[논문]9.9MW급 바이오매스 열병합발전 타당성 연구

최재영; 설용건

doi:10.7849/ksnre.2014.10.2.040

9.9MW급 바이오매스 열병합발전 타당성 연구
The Feasibility Analysis of 9.9 MW Biomass Cogeneration System 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.10 no.2, 2014년, pp.40 - 47

Abstract ▼ AI-Helper

This study is intended to analyze the appropriate scope for 9.9MW biomass cogeneration, feasibility and sensitivity according to changing market situation. In the study, the heat load is classified into three types to predict heat sales and find out the appropriate scope of thermal business that is operated in CHP 34.42 Gcal/h, PLBwg 70 Gcal/h of cogeneration. the feasibility is estimated based on internal rate of return (IRR) and net present value(NPV). the sensitivity is analyzed in terms of biomass fuel cost, unit price of heating cost, investment cost, SMP unit price and REC unit price.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 신재생에너지중 전기와 대규모 열을 생산하여 발전과 난방을 공급할 수 있는 바이오매스를 이용한 열병합발전소의 사업 타당성을 연구하였다.
본 연구에서는 에너지 효율이 높은 열병합발전시스템에 바이오매스 연료를 이용한 사업의 타당성을 분석하여 집단에너지사업 내 신재생에너지를 사용한 사업에 참고자료를 제공하고자 한다.

가설 설정

감가상각방법은 정액법으로 20년을 적용하였으며, 물가상승률은 연 3%로 가정하였다. 할인율(WACC)의 경우 유사사업 평균치인 8.

제안 방법

CHP 건설기간은 2년(1년차∼2년차), 열배관 건설의 7년(1년차∼7년차)으로 설정하였으며, 경제성 분석기간은 최초 열공급 시기를 기준으로 20년(3년차~22년차)을 분석하였다.
98Gcal/h)을 감안한 연결열부하 100Gcal/h로 선정하였다. 또한 열수요처 규모에 따라 사업의 타당성을 분석하기 위해 연결열부하 120Gcal/h, 140Gcal/h의 열수요처 규모를 추가로 선정하였다(Table 3).
용량요금은 2013년 단위용량가격(7.46원/kwh)을 적용하였고, 열생산시설에서 열수요처 까지의열 손실률은 4%를 적용하였다.
전력시장가격은 전력거래소의 SMP를 결정하는 원료를 적용(Table 6), SMP를 결정하는 과거 원료별 가격과 과거 SMP를 회귀분석 한 후, 향후 원료별 예측가격에 동 회귀식을 적용하여 예측하였다. 이때 과거 원료별 단가는 BP와 EIA의 실적 자료를, 향후 원료별 예측단가는 EIA의 2014 Annual Energy Outlook 가격예측 시나리오를 적용하였다(Fig. 2).
전력시장가격은 전력거래소의 SMP를 결정하는 원료를 적용(Table 6), SMP를 결정하는 과거 원료별 가격과 과거 SMP를 회귀분석 한 후, 향후 원료별 예측가격에 동 회귀식을 적용하여 예측하였다. 이때 과거 원료별 단가는 BP와 EIA의 실적 자료를, 향후 원료별 예측단가는 EIA의 2014 Annual Energy Outlook 가격예측 시나리오를 적용하였다(Fig.

대상 데이터

열사용량은 외기온도에 따라 사용자가 사용하는 열사용량을 시간대별(8,760시간)로 예측하여 산출하였으며, 이때 적용한 외기온도는 기상청의 서울지역 3개년(2010년∼2012) 8,760시간 기온자료를 적용하였다(Fig. 1).
열수요처 분석대상은 주택/업무/공공으로 구분하였으며, 열수요처 규모는 CHP 열공급 능력(30.98Gcal/h)을 감안한 연결열부하 100Gcal/h로 선정하였다. 또한 열수요처 규모에 따라 사업의 타당성을 분석하기 위해 연결열부하 120Gcal/h, 140Gcal/h의 열수요처 규모를 추가로 선정하였다(Table 3).
열원시설 분석대상은 바이오매스 연료 중 WP(Wood Pellet)을 연료로 하는 CHP로 전기용량 9.9MW, 열용량 30.98Gcal/h으로 설계하였으며, 열공급의 안정성을 위하여 첨두부하보일러(PLB) 70Gcal/h와 축열조 52Gcal/h를 추가로 선정하였다(Table 1, 2).

이론/모형

난방 및 냉방 연결열부하 및 최대열부하는 집단에너지 사업계획서 작성기준(지식경제부고시, 제2012-180호)을 기준으로 산정하였으며, 최대부하 산출시 적용한 부하율은 집단에너지시설의 최적화 방안 연구(에너지경제연구원, 2010)에서 조사한 집단에너지사업자의 주택/업무/공공 냉난방 실적 최대부하율 51.8%를 적용하여 산정하였다.
사업의 타당성은 현금흐름 할인법인 내부수익률법(IRR)과 순현재가치법(NPV)을 사용하여 분석하였다.
열원설비 시공에 따른 투자비는 부지구입비, CHP 건설비, PLB 건설비, 열배관 건설비로 구분하여 산출하였으며 특히 열배관 건설비는 수요처 규모 Case별 시나리오에 따라 산정 하였다(Table 4).

