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문제 정의
- [4] 하지만 사용되는 가스냉방기기에 따라 냉방부하 특성과 보급률이 상이하므로 정확한 가스냉방기기에 의한 전기냉방기기의 전력대체효과를 환산하기 위해서는 실제로 사용되는 여러 가스냉방기기의 냉방부하 특성과 대체되는 전기냉방기기의 냉방부하 특성을 모두 고려하여 전력대체 효과를 분석해야 한다. 따라서 본 논문에서는 대표 가스냉방기기와 대표 전기 냉방기기를 선정하여 냉방기기의 보급률과 특성을 고려한 가스냉방기기에 의한 전기냉방기기의 전력대체효과를 분석 하였다.
- 본 논문에서는 가스냉방기기에 의한 전기냉방기기 대체효과를 분석하기 위해 냉방용 가스 수요, 냉방용량별 냉방기기 특성, 냉방기기 보급실적을 고려하여 전력 피크 발생일의 전력대체효과를 추정하고 사례연구로서 2011년 하계 전력피크 발생일인 8월 20일의 가스냉방기기에 의한 전력대체효과를 분석하였다. 또한 가스냉방기기의 보급률에 따른 전력피크 절감 효과를 분석하고 피크일의 온도, 가스냉방기기의 보급률, 냉방용 가스 수요 변동, 냉방기기 COP 특성 변화에 따른 민감도를 분석하였다.
가설 설정
- 또한, 냉방 수요의 경우 온도이외에 실제 생활 패턴의 영향을 받으므로 이 부분을 고려하기 위하여 냉방 수요는 일일 전력 사용에 비례한다고 가정하고 일일 전력 사용 패턴을 이용하여 해당 월의 일별 최대전력 수요의 정규화 패턴으로부터 사용 패턴에 따른 가중치를 부여하였다. 또한 온도에 따른 가중치와 사용패턴에 따른 가중치는 동일한 비율로 적용된다고 가정하였다. 다음 식 (5)는 특정일의 냉방용 가스 수요를 추정하는 식이다.
- 일반적으로 하루의 활동이 09시부터 시작되며 냉방기기별 일일 평균 가동시간만큼 일정하게 냉방용 가스 수요가 발생한다고 가정하고 앞서 추정된 일일 가스냉방 수요로부터 특정 시간에서의 대상 냉방기기별 냉방용 가스 수요를 추정하였다.
제안 방법
-
Table 3 The accumulated spread of air-conditioning system by air-conditioning capacity [2]
2000년도부터 2010년도까지의 용량별 냉방기기 누적 보급량으로부터 누적비율을 산출하고, 누적비율을 가중치로 적용하여 대상 냉방기기별 냉방용 가스 수요를 추정하였다
. 추정된 대상 냉방기기별 냉방용 가스 수요로부터 식 (4)에 적용하여 대상 냉방기기별로 전기 냉방기기의 대체효과를 계산하여 총 합산한 값이 최종적인 가스 냉방기기에 의한 전기 냉방기기의 전력 대체효과로 나타난다. - 가스 냉방기기에 의한 전력 대체효과를 분석하기 위하여 냉방용 가스 수요와 냉방기기의 개별 특성을 이용하는 전력 대체 효과 추정 방법을 제시하였다. 또한 피크일의 냉방용 가스 수요를 예측하기 위해 월별 온도 가중치와 사용패턴 가중치를 사용하여 월별 냉방용 가스 수요로부터 피크일의 가스 수요를 추정하는 방법을 제시하였으며 냉방기기의 개별 특성을 적용하기 위하여 대표 냉방기기의 COP특성과 보급률을 사용하였다.
- 앞에서 언급한 것과 같이 피크일의 전력대체 효과를 분석하기 위하여 피크일 냉방용 가스 수요를 추정하는 과정이 필요하다. 가스 수요는 취득상의 문제로 월간 통계량만 존재하므로 월간 통계량으로부터 피크일의 냉방용 가스 수요를 추정하기 위하여 월간 평균기온에 의한 가중치와 월간 전력사용패턴에 의한 가중치를 적용하였다.
- 가스냉방기기에 의한 전기냉방기기의 대체효과를 분석하기 위한 방법으로 각 대상 가스냉방기기와 비교대상 전기냉방기기의 성적계수(COP ; Coefficient of performance)를 고려하여 냉동기의 열효율로부터 냉방기기의 특성을 고려하였다. 냉동기의 성적계수 COP란 냉동사이클의 능률을 나타내는 수치로서 소요일의 열당량과 냉동능력의 비를 말한다.
