2.1 국내외 마이크로그리드 사이트

국내에서 마이크로그리드와 관련 기술의 개발은 2000년대 후반 한전과 중전기기 업체를 중심으로 시작된 이후, 10여 년간 다양한 형태의 실증 과제가 진행되어왔다. 표 1에서 보는 바와 같이 실증 사이트의 대부분은 신재생에너지와 배터리를 갖추고 육지 전력계통과 상관없이 운영되는 독립형 마이크로그리드이다^[1]. 각 사이트는 에너지 공급과 수요를 최적으로 관리하는 EMS (Energy Management System)의 유무와 고도화 수준의 차이만 있을 뿐 친환경의 에너지 자립섬을 추구하는 것은 동일하다. 단, 현재까지 구축된 국내의 에너지 자립섬은 전기에너지의 자립만을 타겟으로 한 것으로서, 열에너지는 배제되어 있다. 이는 국내 에너지산업의 구조상 전기사업과 열사업을 병행할 수 없다는 측면에서 나타나는 현상이다.

이와 달리, 해외 마이크로그리드는 개발 초기부터 전기와 열을 통합하여 다루는 방향으로 기술 개발과 실증 연구가 진행되어 왔으며, 선진국의 주요 실증 사이트는 열공급원으로서 주로 CHP를 포함한 마이크로그리드가 대부분이다^[2].

2.2 한전의 히트펌프 보급 프로그램

2000년대 초반 한전에서는 요금이 상대적으로 저렴한 심야전력을 이용하여 축열하고 난방 및 온수로 활용할 수 있는 심야전기 보일러를 대대적으로 보급한 바 있다. 이후 10여 년이 지난 시점부터 영세한 심야전기 보일러 제조업체들이 부도 등의 이유로 제품 A/S가 어려워지는 한편, 동계 심야시간대에도 피크가 발생하는 일이 빈번해짐에 따라 요금제가 개편되고 심야전기 보일러의 메리트가 없어지게 되었다. 고객 입장에서는 전기요금 측면에서 이익이 없고, 전력회사 입장에서는 심야시간대 피크 발생에 대한 부담을 안게 된 것이다. 이를 해결하기 위한 방안으로 기존의 심야전기 보일러를 대체할 수 있는 축열식 히트펌프 보일러의 국산화 개발 연구가 2010년부터 한전을 중심으로 진행되었고^[3], 2013년 이후로는 기존의 심야전기 보일러 고객과 신규 심야전력(갑) 고객을 대상으로 보급되고 있다.

그림. 1. 축열식 히트펌프 보일러 구성^[4,5]

Fig. 1. Heat Pump Boiler with Thermal Storage^[4,5]

축열식 히트펌프 보일러는 기존 심야전기 보일러 대비 50%의 전력 소비로 고객의 경제적 이익을 확보하는 한편, 기 설치된 축열조를 활용함으로써 설비 교체의 편의성 측면에서도 유리하다. 한전은 축열식 히트펌프 보일러의 보급 활성화를 위해 설비용량에 따라 200∼250만원을 지원하고 있다^[4,5].

2.3 전기에너지주택용 히트펌프 개발

1차 에너지 이용 합리화 측면에서 냉난방, 급탕, 취사 등 열에너지를 포함한 고객의 모든 에너지 수요를 전기로 공급하는 전기에너지주택은 일본에서는 2000년대 초반부터 활발하게 보급되고 있으나, 국내에서는 2010년 전후로 한전을 비롯한 다양한 기업과 연구기관에서 실증 위주의 연구를 진행한 바 있다^[6]. 전기에너지주택은 1차 에너지 측면에서는 효율적인 에너지 사용을 가능하게 하지만, 전력 수요의 증가를 가져오기 때문에 9.15 순환정전과 같이 전력수급에 문제가 발생한 이후로 보급 확산에 부담을 줄 수밖에 없었다. 최근에 와서는 에너지 신산업 창출의 측면에서 다양한 신재생에너지 결합과 수요반응 기능 구현이 가능한 전기에너지주택의 보급이 다시 관심을 받고 있다. 전기에너지주택에서 냉난방과 급탕을 모두 전기로 공급할 수 있도록 하는 핵심설비가 히트펌프이며, 2012년까지 진행된 연구에서 이러한 목적의 전기에너지주택용 히트펌프를 이미 개발한 바 있다. 본 논문에서는 마이크로그리드의 보급 활성화를 위한 수단으로 전기에너지주택용 히트펌프의 도입을 고려하였다.

