우리나라의 에너지소비량은 전 세계에서 10위권 내에 위치하고 있으며, 최근 5년간 국내 1차 에너지 공급증가율은 약 1.7%로 꾸준히 증가하고 있다. 한편, 우리나라는 2015년 기후변화협약 파리협정을 채택하면서 2030년까지 BAU 대비 37%의 온실가스 감축목표를 제시하였으나, 공급 에너지의 대부분을 수입에 의존하는 가운데 에너지 및 온실가스 다배출 업종의 비중이 높은 산업구조로 인해 상당한 도전과제에 직면해 있다. 이에 주요 에너지 및 ...
우리나라의 에너지소비량은 전 세계에서 10위권 내에 위치하고 있으며, 최근 5년간 국내 1차 에너지 공급증가율은 약 1.7%로 꾸준히 증가하고 있다. 한편, 우리나라는 2015년 기후변화협약 파리협정을 채택하면서 2030년까지 BAU 대비 37%의 온실가스 감축목표를 제시하였으나, 공급 에너지의 대부분을 수입에 의존하는 가운데 에너지 및 온실가스 다배출 업종의 비중이 높은 산업구조로 인해 상당한 도전과제에 직면해 있다. 이에 주요 에너지 및 기후변화 정책에서는 신재생에너지 보급 확대, 저탄소 전원 믹스 강화 그리고 각 산업부문에서의 에너지 효율 제고 등을 통한 에너지 전환을 모색하고 있다. 특히 성공적인 에너지 전환에 있어 종합효율이 우수하여 에너지 절감 및 온실가스 감축효과가 입증된 집단에너지시스템이 가장 현실적인 대안으로써 꾸준히 제시되고 있다. 이에 본 연구에서는 DH 분야에 선도적인 국가들의 연구 과정을 살펴보고, 국내에 적용 가능한 집단에너지시스템 최적화 운영방안을 단계적으로 구분하여 제시한다. 또한, 과거 특정 조건의 개별적으로 구분된 분석방법에서 벗어나, Open source 기반의 데이터 및 객관화된 거시적인 데이터 등을 활용하면서, 특화된 프로그램들을 이용하여 정량적인 시뮬레이션과 함께, 최적화 모델을 분석하여 종합적인 최적화 운영방법을 연구하고자 한다. 먼저, DH 분야에 있어 연구의 흐름과 연구 방향에 대한 다양한 문헌조사를 통해 집단에너지시스템의 추진 방향을 확인 하였다. 특히, 국내보다 앞선 기술과 연구결과를 보유하고 있는 유럽을 중심으로 차세대 집단에너지시스템의 전환방법을 고찰하였다. 그리고 스마트 에너지 시스템으로의 성공적인 전환에 필요한 미활용에너지의 잠재량을 Open source 기반의 데이터와 공공 플랫폼을 활용하여 분석방법을 제시하고, 정량화된 결과 값을 공간적으로 지도화(mapping) 하고자 하였다. 또, 온실가스․에너지 감축의 주요 대상임에도 그동안 사례연구가 미미하였던 산업단지를 대상으로 에너지수요량 및 에너지수요 패턴을 분석하고, HOMER Pro를 활용하여 신재생에너지연계 하이브리드 시스템 최적화 모델을 분석하였다. 아울러, 국가의 에너지 전환 목표의 달성여부를 정량적으로 확인하기 위해 전력수급기본계획의 변화를 비교하고, 집단에너지시스템에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 국내 전력시장 종합분석 프로그램인 KEPTA를 이용하여 중장기 전원별 발전량과 계통한계가격 그리고 급전지시량을 분석하고, 집단에너지시스템 최적화 프로그램인 ENetPLAN을 이용하여 최적화 운영 패턴을 분석하였다. 이를 통해 국가 에너지정책의 변화가 실질적으로 집단에너지스시템에 미치는 영향을 정량적으로 확인하였다. 제3장 ‘도시 내 지역난방 Heat Pump용 잠재열원 이용에 관한 연구’수행 결과, 수도권 남부 평택시에 위치한 DH Network에서는 대형마트와 공공사우나 두 가지 열원에 대해 총 1,741.7 toe/year 수준의 잠재 에너지양을 보유하고 있었다. 이 중 57.8%에 해당하는 1,006.9 toe/year를 기존 DH Network에 연계 할 수 있을 것으로 추정 되었다. 