Special And + Special Issues _ 5 전기차보급이제주전력계통에미치는영향 전기차보급이제주전력계통에미치는영향 1. 개황 이개명제주대학교전기공학과교수 제주특별자치도는 Carbon Free Island Jeju by 2030 계획 을실현하기위해제주전기자동차시범도시세부추진계획을수립하였다. 이계획에의하면 1단계로 2017년까지운행자동차의 10% 를, 2단계로 2020년까지 20% 를, 3단계로 2030년까지 100% 를전기차로대체하는것으로되어있다. 본고에서는이런계획일정에따라승용차분야에국한하여전기차보급이이뤄질경우 2023년까지예상되는전기차대수와전기차가사용할전기에너지를예측하고제주전력계통에미치는영향을분석하고자한다. 전기차보급에따른사용전기에너지증가량을예측함에있 2014 August + 75
Special And + Special Issues _ 5 어기존의연구에서는전기차의 1일주행거리, 충전전력, 충전시간, 충전시나리오, 전기차예측대수를기반으로필요전기에너지량을계산하고있다. 본고에서는공인된전기차의연비, 1일주행거리, 보급될전기차예측대수를기반으로향후 10년간전기차보급에따른사용전기에너지증가량과피크전력증가분을계산하고, 이값을제6차전력수급계획에서제시하고있는제주지역전기에너지및피크전력전망치와비교한다. 2. 전기차가사용하는전기에너지가. 전기차가사용하는전기에너지계산방법전기차가연간사용하는총전기에너지는로표시된다. 여기서,, 이다. 첨자는전기차의용도별분류를표시하기위해도입된것으로, 승용전기차를용도별로관용, 자가용, 영업용으로구분하여계산하였다. 위식에서는각소속군전기차전체의 1일주행거리이며, 는소속군전기차전체의 1일사용전기에너지가된다. 나. 전기차가사용하는전기에너지우리나라와미국에서인증을받은전기차의연비는 3.01 6.00km/kWh 의범위에있다. 기술의발전에따라전기차의연비가향상되는요인도있고전기차차량구입후사용에따른전기차의연비의저하요인도있다. 본고에서는향후 10년간우리나라에전기차가보급되어운행될때전기차의연비가대략이범위에있을것으로추정하였다. 전기차의연비가최고높을때전기차가사용할전기에너지가최소가되며, 전기차의연비가최하일때전기차가사용할전기에너지가최대가된다. 따라서보급된전기차가사용할전기에너지의범위를이두값의사이로추정한다. 다. 전기차보급대수예측전기차보급대수를추정하기위하여먼저 2006년도부터 2013년도까지제주도에등록된관용, 자가용및영업용으로구분된승용자동차통계치를기반으 [ 표 1] 제주지역전기차보급대수전망 연도 승용석유류자동차보급전망 [ 대 ] 전기차보급승용전기차보급전망 [ 대 ] 관용자가용영업용목표관용자가용영업용 2014 623 202,908 32,306 0.4% 63 812 129 2015 661 213,370 35,194 1.0% 101 2,134 352 2016 698 223,832 38,083 5.0% 138 11,192 1,904 2017 735 234,294 40,971 10.0% 175 23,429 4,097 2018 773 244,756 43,859 16.0% 213 39,161 7,017 2019 810 255,218 46,747 23.0% 250 58,700 10,752 2020 848 265,680 49,636 30.0% 288 79,704 14,891 2021 885 276,142 52,524 37.0% 325 102,172 19,434 2022 922 286,604 55,412 44.0% 362 126,106 24,381 2023 960 297,065 58,300 51.0% 400 151,503 29,733 76 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
전기차보급이제주전력계통에미치는영향 로단순회귀분석하여 2014년부터 2023년까지석유류를연료로사용하는자동차보급대수를예측하였다. 단, 2014년부터증가되는관용차는 100% 전기차로대체되는것으로추정하였다. 이예측된보급대수에제주도의전기차보급목표를곱하여예상되는전기차보급대수를결정하였다. 그결과는 [ 표 1] 에나타내었다. 라. 전기차 1일주행거리본고에서는전기차의 1일주행거리를일반자동차의 1일주행거리와같을것으로추정하였고, 교통안전공단의 2012년도자동차주행거리실태분석연구에서제시된제주도의자가용, 관용, 영업용승용자동차의 1일주행거리수치를사용하였다. 그수치는 [ 표 2] 에나타내었다. [ 표 2] 제주도승용차 1일주행거리용도구분 1일주행거리 [km] 관용 33.9 자가용 31.8 사업용 117.9 마. 전기에너지사용량예측전기차가연간사용하는총전기에너지 ( ) 식에따라, [ 표 1] 의승용전기차의용도별연간보급전망치에 [ 표 2] 의각각의 1일주행거리를곱하고, 이를연비로나누고, 다시 365일을곱하여연간전기차가사용하는전기에너지를구하였다. 연비는앞서제시한미국과한국의전기차의표시 ( 공인 ) 연비의최소값 3.01km/kWh와최대값 6.00km/kWh을사용하여전기차가사용하는전기에너지전망치의최대값과최소값을각각결정하였다. 