2.1 효율향상 잠재량 추정방법

2000년 초부터 미국에서는 효율향상 잠재량연구(Energy Efficiency Potential Study)를 이용하여, 효율향상 이행수단의 보급 효과와 전망을 추정하고 있다. 잠재량은 크게 기술적 잠재량(Technical Potential), 경제적 잠재량(Economic Potential), 달성가능 잠재량(Achievable Potential)으로 구분된다. 기술적 잠재량은 비용효율성과 소비자 채택의지는 무시하고 공학적 관점에서 효율향상 이행수단이 기술적으로 가능한 한 완전히 보급된다는 가정하에 이론적으로 추정된 최대 에너지 절감량이다. 경제적 잠재량은 기존의 공급측면 에너지 자원과 비교하여 효율향상 이행수단이 비용 효과적인가를 고려한 절감량이다. 주로 캘리포니아 표준테스트(California Standard Practice Manual)^[21] 중 총자원비용(Total Resource Cost, TRC) 테스트를 이용하여 판단하고 있다. 달성가능 잠재량은 개별 효율향상 이행수단의 소요자금 및 지원금 수준 등에 근거하여 추정된 잠재량이며, 주로 회수기간 채택곡선(Payback Acceptance Curve)을 활용하여 추정하고 있다^{[22, 23]}. 본 연구에서는 그림 1과 같은 에너지 절감잠재량 추정모형을 활용하여 2023년 국내 EERS 사업계획의 절감잠재량을 추정하였다.

그림 1. 에너지 절감잠재량 추정 모형

Fig. 1. Model for estimating energy savings potential

2.2 정수계획법

선형계획법은 의사결정변수(Decision variable), 목적함수(Objective function), 제약조건(Constraints)으로 구성되며, 목적함수와 제약식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $z$는 목적함수의 값, $x_{j}(j = 1,\: 2,\: \cdots ,\: n)$는 의사결정변수, $c_{j}(j = 1,\: 2,\: \cdots ,\: n)$는 기여계수, $a_{ij}$는 기술계수 및 $b_{j}(j = 1,\: 2,\: \cdots ,\: m)$는 제약량 또는 필요량을 의미한다. 기술계수 $a_{ij}$의 하첨자 $i,\: j$는 각각 행과 열의 위치를 나타내는데, $m$개의 제약식과 $n$개의 의사결정변수의 구조에서 기술계수 $a_{ij}$는 $m\times n$ 차원의 행렬로 나타낼 수 있다. 의사결정변수 $x_{j}$는 음의 값을 허용하지 않도록 설정하여야 한다. 정수계획법은 선형계획법에 포함된 변수가 정수의 값만을 지닐 수 있는 경우의 선형계획법을 말한다.

본 연구에서는 에너지 절감잠재량 추정모형으로 추정한 절감잠재량을 바탕으로 IBM ILOG CPLEX Optimization Studio를 활용하여 분석을 수행하였다.

2.3 경제성분석

캘리포니아 표준테스트는 오랜 기간 사용되었고, 신뢰성이 높은 것으로 평가되어, 현재 미국을 비롯한 선진국들이 수요관리 경제성분석 방법으로 사용하고 있다. 여기에는 참여자(P), 수용가영향도(RIM), 유틸리티비용(UC) 및 총자원비용(TRC)과 같은 4개의 테스트가 있으며, 모든 테스트는 편익(Benefit)과 비용(Cost)의 비율(BCR)이 1.0 이상을 적정한 것으로 판단하고 있다. 각 테스트는 식(2)~식(5)과 같이 표현된다.

여기서, $I$는 인센티브 및 리베이트, $LR$은 전기요금 감소, $PH$는 참여자 기기비용, $AC$는 회피비용, $OC$는 프로그램 관리비용 및 $UH$는 전력회사 기기비용을 의미한다. 2023년 EERS 사업계획의 경제성분석에서 프로그램 관리비용과 전력회사 기기비용을 0으로 설정하였다. 동일 조건으로 분석하기 위해, 본 연구에서도 프로그램 관리비용과 전력회사 기기비용은 0으로 가정하였으며, 2023년 EERS 사업계획서^[24]의 기기정보, 회피단가, 전기요금 등의 자료와 정수계획법으로 도출한 결과를 바탕으로 경제성분석을 수행하였다.