성능/효과

난방 열수요 분석결과 연결열부하 100Gcal/h 경우 포화년도 열판매량은 138,246Gcal/y, 연결열부하 120Gcal/h 경우 열판매량은 165,893Gcal/y, 연결열부하 140Gcal/h 경우 열판매량은 193,540Gcal/y로 분석되었고, 냉방의 경우 연결열부하 12Gcal/h 경우 포화년도(12년차) 열판매량은 2,788Gcal/y, 연결열부하 14Gcal/h 경우 열판매량은 3,346Gcal/y, 연결열부하 17Gcal/h 경우 열판매량은 3,904Gcal/y로 분석되었다(Table 7).
7%의 경제성 상승률을 보였다. 사업규모가 커질수록 열수익으로 인한 매출은 증가 하지만(Fig. 7, 8, 9), 연료비가 비싼 PLBwg 가동량의 증가로 변동비가 증가하여 사업규모가 커질수록 경제성의 상승폭은 오히려 줄어드는 것으로 나타났다(Fig. 10, 11, 12).
사업의 경제성 분석결과 바이오매스를 이용한 열병합발전 사업의 경우 연결열부하 100Gcal/h 규모의 경우 IRR 4.6%, NPV -24,183백만원, 연결열부하 120Gcal/h 규모의 경우 IRR 6.2%, NPV -15,572백만원, 연결열부하 140Gcal/h 규모의 경우 IRR 6.9%, NPV -11,162백만원으로 분석되었다(Table 12).
사업의 규모가 커질수록 PLBwg의 가동으로 수익성이 떨어졌으며, 9.9MW급 바이오매스 열병합발전 적정 사업규모는 연결열부하기준 100Gcal/h 이상, 140Gcal/h 이하로 분석되었다.
사업의 민감도를 분석하기 위하여 Case 3을 기준으로 바이오매스 연료가격, 열요금 단가, 투자비, REC 단가, SMP 단가의 변화에 따른 민감도를 분석 한 결과, 바이오매스의 연료가격이 사업에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었고 이를 각각 Table 13과 Fig. 12에 도식하였다.
사업의 민감도를 분석한 결과 바이오매스의 연료가격이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 연료가격이 5% 상승시 IRR이 1.3% 하락하였고, 5% 하락시 IRR이 1.2%로 증가하였다.
수요 140Gcal/h를 기준으로 시간대별 열원별 생산 Pattern을 분석결과 CHP는 연중 가동되었으며, PLBwg의 경우 동절기에 가동이 되었다(Fig. 6).
수요처 규모별 시나리오를 적용하여 사업 타당성을 분석한 결과 Case 1(연결열부하 100Gcal/h)의 경우 IRR은 4.6%로 사업성이 없는 것으로 분석되었으며, Case 2, 3(연결열부하 120Gcal/h. 140Gcal/h)의 경우 각각 IRR 6.2%, 6.9%로 시중 금리 보다 높은 수익률을 도출하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Bio-SRF에 포함되는 것은?	국내에서는 8개의 재생에너지(태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 3개의 신에너지(연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지)를 신재생에너지로 지정하고 있으며 11개의 다양한 신재생에너지 중 전기와 열을 동시에 생산하여 열병합발전에 적합한 것은 SRF와 Bio-SRF로 한정되어 있다. 그중 SRF는 생활폐기물, 폐합성수지류, 폐합성섬유류, 폐고무류, 폐타이어 등을 사용하여 제조한 고형연료제품이며, Bio-SRF는 폐지류, 농업폐기물, 폐목재류, 식물성잔재물, 초본류 폐기물 등으로 제조한 고형연료제품 등이 포함되어 있다.
	SRF란?	국내에서는 8개의 재생에너지(태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 3개의 신에너지(연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지)를 신재생에너지로 지정하고 있으며 11개의 다양한 신재생에너지 중 전기와 열을 동시에 생산하여 열병합발전에 적합한 것은 SRF와 Bio-SRF로 한정되어 있다. 그중 SRF는 생활폐기물, 폐합성수지류, 폐합성섬유류, 폐고무류, 폐타이어 등을 사용하여 제조한 고형연료제품이며, Bio-SRF는 폐지류, 농업폐기물, 폐목재류, 식물성잔재물, 초본류 폐기물 등으로 제조한 고형연료제품 등이 포함되어 있다.
	국내에서 신재생에너지를 이용한 집단에너지사업에서 사용되는 신재생에너지의 범위는?	온실가스 감축 및 연료의 다각화를 위해 사업자들은 신재생에너지 및 미활용에너지를 활용하고 있지만 신재생에너지를 이용한 집단에너지사업은 몇몇 신재생에너지로 그 범위가 국한되어 있다. 국내에서는 8개의 재생에너지(태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 3개의 신에너지(연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지)를 신재생에너지로 지정하고 있으며 11개의 다양한 신재생에너지 중 전기와 열을 동시에 생산하여 열병합발전에 적합한 것은 SRF와 Bio-SRF로 한정되어 있다. 그중 SRF는 생활폐기물, 폐합성수지류, 폐합성섬유류, 폐고무류, 폐타이어 등을 사용하여 제조한 고형연료제품이며, Bio-SRF는 폐지류, 농업폐기물, 폐목재류, 식물성잔재물, 초본류 폐기물 등으로 제조한 고형연료제품 등이 포함되어 있다.

참고문헌 (10)

Korea Energy Economics Institute, 2011, A Study on the Plan for the Promotion of District Heating and Cooling using Renewable Energy.
Korea Energy Management Corporation, 2013, Korea Energy Handbook 2013.
Korea Energy Management Corporation, 2013, District Heat and Power Business Handbook 2013.
Korea Energy Management Corporation, 2013, 2012 New&Renewable Energy White Paper.
Korea Energy Economics Institute, 2014, KEEI Monthly Energy Trends.
Korea Energy Economics Institute, 2013, 2013 Yearbook of Energy Statistics.
Korea Energy Economics Institute, 2010, A Study on the Optimization of District Heat and Power System.
Korea Power Exchange. 2014, Market Report 2013.
BP, 2014, 2014 Energy Outlook 2035.
EIA, 2014, Annual Energy Outlook 2014 Early Release Overview.

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