대형마트의 연면적 당 회수 가능한 에너지 원단위는 0.0017 toe/m2, 저감 가능한 온실가스 배출량은 0.0069 tCO2/m2로 분석되었다. 그리고 공공사우나의 회수 가능한 에너지 원단위는 목욕장 면적 당 0.0315 toe/m2, 저감 가능한 온실가스 배출량은 0.1183 tCO2/m2로 분석되었다. 이러한 미활용에너지를 기존 집단에너지시스템에 연계한다면, 2017년 기준 약 9.6%의 열 공급량을 대체 할 수 있을 것으로 분석되었다. 그리고 제4장 ‘산업단지 내 CHP Hybrid System 최적화 모델에 관한 연구’에서, 신규 조성 중인 세종첨단일반산업단지의 전체 간접열 수요는 378,282 Gcal/year이며, 이중 제지업종이 293,754 Gcal/year인 77.7%를 우점하고 있음을 확인 하였다. HOMER Pro를 이용한 최적화 모델 분석결과, 산업단지 전체 간접열 수요에 대해 단일 Combined Cycle CHP의 최적 설비용량은 30,000 kW로, 열 생산은 CHP가 275,707 Gcal, 72.8%를 분담하고, PLB가 103,240 Gcal, 27.2%를 분담하였다. 한편, 전체 간접열 수요에 대해 FC, PV를 연계한 CHP Hybrid System의 최적 설비용량은 CHP 30,000 kW, FC 5,000 kW, PV 1,980 kW이며, 이때 열 생산은 CHP가 275,940 Gcal, 72.8%, FC 12,390 Gcal, 3.3%, PLB 90,620 Gcal, 23.9%를 분담하면서, 연료비가 상대적으로 비싼 PLB의 분담률이 하락하였다. 그리고 우점 업종인 제지업종의 간접열 수요로 조정된 경우에서의 FC, PV를 연계한 CHP Hybrid System의 최적 설비용량은 CHP 25,000 kW, FC 5,000 kW, PV 2,000 kW로, 열 생산은 CHP 225,053 Gcal, 76.5%, FC 11,215 Gcal, 3.8%, PLB 58,012 Gcal, 19.7%를 분담하는 것으로 분석되어, 에너지 효율 및 경제성에서 가장 효과적인 모델로 분석되었다. 비록 모든 최적화 모델에서 경제성 분석 결과는 타당성이 없는 것으로 확인되었으나, 전통적인 단일 CHP System에 비해 신재생에너지를 연계한 CHP Hybrid System이 경제적 손실 규모를 줄이고, 에너지 효율을 증대 시킬 수 있음을 확인 할 수 있었다. 마지막으로 제5장 ‘에너지정책 변화에 따른 집단에너지시스템 최적화 운영 패턴 분석’에서는 제8차 전력수급기본계획에서 제시한 전력수요를 기준으로 KEPTA를 활용하여 중장기 시뮬레이션을 수행하였다. 제8차 전력수급기본계획의 기준수요에 대하여 제7차 전력수급기본계획의 공급설비 계획을 중장기 시뮬레이션 한 결과, 2029년 설비예비율은 약 29%, 2030년 이후 LNG 연료원의 발전량은 총 발전량의 1.4%까지 하락하게 되는 것으로 전망 되었다. 한편, 제8차 전력수급기본계획의 변경된 공급설비 계획으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 2029년 설비예비율은 약 22%로 하락하였으며, 2024년 LNG 연료원 발전량은 총 발전량의 7.3%까지 감소 후 2030년 12.8% 수준으로 회복 할 수 있을 것으로 분석되었다. 이러한 전력수급기본계획 변화에 대해 국내 급전순위 110번째 수준의 집단에너지시스템의 열 생산 최적화 운영계획을 ENetPLAN을 이용하여 추가적으로 시뮬레이션 하였다. 그 결과, 제7차 전력수급기본계획 하에서는 2022년 이후부터 급전지시(PSE)를 거의 받지 못하여, 열수요가 포화에 이르는 2027년의 열 생산 분담률은 CHP 72,215 Gcal, 18.2%, PLB 323,957 Gcal, 81.8%로 연료비 부담에 따른 경영악화가 예상되었다. 