2.1 RE100 정의

RE100은 Renewable Electricity 100%의 약자로, 기업이 사용하는 전력을 전량 재생에너지(태양광, 풍력, 수력 등)로 조달하겠다는 글로벌 이니셔티브다^[7]. 2014년 영국 런던의 비영리단체 더 클라이밋 그룹(The Climate Group)과 CDP(Carbon Disclosure Project)가 공동으로 출범시켰으며, 기업의 기후변화 대응과 지속 가능한 에너지 전환을 촉진하는 것을 목표로 한다^{[6, 7]}. RE100은 참여 기업이 전력 사용을 재생전력으로 전환하도록 유도함으로써 친환경적 소비를 확산하고, 궁극적으로 온실가스 감축과 기후위기 대응에 기여하는 것을 지향한다^{[6, 7]}.

2.2 RE100 관련 정책(국가 사례)

각국은 2050 탄소중립 이행을 뒷받침하기 위해 재생에너지 보급․확대를 위한 제도적 지원을 강화하고 있다^[8-10]. 미국은 재생에너지 설비 투자․생산에 대해 투자세액공제 ITC(Investment Tax Credit)와 생산세액공제 PTC(Production Tax Credit)를 제공한다^{[11, 12]}. ITC는 설비 투자비의 일정 비율을 법인세에서 공제하는 제도(기본 공제율+조건부 보너스)이며, PTC는 발전사업자의 실제 발전량(MWh)에 비례해 최초 10년간 세액을 공제한다^{[11, 12]}. 최근 법․제도 개편을 통해 공제율과 적용 요건이 확대․세분화되면서 재생에너지 투자 유인이 강화되었다^{[11, 12]}. 독일은 발전차액지원제도(FIT, Feed-In Tariff)와 시장프리미엄제도를 통해 재생에너지 전력의 고정가격 거래 또는 프리미엄을 보장하여 보급을 촉진했다^[13]. 산업경쟁력 우려를 완화하기 위해 전력 다소비 업종에는 부과금 일부 면제․감면을 적용해 왔고, 가계 부담 논란을 감안해 2022년 7월 ‘EEG 부과금’(소비자 전기요금 상의 재생에너지 할증)을 폐지하여 전기요금 구조를 조정했다^[13]. 대한민국은 재생에너지 설비 투자 지원과 함께 한국형 FIT(K-FIT)를 운영한다. K-FIT는 독일형 FIT이 고정 가격 계약 개념과 RPS(의무공급제도)의 요소를 결합해, 소규모 발전사업자 등이 장기 고정가격으로 전력을 판매할 수 있도록 함으로써 태양광․풍력의 수익성과 금융 가능성을 높였다^[14]. 이를 통해 재생전력 조달 비용의 예측 가능성을 높이고 민간 참여를 확대하는 효과가 있다.

그림 1. 탄소중립 개념도

Fig. 1. Conceptual illustration of carbon neutrality (net-zero)

2.3 탄소중립

탄소중립은 인간 활동으로 발생하는 온실가스(특히 CO₂)의 절대적 배출을 최대한 감축하고, 불가피한 잔여 배출을 흡수원(산림 등) 및 제거 기술(CCUS : Carbon Capture, Utilization and Storage(이산화탄소 포집·활용·저장))로 상쇄하여 순배출을 0으로 만드는 개념이다. 국제 문헌에서는 이를 넷제로(Net-Zero)로 지칭하며, 국가·부문·기업 단위의 회계 범위에서 달성한다^[15]. 그림 1은 탄소중립 개념을 나타낸다.

국제적 합의 측면에서, 2015년 파리협정(Paris Agreement)은 지구 평균기온 상승폭을 산업화 이전 대비 2°C 이하로 제한하고 1.5°C 달성을 지향하는 목표를 채택하였다^[16]. 이어 2018년 IPCC 1.5°C 특별보고서는 1.5°C 달성을 위해 2030년경까지 전 지구 CO₂ 배출을 현재의 절반 수준으로 감축할 필요가 있음을 제시하였다^[15]. 다수 국가가 중장기 넷제로 목표를 발표하였고, 우리나라도 2020년 10월 ‘2050 탄소중립’을 선언한 뒤, 2020년 12월 ‘2050 탄소중립 추진전략’을 통해 전 부문(에너지공급·산업·수송·건물·폐기물 등)의 전환 방향을 제시하였다^[17]. 전력부문에서는 석탄발전 감축과 재생에너지 확대, 기타 전원 믹스의 단계적 조정 등을 포함하는 제9차 전력수급기본계획이 수립되었다^[18].