3.1 연구대상

3.1.2 2023년 EERS 사업계획 계층화

정부는 소비 활성화를 위해 전기요금 복지할인 대상자에 한하여 고효율 가전기기 구매 환급제도를 시행하고^[25], 사회복지시설에 냉난방기 교체․신설시 지원금을 지원하는 경제정책방향을 발표하였으며^[26], 가정부문 에너지효율 혁신을 유도하기 위해 자발적 참여제도인 에너지캐쉬백 제도를 적극적으로 추진하고 있다^[2]. 또한, 에너지효율 향상 관련 산업생태계 조성을 위해 EERS를 활용하겠다고 발표하였다^[27]. 이러한 정책들을 반영하기 위한 이행수단들이 2023년 EERS 사업계획에 포함되어 있다.

이에 따라 2023년 EERS 사업계획을 ‘사업-프로그램-이행수단’ 형태로 계층화하고, 프로그램을 다음과 같이 4개로 구분하였다. 에너지절감량 확보가 주목적인 ‘고효율기기 보급지원’, 에너지복지 실현을 위한 ‘사회기여’, 자발적 참여와 에너지절약 확대를 목적으로 하는 ‘행동변화’, 그리고, 에너지효율산업 생태계 조성을 목적으로 하는 ‘외부위탁’으로 구분하였다. 4개의 프로그램 안에는 유사 목적의 이행수단들을 포함시켰으며, 그림 2는 본 연구에서 재구성한 2023년 EERS 사업의 체계를 보여주고 있다.

그림 2. 2023년 EERS 사업 계층화

Fig. 2. Hierarchy of 2023 EERS

3.2 절감잠재량 추정

본 연구에서의 절감잠재량은 2023년 EERS 사업계획의 이행수단별로 고효율기기 활용이 가능하나 현재까지 고효율기기를 사용하지 않고 있어 향후 고효율기기 보급시 확보가 가능한 절감잠재량을 의미한다. 또한, 2023년 EERS 사업계획은 이미 캘리포니아 표준테스트의 경제성분석을 마친 결과물로써 기술적 절감잠재량과 경제적 절감잠재량이 동일하다는 가정을 하였다.

고효율기기 보급지원 프로그램의 지원금 지원 대상은 일반기기를 고효율기기로 교체하는 고객이며, 따라서 절감잠재량은 일반기기 보급대수를 기준으로 추정하였다. 사회기여 프로그램은 사회복지시설, 전통시장의 상가 및 농어촌 가구가 고효율기기를 신설 또는 교체시 지원금을 지원하며, 절감잠재량은 사회복지시설, 전통시장의 상가 및 농어촌 가구에서 구입하는 고효율기기 대수로 추정하였다. 행동변화 프로그램은 고효율기기의 구입없이 기존 설비의 에너지 절약을 통해 절감량 기준을 달성한 주택용 고객에게 지원금을 지원하며, 주택용 아파트의 호수를 포함한 주택용 고객수로 절감잠재량을 추정하였다. 외부위탁 프로그램은 ESCO 및 EMS 사업자의 에너지 절감량을 인정하고 실적 기반 지원금을 지급하며, ESCO 및 EMS 사업대상은 중견기업, 비영리법인, 공공기관 등으로 이들의 사업체 수로 절감잠재량을 추정하였다.

연간최대 절감잠재량은 고효율기기의 판매실적, 또는 달성가능 절감잠재량을 기기수명 기간으로 나눈 값으로 추정하였다. 최소절감량은 산업통상자원부의 에너지공급자의 수요관리 투자사업 운영규정^[1]에서 사업비는 직전년도 해당 사업비 이상으로 책정한다는 조항을 근거로 전년도 EERS 사업실적으로 하였으며, 과거 사례를 통해 신규 이행수단의 시행계획 수립시 초기년도 교체수량을 연간절감량의 1%로 예상함에 따라, 2023년 처음 시행하거나 전년도 실적이 없는 이행수단은 연간최대 절감잠재량의 1%로 가정하였다. 위와 같은 방법으로 추정한 2023년 EERS 사업계획의 절감잠재량은 표 3과 같다.

분석 결과 기술적(경제적) 절감잠재량은 446,259GWh, 달성가능 절감잠재량은 115,250GWh로 추정되었으며, 연간최대 절감잠재량은 4,538GWh, 최소절감량은 509GWh로 나타났다. 고효율기기 보급지원 프로그램의 연간최대 절감잠재량은 3,430GWh이며, 사회기여 프로그램은 106GWh, 행동변화 프로그램은 209GWh, 외부위탁 프로그램은 792GWh로 추정되었다. 2023년 EERS 절감목표량이 1,151GWh임을 감안하면, 고효율기기 보급지원 프로그램 단독으로 절감목표량 달성이 가능하나, 나머지 3개 프로그램은 단독 또는 결합으로도 절감목표량을 달성할 수 없고, 고효율기기 보급지원 프로그램과의 조합을 이루어야 절감목표량을 달성할 수 있다. 또한, 2031년 EERS 절감목표량은 전전년도 판매전력량의 1%로 고시되어 있는데, 제10차 전력수급기본계획^[28]에 의거 2031년 절감목표량은 6,288GWh로써 2023년 EERS 사업계획의 이행수단으로는 절감목표량을 달성할 수 없는 수준이다.

