부산시 환경기초시설 내 태양에너지(태양광/태양열) 이용 시설 설치 타당성 확인

Ⅰ. 서 론

인구증가 및 산업발달로 인하여 하수발생량은 매년 증가하고 있으며, 2013년 기준 국내 556개 하수처리장(500 톤/일 이상)에서 약 2,540 만 톤/일의 하수를 처리하고 있다. 하수처리시설은 하수의 수집 및 처리과정에서 다량의 에너지를 소비하는 시설로서, 하수처리시설에 사용되는 전력은 연간 국내 총전력 사용량의 0.5%를 차지하는 것으로 조사되었다 (ME, 2010a; Park, 2013). 또한 하수처리장, 소각장 등 환경기초시설에서 발생하는 온실가스의 직간접 배출량은 국내 총배출량의 3.5%를 차지하고 있어(ME, 2010a; KECO, 2013), 전력사용량과 온실가스 발생량을 저감하기 위한 다양한 방법이 시도되고 있다.

특히, 하수처리시설과 같은 환경기초시설은 처리과정 및 입지특성에 따라 소화가스, 소수력 발전, 하수열, 풍력, 태양에너지 등 풍부한 에너지 잠재력을 보유하고 있으며, 평지나 야산을 개발하는 기존 신재생에너지 보급 사업에 비해 경제성과 환경성이 탁월한 것으로 보고되고 있다(Cho and Yu, 2012). 이에 환경부에서는 하수처리시설을 저탄소 및 녹색성장의 성장 동력으로 활용하고자, 신재생에너지 시설 확대 등 녹색기술 활성화를 통해 에너지를 절감하고, 청정에너지를 생산하는 하수처리시설 에너지 자립화 기본계획을 수립하고, 2030년까지 에너지자립율 50% 목표를 달성하기 위하여 다양한 신재생에너지 기술을 도입하고 있다(ME, 2010a). 또한 온실가스 감축을 위해 2020년까지 탄소중립율 70% 달성을 목표로 환경기초시설 탄소중립 프로그램 사업도 함께 추진되고 있다(ME, 2010a; KECO, 2013).

하수처리시설과 같은 환경기초시설은 유휴부지가 많고, 태양에너지의 적용성이 뛰어나기 때문에, 발전효율이 낮더라도 큰 효과를 얻을 수 있다. 태양에너지 중 태양광을 이용할 경우, 하수처리시설의 침전지, 생물반응조, 관리동 지붕 등에 태양광 발전 도입이 가능한데, 하수처리시설의 15%를 설치면적 기준으로 344개소에 도입할 경우, 연간 410 GWh 발전이 가능한 것으로 조사되었다(ME, 2010b). 태양광 시설을 운영 중인 대구 서부사업소의 경우, 일조시간이 약 3.3∼3.5 시간으로 일조권이 좋을 것이라 예상했지만, 바람이 없고, 열이 많아 발전 효율은 떨어지는 것으로 확인되었다. 태양광 발전을 통해서 지금까지 총 누적 9,918 MWh 전력을 생산하였으며, 이를 한국전력에 판매하여 매년 10억 원 이상의 수익이 발생하는 것으로 나타났다. 충남 제천사업소의 경우, 일조시간이 길고 바람도 불어 태양광 발전효율이 좋아서 정부에서 우선적으로 지원을 해왔다. 봄과 가을의 발전량이 좋은 것으로 나타났으며, 오히려 여름은 열이 높아 효율이 떨어지는 것으로 나타났다(Kim et al., 2014). 강원도에서는 2009년부터 춘천 하수처리장을 포함하여 도내 하수처리시설 10개소와 상수도 시설 11개소에 총 3,400 kW급의 태양광발전설비 설치를 추진하였다(Han, 2010).

하지만, 일반적으로 태양광 발전효율은 태양광 입사에너지 외에도 설비의 열을 식힐 수 있는 기상조건(바람)이나 주변 환경이 긍정적인 영향을 끼칠 수 있으므로 설치시기가 비슷할 경우, 동일한 사업소 내에서는 반응조 상부가 유리하다고 판단된다. 지형적 특성에 따른 부지 내 신재생에너지 시설의 설치 가능한 규모를 산정하고, 투자방법에 따른 경제성 분석을 통한 현실적인 사업추진 방안이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 부산시 하수처리시설을 포함하는 전체 환경기초시설을 대상으로 신재생에너지 운영현황과 태양에너지(태양광 및 태양열) 중심으로 설치 타당성을 분석하였고, 이를 통해서 신재생에너지 추가 도입 시 필요한 기초 정보 및 추진방안을 확보하고자 하였다.

