곽윤기
(Yun-Gi Kwak)
1iD
이병희
(Byoung-Hee Lee)
2iD
강필순
(Feel-soon Kang)
†iD
-
(Dept. of Electronic Engineering, Hanbat National University, Korea)
-
(Dept. of Electronic Engineering, Hanbat National University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Benefit-cost ratio (BCR), Economic efficiency analysis, Floating photovoltaic power generation system
1. 서 론
2011년 국내 최초로 합천댐에 수상태양광 발전시스템이 설치되었으며, 2017년 이후 보급이 급격히 증가하여 2021년 1월 기준 약 115MW급의
시설이 상업 운전 중이다 (1). 최근 RE-100 (Renewable energy), RPS (Renewable portfolio standard), 제로에너지, 재생에너지 3020과
같은 신재생에너지 개발 정책에 따라 새만금 지역에 2.1GW급 세계 최대 규모의 수상태양광 발전시설이 설치되고 있다. 하지만 수상태양광 발전시스템
대한 관심의 증가와 함께 부정적 시선들도 증가하고 있다.
첫째는 수상태양광 시설설치로 인한 환경 오염에 대한 우려로 수질 악화, 녹조 발생, 중금속 오염, 유해 물질 용출 여부에 대한 부정적 시각이다. 이에
(2)는 국내 최초로 수상태양광 시설이 설치된 합천호를 대상으로 수상태양광 발전시스템 설치 전후의 수질을 비교하여 환경 오염 여부를 분석하였다. 수질의
경우 생활환경 기준 10개 항목 및 수온 검사 결과 설치 전과 변화 없음을 확인하였고, 녹조 및 중금속 또한 발생하지 않은 것으로 확인되었다. 먹는
물 수질 기준보다 10배 강화된 수도법 시행령에 따라 기자재 용출 여부에 대한 검사 결과, 합천호 수상에 설치된 모든 기자재에서 용출이 되지 않은
것을 확인하였다. 둘째로는 수상태양광 발전시스템의 경제성이 떨어진다는 주장이다. 상업 발전을 위해서는 수상태양광 발전시스템의 경제성 분석이 선행되어야
하지만 지금까지 명확한 기준이 제시되고 있지 않다. (3), (4)는 현재 설치되고 있는 수상태양광 시설에 대해 사업 투자비 기반으로 경제성을 분석하였다. 사업 투자비 기반 경제성 분석 방식은 해당 사업의 경제성을
평가하는 것에 있어서는 우수한 방식이지만, 초기 투자비에 대한 정보가 공개되어 있어야만 적용 가능하다는 단점을 지니고 있다. (5)는 태양광 모듈 설치 각도와 온도에 따른 발전량 차이를 반영하여 발전량 데이터의 정확도를 높였으나, 수상 태양광 발전설비와 부유체의 가격 산정 과정에
너무 많은 가정이 추가되어 경제성 측면에서는 신뢰하기 어렵다. 그러므로 초기 투자 비용, 발전효율에 대해 실데이터를 기반으로 정확한 손익분기점을 예측하고
이를 고려한 경제적인 수상태양광 발전설비 용량 선정이 필요하다.
수상태양광 발전시스템은 그림 1과 같이 수면 위에 부유체를 띄워 태양광 모듈을 설치한다. 태양광 모듈이 설치된 수상 구조물은 다양한 구조로 연구 및 개발이 이루어지고 있으나, 크게
부력 일체형 구조 또는 프레임형 구조로 보급되고 있다(6). 부력 일체형 구조는 태양광 모듈과 부유체를 모듈화하여 사용하는 구조로, 철골 구조물을 사용하지 않아 설치비용이 저렴하다(4). 하지만 일부 부유체 손상 시 부력을 상실할 가능성이 크고, 유지보수를 위해 모듈 전체를 교체해야 하는 단점이 있다(7). 또한, 철골 구조물을 사용하는 시설에 비해 구조적 안정성이 떨어져 태양광 모듈 각도 설정에 대한 제약으로 발전효율이 떨어지는 단점이 있다(8). 프레임형 구조는 부유체 위에 수상 구조물을 접합하고 구조물 위에 태양광 모듈을 설치하는 방식으로 비용면에서 불리하지만, 설계 강도에 따라 높은
안정성 확보가 가능하고 모듈 경사각을 33도까지 설계할 수 있어 높은 발전량을 얻을 수 있다.
그림. 1. 수상태양광 시스템의 개요
Fig. 1. Overview of floating photovoltaic system
그림. 2. 수상태양광 발전시스템의 경제성 분석 프로세스
Fig. 2. Economic efficiency analysis process of floating photovoltaic power generation
system
수상태양광 발전시스템의 부유체는 태양광 모듈, DC 접속함, 각종 센서 등이 설치된 구조물을 부유시키기 위한 충분한 부력이 요구된다. 또한, 약 20년간의
담수 조건에서 사용되어야 하므로, 습윤환경에 강하고 내구성이 높은 재질을 사용해야 한다. 국내 시장에서 부유체는 주로 PE (Polyethylene),
FRP (Fiberglass reinforced plastic), PosMAC (Posco magnesium aluminium alloy coating
product)로 제작된다. PE 부유체는 시공성이 우수하고, 유지관리 및 보수보강이 쉬우며, 비용이 저렴해서 현재 가장 널리 사용되고 있는 소재이다.