그림 2. 2050년 순배출 제로 시나리오(IEA, 2021)에서 에너지원 총공급^[3]

Fig. 2. Total energy supply by source in the IEA Net-Zero by 2050 scenario (2021)^[3]

시나리오 관점에서, IEA의 ‘2050 순배출 제로(Net Zero by 2050)’ 로드맵은 최종·중간 목표 연도별로 재생에너지 비중의 급격한 확대, 전력화 확대, 에너지 효율 향상, 그리고 잔여 배출 상쇄를 위한 제거 기술의 병행을 제시한다^[3]. 이는 대규모 전력수요 부문인 전기철도에도 중요한 함의를 갖는다. 구체적으로, (i) 재생전력 조달(RE100), (ii) 운행최적화·회생제동·ESS 등을 통한 에너지 효율 향상, (iii) 스마트 에너지 관리 체계 구축이 병렬적으로 요구된다^[19-21]. 본 논문의 RE100 논의는 이러한 전력부문 탈탄소화 경로와 직접적으로 연결된다. 그림 2는 2050년 순배출 제로 시나리오(IEA, 2021)에서의 에너지원 총공급을 나타낸 것이다.

3.1 에너지 흐름과 구성요소

첫째 구동(견인) 계통: 가속·정속·감속 전 구간에서 견인전동기와 전력변환장치(VVVF-IGBT)가 소비하는 에너지로, 노선 구배/곡선, 정차 패턴, 운전 곡선에 좌우된다^{[19, 20]}.

둘째 보조전원 계통: 냉난방, 조명, 제어/통신, 공조팬 등으로 구성되며 계절·혼잡도에 따라 변동성이 크다^[21].

셋째 급전계통 손실: 변전·배전(전철변전소~전차선) 단계의 변압·정류·선로 손실로, 전압·피더 구성·부하 집중도에 따라 달라진다^[22].

3.2 소비 패턴과 효율화 축

도시철도/광역철도의 운행전략 최적화(eco-driving, coasting), 회생제동 에너지 회수/공유(동일 피더 내 수용·ESS 연계), 보조 부하의 수요관리가 핵심 효율화 축이며, 운행·시간표·급전계통을 일체화(Integrated T&OPS)하여 최적화할 때 절감 효과가 커진다^[19-21]. 재생전력 조달(RE100)과 결합하면 수요 절감×공급 녹색화의 이중효과를 기대할 수 있다^{[6, 7, 22]}.

3.3 한국철도공사의 전력 사용량․요금 추이(2020-2024)

표 1과 표 2는 전철용과 일반용으로 구분한 연도별 전력 사용량(GWh)과 전력요금(억 원) 현황을 나타낸다. 그림 3과 그림 4는 전력 사용량 현황과 전력 요금 현황을 시각적으로 표시한 그래프이다.

표 1~2와 그림 3~4를 살펴보면, 전력 사용량은 2022년에 코로나19의 영향으로 저점(‘21→’22: -34.5%)을 기록한 뒤 2023년에 ‘22→’23: +53.7% 반등하였다. 그러나 전력 요금의 상승 폭은 더 가팔라 2023년에 전년 대비 +102.6%를 보였고, 2024년에도 +13.5% 추가 상승하였다. 전력 사용량과 전력 요금 현황을 비교함으로써 평균 전력 단가에 대한 분석을 비교하는 것은 의미 있는 분석이 된다. 표 1~2를 이용하여 평균 단가를 다음과 같이 계산할 수 있다. 평균 단가(원/kWh) = 전력요금(원) / 전력사용량(kWh). 그림 5는 최근 5년간의 평균 전력 단가 변화 추이를 보여주고 있다. 이에 따라 평균 전력단가(원/kWh)는 2020년의 140원에서 2024년의 209원으로 상승하였다.

그림 3. 한국철도공사 전력 사용량 현황(2020-2024)

Fig. 3. Current state of electricity usage of Korea Railroad Corporation (2020-2024) ^[23]

그림 4. 한국철도공사 전력 요금 현황(2020-2024)

Fig. 4. Current status of electricity utilization fee of Korea Railroad Corporation (2020-2024)^[23]

그림 5. 평균 전력단가 추이 (2020-2024)

Fig. 5. Trend in the Average Electricity Unit Price (2020-2024)^[23]

그림 6. 전력단가 연도별 증감률(YoY) (2020-2024)

Fig. 6. Year-over-year Change in the Electricity Unit Price (2020-2024)^[23]

그림 6은 전력 단가의 연평균 증감률을 보여준다. 증가세가 ’20→‘21: -1.9%, ’21→‘22:: +7.2%, ’22→‘23: +31.8% 와 ’23→‘24: +7.8%로 확인된다. 즉 2023년 급격하게 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는 RE100 조달 다변화(PPA/자가발전) 및 피크저감형 ESS·운행전략 최적화의 경제적 타당성이 요금 환경 변화로 더욱 강화되었음을 시사한다.

