서 론
연구방법 및 범위
에너지 빈곤과 직류(DC) 전기화 시스템
냉난방비 요금 상승에 따른 에너지 취약계층 발생
ESS 연계 태양광을 활용한 직류(DC) 기반 전기화 시스템
전기화(Electrification) 기술 요구의 확대
태양광 직류(DC) 전류 변환 연구 고찰을 통한 기술적 접근
취약계층 특화 에너지 평가 프레임워크 기초 설계
에너지 자립을 위한 태양광 DC 시스템 실증
실증을 위한 사용자 대상 사전 청문조사
태양광 연계 DC 냉·난방 시스템 설계
AC/DC 하이브리드 전력변환 기술 적용
실증과정 및 결과
실증을 통한 평가 프레임워크 도출
취약계층의 특성을 반영한 태양광 DC 전기화 시스템 평가 프레임워크
실증 결과데이터의 정량적 분석을 위한 목표치 설정
프레임워크 수립을 위한 DC 시스템 기술 구성도
결론 및 제언
서 론
현대 사회에서 에너지 빈곤은 단순한 경제적 문제가 아니라 생존과 직결된 중요한 사회적 이슈로 부각되고 있다. 에너지가 부족하거나 비싸서 충분히 이용하지 못하는 가구는 극심한 불편함을 감수해야 한다. 특히, 2022년을 기준으로 도시가스와 전기요금이 각각 38.7% 인상되면서 저소득층과 고령층의 부담이 급증했다(KEPCO, 2022). 이 중에서도, 소득 하위 20%에 속하는 저소득 가구의 43.4%가 70세 이상 고령자로 구성되어 있는 서울 동대문구는 취약 계층의 에너지 복지 문제를 특히 심각하게 겪고 있는 지역 중의 하나이다(Seoul Open Data Plaza, 2022). 이러한 현상은 금전적 문제를 넘어 삶의 질 저하와 직접적인 건강 문제를 초래할 수 있는 중요한 사회적 이슈이다. 기후 변화에 따른 폭염과 한파가 잦아짐에 따라 냉난방 에너지 수요는 갈수록 증가하고 있는 추세임에도 불구하고 저소득층과 고령층은 이러한 기후 변화에 적절히 대응하지 못해 열악한 주거환경 속에서 극한의 온도 변화를 겪고 있다(KEI, 2020). 본 연구는 실증을 기반으로 DC 전기화 시스템의 잠재적 효율성을 평가할 수 있는 프레임워크를 수립하는 것을 목적으로 한다. 향후 수집되는 데이터를 기반으로 기존 시스템과 비교·분석을 체계적으로 수행할 수 있는 평가지표와 기준을 마련하고자 한다.
연구방법 및 범위
본 연구에서는 태양광 직류(DC) 전기화 시스템의 에너지 효율성과 경제성의 평가 프레임워크를 개발하기 위해서 기존 에너지 평가 프레임워크 항목과 비교하여 취약계층의 에너지 소비 특성을 반영한 평가기준 초안을 설계한다. 이후 실제 시스템을 설치하고 실증을 기반으로 프레임워크의 목표치를 설정한다(Figure 1). 이는 취약계층의 에너지 소비와 비용 절감 데이터를 수집하게 될 잠재적 장치이며, 이를 통해 평가 지표인 최종 프레임워크를 도출한다. 시스템 설치대상의 지리적 범위는 서울 동대문구에 위치한 경로당으로 고령화와 에너지 취약도가 타 지역 대비 높은 장소로 선정한다. 적용기술은 태양광 발전과 결합된 직류(DC) 기반 전기화 시스템으로 하절기에는 냉방, 동절기에는 난방기기를 연동하여 사용하는 것으로 설계한다. 본 연구는 실증을 기반으로 평가 프레임워크를 수립하는 것에 중점을 두기 때문에 실제 비교 실험 데이터는 범위에 포함하지 않으며, 향후 수집 데이터 분석을 위한 객관적 평가 기준 및 척도를 정립하고자 한다.