이와같이제주도가세운전기차대체목표에따라석유류승용차를전기차로대체하였을때추가로사용하게될전기에너지량의예측범위를구하였다. 전기차보급률과전기차가사용할 1년간전기에너지비율을 [ 그림 1] 에나타내었다. 이결과는제주도에서 2017 년전기차가 10% 보급되었을때 1년간전기차가사용할전기에너지는전체사용전기에너지대비 1.8~3.5% 범위에있음을보여준다. 또제주도에서 2020 년전기차가 30% 보급되었을때 1년간전기차가사용할전기에너지는전체사용전기에너지대비 5.9% 11.7% 범위에있음을보여준다. (%) (%) 25.0 70.0 전기에너지증가율 20.0 15.0 10.0 60.0 50.0 40.0 30.0 전기자동차보급률 20.0 5.0 10.0 0.0 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 0.0 [ 그림 1] 전기차보급률과 1 년간사용전기에너지예측치 2014 August + 77
Special And + Special Issues _ 5 3. 전력계통의전기차수용여력가. 제주지역전기차스마트충전용량일간스마트충전용량은 [ 그림 2] 처럼전력공급능력에서예비율만큼을제외한전력으로 24시간동안공급가능한전기에너지량에서일간시용한전기에너 지량을빼고남은전기에너지량으로정의할수있다. 또 [ 그림 3] 에서일간 100%-골채움충전용량 (100%-valley-filling charging capacity) 의개념을보여주고있다. 일간 100%-골채움충전용량은부하선으로부터최대전력까지의영역을나타낸다. 1,200 Margin of Power(10%) 1,000 Power(MW) 800 600 Smart Charging Capacity 400 200 Load Line Power Capacity 90% Power Capacity 0 1 4 7 10 13 16 19 Time(H) [ 그림 2] 스마트충전용량의개념 22 700 650 100%-Valley-filling Charging Capacity Power(MW) 600 550 500 450 Load Line Peak Power 400 1 4 7 10 13 16 19 22 Time(H) [ 그림 3] 100%- 골채움충전용량의개념 78 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
전기차보급이제주전력계통에미치는영향 연도 연간전기에너지소비량 [ 표 3] 전기에너지, 최대전력, 설비용량의전망치및스마트충전용량 최대전력 [MW] 하계 동계 피크기여도설비용량 [MW] 최대일간전기에너지소비량 일간스마트충전용량 일간 100%- 골채움충전용량 2014 3,996 720 648 1,039 15.28 7.17 1.91 2015 4,081 738 663 1,043 15.60 6.93 1.68 2016 4,161 758 680 1,045 15.91 6.66 1.80 2017 4,234 777 697 1,249 16.19 10.79 2.01 2018 4,314 798 714 1,194 16.49 9.30 2.16 2019 4,385 808 720 1,194 16.76 9.03 2.39 2020 4,435 815 724 1,194 16.95 8.84 2.44 2021 4,424 827 731 1,194 16.91 8.88 2.65 2022 4,399 835 737 1,194 16.82 8.97 3.03 2023 4,361 842 738 1,194 16.67 9.12 3.37 연간전기에너지소비량, 최대전력및피크기여도설비용량은제 6 차전력수급기본계획의데이터임 계산된일간최대전기에너지소비량, 스마트충전용량및 100%-골채움충전용량을 [ 표 3] 에나타내었다. 전기차가사용할일간전기에너지의최소값, 최대값과 [ 표 3] 의스마트충전용량과 100%-골채움충전용량을 [ 그림 4] 에함께나타내었다. 전기차가약 15만대, 비율로는전체승용자동차의 51% 까지보급된 2023년에도전기차가사용하게될전기에너지가전력계통의스마트충전용량에크게못미치고있으며, 100%-골채움충전용량의약 80% 정도임 을알수있다. 나. 전기차보급이제주지역피크전력에미치는영향전기차는급속충전방식, 완속충전방식그리고테슬러사의모델S처럼두개의완속충전기가장착되어 2배이상의속도로완속충전이되는이중완속충전방식및배터리교환방식으로충전이가능하다. 이러한다양한충전방식에의한충전과많은수의전기차보급이거시적관점에서하루 24시간내내일정한비율 Daily Consumed Electric Energy 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 Time(Year) [ 그림 4] 전력계통의스마트충전용량과전기차소비전력 2014 August + 79
