[논문]매립가스 발전시설의 가동률 및 발전량에 미치는 주요 영향요소 분석

천승규

doi:10.4491/ksee.2016.38.3.128

매립가스 발전시설의 가동률 및 발전량에 미치는 주요 영향요소 분석
The Analysis of Main Factors Which Impact on Operation Rate and Power Production of Landfill Gas Power Plant 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.38 no.3, 2016년, pp.128 - 134

초록
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S 매립장 매립가스 발전시설을 대상으로 발전량에 미치는 주요 요소와 그 영향도를 분석하였다. 50 MWh 24시간의 정상가동 일수는 2007년부터 2014년까지의 총 운전기간 일수대비 70.9%이었으며, 실제 생산한 전력은 이론적인 최대 발전 가능량 3,428,400 MW의 79.3%이었다. 발전효율에 영향을 미치는 주요 요소는 정기점검 등이 44.0%, 황화수소로 인한 감축운전이 37.4% 그리고 공기예열기 세정 18.6% 순이었다. 그러나 황화수소 감축운전 기간이 2년인 점을 감안하면 고농도 황화수소 발생이 매립가스 발전에 가장 큰 영향을 미치고 있었다. 장기적인 발전 가능량 분석결과 매립종료 해인 2018년 35.9 MWh 이었으며 이후 지속적으로 감소하여 2028년 16.6 MWh, 2038년에는 8.4 MWh 이하가 될 것으로 예측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An analysis of the main factors and its degree of impact on power production is performed against the landfill gas power plant in S landfill site. The number of normal operation (50 MWh & 24 hr) days was 70.9% to the total number of operation days from 2007 to 2014, and the percentage of the actual power production was 79.3% of 3,428,400 MW which is the theoretical maximum estimation. The ratio of factors that accounted for the efficiency of power production are: 44.0% of repairing of the defect and regular servicing, 37.4% of cut-down operation due to hydrogen sulfide, and 18.6% of air pre-heater washing, respectively. Yet, considering that the cut-down operation due to hydrogen sulfide was carried out for only two years, the high concentration of hydrogen sulfide was the most influential factors on landfill gas power production. The long-term power production was analyzed as 35.9 MWh in 2018, and the constant drop is anticipated, resulting in 16.6 MWh by 2028, and under 8.4 MWh in 2038.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 매립가스 발전사업이 가지는 이러한 문제와 관련하여 국내 최대 매립가스 발전시설의 실 운영자료를 바탕으로 가동률과 발전량에 미치는 제 요소와 그 영향도를 분석하였고, 매립종료 이후 장기적인 발전 가능량을 추정하였다. 이를 통해 매립가스 발전사업 시 사전에 고려해야 할 사항들과 그 중요도를 제시함으로써 안정적이고 경제적인 매립가스 발전사업 추진에 기여하고자 하였다.
후)매립 종료">매립종료 이후 장기적인 발전 가능량을 추정하였다. 이를 통해 매립가스 발전사업 시 사전에 고려해야 할 사항들과 그 중요도를 제시함으로써 안정적이고 경제적인 매립가스 발전사업 추진에 기여하고자 하였다.

가설 설정

68 kw/Nm³_CH₄에 해당한다. 매립가스의 메탄농도를 평균 50% 로 가정한다면 매립가스 1 Nm³ 당 38.84 kw를 생산한 셈이다.