에너지 빈곤과 직류(DC) 전기화 시스템
냉난방비 요금 상승에 따른 에너지 취약계층 발생
Statistics Development Institute (2022)에 의하면 66세 이상 노인 빈곤율은 40.4%로 상당히 높은 수준이며 연령대별 상대적 빈곤율에서도 76세 이상 52.0%, 66세 40.4%, 등으로 우리나라의 노령층 빈곤위험은 매우 심각한 상황이라고 볼 수 있다. 또한 폭염영향 보고서(KEI, 2020)에 의하면 국내 폭염 빈도 및 강도는 증가 추세에 있으며 기후변화에 의해 폭염일수는 점차 증가 될 것으로 전망하고 있다(Figure 2). Lee et al. (2023)의 연구에 의하면, 65세 이상 저소득 고령자층의 현장 설문조사를 수행한 결과, 온도, 습도, 채광, 환기 항목을 포함한 주택 온열 환경 만족도에서 환기 항목을 제외한 나머지 항목은 만족도가 매우 낮은 것으로 나타났다. 특히 저소득층의 거주비율이 높은 30년 초과 노후주택은 당시의 단열기준 및 노후화로 인하여 열효율이 낮으며, 소득 대비 에너지 비용부담이 높아 주택의 적정온도를 유지하는 것이 어렵다고 언급하였다. 특히 서울시 동대문구의 경우, 2019년 기준 70세 이상 노인 비중의 증가가 43.4%이며, 30년 이상 노후건축물 비율이 25개 자치구 중 9위에 해당되는 것으로 나타났다(Seoul Open Data Plaza, 2022).
Figure 2.
Annual Frequency and Intensity of Heatwaves (Source: 2020 Heatwave Impact Report, KEI, restructured by author (KEI, 2020))
ESS 연계 태양광을 활용한 직류(DC) 기반 전기화 시스템
에너지 빈곤 문제를 해결하기 위해 기존의 화석연료 기반 난방 시스템에서 벗어나 재생 에너지를 적극 활용하는 전기화(Electrification) 기술 개발이 필수적이다. 특히, 태양광 발전을 이용한 고효율 직류(DC) 기반 냉난방 시스템은 재생 에너지를 최대한 효율적으로 활용할 수 있는 솔루션 중 하나라고 할 수 있다. 일반적으로 태양광 패널에서 생성되는 전력은 DC 전류로, 이를 기존의 가정용 전력으로 사용하는 AC 전류로 변환하기 위해서는 인버터가 필요하다(Rural Development Administration National Institute Agricultural Sciences, 2020). 하지만, 이 변환 과정에서 약 10%의 에너지가 손실된다. DC 전력 시스템을 활용하면, 에너지 손실을 최소화하고 태양광에서 생성된 DC 전류를 그대로 사용할 수 있어 효율성이 향상되는 구조이다(Figure 3 참조).
전기화(Electrification) 기술 요구의 확대
유럽연합(EU)은 2022년 6월에 발표한 ‘REPowerEU’ 계획을 통해 2030년까지 유럽 내 태양광 발전 비중을 크게 늘리고, 자가 소비를 통한 에너지 자립을 확대하고 있다(Solar Power Europe, 2022). 또한 미국, 일본, 한국, 호주 등 여러 국가에서도 관련 정책 및 시장이 확대되고 있는 추세이다(KEA, 2020; ARENA, 2021; DOE, 2021; METI, 2021).
Table 1.
Expansion of Electrification Technology Demand by Country
전 세계적으로 기후 변화와 에너지 위기가 심화되고 있는 상황에서, 대체에너지를 전기화(Electrification) 하는 기술의 요구는 점차 확대 될 것으로 것으로 보여진다(Table 1 참조). 유럽의 자가 소비 시스템(Self-consumption solar power system) 역시 태양광으로 생성된 전력을 가정 내에서 직접 소비하는 방식을 점차 선호하고 있다.
태양광 직류(DC) 전류 변환 연구 고찰을 통한 기술적 접근
태양광 발전은 다른 발전시스템에 비해 상대적으로 소음, 대기오염, 진동 등의 공해가 없는 시스템이다. 지열처럼 초기 시스템 구축비용이 크거나 연료전지처럼 연료의 공급을 별도로 요하지 않으므로 적절한 공간과 일사량이 확보된다면 평균 20년 정도의 수명과 설치· 해체·이전 공사도 간편하다(Kim, 2018). 이에 개별 세대나 공공시설, 공개공지 등 태양광 발전에 대한 사업 및 정책수요는 꾸준히 증가하는 추세이다. 그러나 기존의 태양광 발전 방식은 과발전된 에너지의 저장성 문제와 태양 입사각 및 기상에 따른 발전량의 편차가 발생한다는 한계점이 있었다. 이에 현재는 ESS 연결을 통해 피크발전시간의 남은 전기를 축전하여 발전량이 적은 시간에 사용하여 안정된 전기를 공급하는 기술의 도입이 가능하다. 관련 연구를 고찰한 결과, 자가발전이 가능한 독립형 MPPT (Maximum Power Point Tracking) 부스트 컨버터를 통해 태양광 시스템의 자립적 전력 공급과 효율성 증대 가능성을 확인하였다(Kim and Cha, 2020). 또한 태양광 DC-DC 부스트 컨버터의 안정적 출력 전압을 유지하기 위해 PI (Proportional-Integral) 전압제어기를 설계하고 안정성을 실험적으로 검증하였다(Kim et al., 2020). 이러한 연구들은 안정적인 DC 전류 변환 시스템을 주택용 태양광에 적용 가능하다는 점을 시사하였으며, 이를 바탕으로 기술적 실현 가능성을 통해 본 연구의 실증을 설계하였다.