FRP는 유리 및 탄소 섬유로 강화된 플라스틱계 복합재료로 가볍고, 내식성과 성형성이 좋으나 구조체와의 결합 시 용접이 불가하여 볼트 체결 방법을
사용하기 때문에 작업 효율 저하와 시스템 가격 증가의 원인이 된다. PosMAC은 강한 강성을 가지나, 타 재질과 비교해 중량이 무거워 부력 확보를
위해 추가적인 부유체가 필요하다는 단점이 있다(9), (10).
본 논문에서는 프레임형 수상태양광 발전시스템 중 비메탈 부유체를 사용하는 시스템과 메탈 부유체를 사용하는 시스템을 실데이터를 기반으로 비교·분석하여
두 방식 중 경제적인 방식을 제시하고 현실적인 경제성 지표 선정을 통해 발전사업자의 초기설치비용을 고려한 발전용량 선정에 도움을 주고자 한다. 이를
위해 충청북도 진천군 미리실제 저수지에 운영 중인 비메탈 부유체 기반 10kW급과 메탈 부유체 기반 10kW급 수상태양광 발전시스템에 대한 실데이터를
활용하여 경제성을 분석한다. 그림 2에 주어진 비용-편익 비율 분석 체계를 이용하여 경제성을 분석하며, 비용은 시설의 초기 설치비용과 유지보수비용을 사용하고, 편익은 전력생산 및 판매를
통해 발생하는 수익을 사용한다. 두 가지의 부유체 방법에 대해 손익 분기가 발생하기 위한 기간을 도출하여 실제 운용 시 경제적으로 우수한 방식을 찾는다.
또한, 본 논문에서 제시한 비용 및 편익의 추정 방식을 대용량 수상태양광 발전시스템에 대해 확장 적용하여 초기설치비용을 고려한 수상태양광 발전설비의
경제적 발전용량을 제시한다.
2. 수상태양광 발전시스템 구성
그림 3은 충북 진천군 미리실제 저수지에 실증 운용 중인 수상태양광 발전시스템을 나타낸다. 그림 3(a)에 나타낸 비메탈 부유체를 사용한 발전시스템을 비메탈 시스템, 그림 3(b)에 나타낸 메탈 부유체를 사용한 발전시스템을 메탈 시스템이라 명칭 한다. 본 논문에서는 수상 구조물의 비용 도출을 위해 해당 구조물을 제작할 때 사용된
자재 및 설계도를 이용하여 경제성 분석에 사용한다.
2.1 수상 구조물
실증 운용지에 설치된 수상 구조물은 PosMAC을 사용한다. PosMAC은 POSCO사에서 제조하는 합금 도금강판으로 기존 도금강판보다 5~10배
이상 강한 내식성을 지니며, 저렴한 가격을
표 1. 실증 운용시스템 수상 구조물의 자재 목록
Table 1. List of materials of demonstration floating structure
|
분류
|
비메탈 시스템
|
메탈 시스템
|
|
규격
|
길이 (m)
|
개수
|
규격
|
길이 (m)
|
개수
|
|
각형강관
|
$60\times 40\times 1.5$
|
9.01
|
6
|
$100\times 100\times 1.6$
|
8.25
|
2
|
|
10.75
|
7
|
|
0.84
|
18
|
11.6
|
2
|
|
0.24
|
18
|
|
C 형강
|
$75\times 45\times 15\times 1.5$
|
10.4
|
6
|
$100\times 50\times 20\times 1.6$
|
8.99
|
8
|
|
11.6
|
6
|
|
1.33
|
12
|
|
0.5
|
18
|
|
0.8
|
12
|
|
1
|
6
|
|
2.33
|
6
|
|
3.284
|
6
|
|
1.66
|
3
|
|
그레이팅
|
$400\times 60\times 1.5$
|
10.35
|
3
|
$400\times 60\times 1.5$
|
9.11
|
6
|
|
9.01
|
1
|
11.6
|
2
|
그림. 3. 수상태양광 발전시스템, (a) 비메탈 시스템, (b) 메탈 시스템
Fig. 3. Floating photovoltaic power generation system, (a) non-metal system, (b)
metal system
그림. 4. 수상 구조물 자재 규격 (a) 각형강관, (b) C형강, (c) 그레이팅
Fig. 4. Material specifications of floating structure (a) Box beam, (b) C-beam, (c)
grating
특징으로 수상 구조물에 적합한 자재로 사용되고 있다. 실증 운용지에 설치된 구조물 중 비메탈 시스템 구조물의 경우 태양광 모듈이 30° 기울기로 설치되어
있으며, 메탈 시스템 구조물의 경우 태양광 모듈이 20°로 설치되어 있다. 하지만 같은 조건에서의 태양광 발전량 비교를 위해 30° 기울기로 설치된
비메탈 시스템 구조물을 20° 기울기로 설치되어 있다고 가정하고 실제와 가정 간의 각도 차이에 의한 자재 사용량 차이를 분석에 반영한다. 태양광 모듈의
기울기를 20°로 통일한 비메탈 시스템 수상 구조물과 메탈 시스템 수상 구조물의 자재 목록을 표 1에 나타내며, 자재 규격을 그림 4에 나타낸다. 각형강관의 경우 규격을 $H\times B\times T$ 로, C형강의 경우 규격을 $H\times B\times C\times T$
로 표기하며 그레이팅의 경우 규격을 $W\times H\times T$ 로 표기한다.