제안 방법

후)기타가연물">기타 가연물 그리고 고화슬러지 각각에 대한 W, k, L을 S 매립지 자체 분석자료 및 연구결과¹⁹⁾와 IPCC²⁰⁾ 값을 토대로 모델링하였다. 2015년부터 2018년까지 매립폐기물의 성상별 양은 LS2에 2000년부터 2014년까지 매립된 폐기물의 각 성상별 양의 계량자료를 토대로 추이분석을 하여 적용하였다. 이와 같이 하여 일차 모델링한 결과와 S 매립지에서 자체 측정한 표면발산량을 포함한 메탄 발생량 모니터링 값(2005-2014)과의 오차를 최소화하기 위하여 몬테카를로법^21,22)을 적용하였다.
97을 적용하였다. 그리고 연구대상 발전소의 설계 및 운영기준인 보일러 열효율과 터빈 열소비율을 적용하였다. 즉, 후)제2전 처리">제2전처리 시설이 본격적으로 가동되는 2017년부터는 황화수소에 의한 감축운전은 거의 없을 것으로 판단된다. 따라서 2013년 12월 27일부터 평균 33 MWh로 감축운전을 지속하고 있기 때문에 2015, 2016년 두 해는 33 MWh 감축 운전율을 적용하였다. 그리고 여기에 후)폐기물성상별">폐기물 성상별 매립량, 매립가스 발생량, 매립가스 모니터링 자료 그리고 발전소의 2007년 3월 7일부터 2014년 12월 31일까지의 일일 운영 자료를 활용하였다. 또한 매립가스 실측자료를 활용한 보정과 검정을 통해 모델링을 수행함으로써 장기적인 발전 가능량을 추정하였다.
본 연구에서는 S 매립지에 대하여 생활계 폐기물은 음식물류, 종이류, 목재류, 섬유류, 기타 가연물, 건설폐기물은 종이류, 목재류, 섬유류, 기타 가연물 그리고 고화슬러지 각각에 대한 W, k, L을 S 매립지 자체 분석자료 및 연구결과¹⁹⁾와 IPCC²⁰⁾ 값을 토대로 모델링하였다. 2015년부터 2018년까지 본 연구에서는 연구 대상 매립장인 LS1과 LS2 각각에 대하여 연간 모니터링 값과 매립가스의 농도 측정결과를 활용하여 f_coll와 f_oxi를 산정하였으며, 가스포집시스템 운영방식이 고정화되어 비교적 일정한 수준을 보이기 시작한 시기의 값을 2015년 이후의 예측 부문에 대해서 적용하였다. 즉, LS1은 2008-2014년의 f_coll 0.
후)구하는 데">구하는데 필요한 정보들이 부족한 상황에서 유용하게 사용될 수 있다. 본 연구에서도 이 방법을 적용하여 최적 k, L을 도출한 뒤 이를 토대로 모델링을 함으로써 장기적인 Q_meth예측 값을 구하였다. 한편 LS1의 경우에는 모델링을 위한 기본 자료인 후)포집 가능량,">포집가능량, 황화수소의 영향 그리고 정기적인 점검과 보수에 따른 영향을 모두 고려하여야 한다. 정기점검 및 보수의 빈도나 기간을 미리 추정하는 것은 어려우므로 발전소 운영이 시작된 2007년부터 2014년까지의 정기점검 등에 따른 평균 발전 손실율을 2015년 이후 동일하게 적용하였다. 다만, 이러한 점검 및 보수에 따른 손실율은 시간이 갈수록 커질 수 있다는 점을 감안해야 할 것이다.
후)최적k,">최적 k, L을 도출한 뒤 이를 토대로 모델링을 함으로써 장기적인 Q_meth예측 값을 구하였다. 한편 LS1의 경우에는 모델링을 위한 기본 자료인 폐기물 성상별 매립량과 매립가스 모니터링 자료가 부족하여 장래 발생량 예측은 추이분석에 의하여 수행하였다.

대상 데이터

Q_meth을 구하는데 있어서 매립시설을 처음 건설할 때에는 예상되는 W를 정하고 L, k^15,16)에 대한 실험^17,18) 또는 차용 가능한 데이터를 사용하게 된다. 반면, 이미 어느 정도 운영 중인 매립장에 대해서는 해당 매립장의 매립가스 모니터링 자료를 통해 모델의 보정과 검정을 수행함으로써 보다 정확한 Q_meth을 도출할 수 있다.
후)연구 대상">연구대상 매립지는 S 매립지로서 동 매립지에는 1992년 4월부터 폐기물이 매립되어 2000년 10월 매립이 종료된 매립장(LS1)과 2000년 10월부터 매립이 진행중인 매립장(LS2) 이 있다. LS1은 3,084 × 10³ m² 의 면적에 총 64.
후)수평 포집관에">수평포집관에 의해 포집되어 2007년 3월부터 50 MWh 규모의 스팀터빈 방식의 매립가스 발전시설(발전소)에 활용되고 있다. 연구를 위하여 S 매립지의 폐기물 성상별 매립량, 매립가스 발생량, 매립가스 모니터링 자료 그리고 발전소의 2007년 3월 7일부터 2014년 12월 31일까지의 일일 운영 자료를 활용하였다. 또한 매립가스
이론/모형
- 후)추이 분석을">추이분석을 하여 적용하였다. 이와 같이 하여 일차 모델링한 결과와 S 매립지에서 자체 측정한 표면발산량을 포함한 메탄 발생량 모니터링 값(2005-2014)과의 오차를 최소화하기 위하여 몬테카를로법^21,22)을 적용하였다.
  성능/효과
  
  1) 50 MWh로 24시간 가동한 일수는 발전사업 전 기간 총일수의 70.9%이었으며, 발전량은 2,718,999 MW로서 이론 적인 총 발전가능량 3,428,400 MW의 79.3%이었다.
  
  2) 발전효율에 영향을 미치는 주요 요소는 정기점검 등이 44.0%, 황화수소로 인한 감축운전이 37.4% 그리고 공기예열기 세정이 18.6%이었다.
  
