서 론

오늘날 세계 각국의 정부와 기업들은 범지구적인 기후변화 문제를 해결하기 위해 다양한 노력을 기울이고 있다. 2016년 발효된 파리협정 이후 121개 국가가 ‘2050 탄소중립 목표 기후동맹’에 가입하였고, 우리나라도 이산화탄소 순배출량 0(Net-zero)을 달성하겠다는 2050 탄소중립(carbon neutrality) 목표(2020년 10월)와 시나리오 초안(2021년 8월)을 발표하였다(Yun, 2021). 탄소중립을 실행하는 방안의 하나로 전체 에너지 시스템에서 신재생에너지 발전이 차지하는 비중을 지속적으로 확대하면서 전통적인 화석연료에서 신재생에너지로의 에너지 패러다임 전환을 시도하고 있다(Foley and Olabi, 2017; Kim et al., 2022; Zeiler and Boxem, 2013). 글로벌 기업들도 이에 동참하며 지속 가능한 발전을 위해 ESG(environment, social, governance) 경영을 선언하고, 기업이 사용하는 전력의 100%를 재생에너지로 충당하겠다는 RE100 캠페인에 자발적으로 참여하고 있다(Shin and Park, 2021). 특히, 이산화탄소 배출량의 상당 비율을 차지하는 수송 분야에서는 내연기관 차량 대신 친환경 전기자동차 개발 강화에 주력하고 있다.

태양광발전시스템(photovoltaic system)은 타 재생에너지에 비해 친환경적일뿐만 아니라 다양한 유형과 형태로 개발될 수 있어 설치 관점에서 공간적 제약이 적다는 장점이 있다. 그래서 태양광발전시스템은 소형 디자인 제품부터, 건물옥상형, 건물지붕형, 건물통합형, 캐노피형 등 다양한 공간에서 활용될 수 있는 가장 적합한 재생에너지원으로 꼽힌다. 특히, 국내의 경우 대규모 육상부지를 확보하기 어려운 측면이 있기 때문에 다양한 유휴부지 공간에 태양광에너지를 적용하고자 하는 시도가 상당수 이루어지고 있다(Choi et al., 2011; Choi et al., 2013; Jung et al., 2019; Oh et al., 2020; Song and Choi, 2012; Song and Choi, 2015; Song et al., 2014; Suh et al., 2020). 최근 전기자동차와 전기충전소의 수요가 급증하는 가운데 주유소 및 충전소(전기자동차 충전소가 아닌 국내의 액화석유가스 충전소를 의미, 다만 본 논문에서 영어로는 gas station으로 통일하여 표기함) 공간을 활용한 태양광발전 사례가 보고되기 시작하였다. 이는 주유소 건물이나 캐노피 상부 공간에 태양광발전시스템을 설치하여 전기요금을 절감하거나 전기자동차를 충전(아직까지 전력판매는 미실시)하는 개념이다.

최근 들어 주유소 또는 충전소 공간의 태양광에너지 활용에 대한 다양한 연구가 보고되었다. 한화큐셀코리아는 한국주유소협회, 동원이엔씨, 다쓰테크, 전북은행과 함께 2018년부터 ‘주유소 태양광발전’사업을 진행중이며(Seo, 2018), SK 에너지는 주유소에서 태양광과 연료전지로부터 전기를 생산하고 이를 전기차 충전에 사용하는 새로운 개념의 주유소인 에너지 슈퍼스테이션을 열었다. Lee et al. (2016)은 액화석유가스(liquefied petroleum gas, LPG) 충전소 유휴공간의 태양광발전설비 설치시 안전성을 검토하기 위해 국내외 태양광발전시스템 설치 사례와 법규를 조사하고, 가스 누출을 가정하여 전산유동해석을 수행하였다. 그 결과, 충분한 안전거리를 확보한다면 캐노피 상단에 설치된 태양광발전설비의 위험성이 거의 없는 것으로 확인되었다. Lee(2019)는 경제적 관점에서 우리나라 압축천연가스(compressed natural gas, CNG) 충전소에 적용 가능한 태양전지와 에너지저장장치의 최적 규모를 계산하였고, Dai et al.(2019)는 입자 군집 최적화 알고리즘을 이용하여 전기 충전소의 태양광 모듈과 배터리저장시스템의 최적 설계안을 제안하였으며, Nishimwe H. and Yoon(2021)은 전기자동차의 쾌속 충전을 위한 태양광 모듈과 에너지저장장치의 통합 운영 방법을 제시하였다. 이와 같이 기존 연구들은 주로 주유소 및 충전소 공간에의 태양광발전시스템 또는 에너지저장장치의 적용 가능성에 초점을 맞춘 반면, 국내 주유소 및 충전소 공간에 태양광발전설비 도입시 기대할 수 있는 발전 잠재량에 대한 연구는 전무한 실정이다.