한편, 제8차 전력수급기본계획 하에서는 2027년에 약 3.3%의 급전지시량이 있을 것으로 분석되어, 2027년의 열 생산 분담률은 CHP 174,248 Gcal, 44.0%, PLB 221,924 Gcal, 56.0%로 열 생산 운영 패턴이 변화되어, CHP 분담률 상승에 따른 열 생산 효율 증대와 PLB의 분담률 감소에 따른 연료비 부담이 줄어드는 것으로 분석 되었다. 그러나 여전히 PLB의 높은 열 생산 분담률에 따라 전체적인 집단에너지시스템의 에너지이용 효율이 감소하는 형태로 운영되면서, 연료비 부담은 지속 될 것으로 예상 되었다. 본 연구는 집단에너지시스템의 보급 확대 및 활성화 방안을 제시하고자 일련의 연구과정을 단계적으로 수행하였다. 국내에서 추진해야 할 에너지 전환 과제로써 4세대 지역난방을 위한 미활용에너지 잠재량을 추정하는 방안과 예상되는 효익을 분석하였다. 그리고 에너지 및 온실가스 다배출 업종이 밀집된 산업단지를 대상으로 에너지 전환을 모색하기 위한 에너지 수요 조건과 최적 설비용량을 도출하였다. 또한, 주요 에너지정책 수립 시에 보다 정량적인 장기 시뮬레이션이 필요함을 확인하였다. 이 연구결과와 같이 향후 국내 환경에 적합한 보다 다양한 미활용에너지와 재생에너지를 발굴하고, 정량적으로 평가하는 방법들이 지속적으로 제시되어야 할 것이다. 또한, 기존 DH Network를 연계하고 통합시스템화 할 수 있는 연구들이 수행되어야 한다. 아울러, 전략적 투자 유인 및 에너지정책 수립에 있어 본 연구의 결과를 활용하여 보다 정교하게 설계된 시뮬레이션 기반의 정량적인 분석이 수반된다면, 집단에너지시스템의 확대 보급을 위한 방향성도 함께 찾을 수 있을 것이다. 이를 통해 국가의 기후변화 대응을 위한 에너지 전환 목표가 실현될 수 있기를 기대한다.
우리나라의 에너지소비량은 전 세계에서 10위권 내에 위치하고 있으며, 최근 5년간 국내 1차 에너지 공급증가율은 약 1.7%로 꾸준히 증가하고 있다. 한편, 우리나라는 2015년 기후변화협약 파리협정을 채택하면서 2030년까지 BAU 대비 37%의 온실가스 감축목표를 제시하였으나, 공급 에너지의 대부분을 수입에 의존하는 가운데 에너지 및 온실가스 다배출 업종의 비중이 높은 산업구조로 인해 상당한 도전과제에 직면해 있다. 이에 주요 에너지 및 기후변화 정책에서는 신재생에너지 보급 확대, 저탄소 전원 믹스 강화 그리고 각 산업부문에서의 에너지 효율 제고 등을 통한 에너지 전환을 모색하고 있다. 특히 성공적인 에너지 전환에 있어 종합효율이 우수하여 에너지 절감 및 온실가스 감축효과가 입증된 집단에너지시스템이 가장 현실적인 대안으로써 꾸준히 제시되고 있다. 이에 본 연구에서는 DH 분야에 선도적인 국가들의 연구 과정을 살펴보고, 국내에 적용 가능한 집단에너지시스템 최적화 운영방안을 단계적으로 구분하여 제시한다. 또한, 과거 특정 조건의 개별적으로 구분된 분석방법에서 벗어나, Open source 기반의 데이터 및 객관화된 거시적인 데이터 등을 활용하면서, 특화된 프로그램들을 이용하여 정량적인 시뮬레이션과 함께, 최적화 모델을 분석하여 종합적인 최적화 운영방법을 연구하고자 한다. 먼저, DH 분야에 있어 연구의 흐름과 연구 방향에 대한 다양한 문헌조사를 통해 집단에너지시스템의 추진 방향을 확인 하였다. 특히, 국내보다 앞선 기술과 연구결과를 보유하고 있는 유럽을 중심으로 차세대 집단에너지시스템의 전환방법을 고찰하였다. 그리고 스마트 에너지 시스템으로의 성공적인 전환에 필요한 미활용에너지의 잠재량을 Open source 기반의 데이터와 공공 플랫폼을 활용하여 분석방법을 제시하고, 정량화된 결과 값을 공간적으로 지도화(mapping) 하고자 하였다. 