3.3 기본 시나리오

3.4 정책 반영 시나리오

3.4.1 사회 배려계층 지원 정책

3.4.1.1 목적함수와 제약조건

고효율기기 보급지원 프로그램에 사회기여 프로그램을 추가한 모형을 정책 1 시나리오로 가정하였다. 이때, 목적함수와 제약조건은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(11)

$극소화 : z =\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n_{i}}c_{ij}x_{ij}$

(12)

$제 약 :\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n_{i}}a_{ij}x_{ij}\ge b$

(13)

$a_{ij}x_{ij}\le d_{ij}$

(14)

$a_{ij}x_{ij}\le e_{ij}$

(15)

$a_{ij}x_{ij}\ge f_{ij}$

(16)

$c_{ij}x_{ij}\le g_{ij}$

$x_{ij}\ge 0(i =1,\: 2,\: \cdots ,\: n)(j = 1,\: 2,\: \cdots ,\: n_{i}),\: x_{ij}\in\zeta$

여기서, $z$는 EERS 사업비용(원), $n$은 효율향상 이행수단 그룹의 수, $n_{i}$는 $i$ 그룹의 효율향상 이행수단의 수, $c_{ij}$는 $i$ 그룹의 $j$ 효율향상 이행수단의 단위당 지원금(원), $x_{ij}$는 $i$ 그룹의 $j$ 효율향상 이행수단의 당해년도 보급대수, $a_{i j}$는 $i$ 그룹의 $j$ 효율향상 이행수단의 단위당 연간절감량(kWh), $b$는 당해연도 목표절감량(kWh), $d_{ij}$는 $i$ 그룹의 $j$ 효율향상 이행수단의 달성가능 절감잠재량(kWh), $e_{ij}$는 $i$ 그룹의 $j$ 효율향상 이행수단의 연간최대 절감잠재량(kWh), $f_{ij}$는 $i$ 그룹의 $j$ 효율향상 이행수단의 최소절감량(kWh) 및 $g_{ij}$는 특정 효율향상 이행수단의 연간 지원금(원)을 의미한다.

3.4.1.2 정책 1 시나리오 및 경제성 분석

정책 1 시나리오의 분석 결과, 절감량은 1,151GWh이며, 사업비용은 약 632억원, TRC는 11.7로 나타났으며, 기본 시나리오 사업비용 대비 147억원이 증가하였다.

절감량은 고효율인버터(399GWh, 34.71%), 고효율펌프(377GWh, 32.77%), 고효율LED(184GWh, 16.02%)의 순이며, 전체의 83.5%를 차지하고 있어 기본 시나리오와 유사하다. 사업비용은 고효율펌프(165억원, 26.08%), 고효율인버터(129억원, 20.49%), 고효율가전(91억원, 14.45%), 고효율LED(81억원, 12.81%)의 순이고, 전체의 73.9%를 차지하고 있다. 지원단가는 54.9원/kWh이다.

고효율기기 보급지원 프로그램과 사회기여 프로그램은 각각의 목적에 맞게 절감량과 사업비용이 발생하였다. 고효율기기 보급지원 프로그램은 1,136GWh(98.7%)를 절감하면서 사업비용은 479억원(75.7%)이 소요되었고, 사회기여 프로그램은 15GWh(1.3%)를 절감하면서, 약 153억원(24.3%)을 사용하고 있다. 이때, 지원단가는 고효율기기 보급지원 프로그램이 42.1원/kWh이며, 사회기여 프로그램은 1024.7원/kWh이다. 그림 3은 정책 1 시나리오의 절감량과 사업비용 비교를 보여주고 있다.

그림 3. 정책 1 시나리오의 절감량과 사업비용 비교

Fig. 3. Comparison of savings and cost of policy 1 scenario

고효율기기 보급지원 프로그램의 TRC는 14.0이며, 고효율기기 보급지원 프로그램의 이행수단 모두 TRC가 1.0 이상이다. 하지만, 고효율가전의 TRC는 0.7, 전통시장 지원(냉장고)의 TRC는 0.7, 농어촌 상생지원(공기청정기)의 TRC는 0.1로써 최초 최적화시에는 사회기여 프로그램 TRC는 0.8이었다. EERS 계층화에 의해 전체 사업의 조정 없이 사회기여 프로그램 내에서 TRC가 1.0 이상이고, 편익이 가장 큰 농어촌 상생지원(지열HP)의 보급대수만을 조정하여 사회기여 프로그램 TRC를 1.0으로 상향시켜 사업시행의 타당성을 확보하였다. 표 5는 정책 1 시나리오의 절감량과 사업비용을 보여주고 있다.