취약계층 특화 에너지 평가 프레임워크 기초 설계
취약계층의 에너지 소비 특성을 반영한 평가기준을 도출하기 위하여 기존 에너지 평가 프레임워크의 항목을 조사하고 이 중 취약계층의 지속가능한 에너지 자립을 위한 프레임워크를 추출한다. 이를 통해 에너지 소비량 및 비용 절감 효과를 검증할 수 있는 목표치를 설정하고, DC 전기화를 활용한 냉난방 시스템의 효율성과 비용 절감 효과를 체계적으로 평가하기 위한 주요 지표를 마련하고자 한다. 기존 연구를 통해 조사한 에너지 평가 프레임워크 항목은 에너지 변환 및 사용 효율 평가, 비용 효과 및 경제성, 지속 가능성, 친환경성, 시스템 확장 가능성, 사용자 경험 및 수용성, 시스템 안전성, 기술적 적합성, 사회적 영향 등으로 구분된다(Berendes et al., 2022; Prina et al., 2022). 기존 프레임워크는 대규모 인프라나 일반 가구를 중심으로 개발되어 지불능력 대비 에너지 비용 부담 및 노후된 건축물 등 특수상황을 반영하지 못하는 한계가 있다. 이에 해당 지역 및 대상 그룹에 대한 통계 고찰, 사전답사를 통해 수집한 정보를 기반으로 다음과 같은 프레임워크 초안을 설계하였다.
∙에너지 소비량(Energy Consumption): 기존 AC 시스템 대비 DC 시스템이 에너지를 절감할 수 있는지 평가하기 위한 척도
∙비용 절감 효과(Cost Savings): DC 시스템 도입 후 냉난방 비용 절감 효과를 정량적으로 평가하기 위한 척도
∙사용자 만족도(User Satisfaction): 에너지 취약계층이 느끼는 사용 편의성, 쾌적성, 안정성 등을 평가하기 위한 설문 항목 척도
∙환경적 영향(Environmental Impact): 온실가스 배출 절감 효과를 고려하여, 시스템의 환경적 기여도에 대한 평가 척도
∙시스템 안정성(System Stability): 예상치 못한 시스템 오류나 장애가 발생하지 않도록 인프라의 유지관리 용이성에 대한 평가 척도
∙소득 대비 에너지비용 부담(Energy Cost Burden vs. Affordability): 취약계층의 소득 대비 에너지 비용 부담률을 평가하기 위한 척도
∙노후 건축물 적응성(Adaptability to Aging Buildings): 기존 노후 건축물 에너지 시스템 추가로 인한 개조비용 대비 효과를 평가하기 위한 척도
에너지 자립을 위한 태양광 DC 시스템 실증
실증을 위한 사용자 대상 사전 청문조사
에너지 자립은 어느 세대에나 필수적이지만 특히 냉난방에 취약한 계층에 대한 이해가 필요하다. 특히 고령자와 같은 에너지 취약계층을 위한 시스템 설계는 요구사항(needs) 파악이 중요하다. 예를 들어, 시스템의 조작이 간단명료하고 직관적이어야 하며, 신뢰성과 안전성이 높아야 한다. 이러한 요구를 충족하기 위해 서울 동대문구에 위치한 경로당을 대상으로 인터뷰를 실시하였다. 청문조사는 총 2차례(2023.6.12./8.11.)에 걸쳐 진행하였으며, 대상지에 방문하여 평균 연령 65세 이상 사용자 중심의 냉난방 기기 사용현황 및 쾌적성에 대하여 조사하였다. 경로당 사용자의 대부분은 주 중 하루를 제외하고 오전 9시에서 오후 6시까지 평균적으로 시설에 상주하고 있으며, 공간구성은 총 3개 층으로 1층은 식당으로 운영되고 있었다. 특이점은 사용자 밀도가 다소 높아 하절기에 냉방기를 가동함에도 불구하고 전기요금에 대한 부담으로 선풍기와 병행하여 사용하고 있으며 사용인구 대비 냉난방기기의 쾌적성은 만족도가 낮은 편으로 나타났다. 특히 1층 식당공간의 바닥은 난방비 부담으로 인하여 간이 매트를 설치하였으나 마모 및 손상도가 있으며 미관상 불량한 상태인 것으로 조사되었다(Figure 4 참조).