또, 온실가스․에너지 감축의 주요 대상임에도 그동안 사례연구가 미미하였던 산업단지를 대상으로 에너지수요량 및 에너지수요 패턴을 분석하고, HOMER Pro를 활용하여 신재생에너지연계 하이브리드 시스템 최적화 모델을 분석하였다. 아울러, 국가의 에너지 전환 목표의 달성여부를 정량적으로 확인하기 위해 전력수급기본계획의 변화를 비교하고, 집단에너지시스템에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 국내 전력시장 종합분석 프로그램인 KEPTA를 이용하여 중장기 전원별 발전량과 계통한계가격 그리고 급전지시량을 분석하고, 집단에너지시스템 최적화 프로그램인 ENetPLAN을 이용하여 최적화 운영 패턴을 분석하였다. 이를 통해 국가 에너지정책의 변화가 실질적으로 집단에너지스시템에 미치는 영향을 정량적으로 확인하였다. 제3장 ‘도시 내 지역난방 Heat Pump용 잠재열원 이용에 관한 연구’수행 결과, 수도권 남부 평택시에 위치한 DH Network에서는 대형마트와 공공사우나 두 가지 열원에 대해 총 1,741.7 toe/year 수준의 잠재 에너지양을 보유하고 있었다. 이 중 57.8%에 해당하는 1,006.9 toe/year를 기존 DH Network에 연계 할 수 있을 것으로 추정 되었다. 대형마트의 연면적 당 회수 가능한 에너지 원단위는 0.0017 toe/m2, 저감 가능한 온실가스 배출량은 0.0069 tCO2/m2로 분석되었다. 그리고 공공사우나의 회수 가능한 에너지 원단위는 목욕장 면적 당 0.0315 toe/m2, 저감 가능한 온실가스 배출량은 0.1183 tCO2/m2로 분석되었다. 이러한 미활용에너지를 기존 집단에너지시스템에 연계한다면, 2017년 기준 약 9.6%의 열 공급량을 대체 할 수 있을 것으로 분석되었다. 그리고 제4장 ‘산업단지 내 CHP Hybrid System 최적화 모델에 관한 연구’에서, 신규 조성 중인 세종첨단일반산업단지의 전체 간접열 수요는 378,282 Gcal/year이며, 이중 제지업종이 293,754 Gcal/year인 77.7%를 우점하고 있음을 확인 하였다. HOMER Pro를 이용한 최적화 모델 분석결과, 산업단지 전체 간접열 수요에 대해 단일 Combined Cycle CHP의 최적 설비용량은 30,000 kW로, 열 생산은 CHP가 275,707 Gcal, 72.8%를 분담하고, PLB가 103,240 Gcal, 27.2%를 분담하였다. 한편, 전체 간접열 수요에 대해 FC, PV를 연계한 CHP Hybrid System의 최적 설비용량은 CHP 30,000 kW, FC 5,000 kW, PV 1,980 kW이며, 이때 열 생산은 CHP가 275,940 Gcal, 72.8%, FC 12,390 Gcal, 3.3%, PLB 90,620 Gcal, 23.9%를 분담하면서, 연료비가 상대적으로 비싼 PLB의 분담률이 하락하였다. 그리고 우점 업종인 제지업종의 간접열 수요로 조정된 경우에서의 FC, PV를 연계한 CHP Hybrid System의 최적 설비용량은 CHP 25,000 kW, FC 5,000 kW, PV 2,000 kW로, 열 생산은 CHP 225,053 Gcal, 76.5%, FC 11,215 Gcal, 3.8%, PLB 58,012 Gcal, 19.7%를 분담하는 것으로 분석되어, 에너지 효율 및 경제성에서 가장 효과적인 모델로 분석되었다. 비록 모든 최적화 모델에서 경제성 분석 결과는 타당성이 없는 것으로 확인되었으나, 전통적인 단일 CHP System에 비해 신재생에너지를 연계한 CHP Hybrid System이 경제적 손실 규모를 줄이고, 에너지 효율을 증대 시킬 수 있음을 확인 할 수 있었다. 