본 연구의 목적은 강원도에 위치한 주유소 및 충전소 내 유휴공간에 태양광발전설비 도입시 기대할 수 있는 연간 발전 잠재량을 평가하는 것이다. 이를 위해 태양광발전시스템 설치가 가능한 유휴공간의 가용면적 시나리오에 따라 연간 발전 잠재량을 예측하고, 강원도의 행정구역과 주유소 운영기업 등 2가지 측면에서 발전 잠재량을 비교분석하고자 한다.

연구방법

본 연구에서는 강원도 주유소 및 충전소 공간의 태양광 발전 잠재량을 평가하기 위해 Fig. 1과 같은 5단계의 분석 절차를 설계하였다. 먼저 강원도 내 주유소 및 충전소에 대한 공간정보와 전천일사량(global horizontal irradiation, GHI), 그리고 태양광 모듈 사양 등의 자료를 구축하였다. ArcGIS Pro 소프트웨어를 이용하여 강원도 일사량 값을 보간하고, 일사량 지도와 주유소/충전소 지도와의 중첩분석을 통해 각 위치별 일사량 값을 획득하였다. 다음으로 태양광발전설비를 설치할 수 있는 주유소/충전소의 가용 공간으로 캐노피 상단, 건물 옥상, 주차장 공간을 설정하고(Fig. 2), 각 공간의 활용 시나리오에 따른 태양광 발전 잠재량을 분석하였다. 이를 위해 범용적으로 사용되는 PVWatts 모델을 이용하여 강원도의 행정구역 및 주유소 업체 별로 태양광 발전 잠재량을 평가하였다.

Fig. 1.

Flowchart for assessing the PV potential for gas stations in Gangwon-do.

Fig. 2.

Photograph of PV modules installed on the canopy and building roof at a gas station.

연구지역

강원도는 한반도 중앙부의 동측에 위치하고 있으며 위도 37°02'N에서 38°37'N, 경도 127°05'E에서 129°22'E에 걸쳐있다. 강원도의 총 면적은 20,569 km²으로, 동서간의 거리는 약 150 km, 남북간의 거리는 약 243 km에 이르며 강원도의 행정구역은 총 18개로 나뉘어있다. 강원도에 소재하고 있는 주유소 및 충전소는 828개이며, 행정구역 상 원주시에 가장 많고 철월군에 가장 적게 분포하는 것으로 조사되었다.

데이터 구축 및 전처리

본 연구에서는 강원도의 주유소 및 충전소의 위치와 범위 등을 나타내는 공간자료와 태양광 발전 잠재량 계산 시 필요한 일사량 자료, PV 모듈의 사양 자료 등을 획득하였다. 주유소 및 충전소의 위치는 오피넷(https://www.opinet. co.kr/)의 자료를 이용하였으며 주유소와 충전소의 주소, 회사명, 공간적 범위(경계면) 및 면적 등은 국가공간정보포털 오픈마켓(http://data.nsdi.go.kr/dataset/)에서 수집하였다. 강원도의 주유소와 충전소의 위치와 분포는 Fig. 3에 도시하였다.

Fig. 3.

Location of gas stations in the administrative district, Gangwon-do.

강원도의 일사량 자료를 구축하기 위해 기상자료개방포털(http://data.kma.go.kr/)의 태양광기상자원지도로부터 벡터 기반 점(point) 형식의 자료 5,701개를 획득하였다. 본 일사량 자료에 역거리 가중치법(inverse distance weighting, IDW)을 적용하여 강원도 전지역에 대하여 격자 형태를 갖는 래스터 형식의 GHI 자료를 생성하였다(Fig. 4). 보간된 일사량 자료에 대한 정확도를 평가하고, 이후 단계에서의 적용성에 대한 신뢰성을 검토하기 위하여 지구통계 분야에서 널리 활용되는 Leave one out 교차 타당성(cross validation) 검정을 수행하였다. 이 기법은 입력자료 N개 중 1개씩 고의로 제거한 상태에서 N-1개를 이용하여 제거된 지점의 값을 예측하는 과정을 N번 반복하고, 이로부터 획득한 N개의 자료쌍 즉, 예측값과 참값의 비교를 통해 오차를 계산한다. 본 연구에서는 평균 오차(mean error)가 –0.00943 kWh/m²/year, 평균 제곱근 오차(root mean square error, RMSE)는 약 5.43 kWh/m²/year 으로 계산되었다. 원 일사량 값 대비 오차의 비율이 상당히 낮게 나타났기 때문에 보간된 일사량 자료를 활용하는 것은 무리가 없는 것으로 판단하였다.