태양광 연계 DC 냉·난방 시스템 설계
냉방 및 난방 시스템의 공통사항은 시스템 효율을 높이기 위하여 직류(DC) 방식을 채택하였으며 DC 에어컨의 용량 및 운전시간은 배터리의 용량 및 방전시간과 밀접한 연관이 있으므로 안전성이 높고 경제적인 리튬인산철 배터리를 적용하고 최대 6 kW 발전용량의 태양광 시스템을 설계하였다. 참고로 태양광의 일간 발전량은 국내 연평균 가동시간인 3.5시간을 기준으로 하며, 난방 시스템의 설계조건은 냉방시스템과 같은 조건으로 설정하되 냉방기기와 난방기기로 구분한다. 건물의 옥상 면적이 충분히 확보될 경우, 온그리드(On-grid) 시스템과 오프그리드(Off-grid) 시스템을 분할하여 구축 가능하도록 설계하였다. 이 때 온그리드 시스템은 건물의 분전반에 연결하고 오프그리드 시스템은 개별 부하에 연결하는 것을 뜻한다. 태양광 MPPT 컨트롤러에 따른 난방 시스템 제어기는 하이브리드 방식으로 사용하였다.
AC/DC 하이브리드 전력변환 기술 적용
노후주택은 단열이 열악하여 냉·난방부하가 큰 편으로 에너지 절약을 위한 태양광 패널의 설치가 권장되나, 초기 설치비용에 대한 부담이 있다. 또한 일부 에어컨은 제어보드 및 압축기, 송풍기에 사용되는 직류 공급을 위하여 컨버터(AC-DC 변환기)를 내장하고 있으나, 태양광 발전을 이용한 냉난방 시스템 운전 시 인버터 및 컨버터 기기에서 전기적 변환손실이 발생하는 문제가 있음을 발견하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 직류 냉난방시스템을 적용하고, 태양광 모듈에서 냉난방기기까지의 전기적 변환과정을 최소화 할 수 있는 방안을 개발하였다. AC/DC 하이브리드 시스템으로 태양광 발전량이 많은 날에 배터리를 사용하여 주간의 잉여 전력을 저장하고 일몰 후 부하가 큰 야간에 가동함으로써 전기요금을 절약할 수 있다. 또한 태양광 발전량이 낮은 경우 상용 전원을 사용하는 컨버터를 통하여 전기를 공급받을 수 있도록 설계하였다(Figure 5). 본 하이브리드 전력변환의 차별성은 태양광 발전과 배터리가 연계되어 보조 냉난방을 수행하며 직류와 교류를 혼합하여 사용하는 유연한 설계로 태양광 발전량이 많은 경우 DC 운전 채택, 흐리거나 배터리 용량이 부족할 경우 AC 방식으로 운전이 가능하다는 점이다.
실증과정 및 결과
실증대상지에 태양광 설비 및 AC/DC 전력 변환 컨트롤러 및 냉·난방 기기를 제작 후 설치하였다(Figure 6). 태양광 모듈에 충전 컨트롤러를 연결하여 DC 에어컨을 1층 식당에 연결하며, 이는 리튬인산철 및 배터리팩과 연동하여 컨버터를 통해 작동한다. 이 때 전기 부하용 태양광 MPPT컨트롤러를 건물 분전반에 연결하여 사용한다. 난방시스템 역시 동일한 원리로 충전컨트롤러 및 태양광 인버터와 전기 온돌패널을 계통 연계하여 설치한 후 태양광 발전 연계 오프그리드로 전원을 공급하는 방식을 사용한다. 이후 태양광발전량 및 전력량 모니터링을 위하여 2023년 9월 이후 현재까지 측정 중에 있다. 사용자의 전기사용에 대한 패턴 및 생활양식 변화 및 전기에너지 사용량에 관한 데이터를 일부 수집한 결과는 다음과 같다. 기존 AC 방식을 사용하는 동대문구 노유자시설 및 대상지의 2023년 전기 사용량을 비교한 결과 약 대상지의 사용량이 19% 높은 것으로 나타났으나 사용금액은 큰 차이가 없는 것을 발견했다. 향후 일정기간 이상 대상지의 에너지 사용 누적 데이터가 필요하며, 기존 노유자시설의 건축연도 및 규모 등을 정확하게 고려하지 못한 한계점이 있으나, 대상지의 태양광 발전 시스템은 하루 평균 21 kWh (6 kW×3.5시간)인 것으로 감안 하였을 때 DC 변환 방식으로 상쇄되는 전력량에 의하여 상대적으로 에너지 사용량 대비 전기요금에 대한 부담감이 줄어든 것으로 나타났다.