마지막으로 제5장 ‘에너지정책 변화에 따른 집단에너지시스템 최적화 운영 패턴 분석’에서는 제8차 전력수급기본계획에서 제시한 전력수요를 기준으로 KEPTA를 활용하여 중장기 시뮬레이션을 수행하였다. 제8차 전력수급기본계획의 기준수요에 대하여 제7차 전력수급기본계획의 공급설비 계획을 중장기 시뮬레이션 한 결과, 2029년 설비예비율은 약 29%, 2030년 이후 LNG 연료원의 발전량은 총 발전량의 1.4%까지 하락하게 되는 것으로 전망 되었다. 한편, 제8차 전력수급기본계획의 변경된 공급설비 계획으로 시뮬레이션을 수행한 결과, 2029년 설비예비율은 약 22%로 하락하였으며, 2024년 LNG 연료원 발전량은 총 발전량의 7.3%까지 감소 후 2030년 12.8% 수준으로 회복 할 수 있을 것으로 분석되었다. 이러한 전력수급기본계획 변화에 대해 국내 급전순위 110번째 수준의 집단에너지시스템의 열 생산 최적화 운영계획을 ENetPLAN을 이용하여 추가적으로 시뮬레이션 하였다. 그 결과, 제7차 전력수급기본계획 하에서는 2022년 이후부터 급전지시(PSE)를 거의 받지 못하여, 열수요가 포화에 이르는 2027년의 열 생산 분담률은 CHP 72,215 Gcal, 18.2%, PLB 323,957 Gcal, 81.8%로 연료비 부담에 따른 경영악화가 예상되었다. 한편, 제8차 전력수급기본계획 하에서는 2027년에 약 3.3%의 급전지시량이 있을 것으로 분석되어, 2027년의 열 생산 분담률은 CHP 174,248 Gcal, 44.0%, PLB 221,924 Gcal, 56.0%로 열 생산 운영 패턴이 변화되어, CHP 분담률 상승에 따른 열 생산 효율 증대와 PLB의 분담률 감소에 따른 연료비 부담이 줄어드는 것으로 분석 되었다. 그러나 여전히 PLB의 높은 열 생산 분담률에 따라 전체적인 집단에너지시스템의 에너지이용 효율이 감소하는 형태로 운영되면서, 연료비 부담은 지속 될 것으로 예상 되었다. 본 연구는 집단에너지시스템의 보급 확대 및 활성화 방안을 제시하고자 일련의 연구과정을 단계적으로 수행하였다. 국내에서 추진해야 할 에너지 전환 과제로써 4세대 지역난방을 위한 미활용에너지 잠재량을 추정하는 방안과 예상되는 효익을 분석하였다. 그리고 에너지 및 온실가스 다배출 업종이 밀집된 산업단지를 대상으로 에너지 전환을 모색하기 위한 에너지 수요 조건과 최적 설비용량을 도출하였다. 또한, 주요 에너지정책 수립 시에 보다 정량적인 장기 시뮬레이션이 필요함을 확인하였다. 이 연구결과와 같이 향후 국내 환경에 적합한 보다 다양한 미활용에너지와 재생에너지를 발굴하고, 정량적으로 평가하는 방법들이 지속적으로 제시되어야 할 것이다. 또한, 기존 DH Network를 연계하고 통합시스템화 할 수 있는 연구들이 수행되어야 한다. 아울러, 전략적 투자 유인 및 에너지정책 수립에 있어 본 연구의 결과를 활용하여 보다 정교하게 설계된 시뮬레이션 기반의 정량적인 분석이 수반된다면, 집단에너지시스템의 확대 보급을 위한 방향성도 함께 찾을 수 있을 것이다. 이를 통해 국가의 기후변화 대응을 위한 에너지 전환 목표가 실현될 수 있기를 기대한다.
Korea's energy consumption is ranked among the top 10 in the world, and the domestic primary energy supply growth rate has steadily increased to about 1.7% in the last five years. On the other hand, Korea adopted the 2015 climate change convention Paris Agreement and proposed a goal of reducing gree...