3.1 설비 최적 구성

마이크로그리드는 태양광, 풍력 등 주어진 자연환경에서 가용할 수 있는 신재생에너지 설비와 ESS를 포함하여 가장 경제적인 설비 구성으로 설계된다. 통상 신재생에너지 예측의 불확실성으로 디젤발전기를 포함하여 마이크로그리드를 구성하는데, ESS의 SOC를 최적으로 관리하면서 충방전 스케줄을 설정한다^[7]. 또한, 열 공급을 동시에 고려하는 마이크로그리드는 소형 열병합 또는 연료전지를 포함한다. 본 논문에서는 마이크로그리드 설계에 널리 활용되는 툴인 미국 NREL에서 개발한 HOMER를 기반으로 가장 경제적인 설비 구성을 찾는다. 설비 구성 시 기존의 국내 마이크로그리드와 같이 열 공급을 제외한 경우와 열 공급까지 포함한 경우를 구분한다. 전자의 경우에는 보일러를 이용하는 것으로 가정하고, 후자의 경우에는 마이크로그리드에 히트펌프를 설치하여 난방 및 급탕 부하를 감당하는 것으로 가정한다. 전기와 열을 모두 공급할 수 있는 연료전지는 두 경우 모두 적용한다. 이를 표 2에 요약하였다. 즉, 열 공급을 보일러만으로 하는 경우는 기존의 마이크로그리드와 동일한 구성이므로 본 논문에서는 비교 대상에서 제외하였다. 단, 연료전지와 히트펌프가 공급하는 열의 비율을 달리하여 민감도 분석을 수행하였다.

3.2 민감도 분석

전기와 열을 모두 공급할 수 있는 연료전지의 경우에는 열 공급 비율에 따라 마이크로그리드 시스템 운영이 잘라진다. 따라서, 연료전지 열회수율(Heat Recovery Ratio) 수준에 따른 설비 구성과 경제성의 민감도 분석을 수행하여 마이크로그리드 설계를 위한 실제적인 활용 방안을 제시한다. 또한, 히트펌프의 경우 기존의 난방설비를 한꺼번에 교체하는 것이 쉽지 않으므로 점진적인 교체를 감안하여 히트펌프 교체 비율에 따른 마이크로그리드 설비 구성과 경제성의 민감도 분석을 수행하여 마찬가지로 마이크로 설계를 위한 실제적인 활용 방안을 제시한다. 본 논문에서 비교하는 민감도 분석 범위를 표 3에 보였다.

3.3 보급정책 설계 방향

본 논문에서는 마이크로그리드 보급 정책 개발자가 기본적으로 HOMER와 같이 이해하기 쉽고 다루기 용이한 툴을 활용하되, 히트펌프와 연료전지와 같은 수요측과 공급측 설비를 포함시켰을 경우 경제적이면서도 입지조건에 적합한 마이크로그리드 보급 가이드라인을 탐색할 수 있도록 돕는 측면에서 정책 설계 방향을 잡았다. 이러한 가이드라인 탐색은 마이크로그리드와 관련된 산업의 환경을 고려하여 시장에 부담을 주지 않는 점진적 보급이 가능하게 한다.

4.1 대상 사이트 설비 최적 구성 및 NPC 비교

사례 연구는 전라남도 진도군 가사도에 구축된 독립형 마이크로그리드 규모의 전기 수요에 열 수요량까지 포함한 경우를 가정하였다. 월평균 전기 및 열 수요는 각각 2,165kWh와 6,300kWh(가스보일러 기준)이다. COP 3.45인 전기주택용 히트펌프와 효율 90%인 IH조리기의 설치를 고려하여 부하패턴을 변경하였는데, 이는 기존의 난방연료로 가스나 유류를 사용하던 것에서 모든 에너지 수요를 전기로 바꾼 것이어서 낮시간대보다 저녁과 새벽 시간대 부하가 급격하게 증가한 것이다. 이를 그림. 2에 보였다.

그림. 2. 사례연구 대상 지역의 연평균 일부하 패턴

Fig. 2. Annual average load daily pattern for case study

본 사례연구에서 고려한 에너지 공급설비는 태양광, 풍력, 연료전지 및 디젤 발전기이며, HOMER 툴을 활용하여 미래의 가치를 현재가치로 환산한 순현가비용(NPC) 최소화로 가장 경제적인 설비 구성을 찾았다. 열 수요를 기존과 같이 보일러로 공급하는 경우와 히트펌프로 공급하는 경우를 대상으로 사례연구를 수행하였으며, 표 4와 그림. 3에 각종 비용요소과 일사량 및 풍속 조건을 각각 보였다. 한편, 경제성 평가 대상기간은 20년이다. 각종 비용요소는 최근 관련 연구를 참고하여 적용하였다.