- 실제로 운전된 가스냉방기기 사용량이 클수록 전기냉방기기에 의한 대체효과는 커지게 되며, 이것은 냉방용 가스 사용량으로부터 추정이 가능하다. 가스사용량은 한국가스공사로부터 냉방용 가스 수요가 월간 집계된 값을 사용하였으며 가스냉방기기의 전기냉방기기 대체효과를 월간으로 계산하였다. 전력계통의 특성상 전력대체효과는 피크일의 피크시간에서의 전력대체효과가 중요하게 되는데 가스 수요는 월간 통계량만 존재하므로 특정일의 냉방용 가스수요를 추정 하기 위해서는 월간으로 취득되는 냉방용 가스 수요로부터 전력 피크일과 시간의 냉방용 가스 수요를 추정하는 과정이 필요하다.
- 냉방기기의 특성은 비교 대상 냉방기기의 COP 특성과 냉방기기의 보급률을 고려하여 결정하였고, 냉방기기의 사용량은 온도, 사용패턴 가중치와 냉방기기의 가동률로부터 추정되었다. 분석에 사용된 입력변수 파라미터들은 부분적인 추정값과 측정값이 사용되어 불확실성을 가지고 있으므로, 파라미터들이 취할 수 있는 가능한 값들을 대입하여 파라미터의 변화에 따라 전력대체 효과가 어떻게 변화하는지를 분석하기 위한 민감도 분석을 수행하였다.
- 가스냉방기기에 의한 전기냉방기기의 대체효과를 분석함에 있어서 대상 가스냉방기기의 보급률이 높은 냉방기기의 경우 전기냉방기기를 대체하는 효과가 상대적으로 더 크기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 2000년도부터 2010년도까지 누적된 용량별 보급량을 적용하여 용량별 보급량에 따른 가중치를 부였다. 표 3은 연도별 용량별 냉방기기 누적 보급량과 용량별 가중치이다.
- 본 논문에서는 가스냉방기기에 의한 전기냉방기기 대체효과를 분석하기 위해 냉방용 가스 수요, 냉방용량별 냉방기기 특성, 냉방기기 보급실적을 고려하여 전력 피크 발생일의 전력대체효과를 추정하고 사례연구로서 2011년 하계 전력피크 발생일인 8월 20일의 가스냉방기기에 의한 전력대체효과를 분석하였다. 또한 가스냉방기기의 보급률에 따른 전력피크 절감 효과를 분석하고 피크일의 온도, 가스냉방기기의 보급률, 냉방용 가스 수요 변동, 냉방기기 COP 특성 변화에 따른 민감도를 분석하였다. 또한, 향후 냉방용 가스 수요 변동에 따른 가스냉방기기의 전력대체 효과 전망을 수행하였다.
- 가스 냉방기기에 의한 전력 대체효과를 분석하기 위하여 냉방용 가스 수요와 냉방기기의 개별 특성을 이용하는 전력 대체 효과 추정 방법을 제시하였다. 또한 피크일의 냉방용 가스 수요를 예측하기 위해 월별 온도 가중치와 사용패턴 가중치를 사용하여 월별 냉방용 가스 수요로부터 피크일의 가스 수요를 추정하는 방법을 제시하였으며 냉방기기의 개별 특성을 적용하기 위하여 대표 냉방기기의 COP특성과 보급률을 사용하였다. 사례연구를 통하여 2010년 전력 피크일인 8월 20일의 가스냉방기기에 의한 전력피크 절감효과를 분석한 결과 가스 냉방기기에 의한 전기 냉방기기 전력 대체효과는 2010년 8월 한달 간 총 503,729,761kWh를 절감 시키는 것으로 계산되었으며 2010년 하계 피크일인 8월 20일의 전력피크 절감효과는 2,056MW로 추정되었다.
- [6] 따라서 해당 월의 일별 최고온도와 냉방 시작온도와의 차이로부터 온도에 따른 가중치를 부여하였다. 또한, 냉방 수요의 경우 온도이외에 실제 생활 패턴의 영향을 받으므로 이 부분을 고려하기 위하여 냉방 수요는 일일 전력 사용에 비례한다고 가정하고 일일 전력 사용 패턴을 이용하여 해당 월의 일별 최대전력 수요의 정규화 패턴으로부터 사용 패턴에 따른 가중치를 부여하였다. 또한 온도에 따른 가중치와 사용패턴에 따른 가중치는 동일한 비율로 적용된다고 가정하였다.
