고정형·이동형 재생에너지 통합시스템의 자가소비 기반 에너지 효율 지표 제안

국문 초록 (Abstract)

재생에너지 보급의 확산과 더불어 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)의 활용은 점점 더 중요해지고 있다. 그러나 기존 자가소비율(Self-Consumption Rate, SCR)과 자립률(Self-Sufficiency Rate, SSR) 지표는 충·방전 전력의 출처를 구분하지 않음으로써, 실제 재생에너지의 기여도를 과대 또는 과소평가하는 구조적 한계를 지닌다. 기존 지표는 ESS 방전 전력을 전부 자가소비로 포함하거나 반대로 전부 배제하는 방식으로 계산되어, 운영 시나리오나 초기 조건의 차이를 반영하지 못한다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 ESS 충전원을 PV와 계통으로 명확히 구분하고, PV 기반 충·방전 전력만을 자가소비로 인정하는 새로운 SCR·SSR 정의를 제안하였다. 고정형 시스템(PV+ESS) 분석 결과, 제안된 지표는 기존 지표가 포착하지 못한 운영 시나리오별 성능 차이를 명확히 드러냈다. 기존 지표는 맑은 날 SCR(PV) 0.89%, SSR(PV) 1.38%, 흐린 날 SCR(PV)10.88%, SSR(PV) 1.12%로 모든 운영 시나리오에서 동일한 값을 산출하여 시나리오 간 차이를 전혀 반영하지 못했다. 반면 제안된 지표는 동일 조건에서도 Self-consumption과 Peak-shaving 시나리오에서 SCR(PV+ESS) 47.55%, SSR(PV+ESS) 74.17%로 높은 성능을 보였으나, Retail rate dispatch 시나리오는 각각 36.80%, 57.41%로 낮아졌다. 또한, 부하 수준이 커질수록 SCR(PV+ESS)은 최대 27.06%까지 상승했으나 SSR(PV+ESS)은 20.10%로 하락해, 효율성과 자립성이 반드시 비례하지 않음을 수치로 확인할 수 있었다. 초기 충전상태(State of Charge, SOC) 변화에서도 Self-consumption은 SCR(PV+ESS) 35.89%, SSR(PV+ESS) 59.30%로 안정적이었지만, Peak-shaving은 SOC 50%에서 SCR(PV+ESS) 22.12%, SSR(PV+ESS) 28.50%로 급락하여 SOC 관리가 ESS 성능에 직접적인 영향을 미침을 확인하였다. 이는 제안된 지표가 단순한 비율 계산이 아니라 ESS 운영 특성, 충전원, 부하-발전 불일치까지 정량적으로 반영할 수 있음을 보여준다. 이동형 시스템(Solar Electric Vehicle, SEV) 분석에서도 제안된 지표는 전기차(Electric Vehicle, EV)의 효율평가 지표인 전비(Wh/km, MPGe)로는 설명되지 않는 차량일체형 태양광발전(Vehicle Integrated Photovoltaic, VIPV) 기여도를 수치화하였다. 기상 조건에 따라 맑은 날에는 SCR(SEV) 84%, SSR(SEV) 74%로 높은 성능을 보였으나, 흐린 날에는 SCR(SEV) 90%로 효율성은 유지되었지만 SSR(SEV) 46%로 낮아져 외부 전력망 의존이 뚜렷해졌다. 차량 사양 비교에서는 발전량이 큰 SEV-A가 SSR(SEV) 62%로 자립성에서 우세했지만, SEV-B는 SCR(SEV) 62%로 효율성에서 앞섰다. 주행 시간대 역시 중요한 변수로, 주간 주행은 SCR(SEV) 82%, SSR(SEV) 14%, 야간 주행은 SCR(SEV) 100%, SSR(SEV) 17%로 산출되어 발전-소비 불일치가 성능 평가에 직접 반영되었다. 이는 제안된 지표가 SEV의 복합적이고 동적인 에너지 흐름을 민감하게 포착할 수 있음을 입증한다. 결론적으로, 본 연구는 ESS 통합 재생에너지 시스템에서 기존 지표의 구조적 한계를 극복할 수 있는 새로운 SCR(PV+ESS)·SSR(PV+ESS), SSR(SEV)·SSR(SEV) 산정 체계를 제시하고, 이를 고정형과 이동형 시스템 모두에 적용하여 타당성을 검증하였다. 제안된 지표는 운영 시나리오·부하 조건·SOC·기상 등 다양한 변수에 따른 성능 차이를 수치적으로 구분할 수 있었으며, ESS와 VIPV의 실질적 기여도를 정량적으로 평가할 수 있는 장점을 지녔다. 이는 향후 PV+ESS 및 SEV 시스템의 설계·운영 최적화는 물론, 스마트그리드와 V2X 환경 등 복합적 전력 구조가 확산되는 분야에서 의사결정 지원 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 재생에너지 통합 시스템의 에너지 효율 평가 개념 1
• 2. 재생에너지 평가 지표 연구 사례 2
• 3. 재생에너지 통합 시스템에서 새로운 평가 지표의 필요성 4
• 4. 연구 목적 5
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 1. 기존 에너지 효율 평가 방식 7
• 2. 고정형 통합 시스템에서 기존 평가방식의 한계점 8
• 3. 이동형 통합 시스템에서 기존 평가지표의 한계점 12
• Ⅲ. 연구 지역 14
• Ⅳ. 새로운 에너지 효율 평가지표 개발 방법 17
• 1. 새로운 평가지표 개발 방법 17
• 2. 데이터 수집 및 전처리 20
• 3. 시뮬레이션 개발 도구 및 새로운 평가지표 정의 24
• 4. 고정형 통합 시스템에서의 새로운 평가지표 제시 27
• 5. 이동형 통합 시스템에서의 새로운 평가지표 제시 33
• Ⅴ. 고정형 통합 시스템에서의 평가지표 개발 결과 38
• 1. 고정형 통합 시스템에서의 실험 조건 및 연구 설계 39
• 2. 고정형 통합 시스템에서의 프로파일별 시뮬레이션 분석 결과 40
• 3. 고정형 통합 시스템에서의 새로운 평가지표 산정 결과 분석 65
• Ⅵ. 이동형 통합 시스템에서의 평가지표 개발 결과 68
• 1. 이동형 통합 시스템에서의 실험 조건 및 연구 설계 68
• 2. 이동형 통합 시스템에서의 프로파일별 시뮬레이션 분석 결과 70
• 3. 이동형 통합 시스템에서의 새로운 평가지표 산정 결과 분석 78
• Ⅶ. 토의 80
• 1. 단일 지표 해석의 한계 80
• 2. 복합해석의 필요성 및 활용방안 82
• Ⅷ 결론 84
• 참고문헌 87
• 영문초록 93
• 부 록 95