2. 연구방법

2.1 분석대상

부산시에서 운영 중인 환경기초시설(하수처리장, 소각장, 분뇨처리장, 매립장)은 13개소이나, 관로사업소의 경우, 수영사업소와 동일한 부지에 위치하고 있어, 실제 분석 대상 시설은 12개소이다(Table 1).

Table 1.

Locations and characteristics of environmental basic facilities in Busan

2.3 경제성 분석

2.3.1 경제성 분석 방법

경제성 분석을 위해서 편익/비용 비율(Benefit Cost Ratio; B/C ratio), 순현재 가치(Net Present Value; NPV), 내부수익률(Internal Rate of Return; IRR)의 3가지 분석기법을 동시에 적용하여 계산하였다(Kim, 2004).

B/C ratio는 정책분석의 기법인 비용편익분석에서 가장 널리 이용되고 있는 비교/평가 기준 중의 하나로서, 편익의 현재가치와 비용의 현재가치의 비율로 나타낸 값으로 아래 수식 (7)과 같이 구할 수 있다. 일반적으로 편익/비율 값이 1이상이면 경제성이 있다고 판단한다.

$\[ B/C= \left(\sum _{t=0}^n\frac{B_t}{{\left(1+r\right)}^t}\right)∕\left(\sum _{t=0}^n\frac{C_t}{{\left(1+r\right)}^t}\right) \]$

(7)

NPV는 사업에 수반된 모든 비용과 편익을 기준년도의 현재 가치로 할인하여 총 편익에서 총 비용을 제한 값이며, NPV≥0 이상이면 경제성이 있다는 의미로 해석되며, 다음 수식 (8)을 이용해서 구할 수 있다.

$\[ NPV= \sum _{t=0}^n\frac{B_t}{{\left(1+r\right)}^t}-\sum _{t=0}^n\frac{C_t}{{\left(1+r\right)}^t} \]$

(8)

IRR은 편익과 비용의 현재가치로 환산된 값이 같아지는 할인율(r)을 구하는 방법으로, 사업의 시행으로 인한 NPV를 ‘0’으로 만드는 할인율이다. IRR이 사회적 할인율 값보다 크면 경제성이 있다고 판단한다. IRR은 수식 (9)을 만족하는 r 값이다.

$\[ \sum _{t=0}^n\frac{B_t}{{\left(1+r\right)}^t}=\sum _{t=0}^n\frac{C_t}{{\left(1+r\right)}^t} \]$

(9)

모든 식에서, Bt는 t시점의 편익을, r은 할인율을, n은 분석기간을, C_t는 t시점의 비용을 나타낸다(Kim, 2004).

2.3.2 경제성 평가를 위한 입력 자료

투자비 산정은 사업소 특성 및 입지조건에 따른 적정 신재생에너지 종류, 생산예상량, 시설규모, 비용, 기대효과, 부지 활용 계획을 파악하여 시설 설치비에 해당하는 사업비를 선정하였다. 투자방식은 ①사업비 전액을 민간이 투자하고 생산된 전력을 한전에 판매하는 민간투자(매전), ②환경공단이 직접 투자하고 생산된 전력을 자체 사용하는 자체투자, ③투자비 전액을 국고로 충담함에 따라 자체 투자 없이 생산된 전력을 자체 사용하는 정부지원의 세 가지로 구분하였다.