- 또한 가스냉방기기의 보급률에 따른 전력피크 절감 효과를 분석하고 피크일의 온도, 가스냉방기기의 보급률, 냉방용 가스 수요 변동, 냉방기기 COP 특성 변화에 따른 민감도를 분석하였다. 또한, 향후 냉방용 가스 수요 변동에 따른 가스냉방기기의 전력대체 효과 전망을 수행하였다.
- 사례연구를 통하여 2010년 전력 피크일인 8월 20일의 가스냉방기기에 의한 전력피크 절감효과를 분석한 결과 가스 냉방기기에 의한 전기 냉방기기 전력 대체효과는 2010년 8월 한달 간 총 503,729,761kWh를 절감 시키는 것으로 계산되었으며 2010년 하계 피크일인 8월 20일의 전력피크 절감효과는 2,056MW로 추정되었다. 보급률에 의한 전력피크 절감효과를 분석하였으며 피크일의 온도, 가스냉방기기 보급률, 냉방용 가스 수요 변동, 냉방기기의 COP특성에 의한 민감도 분석을 수행하였다. 분석 결과 냉방용 가스 수요 변동의 민감도가 20.
- 가스냉방 보급 목표의 설정은 크게 목표 연도 까지 보급전망을 현재의 보급실적을 기준으로 설정하는 방법과 일정 수준을 목표치로 설정하여 분석하는 방법이 있다. 본 논문에서는 향후 5년간의 가스 냉방 보급전망이 연간 0.5%씩 증가 하는 것을 목표치로 설정하여 다음 표 11과 같이 분석하였다. 향후 전망 분석은 제 5차 전력수급 기본 계획에서 전망한 결과를 사용하였으며 냉방 전력은 최대 전력의 21%비율로 산출하였다.
- 가스 냉방기기에 의한 전기 냉방기기의 전력 대체효과는 전술한 기법에 의해 계산 할 수 있다. 본 연구에서는 사례연구로서 2010년 전체의 가스 냉방기기에 의한 월간 전력 대체 효과를 계산하고 실제 피크전력 발생일인 08월 20일의 전력대체효과를 계산하였다.
- 냉방기기의 특성은 비교 대상 냉방기기의 COP 특성과 냉방기기의 보급률을 고려하여 결정하였고, 냉방기기의 사용량은 온도, 사용패턴 가중치와 냉방기기의 가동률로부터 추정되었다. 분석에 사용된 입력변수 파라미터들은 부분적인 추정값과 측정값이 사용되어 불확실성을 가지고 있으므로, 파라미터들이 취할 수 있는 가능한 값들을 대입하여 파라미터의 변화에 따라 전력대체 효과가 어떻게 변화하는지를 분석하기 위한 민감도 분석을 수행하였다. 사용된 입력변수 파라미터는 피크일의 온도, 가스냉방기기의 보급률, 냉방용 가스 수요 변동, 냉방기기 COP특성 변화를 사용하였으며 사용된 입력변수 파라미터의 범위와 결과는 다음 표 10과 같고 그림 4에서 그림 7에 나타내었다.
- 분석에 사용된 입력변수 파라미터들은 부분적인 추정값과 측정값이 사용되어 불확실성을 가지고 있으므로, 파라미터들이 취할 수 있는 가능한 값들을 대입하여 파라미터의 변화에 따라 전력대체 효과가 어떻게 변화하는지를 분석하기 위한 민감도 분석을 수행하였다. 사용된 입력변수 파라미터는 피크일의 온도, 가스냉방기기의 보급률, 냉방용 가스 수요 변동, 냉방기기 COP특성 변화를 사용하였으며 사용된 입력변수 파라미터의 범위와 결과는 다음 표 10과 같고 그림 4에서 그림 7에 나타내었다.
- 앞에서 언급한 순서에 의하여 가스 냉방기기에 의한 전력 대체 효과를 분석하기 위해서 일단 월별 냉방용 가스 수요를 취득하였다. 다음 표 4는 한국가스공사로부터 월간 집계된 2010년 월별 냉방용 가스 수요이다.
