한 재정모델을 시나리오 I과 비교할 때 서울형 발전차액지원 제도의 보조금을 지원하지 않는 시나리오 Ⅱ는 자기자본회수 기간은 약 7년, 20년 뒤 최종 수익금액은 373,934원으로 자본회수 기간은 약 2년, 최종수익금액은 약 3만원의 차이를 보여, 서울형 발전차액지원제도의 보조금이 주어지지 않아도 양의 그래프를 보여 수익을 창출할 수 있는 것으로 나타났다. 하지만 신재생에너지 공급인증서를 제외하는 시나리오 Ⅲ의 경우, 경제성 분석 결과 최종적으로 음의 그래프가 나타나며, 가정한 모델의 최종기간인 20년이 될 때에는 ―169,345원의 손해를 보는 것으로 분석이 되었다. 시나리오 분석 결과, 신재생에너지 공급인증서 획득 유무가 본 연구에서 제안하는 태양광 가로등 시스템의 손익에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

Fig. 7 
Cumulative cash flows of scenario analysis result.