2.2 부유체 및 계류 장치
미리실제 실증시스템은 폴리에틸렌 단일 자재로 만들어진 비메탈 부유체를 사용한 비메탈 시스템과 PE-foam과 PosMAC을 사용하여 만들어진 메탈
부유체를 사용한 메탈 시스템으로 구성된다. PE-foam은 PE를 원재료로 사용하여 발포 가공한 자재로, 메탈 부유체의 내부를 가득 채우는 역할을
한다. 각 부유체가 설치된 모습을 그림 5에 나타낸다. 비메탈 부유체는 내부가 6개의 격벽으로 이루어진 구조로 부유체 1개당 중량은 약 24kg, 부력은 330kg 라는 특성을 가지며, 메탈
부유체는 폴리에틸렌을 가공한 PE-foam을 얇은 PosMAC 평판으로 덮은 구조로 10m당 중량은 약 210kg, 부력은 약 1,270kg이다.
그림. 5. 실증 운용시스템의 부유체 (a) 비메탈 부유체, (b) 메탈 부유체
Fig. 5. Floating unit at the demonstration site (a) non-metal floating unit, (b) metal
floating unit
실증 운용시스템을 기준으로 10kW급 수상 구조물 하나에 설치된 부유체의 개수는 비메탈 부유체의 경우 9개, 메탈 부유체의 경우 10.5m 4개로
구성된다. 미리실제 실증 운용시스템에 사용된 비메탈 부유체와 메탈 부유체의 사양을 표 2에 나타낸다.
수상태양광 발전시스템을 정남향으로 고정하며, 시스템이 설치된 장소의 수위 변동에 대응하여 안정적으로 고정하기 위해 계류 장치의 사용은 필수적이다.
실증 운용시스템의 계류방식은 콘크리트 블록을 저수지 바닥에 고정하고, 앵커를 연결한 뒤 탄성 로프와 일반 PP (Polypropylene) 로프를
사용하여 시스템을 고정하는 탄성 계류방식을 사용한다. 실증시스템이 설치된 장소의 수위는 저수위를 기준으로 바닥이 드러날 정도로 낮아지며, 만수위를
기준으로 약 3~4m 정도로 저수지의 수위 변동이 크지 않다. 계류를 위한 콘크리트 블록은 수상 구조물의 각 모서리를 기준으로 1개씩 설치되며, 각
블록은 콘크리트 4t을 사용하여 제작된다.
표 2. 실증 운용지에 설치된 부유체의 사양
Table 2. Specification of floating unit installed on demonstration site
|
분류
|
재료
|
무게
(kg)
|
부력
(kg/개)
|
개수
(개)
|
|
비메탈 부유체
|
Polyethylene (PE)
|
24.25
|
330
|
9
|
|
메탈 부유체
|
PosMAC
|
114.3
|
1330.6
|
4
|
|
PE-foam
|
56.88
|
3. 수상태양광 발전시스템의 경제성 분석
수상태양광 발전시스템의 경제성 분석은 비용-편익 비율 분석을 사용한다. 비용-편익 비율이란 사업 등으로 인해 기대되는 총 편익과 투입되는 총비용을
현재가치로 환산한 뒤, 총 편익을 총비용으로 나눈 것을 말하며, 비용 대비 편익의 비율이 높을수록 경제성이 높다고 평가하는 분석 방식이다(11). 비용 편익 비율 분석 시 비용은 초기 설치비용과 유지보수비용으로 구분된다. 초기 설치비용은 수상 구조물, 부유체, 계류 장치와 같은 수상 설비의
경우 자재 비용을 기반으로 제조원가를 도출하며, 이외 모듈 및 전력 설비 시설 및 부수적 비용에 대해서는 BNEF (Bloomberg new energy
finance)에서 제공하는 자료를 기반으로 비용을 도출한다. 시설의 유지보수 비용은 초기 투자비 대비 1.39%로 기준지표를 설정한다(12). 편익은 태양광발전을 통해 얻은 전력을 판매하여 얻는 수익과 신재생에너지 공급인증서 (Renewable energy certificate, REC)를
판매하여 얻는 수익을 사용한다. 전력거래 가격 기준인 계통한계가격 (System marginal price, SMP)는 전력 수요량에 따라 다른 값을
가지며 REC 가격은 시설이 온실가스 배출 차감에 미치는 영향 등을 고려하여 산업통상자원부에서 조정이 가능하기에, 미래의 가격을 예상하는 것이 불가능하다.