- 우선 하계 전력 피크일인 2010년 8월 20일의 가스 냉방기기에 의한 전력 대체량을 계산하기 위해서 일일 온도차이가중치와 사용패턴 가중치를 고려한 일별 냉방용 가스수요를 계산하였으며 그 결과는 다음 표 6과 같다. 일별 냉방용 가스수요를 계산하기 위해 사용된 일일 온도차이 가중치와 사용패턴 가중치는 다음 표 7에 나타내었다.
- 전력계통의 특성상 전력대체효과는 피크일의 피크시간에서의 전력대체효과가 중요하게 되는데 가스 수요는 월간 통계량만 존재하므로 특정일의 냉방용 가스수요를 추정 하기 위해서는 월간으로 취득되는 냉방용 가스 수요로부터 전력 피크일과 시간의 냉방용 가스 수요를 추정하는 과정이 필요하다. 피크일의 냉방용 가스 수요를 추정하기 위해 냉방수요는 온도 및 생활 패턴과 밀접한 연관이 있으므로 최대온도, 전력사용패턴, 냉방시간 온도 등을 고려하여 피크일의 냉방용 가스 수요를 추정하였다. 결론적으로 가스냉방기기에 의한 전기냉방기기의 전력대체효과를 분석하는 알고리즘에 대한 순서도는 그림 1과 같다.
- 하계 전력피크일인 2010년 8월 20일의 가스 냉방기기에 의한 전력 대체량을 계산하기 위해서 일일 온도차이 가중치와 사용패턴 가중치를 고려한 일별 냉방용 가스수요를 계산하였으며 그 결과는 다음 표 6과 같다. 일별 냉방용 가스수요를 계산하기 위해 사용된 일일 온도차이 가중치와 사용패턴 가중치는 다음 표 7에 나타내었다.
- 특정일의 냉방용 수요를 계산한다면 식 (3)에 대입하여 피크일의 전력사용량(kWh) 감소분을 계산 할 수 있다. 하지만 전력계통의 특성상 전력피크용량(kW)의 대체량이 중요하게 되므로 피크일 피크시간의 전력사용량 감소분을 계산하기 위하여 대상 냉방기기의 월별 일일 평균 가동률을 고려하였다. 다음 표 2는 대상 냉방기기의 월별 일일 평균 가동률을 나타낸 표이다.
- 표 5에 제시된 전력대체효과는 한 달 동안의 총 가스 냉방기기의 전력 대체효과를 합한 전력량(MWh)이다. 한 달동안의 전력 대체량(MWh)을 2010년 8월의 온도차이 가중치와 사용패턴 가중치를 사용한 알고리즘에 적용하여 하계피크일인 2010년 8월 20일 15시의 가스 냉방기기에 의한 전력 대체 용량(MW)를 계산하였다.
- 5%씩 증가 하는 것을 목표치로 설정하여 다음 표 11과 같이 분석하였다. 향후 전망 분석은 제 5차 전력수급 기본 계획에서 전망한 결과를 사용하였으며 냉방 전력은 최대 전력의 21%비율로 산출하였다. 이는 과거 7년 간 냉방전력 비율이 최대전력의 21% 수준임을 고려한 것이다.
대상 데이터
- 하지만 냉방설비의 COP특성은 같은 냉방기기일 경우에도 제조회사 별로 많은 차이를 보이고 있다. 따라서 본 연구에서는 국내외 냉방설비 제조회사의 대표 제품으로부터 대상 냉방기기인 GHP와 흡수식 냉방기기의 COP와 비교 냉방기기인 EHP, 터보냉동기 및 축냉식 냉동기의 대표 COP를 선정하여 사용하였으며 그 결과는 표 1에 함께 나타내었다.
- 30RT급 미만의 경우 주로 EHP를 사용한다. 따라서, 가스냉방기기에 의한 전기냉방기기 대체 효과를 분석하기 위한 가스냉방기기와 비교대상 전기냉방기기로는 다음 표 1과 같은 비교대상 기준을 냉방용량별로 선정하였다.
이론/모형
- 기존의 가스냉방의 전력대체효과를 분석하기 위한 접근 방법으로는 ‘월간 냉방용 가스사용량’으로부터 최대전력 발생일의 가스수요를 추정하여 가스냉방기기에 의한 냉방부하 용량을 계산하고 전기냉방기기에 의한 냉방부하 용량과 비교하여 가스냉방기기에 의한 전기냉방기기 대체효과를 전력사용량(kWh)으로 환산하는 방법을 사용하였다.