표 5 정책 1 시나리오의 절감량과 사업비용

Table 5 Savings and cost of policy 1 scenario

프로그램		절감량		사업비용		TRC
		MWh	%	백만원	%
고효율기기 보급지원		1,136,384	98.70	47,849	75.74	14.0
사 회 기 여	20	9,105	0.79	9,132	14.46	0.7
	21	201	0.02	80	0.13	9.5
	22	2,535	0.22	4,496	7.12	2.2
	23	0.2	0.00	0.1	0.00	0.7
	24	1	0.00	0.1	0.00	3.1
	25	15	0.00	1,279	2.02	0.1
	26	3,098	0.27	338	0.54	3.5
소계		14,955	1.30	15,325	24.26	1.0
합계		1,151,339	100.0	63,174	100.0	11.7

3.4.4 정부정책 동시 반영

고효율기기 보급지원 프로그램과 정부정책 2개 혹은 3개를 추가한 모형을 정책 4 시나리오로 가정하며, 본 연구에서는 두 개의 시나리오를 분석하였다. 하나는 고효율기기 보급지원에 사회기여와 행동변화 프로그램을 추가한 시나리오(정책 4a)로, 절감량은 1,151GWh이며, 사업비용은 약 702억원이고, TRC는 11.8이다. 기본 시나리오 대비 약 217억원 증가하였으며, 정책 4a 시나리오 프로그램의 절감량과 사업비용은 표 8과 같다.

표 8 정책 4a 시나리오의 절감량과 사업비용

Table 8 Savings and cost of policy 4a scenario

프로그램	절감량		사업비용		TRC
	MWh	%	백만원	%
고효율기기 보급지원	955,154	82.96	39,934	56.89	14.4
사회기여	14,955	1.30	15,325	21.83	1.0
행동변화	181,230	15.74	14,939	21.28	-
합계	1,151,339	100.0	70,198	100.0	11.8

다른 하나는 고효율기기 보급지원에 사회기여, 행동변화 및 외부위탁을 추가한 시나리오(정책 4b)로, 동일 절감량에 사업비용은 약 708억원이며, TRC는 11.8이다. 기본 시나리오 대비 사업비용이 약 223억원, 45.9%가 증가하였다. 정책 4b 시나리오의 절감량과 사업비용은 그림 4와 같다.

그림 4. 정책 4b 시나리오의 절감량과 사업비용 비교

Fig. 4. Comparison of savings and cost of policy 4b scenario

3.5 2023년 EERS 사업계획과 시나리오 분석 종합

2023년 EERS 사업계획의 절감목표량은 1,151GWh이며, 본 연구에서 살펴본 모든 시나리오가 절감목표량을 달성한 것으로 나타났다. 특히 고효율기기 보급지원 프로그램이 절감목표량의 82.2% ~ 100.0%를 차지하며, 이행수단에서는 고효율인버터, 고효율펌프, 고효율LED 등의 상위 3개 이행수단이 절감목표량의 67.0% ~ 84.8%를 차지하고 있다. 표 9는 2023년 EERS 사업계획과 시나리오의 절감량을 보여주고 있다.

2023년 EERS 사업계획의 사업비용은 약 862억원이며, 본 연구에서 분석한 최적운영의 사업비용은 약 485억원 ~ 708억원이다. 그리고 정부정책이 추가될 때마다 사업비용이 증가하였는데, 사회기여 프로그램의 추가에 약 147억원, 행동변화 프로그램의 추가에 약 70억원, 외부위탁 프로그램의 추가에 약 6억원이 증가하였으며, 3개가 모두 추가될 때 약 223억원의 사업비가 증가하였다. 그림 5는 2023 EERS 사업계획과 시나리오의 사업비용 증가분을 보여주고 있다.

그림 5. 2023년 EERS 사업계획과 시나리오의 사업비용(억원) 비교

Fig. 5. Comparison of cost of 2023 EERS plan and scenarios

사회기여 프로그램의 일부 이행수단 TRC가 1.0 이하이지만, EERS 사업 계층화를 통해 사업타당성을 확보하였으며, 모든 사업과 프로그램 TRC는 1.0 이상이다. 표 10는 2023년 EERS 사업계획과 시나리오의 TRC를 보여주고 있다.