따라서 본 논문에서는 SMP와 REC 가격을 2021년 연간 평균 가격으로 적용하여 경제성 분석에 사용한다.
3.1 실증 운용시스템의 초기비용 도출
미리실제 실증 운용시스템의 초기비용 도출을 위해 해당 시스템 설치 시 발생하는 시설 설치비용 외에도 EPC (Engineering, procurement,
construction) 비용, BOP (Balance of plant) 비용과 같은 부수적 비용에 대하여 계산한다. 중소기업중앙회 (KBIZ)에서
2018년에 발표한 2018 중소제조업 하도급거래 실태조사에 따르면
표 3. 실증 운용시스템 수상 구조물의 자재 무게 및 가격
Table 3. Weight and cost of materials for floating structure of demonstration system
|
분류
|
비메탈 시스템
|
메탈 시스템
|
|
규격
|
단위중량
(kg/m)
|
길이
(m)
|
무게
(kg)
|
규격
|
단위중량
(kg/m)
|
길이
(m)
|
무게
(kg)
|
|
각형강관
|
$60\times 40\times 15$
|
2.2
|
20.84
|
327.12
|
$100\times 100\times 1.6$
|
6.781
|
19.85
|
269.22
|
|
C 형강
|
$75\times 45\times 15\times 1.5$
|
1.585
|
10.4
|
98.96
|
$100\times 50\times 20\times 1.6$
|
1.940
|
31.49
|
428.31
|
|
그레이팅
|
$400\times 60\times 1.5$
|
9.102
|
19.36
|
364.63
|
$400\times 60\times 1.5$
|
9.102
|
20.71
|
708.69
|
|
무게
|
비메탈 시스템
무게 (kg)
|
790.80
|
메탈 시스템
무게 (kg)
|
1406.22
|
|
원가
|
비메탈 시스템
자재 원가 (원)
|
1,294,984
|
메탈 시스템
자재 원가 (원)
|
2,302,751
|
표 4. 실증 운용지에 설치된 부유체의 구성 및 자재 원가
Table 4. Composition and material cost of floating unit installed at the demonstration
site
|
분류
|
재료
|
자재 원가 (원/kg)
|
총 무게 (kg)
|
총 자재 원가 (원)
|
|
비메탈 부유체
|
Polyethylene (PE)
|
1215.65
|
218.25
|
265,315
|
|
메탈 부유체
|
PosMAC
|
750
|
457.2
|
766,571
|
|
PE-foam
|
1215.65
|
227.52
|
표 5. 콘크리트 블록 제작 시 사용되는 자재 무게 및 가격
Table 5. Weight and cost of materials for making concrete blocks
|
분류
|
자재 원가 (원/t)
|
총 무게 (t)
|
총 자재 원가 (원)
|
|
시멘트
|
93,000
|
2.29
|
212,970
|
|
자갈 (굵은골재)
|
17,647
|
9.14
|
161,300
|
|
모래 (잔골재)
|
22,581
|
4.57
|
103,200
|
제조원가 구성 요소 중 재료비는 47.3%로 조사되었다(13). 따라서 미리실제 실증 운용지에 설치된 수상 설비의 제조원가는 제품을 구성하는 재료비를 도출하여 식(1)와 같이 계산한다.
수상 구조물의 경우 표 1과 같이 PosMAC을 가공한 자재들로 구성되며, 가격 도출을 위해 각 규격의 단위 중량과 사용 길이를 곱하여 구조물 제작 시 소요되는 PosMAC
자재의 총량을 도출한다.
각 수상 구조물 제작 시 사용되는 PosMAC 자재의 무게와 가격을 표 3에 나타낸다. 비메탈 시스템 수상 구조물의 경우 약 791kg의 PosMAC 자재가 사용되며, 메탈 시스템 수상 구조물의 경우 약 1,406kg의
PosMAC 자재가 사용된다. ㈜스틸데일리에서 제공하는 가격 DB (Database) 중 2019년부터 2020년까지의 PosMAC의 평균단가인 750원/kg을
사용하여 각 수상 구조물의 총 자재 원가를 도출한다. 도출된 자재 원가를 식(1)에 대입하여 수상 구조물의 제조원가 도출 시 비메탈 시스템 수상 구조물의 제조원가는 약 283만원, 메탈 시스템 수상 구조물의 제조원가는 약 503만원으로
계산된다.