그림. 3. 연간 일사량 및 풍속 조건

Fig. 3. Annual condition of solar radiation and wind speed

HOMER 시뮬레이션을 통해 도출한 각 Case의 최적 자원구성 순위는 표 5와 같다. Case I과 Case II는 열 수요를 각각 보일러와 히트펌프로 감당하는 경우의 NPC에 따른 최적 설비 구성을 보여준다. 보일러 이용을 고려하는 Case I의 경우 전기만으로 열 수요에 대응하는 Case II에 비하여 경제성이 높은 편이다. 이는 히트펌프 이용을 위해 전력공급 설비용량의 추가가 발생하기 때문이다. 반면에 Case II의 경우 화석연료 소비가 감소하므로 보다 친환경적이고 연료비 증가에 보다 유연하게 대응할 수 있다. Case I의 4순위, 5순위와 Case II의 3순위, 4순위 같은 경우에는 태양광을 설치하지 않아도 된다는 측면에서 부지확보에 부담이 되는 경우에 유용한 대안이 될 수 있음을 알 수 있다. 한편, Case II의 5순위는 풍력발전기 입지조건이 적합하지 않은 경우의 대안이 될 수 있다.

4.2 연료전지 열회수율에 따른 민감도 분석

상기에 다룬 Case I의 경우에는 보일러로 열 수요에 대응하고, Case II의 경우에는 히트펌프로 열 수요에 대응하는 것으로 가정하여 연료전지는 발전용으로만 제한한 것이다. 따라서, 연료전지가 열과 전기를 모두 공급하는 경우를 가정하여, 연료전지 열회수열 수준에 따른 경제성을 평가할 필요가 있다. 표 6에 Case I의 경우에 대하여 연료전지 열회수율 수준에 따른 NPC 결과를 보였다. 열회수율이 높을수록 경제성이 높은 것으로 나타났는데, 이는 보일러 가동의 부담을 줄임으로써 연료비 절감 효과를 가져온 것에 기인한다. 한편, HOMER의 경우 연료전지를 신재생에너지로 간주하지 않기 때문에 열회수율이 높을수록 신재생 비율(Renewable Fraction)은 상대적으로 낮게 나타났다.

4.3 히트펌프 보급률에 따른 민감도 분석

Case II의 경우 100% 히트펌프가 보급된 경우를 가정한 것으로서, 단번에 히트펌프가 보급되기에는 현실적으로 맞지 않기 때문에 히트펌프의 보급비율에 따른 경제성을 평가할 필요가 있다. 이에 따라, 히트펌프가 부분적으로 보급되어 보일러 또는 다른 열에너지 공급설비와 공존하는 경우에 대하여 민감도 분석을 수행하였다. 표 7에서 보는 바와 같이 히트펌프 보급비율이 높을수록 공급해야 하는 전기부하가 증가하여 설비용량의 추가로 비용이 증가하게 되는 반면, 화석연료 소비는 감소하기 때문에 친환경적인 측면에서 더 유리한 대안이 될 수 있다. 예를 들어, 히트펌프 보급률 100%일 때 연간 연료소비량은 보급률 0%인 경우와 비교하여 약 42% 감소하였고, 반면에 전력 생산량은 약 69% 증가한 것으로 나타났다. 또한, 신재생에너지 비율은 16.2%에서 42%로 증가하였는데, 이는 마이크로그리드 최적 구성 결과가 디젤보다는 신재생에너지 설비의 용량을 증가시키는 것이 더 경제성이 높은 것으로 나타났기 때문이다.

4.4 정책 개발자의 의사결정 활용

표 7에서 보는 바와 같이 태양광 또는 풍력발전기 입지조건이 마땅치 않거나 혹은 친환경 목적으로 디젤을 배제하는 경우 연료전지와 배터리 위주로 설비 구성하게 될 때 상대적으로 낮은 경제성에 대응한 보조금 정책 설계 방안을 모색할 수 있다. 또한, 각 입지조건별 경제성을 고려하여 보조금 지급을 차등화하는 방안 또한 고려할 수 있다. 예를 들어, 풍력발전 입지조건이 나쁜 곳이 마이크로그리드 경제성이 더 낮기 때문에 같은 부하규모라도 보조금을 더 높게 지급해야 한다.