Special And + Special Issues _ 5 (%) 70.0 60.0 Increased % Peadk Power 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 Time(Year) [ 그림 5] 전기차보급에따라증가된 % 피크전력과전력계통의예비력 로전기차충전이이루어질가능성을높여준다. 반면에출퇴근시간, 새벽녘등의시간대에서는전기차의충전이저조하게이루어질수있다. 한편, 시간대별차등전기요금제도의도입과중앙충전관제센터나충전기자체에수요반응프로그램에의해통제되는충전기술방식의구현등에의해전기차의충전이전력피크시간대를피해서이루어질가능성도높다. 전력피크시간에전기차의충전이어느정도집중될지를예상하는문제에있어, 향후스마트그리드기술이발전함에따라, 또전체전력수요에영향을줄정도로전기차대수가늘어나는상황에서충전수요관리를위해적절하게잘계획되고통제되는충전방식과법규가마련될것이기때문에피크타임충전부하의집중을평시의 2배정도로제한하였다. 본고에서는전력계통의전력피크시간에전기차의충전전력이 24시간평균충전전력의 0.5배, 1배, 2 배로집중할때전력계통의피크전력에미치는영향을살펴보았다. 여기서 24시간평균전기차충전전력이라함은하루전기차가사용하는전기에너지량최대예측값을 24시간으로나눈평균전력이다. 특히연 중전력이피크에이르는시점에대해영향을조사하였는데, 제6차전력수급기본계획에의하면제주지역은하계에연중최대전력피크가발생하는것으로예측하고있다. [ 그림 5] 에제6차전력수급기본계획에서예측하는제주전력계통의예비력과함께이결과를나타내고있다. 전체승용자동차의 51% 가전기차로보급되는 2023년충전부하가평균의 2배집중시연중최대피크전력이 27.4% 가증가할수있다. 이경우도전기차가보급되기전전력계통이 43% 의예비력을갖고있었으므로전기차가계획대로보급되더라도제주전력계통은 14% 이상의예비력을갖게된다. 4. 결론및전망 2011년부터 2013년까지출시되어미국과한국의공식사이트에등록된전기차의연비는 2.96~5.78km /kwh 범위에있으며, 향후우리나라에보급될전기차의연비가이범위내에있을것으로가정하고전 80 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
전기차보급이제주전력계통에미치는영향 기차보급에따른전기에너지사용량을계산하였다. 이결과제주지역에 2017년승용차중전기차가 10% 보급되면제주지역전기에너지는최소 1.8% 에서최대 3.5% 증가하게되며, 2020년 30% 보급되면전기에너지는최소 5.9% 에서최대 11.7% 증가하게됨을알수있었다. 제6차전력수급기본계획과기존전력사용통계에의거하여분석한제주지역전력계통은제주도의전기차보급계획에따른전기차보급을충분히감당할수있는충전여력을갖고있었다. 궁극적으로피크타임을피해전기차를충전하게하는법제도와시스템이사전에적절하게마련된다면기존발전소의추가적인도입없이전기차가사용하게될전기에너지를공급할수있다. 기존의전기에너지공급시설을최대한이용하고여분의전기에너지를전기차에공급함으로써전기차충전에공급되는전기에너지가격을낮게가져갈수있으며, 나아가투자를최소화하면서판매량 ( 전기에너지공급량 ) 이늘어나기때문에특정지역전체적인규모에서도전기에너지공급비용을낮출수있을것으로판단된다. [ 참고문헌 ] 1. David Steen, Impact on the Distribution System due to Plug-In Electric Vehicles and Changes in Electricity Usage. THE DEGREE THESIS, Division of Electric Power Engineering, Department of Energy and Environment, Chalmers University of Technology, Sweden, 2012. 2. http://bpms.kemco.or.kr/transport_2012/main/main.aspx 3. U.S. Environmental Protection Agency, Fuel Economy Datafiles, 2011-2013 4. www.fueleconomy.gov 5. 문상근, 곽형근, 김진오, 전기차충전부하모델링및충전시나리오에따른전력계통평가, 대한전기학회논문지, vol. 61, No. 6, pp783-790, 2012 6. 김철호, 한승호, 송택호, 정문규, 전기차보급전망에따른배전계통에서의영향평가, 2011년도대한전기학회하계학술대회논문집, pp256-257, 2011 7. 황미연, 윤정무, 차준민, 전기차보급증가에따른소비전력량예측에관한연구, 2011년도대한전기학회하계학술대회논문집, pp. 23-24, 2011 8. 최도영, 박찬국, 김수일, 조은정, 원두환 전기차보급의에너지수급영향분석, 에너지경제연구원기본보고서 12-01, 2012 9. 박희범, 전기차보급에따른전력수급영향및시사점, 전력거래소보고서, 2009 10. 오성보, 이개명, 황충구, 제주도에서전기자동처보급이전력계통에미치는영향, 전기학회논문지, vol. 63, No. 1, pp10-17, 2014 11. 교통안전공단, 2012년도자동차주행거리실태분석, 2013 12. 지식경제부, 제6차전력수급기본계획, 2013 2014 August + 81