Fig. 4.

Map of the annual total GHI in Gangwon-do.

주유소와 충전소에 설치할 태양광 모듈로는 최근 주유소 태양광발전 사업을 추진 중인 한화큐셀의 모듈을 선정하고, 물리적 특성을 포함하는 사양 정보를 구축하였다.

주유소 및 충전소의 가용 면적 분석

주유소와 충전소 공간의 태양광 발전 잠재량을 평가하기 위해서는 먼저 해당지역 내 태양광발전 설비 설치가 가능한 면적을 분석한 필요가 있다. 전술한 주유소 및 충전소 지리정보데이터의 경우 캐노피를 포함한 주유충전시설물, 건물, 차량 이동 공간 등을 포함한 주유소 전체 영역을 나타낸다. 이로부터 주유소와 충전소의 전체 면적 중에 태양광발전설비의 가용 면적을 계산하기 위해 대부분의 주유소와 충전소에 기본적으로 설치되어있는 캐노피(주유충전시설물 상단 영역), 직원들이 사용하는 건물, 주차 공간 등 3개의 구역을 선정하였다.

강원도 내 800여개의 주유소 및 충전소에 대한 전체 면적 대비 각 공간(캐노피, 건물, 주차장)의 면적 비율은 상이하다. 그래서 각 시군구에서 1개 이상씩 무작위로 샘플링을 수행하여 전체 면적 대비 각 공간의 면적 비을을 계산하였다. 그 결과 캐노피는 약 10~40%, 건물은 약 5~30%, 주차장의 유휴 공간은 10~50%에 해당하는 것으로 분석되었다. 다만 3개 공간 전체에 태양광발전시설의 설치가 가능한 것은 아닐 것이다. 그러한 이유로 각 공간에 태양광발전설비를 설치한다고 가정하되 면적 비율은 보수적인 값을 선택하였다. 첫 번째 경우는 캐노피만 있는 경우(전체면적의 10%), 두 번째 경우는 캐노피와 건물이 있는 경우(전체면적의 15%), 세 번째의 경우는 캐노피, 건물, 주차공간이 모두 있는 경우(전체면적의 25%)로 나눠 태양광발전설비를 설치할 수 있는 가용 면적을 분석하였다.

PVWatts를 이용한 태양광 발전 잠재량 평가

태양광 발전 잠재량은 태양광 모듈 설치 개수나 용량에 비례한다. 본 연구에서는 주유소 및 충전소의 가용 면적에 설치할 수 있는 태양광 모듈의 개수를 산정하기 위하여 유사 문헌을 참고(Choi et al., 2013)하여 모듈 1개당 필요한 면적을 5 m²로 가정하였다. 즉, 가용 면적을 5 m²로 나눈 값(소수점은 버림)이 설치 가능한 태양광 모듈 개수라고 할 수 있다.

본 연구에서는 연구지역의 전반적인 잠재량 예측을 목표로 하고 있기에 몇 가지 간단한 입력인자를 기반으로 태양광발전 잠재량 평가가 가능한 PVWatts 모델을 이용하였다. PVWatts 모델은 미국신재생에너지연구소에서 개발하였으며 계산공식은 식 (1), (2)와 같다. I 는 일사량(W/m²) A는 태양광 모듈의 면적(m²) np는 태양광 모듈의 효율(%), ni는 인버터의 효율(%), Rda는 직류 교류 변환 효율(%), Tcell은 모듈의 온도(°C), 𝛾는 온도계수(%/°C), L은 기타 손실률을 나타낸다. Tcell인 모듈의 온도 값을 구하기 위해선 식 (2)를 이용해 도출해야하며 I는 식 (1)과 동일하게 일사량(W/m²), Tair은 외기 온도(°C), NOCT(Nominal Operation Cell Temperature)는 공칭 태양광 발전 전지의 동작온도를 나타낸다. 강원도는 18개의 행정구역으로 나뉘어져있기에 Tcell을 계산하기 위해 사용되는 외기온도의 값은 기상청 기후정보포털(http://www.climate.go.kr/)의 자료를 이용하여 계산하였다(Table 1).

태양광 모듈은 한화큐셀의 Q.PEAK DUO-G9 모델을 사용하였고, PVWatts 모델에 추가로 필요한 입력인자 값은 태양광 버스의 발전 잠재량을 예측한 유사 연구(Oh et al., 2020)의 값을 참고하였으며 이와 관련된 값은 Table 2에 나타내었다.