3.4 수도권 전기철도 차량 사양(예시) 및 회로

표 3은 수도권 광역전철(경의선) 전기차량의 전형적 사양을 요약한 것이다. 급전전압 AC 25 kV는 국제적으로 널리 쓰이는 전철 전원 전압이며^[22], VVVF-IGBT 기반 1C4M(1 인버터/4 모터) 구성이 일반적이다^{[19, 21]}.

그림 7은 전기철도 차량 주요 전력 회로도의 주전력변환․보조전원 계통의 개략을 설명한 것이다.

그림 7. 전기철도 차량 주요 전력 회로도(주전력변환․보조전원 계통 개략)

Fig. 7. Main power circuit diagram of electric railway vehicles (traction and auxiliary)

3.5 주요 장치별 부하 분포(경의선 예시, 8량 1편성)

표 4는 경의선 전동열차 주요장치별 전력부하량 분포를 나타내고 있다. 견인부하 3,200 kW(85.3%), 보조부하 552.4 kW(14.7%)로 문헌에서 보고되는 도시철도 계통의 부하 구성(운행 조건에 따라 보조전원 10–25%)과 정합적이다^{[21, 22]}.

그림 8. 경의선 모의 주행에 따른 전력시뮬레이션 결과

Fig. 8. Power simulation results based on virtual driving on the Gyeongui line

3.6 모의주행 에너지 시뮬레이션(경의선 문산-금촌, 10.9km)

그림 8은 세 구간(문산–파주, 파주–월롱, 월롱–금촌)의 소비/회생 전력을 나타낸다. 합산 결과, 소비 36.34 kWh, 회생 6.91 kWh, 순소비 29.43 kWh이며, 이를 총 연장 10.9 km에 대비하면 순특정에너지(SEC_net) ≈ 2.70 kWh/km(8량 기준 0.338 kWh/car·km)로 산출된다. 회생에너지 기여율은 6.91/36.34 ≈ 19%로, 운행전략·수요동기화·ESS 연계 개선 여지가 있음을 시사한다^[19-22].

3.7 다양한 운행조건에 따른 민감도 사례

운행조건의 차이가 순특정에너지와 회생에너지 기여율에 미치는 영향을 정성적으로 비교하여 표 5와 같이 정리하였다. 먼저 전차 간격이 짧고 혼잡도가 높은 도시철도형의 경우에는 가속/감속 빈도 증가로 견인·회생 양방향 전력 흐름이 확대되기 때문에 피더내 동시 수요 및 wayside ESS 회생전력 수용 동기화가 중요하다. 정거장 간격이 긴 광역철도형의 경우에는 정속 주행 비중 증가로 순특정에너지 감소가 가능하다. 다만 회생기여율은 상대적으로 소폭의 상승을 기대할 수 있다. 마지막으로 급경사 구간으로, 오르막 구간에서는 순특정에너지가 증가하고, 내리막 구간에서는 회생기여율이 증가한다. 이와 같은 세 가지 경우에 대한 파라미터와 기대 변화 방향은 표 5와 같이 정리될 수 있다.

4.1 재생에너지 연계 기술

전기철도 분야에서 태양광 및 풍력 발전을 직접 인프라에 연계하는 방식은 RE100 이행의 핵심 기술이다. 특히 차량기지, 정거장 지붕, 방음벽 등에 설치된 태양광 패널은 자체 전력을 공급하거나 ESS 와 연계해 열차 구동 보조 전력으로 활용될 수 있다. (예: 일부 차량기지 2 MW급 태양광 설비 도입 사례 등.)

4.2 회생제동 에너지 회수 및 활용

회생제동 시스템은 열차 제동 시 발생하는 운동에너지를 전력으로 변환하여 역송하거나 저장하는 기술이다. 도시철도 시스템에서는 인접 열차에 전력을 재공급하거나 wayside ESS에 저장하는 방식이 활용된다. (예: 회생전력 환원으로 수요 절감 및 비용 절감 사례.)

4.3 에너지 저장장치(ESS)

ESS는 철도 시스템의 피크 전력 수요를 분산시키고 회생에너지를 저장해 안정적인 에너지 공급을 가능하게 하는 핵심 장치이다. 변전소형 ESS는 고속철도 구간의 순간 전력 수요 대응에 효과적이며, wayside ESS는 회생전력 저장 및 피크부하 절감에 기여한다. (예: 리튬이온 기반 1 MWh급 wayside ESS 도입으로 약 15% 절감 등.)