미리실제 실증 운용지의 10kW급 수상태양광 발전시스템에 설치된 비메탈 부유체와 메탈 부유체의 구성 및 자재 원가를 표 4에 나타낸다. 부유체의 경우 표 2에 나타낸 것과 같이 비메탈 부유체는 단일 PE 소재로 구성되며, 메탈 부유체는 PosMAC과 PE-foam으로 구성된다. PE-foam은 PE를
가공하여 제작하는 가공품으로, 비메탈 부유체와 같은 자재 원가를 사용한다. PE 자재 원가는 산업통상자원부에서 제공하는 석유화학 분야 원자재 가격
DB 중 HDPE (High density poly ethylene)의 2021년 평균 가격인 1062.63USD/ton을 사용하며, 2021년 평균
원·달러 환율인 1144.88원/USD를 적용하여 1215.65원/kg으로 계산한다. 메탈 부유체의 겉면을 구성하는 PosMAC의 자재 원가는 프레임과
같이 750원/kg을 사용하여 미리실제 실증 운용시스템의 부유체 자재 원가를 도출한다. 도출된 부유체의 자재 원가를 식(1)에 대입하여 비메탈 부유체와 메탈 부유체의 제조원가를 계산한다. 계산 결과 비메탈 부유체는 약 58만원, 메탈 부유체는 약 167만원으로 계산된다.
계류 장치의 경우 탄성 로프, PP 로프, 콘크리트 블록으로 구성되나, 실증 운용시스템이 설치된 지역의 수위 변동이 크지 않으므로 계류 장치 제작
시 사용되는 로프의 양은 매우 적을 것으로 추정된다. 따라서 계류 장치의 자재 원가 도출 시 콘크리트의 가격만을 도출한 뒤 이외 자재 가격은 콘크리트
제조원가의 10%로 산정한다. 콘크리트 제작 시 통상적으로 시멘트, 자갈, 흙을 1:2:4 비율로 결합하여 사용한다. 이를 사용하여 총 16ton의
콘크리트 블록 제작 때 사용되는 자재 원가를 표 5에 나타낸다. 콘크리트 블록의 제조원가 도출을 위해 도출한 자재 원가를 식(1)에 대입한다. 콘크리트 블록의 제조원가는 약 104만원으로 계산되며, 계류 장치를 구성하는 콘크리트 이외 재료들의 제조원가는 콘크리트 제조원가의 10%인
104,000원으로 선정한다.
그림. 6. 미리실제 실증 운용시스템의 초기 설치비용
Fig. 6. Installation cost of Miri lake demonstration system
수상태양광 발전시스템의 수상 구조물, 부유체, 계류장 치를 제외한 인버터, ESS (Energy storage system), 태양광 모듈 등은 육상태양광
발전시스템과 같게 설치된다. 청정에너지 및 탄소 시장 분야에 관한 분석을 통해 데이터를 제공하는 BNEF (Bloomberg new energy finance)에서
2017년에 발표한 태양광 발전시설 설치비용 동향에 따르면 2021년도에는 태양광 발전시설 중 태양광 모듈 설치비용, 인버터 설치비용, BOP (Balance
of plant) 설치비용, EPC (Engineering, procurement, construction) 비용 등 개발세, 토지 인수세, 재정비용,
인허가 비용, 인건비, 예비비 등과 같은 부수적 비용들을 모두 포함하여 소요되는 비용은 1W당 0.83USD로 책정한다(14). 미리실제 실증 운용지에 설치된 발전용량은 비메탈 시스템의 경우 11.61kW, 메탈 시스템의 경우 10.32kW이다. 2021년 평균 원·달러
환율인 1144.88원/USD를 적용하여 계산 시 발전설비 설치비용 및 부가비용에 해당하는 금액은 비메탈 시스템의 경우 약 1549만원, 메탈 시스템의
경우 약 1757만원으로 도출한다. 수상 구조물, 부유체, 계류 장치, 인버터, ESS, 태양광 모듈 외에도 EPC 비용, BOP 설치비용, 인허가
비용, 인건비 등과 같은 부수비용을 모두 포함한 미리실제 실증 운용시스템의 초기 설치비용을 그림 6에 나타낸다.
3.2 전력 발전을 통한 발전수익 계산
태양광발전을 통해 얻을 수 있는 발전수익은 크게 전력 판매 수익과 REC 판매 수익으로 분류할 수 있다. SMP는 한국전력이 태양광발전소에서 생산된
전력을 구매하기 위해 설정된 가격으로 매일 매시간 시장가에 맞게 변동되는 가격으로 전력의 수요 공급, 발전소의 가동시간에 따라 가격이 결정된다.