실증을 통한 평가 프레임워크 도출
취약계층의 특성을 반영한 태양광 DC 전기화 시스템 평가 프레임워크
실증과 시스템 기술 구성도 작성을 통하여 설계한 프레임워크의 내용은 다음과 같다. 주요 지표는 에너지 소비량, 비용절감 효과, 사용자 만족도, 환경적 영향, 시스템 안정성이며, 각 지표는 DC 시스템의 효율성과 결제성을 평가할 수 있도록 설계하였다. 에너지 소비량과 비용 절감 효과는 월별 데이터를 수집하여 비교 분석 가능하며, 사용자 만족도는 설문조사를 통해 5점 척도로 평가한다. 환경적 영향은 온실가스 절감량을 기준으로 산정하고, 시스템 안전성은 가동 시간과 고장 빈도를 척도로 평가한다. 소득 대비 에너지비용 부담 항목은 월 가처분소득(세금 등 고정지출을 제외한 실질 소비 및 저축가능 소득) 대비 에너지 비용 부담률을 산정하고, 노후건축물 적응성 항목은 기존 건축구조에 추가 대수선 없이 적용 가능한 비율을 산정한다(Table 2 참조).
Table 2.
Evaluation Framework Establishment
실증 결과데이터의 정량적 분석을 위한 목표치 설정
앞서 도출된 프레임워크 항목을 기반으로 실증데이터를 분석할 수 있는 기반을 마련하기 위하여 정량적 목표치를 설정하였다. 설정의 근거는 MPPT 효율 90% 이상으로 IEC, 61724-1:2017의 태양광 발전 시스템 성능에서 제시하고 있는 최대 전력추종값을 근거로 하였으며, 이는 태양광 연구 및 산업계의 제품 사양에서도 권장되는 값이다. 또한 에너지 소비 효율성 항목은 최대 전력 추적 효율을 통해 기존 시스템과의 효율을 비교하여 상계처리되는 전기량을 감안하였을 때 최대 10%p 의 절감율을 목표로 한다. 참고로 Seoul Energy Information (Seoul Energy Information Website, 2024)의 태양광 발전량 시뮬레이션 결과, 대상지의 연간 비용 절감액은 약 12만원/월 인 것으로 나타났다(태양광 입사량 5,210 kWh/월, 전기생산량 856 kWh/월). 비용절감 효과는 시스템 도입 전후의 월별 전기 요금 비용 변화를 추적하여 초기설치 비용 대비 절감액을 분석하도록 하며 목표치는 기존 요금 대비 15% 이상 절감을 목표로 한다. 환경적 기여도 측면에서는 건물의 전체 에너지 사용량 중 태양광 에너지의 활용 비율을 수치화 한다. 사용자 만족도는 편리성, 경제성, 쾌적성에 대한 설문을 실시하여 4.0 이상을 목표로 한다. 시스템 안전성은 장애발생 빈도를 측정하고, 유지보수에 소요되는 시간 및 정상 작동 시간이 차지하는 비율을 계산하여 시스템의 신뢰성을 평가한다. 또한 취약계층은 고정 소득에 의존하는 경우가 많아 에너지 비용 부담이 경제적 안정성에 중요한 영향을 미치므로 실질소득대비 에너지 비용의 부담률이 기존 대비 10% 이상 감소하는 것을 목표로 하며, 노후건축물의 개조비용이 추가될 경우 시스템 도입이 어려울 수 있으므로 추가개조 비용 대비 에너지 절감 50% 이상을 목표치로 설정한다(Table 3 참조).
Table 3.
Target Setting for Quantitative Analysis
프레임워크 수립을 위한 DC 시스템 기술 구성도
시스템 기술 구성도는 평가 프레임워크 내에서 전체 시스템의 구성 요소와 기술적 개념을 시각화하고자 설계된 다이어그램이다(Figure 7). 주요 장비, 전력 흐름과 태양광 및 인버터의 연결 방식 등을 포함하였으며 시스템의 구조와 상호작용 정보를 포함하고 있다.