연구결과 및 해석

주유소 및 충전소의 가용 면적 분석 결과

본 연구에서 계산한 주유소 및 충전소의 태양광발전시스템 설치 가능면적 분석 결과 강원도 전체 주유소의 면적은 1,056,162 m²이며 행정구역 별 평균 가용면적은 58,676 m²로 분석되었다. 캐노피만 고려한 전체 가용면적의 10%는 전체 105,616 m², 평균 5,868 m²이며 캐노피와 건물 옥상을 고려한 가용면적의 15%는 전체 158,424 m², 평균 8,801 m²로 계산되었다. 캐노피와 건물 옥상, 주차장 부지까지 고려한 가용면적의 25%는 전체 264,041 m², 평균 14,669 m²으로 계산되었다(Table 3).

PVWatts 모델을 이용한 발전 잠재량 평가 결과

Fig. 5는 강원도 주유소 중 하나를 대상으로 3종의 시설에 태양광 모듈을 설치한 예시 그림을 나타낸다. Fig. 5(a)는 캐노피만 고려한 경우, Fig. 5(b)는 캐노피와 건물 옥상을 고려한 경우, Fig. 5(c)는 캐노피, 건물옥상, 주차공간을 함께 고려한 경우에 설치된 태양광발전시설을 나타낸 것이다.

Fig. 5.

Results of PV module installation considering the (a) canopy, (b) canopy and building rooftop, (c) canopy, building rooftop, and parking lot.

강원도 18개 시군구의 가용면적에 설치 가능한 태양광 모듈의 개수와 연간 발전 잠재량은 Table 4와 같다. 강원도 주유소 및 충전소의 가용면적에 대한 활용 시나리오(10%, 15%, 25%)에 따른 태양광 모듈의 설치 가능 개수는 각각 21,124개, 31,686개, 52,808개로 나타났다. 연간 발전 잠재량은 1,189,611 kWh, 1,784,413 kWh,, 2,824,022 kWh로 분석되었다. 시군구 단위에서의 발전 잠재량은 원주가 가장 높게 나타났고, 철원이 가장 낮게 나타났다.

각 업체별 설치 가능면적과 연간 발전 잠재량은 Table 5에 나타내었다. SK* 업체가 전체 주유소 면적의 약 30%를 차지하며 가장 많은 주유소 부지를 소유한 것으로 분석되었으며 기타업체(자가상표 등)를 제외하고 NH* 업체의 부지가 약 5.3%로 가장 적은 면적을 차지한 것으로 나타났다. 연간 태양광발전 잠재량은 기타업체를 제외하고 전체면적의 10%는 60,221~335,915 kWh, 전체면적의 20%는 120,442 ~711,830 kWh, 전체면적의 30%는 180,664~1,067,745 kWh의 분포를 가진다.

결 론

본 연구에서는 강원도에 위치한 약 800여개의 주유소 및 충전소의 유휴 공간에 태양광발전시스템을 도입할 경우 기대할 수 있는 발전 잠재량을 행정구역과 주유소 업체별로 나누어 평가하였다. 주유소 및 충전소 내의 캐노피, 건물 옥상, 주차장을 가용공간으로 선택하였으며, 무작위 샘플링을 통해 주유소 및 충전소 전체 면적 대비 각 시설의 면적 비율을 계산하였다. 이를 바탕으로 캐노피 공간, 캐노피와 건물 옥상, 가용 면적 전체를 활용하는 3개의 시나리오에 따른 연간 발전 잠재량은 각각 1,189,611 kWh, 1,784,413 kWh, 2,824,022 kWh로 분석되었다. 가용면적의 30%를 사용한다는 조건하에 행정구역 중에는 원주시가 업체 중에서는 SK*가 각각 616,543 kWh와 1,067,745 kWh로 가장 높은 연간 발전 잠재량을 갖는 것으로 분석되었다.

본 연구에서는 기상자료로 연간 누적전천일사량과 행정구역별 연간 평균 외기온도를 사용하였지만 추후 시간별 일사량, 외기온도 자료를 확보하거나 세부적인 공간자료를 구축하여 예측의 정확도를 향상시킬 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한, 도심지에 위치한 주유소나 충전소의 경우 주변 건물에 의해 간섭이 발생할 가능성이 높다. 그렇기 때문에 보다 정밀한 발전 잠재량을 평가하기 위해서는 후보지의 수광 효율(solar access) 등을 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다. 그럼에도 불구하고 본 연구 결과는 향후 강원도 주유소 및 충전소 공간에 태양광발전시스템 도입 또는 계획 수립시 기초 설계 자료로써 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.