Korea's energy consumption is ranked among the top 10 in the world, and the domestic primary energy supply growth rate has steadily increased to about 1.7% in the last five years. On the other hand, Korea adopted the 2015 climate change convention Paris Agreement and proposed a goal of reducing greenhouse gas emissions by 37% compared to BAU by 2030. However, most of the supply energy is dependent on imports, and the industrial structure with a high proportion of energy and greenhouse gas emission sectors faces significant challenges. Accordingly, major energy and climate change policies seek energy conversion by expanding the supply of renewable energy, strengthening the low-carbon power mix, and improving energy efficiency in each industry sector. Particularly in the successful energy conversion, the district heating system, which has been proven to be effective in reducing energy and reducing greenhouse gases, has been suggested as the most realistic alternative. Therefore, this study examines the research process of leading countries in the field of DH, and suggests the step-by-step method & strategies for optimizing district heating system applicable in Korea. In addition, I use the open source-based data and the objective macroscopic data, instead of the separate analysis method of the specific condition in the past. And I will analyze the optimization model with quantitative simulation using specialized programs and study the comprehensive optimization operation method. First of all, the direction of district heating system was confirmed through various literature research on the flow of research and direction of research in DH field. In particular, the study examined the conversion method of next-generation district heating system centered on Europe, which has advanced technology and research results. In addition, this study proposes an analysis method using open source-based data and public platform to analyze the potential amount of unused energy required for the successful transition to smart energy system, and spatially maps the quantified results. Also, I analyzed the energy demand and energy demand patterns in the industrial complexes, which were the main targets for greenhouse gas and energy reduction, and analyzed the new and renewable energy-linked hybrid system optimization model using HOMER Pro. And, to quantitatively confirm the achievement of the country's energy conversion goals, the changes in the ‘Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand’ were compared and the impact on the district heating system was analyzed. The KEPTA, a comprehensive analysis program for the Korean electric power market, was used to analyze mid & long-term the generation by source, System Marginal Price(SMP), and Price setting Scheduled Energy(PSE, similar to merit order). And the optimization operation pattern was analyzed using ENetPLAN, a district heating system optimization program. Through this, the impact of changes in national energy policy on the district heating system was quantitatively identified. As a result of Chapter 3 ‘A Study on the Utilization of potential heat sources for Heat Pumps to District Heating System in Urban', DH Network located in Pyeongtaek, southern part of the metropolitan area, has a total of 1,741.7 toe/year of potential energy for the two heat sources of large retailers and public saunas. It is estimated that 1,006.9 toe/year, which is 57.8% of the total, can be linked to the existing DH network. For large retailers, the recoverable energy unit per area was estimated to be 0.0017 toe/m2 and the GHG emissions were reduced to 0.0069 tCO2/m2. The recoverable energy source of public sauna was 0.0315 toe/m2 per bath area, and the GHG emissions were 0.1183 tCO2/m2. If this unused energy is linked to the existing DH network system, it is analyzed that it can replace about 9.6% of heat supply as of 2017. In Chapter 4, ‘Optimization Process Models of CHP Using Renewable Energy Hybrid System in Industrial Complex’, the total indirect heat demand of the Sejong industrial complex under construction is 378,282 Gcal/year and the paper industry is dominating 77.7%, which is 293,754 Gcal/year. According to the analysis of the optimization model using HOMER Pro, the optimal capacity of a single Combined Cycle CHP is 30,000 kW for the entire indirect heat demand of the industrial complex. The heat duty of CHP shared 275,707 Gcal and 72.8%, and PLB shared 103,240 Gcal and 27.2%. On the other hand, for the total indirect heat demand, the optimal capacity of the CHP Hybrid System in conjunction with FC and PV is CHP 30,000 kW, FC 5,000 kW, and PV 1,980 kW. At this time, CHP shared 275,940 Gcal, 72.8%, FC 12,390 Gcal, 3.3%, PLB 90,620 Gcal, 23.9%, and the share of PLB, which has a relatively high fuel cost, fell. The optimum capacity of the CHP Hybrid System with FC and PV is adjusted to CHP 25,000 kW, FC 5,000 kW, and PV 2,000 kW when adjusted to the indirect heat demand of the dominant paper industry. The heat production was analyzed to share CHP 225,053 Gcal, 76.5%, FC 11,215 Gcal, 3.8%, PLB 58,012 Gcal, 19.7%. This case was analyzed as the most effective model in energy efficiency and economics. Although the results of economic analysis were not valid in all the optimization models, it was confirmed that the CHP Hybrid system linked with renewable energy can reduce the amount of economic loss and increase the energy efficiency, compared to the traditional single CHP system. Lastly, in Chapter 5, ‘Optimized Operational Analysis of District Heating Systems According to Changes in Energy Policy’, mid- to long-term simulations were conducted using KEPTA based on the power demands presented in the 8th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand. As a result of mid- and long-term simulations of the supply facilities plan of the 7th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand, it