민간투자방식의 수익은 발전전력 판매금액, 신재생에너지 공급인증에 따른 추가소득을 산정하였으며, 자체 사용은 전력비 절감금액을 적용하였으며, 온실가스 감축량은 화폐가치로 환산하여 적용하고 비교하였다. 경제성 적용값은 UNFCCC에서 CDM 사업 등록과정에서 국내외 검증기관에 의해 검증된 경제성 분석 툴을 이용하여 적용 변수값을 산정하였다. 태양광 설비의 이용률은 태양전지의 종류에 따라 7∼20% 수준으로 다양하나, 본 연구에서는 이용률 15.5%를 적용하였다. 태양광 발전설비의 운영과정에서 소비하는 전력량과 생산된 전력의 계통 연계과정에서 발생하는 송전손실을 합한 값은 발전 용량의 1%로 가정하였다. 태양광 모듈의 수명은 일반적으로 20년 이상이며, 기존 분석 사례를 기준으로 20년을 적용하였다. 유지보수비용은 국내 설치사례를 검토하여 운영비로서(인건비, 보험료, 운전비, 고장/수리비 등의 모든 비용) 투자비의 1%로 가정하였다(MOTIE, 2004). 계통한계가격(System Marginal Price; SMP)은 발전사업자와 한국전력 간 전력거래가격을 의미하며, 2013년 육지평균값을 적용하여 150.7원/kWh으로 적용하였다. 신재생에너지 공급인증서(Renewable Energy Certificate; REC) 단가는 공급인증서의 발급 및 거래 단위로서 공급인증서 발급대상 설비에서 공급된 MWh 기준의 신재생에너지 전력량에 대해 가중치를 곱하여 부여하는 단위(원/kWh)를 의미하며, 2013년 상반기(158.1원/kWh) 및 하반기(192.9원/kWh)와 2012년 하반기(164.7원/kWh)의 평균 입찰가격(171.9원/kWh)을 적용하였다. 가중치는 일반부지와 건물상부(지붕) 등 설치 유형과 설비용량에 따라 차등 및 복합적으로 적용된다(MOTIE, 2014). 할인율은 일반적으로 도로, 철도, 항만 등 공공투자사업의 경우 7%, 수자원개발, 환경시설 등의 경우 5.5%이나(Lee et al., 2001), 최근 저금리에 따른 할인율의 하락을 감안하여, 본 연구에서는 5%를 적용하였으며, 저금리가 계속 유지된다면 큰 변화는 없을 것으로 예상된다. 세율은 20%(당기순이익 2억 원 초과∼200억 원 이하 기준)로 적용하였으며, 온실가스 감축비용은 온실가스 거래제에 의해 20,000 원/tCO₂을 적용하였다. 입지조건에 따른 태양광 설치 구조물의 형태와 단가는 트러스 형태, H빔 형태, 스페이스 프레임 형태의 3가지 종류로 구분하여 적용하였으며, 구체적인 입력 변수값은 Table 2에 정리하였다.

Table 2.

Input data for analyzing economic feasibility of solar power according to investment method

3. 결과 및 고찰

3.1 사업소별 신재생에너지 운영현황

부산시 환경기초시설 사업소 별 신재생에너지 생산량을 전력단위로 환산한 결과, 소각폐열을 회수하는 명지사업소와 해운대사업소가 가장 크게 나타났다. 다음으로는 소화조 바이오가스 생산량이 많은 수영, 생곡, 강변사업소 순으로 나타났다. 소각폐열을 제외하면 신재생에너지 생산량이 가장 많은 수영, 생곡, 강변사업소가 부지면적 대비 신재생에너지 생산 에너지 비율이 높은 경향을 보였다. 특히 수영사업소는 하수처리장 중에서 신재생에너지 생산량이 가장 많았으며, 소수력 발전 등 다양한 신재생에너지 생산을 시도하고 있는 것으로 나타났다(Table 1). 서부사업소는 인근 김해공항으로 인해 군사기지 및 시설 보호법으로 태양광 설치를 못하고 있다.

신재생에너지 중 소각폐열회수와 바이오가스를 제외하면 태양광 발전이 많은 비중을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 특히 부지면적이 넓은 강변사업소의 태양광 이용량이 가장 높은 것으로 나타났다. 각 사업소에서 운영되고 있는 실제 태양광 발전량을 설계용량의 95%인 이론발전량(3.53시간 기준)과 비교하여 효율을 분석하였다. 실제 발전량 계산은 운영일수에 근거하여 연간 발전량으로 환산하였으며, 이론 발전량은 설계용량의 3.53시간 가동 및 시스템 효율 95%를 적용하였다. 계산결과, 대부분의 사업소에서 건물 옥상보다는 생물반응조 상부가 발전량이 높게 나타났다(Table 3). 정관사업소의 경우, 주차장 주변 수목의 영향으로 발전량이 낮게 나온 것으로 추정된다.

일반적으로 태양광 발전효율은 태양광 입사에너지 외에도 설비의 열을 냉각시킬 수 있는 기상조건(바람)과 주변 환경(수변 근처)에 영향을 받을 수 있기 때문에, 태양광 발전 설비 설치시 면밀한 검토가 필요한 것으로 사료된다.

Fig. 1.

Annual new and renewable energy production and site area (a) and annual energy production except waste heat of incineration (b) at environmental basic facilities in Busan.

Table 3.