표 6. 미리실제 실증 운용시스템의 연차별 발전수익
Table 6. Annual power generation revenue of Miri lake demonstration system
|
분류
|
비메탈 시스템
|
메탈 시스템
|
|
설비용량 (kW)
|
11.61
|
10.32
|
|
연차별
발전수익 [원]
|
1~5년차
|
2,114,587
|
1,879,633
|
|
6년차
|
2,106,129
|
1,872,114
|
|
7년차
|
2,097,704
|
1,864,626
|
|
8년차
|
2,089,313
|
1,857,167
|
|
9년차
|
2,080,956
|
1,849,739
|
|
10년차
|
2,072,632
|
1,842,340
|
|
11년차
|
2,064,342
|
1,834,971
|
|
12년차
|
2,056,084
|
1,827,631
|
|
13년차
|
2,047,860
|
1,820,320
|
|
14년차
|
2,039,669
|
1,813,039
|
|
15년차
|
2,031,510
|
1,805,787
|
|
16년차
|
2,023,384
|
1,798,564
|
|
17년차
|
2,015,290
|
1,791,369
|
|
18년차
|
2,007,229
|
1,784,204
|
|
19년차
|
1,999,200
|
1,777,067
|
|
20년차
|
1,991,204
|
1,769,959
|
REC는 신재생 에너지 발전시설에서 1000kWh의 발전량을 생산했을 때마다 받을 수 있는 인증서로, 수상태양광 발전시설의 경우 1000kWh 발전량에
도달할 시 1.5개의 REC 획득이 가능하다. REC 또한 전력거래소에서 거래할 수 있으며, 태양광발전 시장규모 및 발전량에 따라 가격이 변동될 수
있다. 미리실제 실증 운용시스템의 연간 발전량은 설치된 설비용량과 일 평균 태양광발전 시간인 3.6시간, 1년 총일수인 365일을 곱하여 계산한다.
또한, 태양광 모듈의 효율은 LG 사의 태양광 패널 효율 보증 자료에 따라 태양광 발전설비 설치 후 5년간은 95%의 발전효율을 유지하고, 이후에는
연간 0.4%씩 효율이 감소하는 것으로 가정한다(11), (15). 본 논문에서는 SMP와 REC의 가격을 2021년 평균 가격으로 사용하며, SMP는 93.91원/kWh, REC는 34666.5원/MWh를 사용한다.
실증 운용지에 설치된 비메탈 시스템과 메탈 시스템의 전력 발전을 통한 연차별 발전수익을 표 6에 나타낸다.
3.3 실증 운용시스템의 손익 비교
이번 절에서는 앞서 도출한 미리실제 실증 운용시스템의 비용 및 편익을 식(2)에 대입하여 비메탈 시스템과 메탈 시스템의 경제성을 분석한다.
표 7. 경제성 분석 요소 개요
Table 7. Overview of economic efficiency analysis
|
경제성 분석 요소
|
세부 사항
|
|
비용
|
초기투자비
|
수상설비의 제조원가, 발전설비의 설치비용, 시스템 설계·조달·시공비용 등 부수적 비용을 포함한 초기 투자비용
|
|
유지보수비
|
매년 태양광 발전설비에 소요되는 비용
|
|
편익
|
발전수익
|
전력 발전으로 생성되는 REC, SMP 거래를 통한 발전수익
|
|
금융요소 등 반영항목
|
할인율
|
4.5% (KDI 권고기준)
|
|
환율
|
1144.88원/USD
(2021년 평균 원·달러 환율)
|
|
편익기간
|
25년
(태양광발전설비 최대 보증수명)
|
표 8. 발전용량에 따른 수상태양광 발전시스템의 BCR
Table 8. BCR of floating photovoltaic system according to power generation capacity
|
비용 편익 비율(Benefit-cost ratio, BCR)
|
|
구분
|
메탈 시스템
|
비메탈 시스템
|
|
연차
|
10kW
|
100kW
|
500kW
|
1MW
|
10kW
|
100kW
|
500kW
|
1MW
|
|
1
|
0.107
|
0.123
|
0.128
|
0.129
|
0.173
|
0.187
|
0.190
|
0.191
|
|
2
|
0.206
|
0.237
|
0.248
|
0.249
|
0.335
|
0.360
|
0.367
|
0.369
|
|
3
|
0.298
|
0.344
|
0.359
|
0.361
|
0.486
|
0.522
|
0.532
|
0.535
|
|
4
|
0.385
|
0.444
|
0.463
|
0.465
|
0.626
|
0.674
|
0.686
|
0.690
|
|
5
|
0.465
|
0.537
|
0.561
|
0.563
|
0.758
|
0.815
|
0.831
|
0.835
|
|
6
|
0.541
|
0.624
|
0.651
|
0.654
|
0.881
|
0.947
|
0.965
|
0.971
|
|
7
|
0.611
|
0.705
|
0.736
|
0.739
|