성능/효과
- 보급률에 의한 전력피크 절감효과를 분석하였으며 피크일의 온도, 가스냉방기기 보급률, 냉방용 가스 수요 변동, 냉방기기의 COP특성에 의한 민감도 분석을 수행하였다. 분석 결과 냉방용 가스 수요 변동의 민감도가 20.62MW/1000ton으로 가장 크게 영향을 미치는 인자로 나타났다. 제안한 방법으로 인한 가스 냉방기기의 전력 대체효과 분석 방법은 향후 가스냉방기기의 보급 활성화에 기여 할 것으로 기대되며 가스냉방기기의 보급률이 증가 될 경우 하계 전력피크 절감효과 및 온도에 민감한 냉방부하의 부담을 경감시켜 추가적인 발전 설비 비용 절감 및 안정적인 발전계획과 계통 운영계획에 긍정적인 효과를 기대할 수 있을 것으로 전망된다.
- 또한 피크일의 냉방용 가스 수요를 예측하기 위해 월별 온도 가중치와 사용패턴 가중치를 사용하여 월별 냉방용 가스 수요로부터 피크일의 가스 수요를 추정하는 방법을 제시하였으며 냉방기기의 개별 특성을 적용하기 위하여 대표 냉방기기의 COP특성과 보급률을 사용하였다. 사례연구를 통하여 2010년 전력 피크일인 8월 20일의 가스냉방기기에 의한 전력피크 절감효과를 분석한 결과 가스 냉방기기에 의한 전기 냉방기기 전력 대체효과는 2010년 8월 한달 간 총 503,729,761kWh를 절감 시키는 것으로 계산되었으며 2010년 하계 피크일인 8월 20일의 전력피크 절감효과는 2,056MW로 추정되었다. 보급률에 의한 전력피크 절감효과를 분석하였으며 피크일의 온도, 가스냉방기기 보급률, 냉방용 가스 수요 변동, 냉방기기의 COP특성에 의한 민감도 분석을 수행하였다.
- 2010년 하계전력 피크일의 가스 냉방기기에 의한 대체 전력량은 2,065MW로 추정되었다. 이 결과는 현재 가스 냉방기기의 보급률인 12.4%를 가정한 결과이며 가스냉방기기의 보급이 활성화될 경우 앞에서 제시한 분석방법 중 피크일 냉방용 가스 수요량이 증가하여 식 (3)에서 값이 증가하여 전력피크를 점감하는 효과로 발생할 것이다. 가스냉방기기의 보급 활성화에 따른 냉방용 가스 수요가 비례하고, 용량별 보급률이 동일하게 증가한다면 가스냉방기기 보급률 증가에 따른 2010년 8월 하계 피크에 대한 전력피크 절감효과는 다음 표 9와 같이 나타날 것이다.
- 제시한 알고리즘에 의해 계산된 2010년 하계전력 피크일의 가스 냉방기기에 의한 대체 전력량(kW)은 2,065MW로서 같은 날 발생한 최고 전력수요인 69,886MW의 2.94% 수준인 것으로 분석 되었다. 또한 이것은 현재 가스 냉방기기의 보급률인 12.
후속연구
- 62MW/1000ton으로 가장 크게 영향을 미치는 인자로 나타났다. 제안한 방법으로 인한 가스 냉방기기의 전력 대체효과 분석 방법은 향후 가스냉방기기의 보급 활성화에 기여 할 것으로 기대되며 가스냉방기기의 보급률이 증가 될 경우 하계 전력피크 절감효과 및 온도에 민감한 냉방부하의 부담을 경감시켜 추가적인 발전 설비 비용 절감 및 안정적인 발전계획과 계통 운영계획에 긍정적인 효과를 기대할 수 있을 것으로 전망된다.
- 향후 가스 냉방기기에 의한 전력대체 효과는 가스냉방 보급 목표를 어느 수준으로 설정하느냐에 의하여 결정되어 진다. 가스냉방 보급 목표의 설정은 크게 목표 연도 까지 보급전망을 현재의 보급실적을 기준으로 설정하는 방법과 일정 수준을 목표치로 설정하여 분석하는 방법이 있다.
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