Analysis of generating efficiency of photovoltaic power generation system according to environmental basic facilities in Busan

3.2 사업소별 태양에너지 잠재력 조사

3.2.1 태양광 이용

현장 조사를 통해서 부산시 환경기초시설의 태양광 가능 부지면적(63,826 m²)를 기준으로 태양광 발전 용량을 산정하였다. 태양광 발전 설치면적은 41,725 m², 설비용량은 6,439 kW로 분석되었으며, 200 kW 이상 시설이 12개, 100∼200 kW 시설 5개, 100 kW 이하 9개로 나타났다. 사업소별 설치 가능 설비용량 산정 후 부지면적에 대한 비율을 분석하였다. 태양광 설치가능 부지면적은 강변(21,481 m²), 수영(14,753 m²), 기장(6,979 m²), 녹산(4,174 m²), 남부(4,155 m²), 정관(3,224 m²), 생곡(2,720 m²), 서부(2,400 m²), 명지(1,460 m²), 중앙(1,343 m²), 해운대(710 m²), 위생(427 m²) 순으로 나타났다. 기존 태양광 설치용량을 합산하여 사업소 별 태양광 잠재력을 계산한 결과, 강변이 4,633 kW로 가장 높은 것으로 조사되었다(Fig. 2).

Fig. 2.

Conventional and additional photovoltaic power capacity according to the environmental basic facilities in Busan.

부산시 환경기초시설 내 설치 가능지점 중 입지조건(우수[good]: 남향, 장애물 없음, 설치 용이, 사용처 근거리. 보통[not bad]: 설치 가능, 장애물 있음, 사용처 원거리)이 우수하다고 판단되는 지점은 전체 27개소 중 19개소로, 태양광 발전 도입이 필요한 것으로 판단된다(Table 4)

Table 4.

Additional annual photovoltaic power generating capacities and greenhouse gas emission reductions according to the environmental basic facilities in Busan

3.2.2 태양열 이용

태양열을 이용하여 온수를 공급하는 사업은 태양광 발전에 비해 효율이 우수하기 때문에 온수 생산에 이용하는 것이 적정하다. 하지만, 계절별 에너지 생산량 및 사용량에 차이가 크고, 기상조건에 따라 에너지 생산이 불가능한 경우가 발생할 수 있기 때문에, 기존 온수설비와 연동될 수 있는 설비를 구성하는 것이 필요하다. 현재 부산시 환경기초시설 중에서, 태양열을 이용하여 온수 공급이 가능한 사업소는 위생, 녹산, 중앙, 정관의 4개 사업소로 조사되었으며, 연간 약 1,000만 원의 전력 절감 및 28 tCO₂의 감축이 가능한 것으로 나타났다(Table 5). 하지만, 현재 소요되는 전기 및 유류사용량으로 집열량을 산정하였기 때문에 실제 온수사용량 및 계절별 부하를 조사하여 세심한 설계가 필요한 것으로 사료된다.

Table 5.

The fuel savings and greenhouse gas emission reductions by using additional solar heating system according to the environmental basic facilities in Busan

3.3 경제성 평가

부산시 환경기초시설의 태양광 에너지 경제성을 평가하였으며, 민간투자(매전) 및 자체 투자(사용)의 경우는 B/C ratio, 정부지원(사용)의 경우는 NPV 기준으로 순위를 정하였다. 민간투자방식의 경우, 높은 가중치로 인하여 자체 사용방식(정부지원 및 자체투자)보다 경제성이 우수하였으며, 설치단가도 경제성 순위에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 자체 사용 시, 전력절감 만으로는 투자비를 상쇄할 수 없기 때문에, 정부의 지원이 필요한 것으로 확인되었다.

민간투자방식을 활용한 태양광 발전의 경우, B/C ratio 기준으로 경제성 순위를 비교하였다(Table 6). 정관사업소의 설비동 옥상외 5개소의 B/C ratio가 1.821로 가장 높은 값을 보였으며, 대부분의 지점도 1.1∼1.8로 나타났다. 따라서 민간 투자의 경우, 태양광 설치는 독립형 타입인 수영 산책로와 정관 체육공원을 제외하면 경제성이 있는 것으로 사료된다. 단기적으로는 규모가 가장 큰 강변사업소를 중심으로 소 내 6개소와 수익률은 낮지만, NPV가 가장 큰 강변 2단계 침전지 상부가 가장 경제성이 있는 지점으로 판단되며, 중기적으로는 경제성 지표가 높은 정관사업소, 그리고 장기적으로 향후 기술발전을 고려한다면 녹산 최초침전지와 서부의 SBR 상부도 설치 가능할 것으로 사료된다.

Table 6.