0.995
|
1.071
|
1.090
|
1.097
|
|
8
|
0.677
|
0.781
|
0.815
|
0.818
|
1.102
|
1.186
|
1.208
|
1.215
|
|
9
|
0.738
|
0.852
|
0.889
|
0.893
|
1.202
|
1.293
|
1.317
|
1.325
|
|
10
|
0.796
|
0.918
|
0.958
|
0.962
|
1.296
|
1.394
|
1.420
|
1.428
|
|
11
|
0.850
|
0.980
|
1.023
|
1.027
|
1.384
|
1.489
|
1.516
|
1.525
|
|
12
|
0.900
|
1.039
|
1.084
|
1.088
|
1.466
|
1.577
|
1.606
|
1.616
|
|
13
|
0.948
|
1.093
|
1.141
|
1.146
|
1.543
|
1.660
|
1.691
|
1.701
|
|
14
|
0.992
|
1.145
|
1.195
|
1.200
|
1.616
|
1.738
|
1.771
|
1.781
|
|
15
|
1.034
|
1.193
|
1.245
|
1.250
|
1.684
|
1.812
|
1.845
|
1.856
|
|
16
|
1.073
|
1.239
|
1.293
|
1.298
|
1.748
|
1.881
|
1.916
|
1.927
|
|
17
|
1.110
|
1.281
|
1.337
|
1.343
|
1.808
|
1.945
|
1.982
|
1.993
|
|
18
|
1.145
|
1.322
|
1.379
|
1.385
|
1.865
|
2.007
|
2.044
|
2.056
|
|
19
|
1.178
|
1.359
|
1.419
|
1.424
|
1.919
|
2.064
|
2.102
|
2.115
|
|
20
|
1.209
|
1.395
|
1.456
|
1.462
|
1.969
|
2.118
|
2.158
|
2.170
|
|
21
|
1.238
|
1.429
|
1.491
|
1.497
|
2.016
|
2.169
|
2.210
|
2.223
|
|
22
|
1.266
|
1.461
|
1.524
|
1.530
|
2.061
|
2.218
|
2.259
|
2.272
|
|
23
|
1.292
|
1.491
|
1.556
|
1.562
|
2.104
|
2.263
|
2.305
|
2.319
|
|
24
|
1.316
|
1.519
|
1.585
|
1.591
|
2.143
|
2.306
|
2.349
|
2.363
|
|
25
|
1.339
|
1.546
|
1.613
|
1.619
|
2.181
|
2.347
|
2.390
|
2.404
|
식 (2)는 비용-편익 비율 계산식으로 식(2)에서 Bt는 t 시점의 편익, Ct는 t 시점의 비용이며, r은 할인율, n은 분석 기간이다. 태양광 발전시스템의 경우 비용은 단기에 발생하지만,
편익은 장기에 걸쳐 서서히 나타나므로 이를 일괄적으로 비교하기 위해 비용과 편익을 한 시점으로 환산해야 한다. 환산을 위해 할인율 r을 사용하며,
할인율은 시간 흐름에 따른 화폐 및 가치의 변화를 반영하는 개념이다. 할인율은 한국개발연구원 (KDI)에서 권고하는 사회적 할인율인 4.5%를 적용하여
계산한다(16). 태양광 발전설비 업체들의 통상적인 수명 보증기간은 20년에서 25년으로 경제성 분석 기간은 태양광 발전설비 업체들의 수명 보증기간 중 최댓값인
25년을 최대 편익 기간으로 산정하여 1년차부터 25년차까지의 경제성을 분석한다. 경제성 분석에 사용하는 요소를 표 7에 나타내며, 경제성 분석 요소를 반영한 미리실제 실증 운용시스템의 비용 편익 비를 그림 7에 나타낸다.
경제성 분석 결과 미리실제 실증 운용지에 설치된 수상태양광 발전시스템의 발전수익이 초기투자비 및 유지보수비를 넘어서는 기간이 비메탈 시스템의 경우
10년, 메탈 시스템의 경우 15년이 소요될 것으로 추정된다. 이는 SMP와 REC의 가격을 2021년도 평균 가격을 사용하여 계산한 결과로, SMP,
REC의 가격에 따라 수상태양광 발전시스템의 손익분기점이 변동될 수 있으며, 수상태양광 발전시스템의 비용 요소 중 가장 큰 발전설비의 설치비용 또한
매년 변화하기에 설치 시기에 따라 손익 전환 시기가 크게 변동될 것으로 예상된다.
그림. 7. 미리실제 실증 운용시스템의 연차별 비용 편익 비
Fig. 7. Annual benefit-cost ratio of Miri demonstration system
3.4 대용량 수상태양광 발전시스템의 경제성 분석
이번 절에서는 실증 운용지에 설치된 메탈 시스템과 비메탈 시스템의 방식 및 구성을 기준으로 대용량 발전시스템 설치 운용 시 소모되는 비용 및 편익을
도출하여 대용량 발전시스템의 경제성을 분석한다. 설비용량이 증가함에 따라 발생하는 비용 및 편익의 분석은 몇 가지 가정을 토대로 실시한다.