4.4 스마트 전력 관리시스템

AI 기반 ESS(Energy Management System)는 철도 운행 패턴, 기상 데이터, 수요 예측 데이터를 기반으로 실시간 전력 흐름을 제어하는 시스템이다. EMS는 철도 시스템의 회생전력 분배, 태양광 출력 최적화, ESS 충방전 스케줄링 등을 통합적으로 관리함으로써 RE100 기반의 안정적인 에너지 운영을 가능하게 한다.

4.5 친환경 인프라 설계

친환경 철도 인프라는 저탄소 자재 사용, 에너지 패시브 건축, 자연 환기 시스템 등으로 구성된다. 특히, 정거장 설계 시 자연 채광, 단열 강화, 태양광 집열 통합이 적용되고 있으며, 열차 운행에 따른 폐열을 회수해 역내 난방에 활용하는 기술도 도입되고 있다. (예: HQE 등 친환경 인증 역 운영 사례.)

5.1 대한민국

대한민국에서는 회생제동 에너지 회수 시스템과 태양광 발전 연계 기술이 도시철도를 중심으로 활발히 도입되고 있다. 일부 도시철도 노선에서 회생제동 에너지 활용 및 환원․저장 사례가 보고되어 있으며, 국내 운영 자료에서도 상당한 회수 실적이 확인된다^{[21, 23]}. 또한 KORAIL은 일부 차량기지와 역사 옥상에 태양광 발전 설비(1 MW급)를 구축하고 있으며, ESS와 연계하여 자체 발전 전력을 저장·활용함으로써 피크 부하 대응 및 전력 요금 절감 효과를 거두고 있다^[24].

5.2 독일

독일의 일부 사업자는 수소연료전지 기반 열차 Coradia iLint를 도입하여 비전철화 구간에서도 탄소중립 운행을 실현하고 있다^[25]. 또한, 태양광 및 풍력 발전소에서 생산된 전력을 철도망과 연계하고, wayside ESS에 저장하여 실시간 운행에 재활용하는 기술도 실증 운영되고 있다^[26].

5.3 프랑스

프랑스 철도 운영 주체는 민간 발전사업자와 전력구매계약(PPA, Power Purchase Agreement)을 체결하여 재생에너지를 장기적으로 조달하고 있으며, 철도 역사 및 차량기지 내 스마트그리드 기술을 도입해 실시간 전력 분산 제어를 수행하고 있다^[1]. 또한, 고속철도역 일부는 자연채광, 고단열 외피, 지열냉난방 등 친환경 인프라 설계를 통해 건물 단위의 탄소배출을 최소화하고 있으며, 프랑스 HQE 건축 인증도 획득하고 있다^[27].

5.4 일본

일본 JR East는 대용량 wayside ESS(1 MWh)를 다수 노선에 도입하여 회생제동 에너지를 저장하고 피크 부하 완화를 실현하였다^[28]. 도쿄 외곽의 일부 구간에서는 태양광 발전, AI 기반 EMS와 wayside ESS 통합 운영 사례가 보고되어 있다^[28]. 이러한 기술 통합을 통해 전력망 안정성 향상과 에너지 소비 최적화를 동시에 추구하고 있다.

6.1 정책 제언의 정량 근거 및 목표

정책 핵심 성과 지표 (KPI)는 단기(’25–’27)적으로 주요 변전소·차량기지 중심의 wayside ESS 단계 구축(1 MWh 이상 단위), 역사·차량기지 지붕 태양광 확대 및 EMS 연계하는 것이다. 회생 활용률 30% 이상, 재생전력 PPA 10–20% 확보를 통해 요금 변동성 완화를 목표로 한다. 중기(’28–’30)적으로는 노선 단위 운행–급전–EMS 통합 최적화 정착, 회생전력의 지역 간 공유·동기화 운영, 회생전력 정산·매입단가의 제도화로 투자 회수 구조를 확립하는 것이다. RE100 조달은 40–60%이고 회생 활용률 35–40% 달성을 목표로 한다. 표 6은 2024년을 기준으로 목표 기간을 단기 ‘25-’27 및중기 ‘28-’30으로 설정하고, 정량 KPI 및 정량 목표를 정리하였다.