The economical analysis of photovoltaic power generation system by private investment

자체사용 중 투자비를 부담하는 사업방식의 경우, B/C ratio 기준으로 경제성 순위를 비교하였다(Table 7). 모든 지점의 B/C ratio는 <1 로서 경제성이 없는 것으로 나타났다. 민간투자와 마찬가지로 설치단가가 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타났으며, 전력절감 만으로는 투자 금액을 상쇄할 수 없으므로 설비투자시 정부 지원제도를 활용해서 소비에너지를 절감하고, 이산화탄소 발생량을 감축하는 방안이 필요한 것으로 예상된다. 자체사용 중 정부지원제도에 의한 보조금을 활용하여 직접 투자비를 부담하지 않는 방식의 경우는 NPV 기준으로 경제성 분석이 가능하다. 설비용량에 따른 발전량의 차이는 있으나 입지조건이 좋은 경우, 각 사업소의 모든 지점에서 NPV≥0 이상으로 경제성이 있는 것으로 분석되었다(Table 8). 따라서 정부지원에 의한 신재생에너지 설치는 운영비보다 전기 절감액이 더 높기 때문에, 경제성이 충분히 있는 것으로 분석되었다. 한편, 정부지원 방식의 경우, NPV 기준으로 경제성 분석이 수행되었기 때문에 IRR, B/C 값은 제시하지 않았다.

Table 7.

The economical analysis of photovoltaic power generation system by self investment

Table 8.

The economical analysis of photovoltaic power generation system by government supporting investment

태양열을 이용하여 온수를 공급하는 방식은 태양광 발전에 비해 효율이 좋다. 사업비 규모도 적고, 기존 전기온수기의 전력요금 또는 유류비를 절감할 수 있고, 이산화탄소 발생량을 감소시킬 수 있으므로 자체 투자 또는 정부지원을 통해 태양열 방식을 적극 활용하는 것이 경제적인 것으로 나타났다. 기존 태양열을 이용한 3개 사업소를 제외하고, 추가적으로 태양열로 온수공급이 가능한 사업소는 4개로 나타났으며, 계절 별 부하를 고려하는 최적 설계를 위해서 월별 온수사용량을 근거로 물탱크와 집열용량을 산정하고, 현재의 시스템과 연동될 수 있도록 맞춤형 시스템을 구성하는 것이 필요한 것으로 나타났다.

4. 결 론

본 연구에서는 부산시 환경기초시설 12개 사업소를 대상으로 각 사업소의 신재생에너지 운영 현황과 추가적인 태양에너지 이용 설치 타당성을 확인하였다. 기존 신재생에너지 시설 외에도 12개 사업소 19개 지점에서 태양광 발전 사업이 가능한 것으로 나타났으며, 그 규모는 4,119 kW, 연간 전력생산량은 5,311 MWh, 온실가스 감축량은 2,348 tCO₂인 것으로 추정되었다. 태양열 설비는 4개 사업소(정관, 녹산, 위생, 중앙)에 설치 가능하였으며, 연간 약 1,000만원의 전력비를 절감하고, 28톤의 온실가스를 감축할 수 있는 것으로 조사되었다.

세 가지 투자방식에 의한 경제성을 평가한 결과, 민간투자 및 매전방식의 경우, 높은 발전판매금액의 정부 가중치로 인하여 자체 사용방식(정부지원 및 자체투자)보다 경제성이 우수하였으며, 설치단가도 경제성 순위에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 태양광 발전 시설을 직접 투자하여 자체 사용 시 전력절감 만으로는 투자비를 상쇄할 수 없기 때문에, 정부의 지원이 필요한 것으로 확인되었다. 민간투자 및 매전 방식의 경우, 정관사업소 설비동 외 5개소에서 B/C ratio가 1.821로 높게 나타났는데, 그 이유는 가중치가 높고, 설치단가가 저렴한 구조물 타입이기 때문이었다. 투자비를 직접 부담하고 자체적으로 신재생에너지를 사용할 경우는 입지조건에 의한 구조물 타입에 따른 설치단가가 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 따라서 환경기초시설에 태양에너지 도입 시 정부지원을 활용하거나 민간투자 후 매전 방식으로 사업하는 것이 효율적인 것으로 나타났다. 본 사전타당성 연구는 저성장기조를 반영하여 보수적으로 계산되었으며, 전력거래가격 및 탄소거래가격의 변동이 급등하지 않을 것으로 전망되는바, 향후 부산시 환경기초시설 내 태양에너지 시설 도입 시 경제성 분석결과와 입지조건을 고려하여 단계별로 추진하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 2014년도 부산환경공단의 지원을 받아 수행되었습니다.

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