그림. 8. 발전용량에 따른 수상태양광 발전시스템의 BCR
Fig. 8. BCR of floating photovoltaic system according to power generation capacity
실증 운용지에 설치된 수상 구조물의 규격을 사용하지만, 더 많은 태양광 모듈을 설치하기 위해 구조물이 직·병렬로 연결됨에 따라 불필요하게 중복되어
설치되는 자재의 경우 비용 계산에서 제외한다. 비메탈 부유체의 개수, 메탈 부유체의 사용량은 수상 구조물의 면적 증가에 비례하여 증가한다. 계류 장치는
수상 구조물 각 변에 설치되며, 9m에서 10m 간격으로 설치한다. 태양광 모듈, 인버터, BOP 설치비용, EPC 비용, 등 이외 부수비용의 경우
(14)에서와 같이 1W당 0.83USD로 책정한다. 유지보수비, 할인율, 환율, 편익기간은 실증 운용시스템의 경제성 분석 시 사용한 값과 같이 적용하여
BCR 분석을 시행한다. 경제성 분석은 기존 10kW급 이외에 100kW급, 500kW급, 1MW급에 대하여 이루어지며 분석 결과를 그림 8과 표 8에 나타낸다.
10kW급부터 1MW급까지의 발전용량을 갖는 수상태양광 발전시스템의 경제성을 분석한 결과 모든 용량에서 비메탈 시스템이 메탈 시스템보다 우수한 경제성을
보였다. 두 시스템 모두 발전용량이 증가함에 따라 발전설비의 초기 설치 비용 증가 폭보다 편익의 증가 폭이 점점 커져 발전시스템의 손익분기점이 단축되는
것을 알 수 있다. 하지만 500kW급 이상부터는 용량이 증가하더라도 비용 편익 비율이 심하게 증가하지 않는다. 이는 비용 대비 편익 비가 발전용량이
증가함에 따라 계속해서 증가하더라도 초기투자비가 일정 수준 이상에 도달하면 경제성이 떨어지기 때문이다. 따라서 초기투자비가 큰 비중을 차지하는 수상태양광
발전시스템 사업의 경우 500kW급 발전용량을 기준으로 시설을 구분 설치하여 운용하는 것이 가장 경제적이라고 볼 수 있다.
4. 결 론
본 논문에서는 비용-편익 비율(Benefit-cost ratio, BCR)을 기반으로 프레임형 구조를 갖는 수상태양광 발전시스템 중 비메탈 부유체를
사용하는 구조와 메탈 부유체를 사용하는 구조의 수상태양광 발전시스템에 대한 경제성을 분석하였다. 운용 중인 10kW급 실증 설비의 실데이터를 기반으로
비용 및 편익을 도출하고 100kW, 500kW, 1MW급의 수상태양광 발전시스템으로 확장하여 수상태양광 발전시설의 발전용량에 따른 손익분기점을 근거로
경제성을 비교·분석하였다. 결론적으로 비메탈 부유체 기반 수상태양광 발전시스템의 손익분기점이 7~8년으로 11~15년 정도의 손익분기점을 갖는 메탈
부유체 시스템과 비교해 경제적임을 제시하였다. 수상태양광 발전용량의 증가에 비례하여 경제성도 상승하지만, 일정 용량을 초과한 후에는 초기 투자비의
비중이 점점 커짐에 따라 편익 증가량 대비 경제성 증가 폭이 감소한다. 따라서 대용량 수상태양광 발전소를 건설하는 경우 최대 500kW급 발전용량을
기준으로 구분하여 설계, 운영하는 것이 경제성 측면에서는 유리함을 확인하였다.
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저자소개
1996년 9월 26일생. 2021년 2월 한밭대학교 전자제어공학과 졸업 (학사).
2021년 3월~현재 한밭대학교 전자공학과 석사과정
1982년 6월 26일생. 2005년 8월 KAIST 전기 및 전자공학과 졸업 (학사).
2008년 2월 KAIST 전기 및 전자공학과 졸업 (석사).
2012년 8월 KAIST 전기 및 전자공학과 졸업 (박사).
2012년~2013년 삼성종합기술원 전문연구원.
2013년~2015년 삼성전자 DMC 연구소 책임연구원.
2015년 4월~2020년 3월 한밭대학교 전자공학과 조교수.
2020년 4월~현재 한밭대학교 전자공학과 부교수.
1973년 9월 5일생. 1998년 2월 경상대학교 전기공학과 졸업 (학사).
2000년 8월 부산대학교 대학원 전기공학과 졸업 (석사).
2003년 2월 동대학원 전기공학과 졸업 (박사).
2003년~2004년 일본 오사카대학 전기공학과 박사후과정.
2004년~2022년 한밭대학교 전자공학과 교수.
2022년 3월~현재 경상국립대학교 메카트로닉스공학부 교수. 당학회 B부문 국제이사