6.2 재생에너지 직접구매(PPA) 제도 정비

전기철도 운영기관이 재생에너지 발전사업자와 직접 전력구매계약(PPA: Power Purchase Agreement)을 체결할 수 있도록 제도적 장치를 정비해야 한다. 현재는 일정 규모 이상의 기업만 참여가 가능하거나 절차가 복잡하여 공공기관의 참여가 제한적인 경우가 많다. 전기철도 운영기관이 PPA를 통해 안정적이고 장기적인 재생에너지 조달이 가능하도록 행정적 간소화, 가격 안정성 확보 방안, 계약 조건의 유연성 제고가 필요하다.

6.3 회생에너지의 매입단가 설정 및 확대

열차의 회생제동 시스템을 통해 생성되는 전력은 전력 계통에 재공급될 수 있음에도 불구하고, 현재 이를 전력시장에 판매하거나 매입 단가를 보장받는 체계는 미흡하다. 회생전력의 활용을 촉진하기 위해서는 적절한 매입 단가를 설정하고, 관련 규제를 완화함으로써 철도사업자가 회생에너지를 적극 활용하고 투자 유인을 가질 수 있도록 해야 한다.

6.4 공공기관의 RE100 참여 유도 및 인센티브 제공

RE100은 민간 중심의 캠페인이지만, 철도와 같은 공공 인프라 부문에서도 참여가 필요하다. 정부는 전기철도 운영기관의 RE100 선언을 장려하고, 이를 위한 세제 혜택, 전기요금 감면, 친환경 인증 제도 도입 등을 통해 유인책을 제공해야 한다. 특히, RE100 이행 성과에 따라 ESG(환경·사회·지배구조) 평가 가점 부여와 같은 제도적 연계가 효과적이다.

6.5 녹색금융 및 투자 활성화

친환경 기술 도입에 필요한 설비 투자 자금을 조달할 수 있도록 녹색 채권(Green Bond), 기후 기술 펀드 등 공공 및 민간의 금융 수단 활용을 촉진할 필요가 있다. 전기철도 운영기관이 에너지 효율 개선 및 재생에너지 전환 프로젝트에 대해 장기·저리의 녹색금융을 이용할 수 있도록 정책적 기반을 마련해야 한다.

6.6 데이터 기반의 에너지 정책 수립

전기철도의 에너지 소비, 회생에너지 발생량, ESS 저장효율 등 주요 데이터를 수집하고 표준화하여, 객관적인 근거 기반의 정책 수립이 가능하도록 해야 한다. 정부는 철도 인프라의 에너지 운영 데이터를 기반으로 한 통합 관제 시스템을 지원하고, 이를 통해 RE100 이행 수준을 체계적으로 관리할 수 있도록 해야 한다.

7.1 핵심 결론

가. 공급 전환과 수요 효율화의 동시 추진이 필수적이다. 재생전력(RE100) 조달만으로는 변동성 및 피크 대응에 한계가 있으며, 회생전력의 시간·공간 동기화와 ESS 연계 없이는 비용·안정성 최적화가 어렵다.

나. 운행–급전–설비–전력조달의 통합 최적화(Integrated T&OPS)가 체감 성능을 결정한다. 열차 다이어그램, 정차 패턴, 피더 구성, EMS 제어를 결합하면 동일 자산으로도 회생 활용률 제고와 피크 저감을 동시에 달성할 수 있다.

다. 정책·시장 설계가 기술 효과를 좌우한다. PPA 접근성, 회생전력 매입단가, 데이터 표준·평가체계가 정비될 때 운영기관의 투자 및 운영 인센티브가 정렬된다.

7.2 한계와 향후 과제

가. 시나리오 민감도: 계절·시간대·혼잡도 등 외생변수를 반영한 연중 프로파일 기반 평가를 확대할 필요가 있다.

나. 자산 배치 최적화: ESS 용량·입지·충방전 전략, 운행 다이어그램, PPA 포트폴리오의 공동 최적화를 수리계획·강화학습 결합 방식으로 고도화할 필요가 있다.

다. 표준 데이터 인프라: 열차 소비·회생, 급전 손실, EMS 제어로그의 표준 스키마와 평가 KPI(예: gCO₂e/편km, 회생정산율, 재생전력 점유율)를 제도화하고 실증할 필요가 있다.

종합하면, 전기철도는 에너지 전환의 전략 거점으로서, 재생전력 조달·회생전력 활용·ESS·EMS·친환경 인프라를 결합한 통합 에너지 운영을 통해 RE100과 탄소중립의 기술적 정합성과 경제성을 동시에 달성할 수 있다. 본 연구의 기술 경로와 정책 로드맵은 국내 철도산업이 안정성·경제성·환경성을 균형 있게 확보하며 글로벌 기준에 부합하도록 하는 실무 지침을 제공한다.