is expected that the reserve ratio in 2029 will be about 29%, and the generation of LNG fuel sources will drop to 1.4% of the total generation after 2030. On the other hand, as a result of simulations with the modified supply facilities plan of the 8th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand, the reserve ratio fell to about 22% in 2029, and it is analyzed that LNG power generation will recover to 12.8% in 2030 after falling to 7.3% of total generation in 2024. The change of the Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand was further simulated using ENetPLAN for the heat production optimization operation plan of the district heating system of the 110th level in the domestic dispatching order. As a result, under the 7th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand, almost no dispatch has been received since 2022, and the share of heat production in 2027 until the heat demand saturates to CHP 72,215 Gcal, 18.2%, PLB 323,957 Gcal, 81.8%. Deterioration in fuel costs was expected. Meanwhile, under the 8th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand, there will be about 3.3% dispatch in 2027. The share of heat production in 2027 is CHP 174,248 Gcal, 44.0%, PLB 221,924 Gcal, 56.0%. Although it was analyzed that fuel cost burden was reduced due to higher heat production efficiency and lower share cost of auxiliary heat source facilities due to higher CHP sharing rate, fuel cost burden is expected to increase due to high heat production rate of PLB. This study carried out a series of research procedures to suggest ways to expand and activate the district heating system. As an energy conversion task to be pursued in Korea, I analyzed the method and estimated benefits of estimating unused(unutilized) energy potential for 4G district heating. In addition, the energy demand conditions and the optimal capacity for the energy conversion were derived for the industrial complexes with high energy and greenhouse gas emission industries. Also, it was confirmed that more quantitative long-term simulation is needed when establishing major energy policies. As a result of this study, methods for discovering and quantitatively evaluating a variety of unused and renewable energies suitable for the domestic environment in the future should be continuously presented. In addition, studies to link existing DH networks and integrate them should be conducted. In addition, if the involvement of strategic investment inducement and energy policy is accompanied by more sophisticated simulation-based quantitative analysis using the results of this study, the direction for the expansion of the district heating system will be found. Through this, I look forward to the realization of energy conversion goals for coping with climate change.
Korea's energy consumption is ranked among the top 10 in the world, and the domestic primary energy supply growth rate has steadily increased to about 1.7% in the last five years. On the other hand, Korea adopted the 2015 climate change convention Paris Agreement and proposed a goal of reducing greenhouse gas emissions by 37% compared to BAU by 2030. However, most of the supply energy is dependent on imports, and the industrial structure with a high proportion of energy and greenhouse gas emission sectors faces significant challenges. Accordingly, major energy and climate change policies seek energy conversion by expanding the supply of renewable energy, strengthening the low-carbon power mix, and improving energy efficiency in each industry sector. Particularly in the successful energy conversion, the district heating system, which has been proven to be effective in reducing energy and reducing greenhouse gases, has been suggested as the most realistic alternative. Therefore, this study examines the research process of leading countries in the field of DH, and suggests the step-by-step method & strategies for optimizing district heating system applicable in Korea. In addition, I use the open source-based data and the objective macroscopic data, instead of the separate analysis method of the specific condition in the past. And I will analyze the optimization model with quantitative simulation using specialized programs and study the comprehensive optimization operation method. First of all, the direction of district heating system was confirmed through various literature research on the flow of research and direction of research in DH field. In particular, the study examined the conversion method of next-generation district heating system centered on Europe, which has advanced technology and research results. In addition, this study proposes an analysis method using open source-based data and public platform to analyze the potential amount of unused energy required for the successful transition to smart energy system, and spatially maps the quantified results. Also, I analyzed the energy demand and energy demand patterns in the industrial complexes, which were the main targets for greenhouse gas and energy reduction, and analyzed the new and renewable energy-linked hybrid system optimization model using HOMER Pro. And, to quantitatively confirm the achievement of the country's energy conversion goals, the changes in the ‘Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand’ were compared and the impact on the district heating system was analyzed. The KEPTA, a comprehensive analysis program for the Korean electric power market, was used to analyze mid & long-term the generation by source, System Marginal Price(SMP), and Price setting Scheduled Energy(PSE, similar to merit order). And the optimization operation pattern was analyzed using ENetPLAN, a district heating system optimization program. Through this, the impact of changes in national energy policy on the district heating system was quantitatively identified. As a result of Chapter 3 ‘A Study on the Utilization