  3) 2013년부터 시작된 황화수소로 인한 감축운전은 2016년까지 지속될 것으로 판단되며, 황화수소 연평균 농도는 2018년 최대 2만 ppm에 도달하고, 포집 매립가스내 처리대상 황부하량은 15.6톤/일로 증가할 것으로 예상되었다.
  
  4) 장기적인 발전소의 최대 발전 가능량은 2018년 35.9 MWh, 2028년 16.6 MWh 그리고 발전시설 가동 후 약 30년 후인 2038년에는 8.4 MWh 이하로 감소할 것으로 추정되었다.
  
  후)매립 종료">매립종료 이후에는 매립가스의 발생량이 급감하기 시작하므로 매립가스 포집량과 정기점검 등을 고려한 실 발전 가능량도 급하게 감소하여 매립종료 후 약 10년 후인 2028년에는 16.6 MWh 그리고 발전소 가동 이후 약 30년 뒤인 2038년에는 8.4 MWh로 감소될 것으로 추정되었다. 그러나 실제 발전소 운영에서는 시간이 경과할수록 시설 노후화에 따른 후)분석 결과">분석결과 2007년부터 2014년까지 정기점검, 공기예열기 세정, 황화수소로 인한 가동정지 또는 감축운전이 3대 원인이었다. 발전설비의 하자보수와 정기점검 등이 44.0%로서 가장 큰 요인이었고 황화수 소로 인한 감축운전이 두 번째였다. 그러나 하자보수로 인한 요인이 컸던 가동 첫해인 2007년을 제외할 경우
  후속연구
  
  후)운영 계획에">운영계획에 연동되기 때문에 일정한 것은 아니다. 다만, 안정적이고 최대의 포집율을 보이는 시기의 값을 장래의 포집율로 적용할 수 있을 것이다.
  
  향후 매립가스를 이용한 최대 발전 가능량을 산정하기 위해서는 매립가스 포집가능량, 황화수소의 영향 그리고 정기적인 점검과 보수에 따른 영향을 모두 고려하여야 한다. 정기점검 및 보수의 빈도나 기간을 미리 추정하는 것은 어려우므로 발전소 운영이 시작된 2007년부터 2014년까지의 정기점검 등에 따른 평균 발전 손실율을 2015년 이후 동일하게 적용하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매립가스의 양과 질에 영향을 주는 요인은 무엇인가?	매립가스의 양과 질은 사회․경제적 여건 그리고 폐기물 관련 제도변경 등에 따라 변화가 심하고, 매립지 운영방식이 변화되면 이 또한 매립가스의 포집량과 포집가스 내 메탄 농도에 큰 영향을 주게 된다. 아울러 매립이 종료된 이후에는 매립가스량 자체가 급감하므로 발전시설의 가동률이 빠른 시간내에 저하되는 문제가 있다.
	폐기물 매립지에서 발생하는 매립가스가, 포함하고 있는 물질은?	폐기물 매립지에서 발생하는 매립가스(LFG)는 일반적으로 45~60%의 메탄(CH4)과 40~55%의 이산화탄소(CO2), 이외에 소량의 황화수소, 암모니아, 휘발성 유기물질 등을 포함 하고 있다.1) 매립가스 중 메탄은 GWP 21의 주된 지구온난화 기여물질이며 동시에 에너지원으로의 활용이 가능하기 때문에 메탄을 활용한 발전 등 에너지 회수는 기후변화 대응, 신재생에너지 확보,2) 분산형 발전시스템 확충,3) 매립장의 환경개선 및 경제적인 매립장 운영을 위하여 매우 중요한 사업이다.
	매립가스 발전시설을 운영하는 것이, 어려운 이유는?	매립가스 발전시설은 발전설비와 운영원리 자체가 천연가스 발전시설과 유사하지만 실제 매립가스 발전시설의 적정 규모를 결정하고 운영함에 있어서는 여러 가지 어려운 점이 많다. 매립가스는 천연가스와 달리 실록산4,5) 등 불순물이 많기 때문에 전처리 설비의 설치․운영에도 불구하고 주기적인 보수 및 점검에 따른 가동중단 횟수와 기간도 천연가스 발전시설에 비하여 상대적으로 클 뿐만 아니라 전처리에 따른 폐수의 발생이나 부산물의 처분문제 역시 부가 적으로 발생할 수밖에 없다. 아울러 원료인 1차 에너지원 자체가 천연가스와 달리 인위적인 조절이 불가능하고 매립장에서의 발생량에 수동적으로 의존해야 하는 문제가 있다. 결국 이러한 문제들은 기본적으로 발전설비로서의 경제성 확보와 안정적 운영에 큰 걸림돌이 되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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