of potential heat sources for Heat Pumps to District Heating System in Urban', DH Network located in Pyeongtaek, southern part of the metropolitan area, has a total of 1,741.7 toe/year of potential energy for the two heat sources of large retailers and public saunas. It is estimated that 1,006.9 toe/year, which is 57.8% of the total, can be linked to the existing DH network. For large retailers, the recoverable energy unit per area was estimated to be 0.0017 toe/m2 and the GHG emissions were reduced to 0.0069 tCO2/m2. The recoverable energy source of public sauna was 0.0315 toe/m2 per bath area, and the GHG emissions were 0.1183 tCO2/m2. If this unused energy is linked to the existing DH network system, it is analyzed that it can replace about 9.6% of heat supply as of 2017. In Chapter 4, ‘Optimization Process Models of CHP Using Renewable Energy Hybrid System in Industrial Complex’, the total indirect heat demand of the Sejong industrial complex under construction is 378,282 Gcal/year and the paper industry is dominating 77.7%, which is 293,754 Gcal/year. According to the analysis of the optimization model using HOMER Pro, the optimal capacity of a single Combined Cycle CHP is 30,000 kW for the entire indirect heat demand of the industrial complex. The heat duty of CHP shared 275,707 Gcal and 72.8%, and PLB shared 103,240 Gcal and 27.2%. On the other hand, for the total indirect heat demand, the optimal capacity of the CHP Hybrid System in conjunction with FC and PV is CHP 30,000 kW, FC 5,000 kW, and PV 1,980 kW. At this time, CHP shared 275,940 Gcal, 72.8%, FC 12,390 Gcal, 3.3%, PLB 90,620 Gcal, 23.9%, and the share of PLB, which has a relatively high fuel cost, fell. The optimum capacity of the CHP Hybrid System with FC and PV is adjusted to CHP 25,000 kW, FC 5,000 kW, and PV 2,000 kW when adjusted to the indirect heat demand of the dominant paper industry. The heat production was analyzed to share CHP 225,053 Gcal, 76.5%, FC 11,215 Gcal, 3.8%, PLB 58,012 Gcal, 19.7%. This case was analyzed as the most effective model in energy efficiency and economics. Although the results of economic analysis were not valid in all the optimization models, it was confirmed that the CHP Hybrid system linked with renewable energy can reduce the amount of economic loss and increase the energy efficiency, compared to the traditional single CHP system. Lastly, in Chapter 5, ‘Optimized Operational Analysis of District Heating Systems According to Changes in Energy Policy’, mid- to long-term simulations were conducted using KEPTA based on the power demands presented in the 8th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand. As a result of mid- and long-term simulations of the supply facilities plan of the 7th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand, it is expected that the reserve ratio in 2029 will be about 29%, and the generation of LNG fuel sources will drop to 1.4% of the total generation after 2030. On the other hand, as a result of simulations with the modified supply facilities plan of the 8th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand, the reserve ratio fell to about 22% in 2029, and it is analyzed that LNG power generation will recover to 12.8% in 2030 after falling to 7.3% of total generation in 2024. The change of the Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand was further simulated using ENetPLAN for the heat production optimization operation plan of the district heating system of the 110th level in the domestic dispatching order. As a result, under the 7th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand, almost no dispatch has been received since 2022, and the share of heat production in 2027 until the heat demand saturates to CHP 72,215 Gcal, 18.2%, PLB 323,957 Gcal, 81.8%. Deterioration in fuel costs was expected. Meanwhile, under the 8th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand, there will be about 3.3% dispatch in 2027. The share of heat production in 2027 is CHP 174,248 Gcal, 44.0%, PLB 221,924 Gcal, 56.0%. Although it was analyzed that fuel cost burden was reduced due to higher heat production efficiency and lower share cost of auxiliary heat source facilities due to higher CHP sharing rate, fuel cost burden is expected to increase due to high heat production rate of PLB. This study carried out a series of research procedures to suggest ways to expand and activate the district heating system. As an energy conversion task to be pursued in Korea, I analyzed the method and estimated benefits of estimating unused(unutilized) energy potential for 4G district heating. In addition, the energy demand conditions and the optimal capacity for the energy conversion were derived for the industrial complexes with high energy and greenhouse gas emission industries. Also, it was confirmed that more quantitative long-term simulation is needed when establishing major energy policies. As a result of this study, methods for discovering and quantitatively evaluating a variety of unused and renewable energies suitable for the domestic environment in the future should be continuously presented. In addition, studies to link existing DH networks and integrate them should be conducted. In addition, if the involvement of strategic investment inducement and energy policy is accompanied by more sophisticated simulation-based quantitative analysis using the results of this study, the direction for the expansion of the district heating system will be found. Through this, I look forward to the realization of energy conversion goals for coping with climate change.
주제어
#에너지 전환 집단에너지시스템 지역난방 네트워크 미활용에너지 저온 열원 열펌프 열지도 산업단지 재생에너지 하이브리드 시스템 최적화
학위논문 정보
저자
오광민
학위수여기관
서울과학기술대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
신에너지공학과
지도교수
김래현
발행연도
2020
키워드
에너지 전환 집단에너지시스템 지역난방 네트워크 미활용에너지 저온 열원 열펌프 열지도 산업단지 재생에너지 하이브리드 시스템 최적화
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