[논문]집단에너지 사업자간의 열연계 메커니즘 구성에 의한 최적 열연계 산정 알고리즘 개발

김용하; 김승희; 현승연

doi:10.5855/energy.2017.26.4.057

문제 정의

따라서 본 논문에서는 열 거래를 위한 통합운용센터를 몇 개의 권역으로 나누어 각 권역마다 권역의 Hub 통합운용발전소를 두고 운용하는 것이 열매체의 특성을 반영하는데 적정하고 타당한 것으로 판단하여 수도권 열병합발전 사업자를 대상으로 하여 효과적으로 다자간 열 연계를 할 수 있는 메커니즘을 구성하고 이에 따라 사업자가 최적 열 연계를 할 수 있는 알고리즘을 개발하고 이를 실 사업자에 적용시켜 유용성을 검증하였다.
본 논문에서는 수도권 전체에 하나의 Hub 통합운용발전소를 두는 것은 통합운용의 효율성이 떨어진다 판단되어 권역별로 통합운용발전소를 두는 것으로 설계하였다. 권역별 Hub 통합운용발전소는 각 Loop마다 열연계의 효과가 가장 크고(용량 및 위치), 해당 권역에서 가장 큰 지배력을 가지고 있으며, 추후 한국지역 난방공사와 연계가 용이하다고 판단되는 발전소로 결정하는 것이 타당한 것으로 판단하였다.
본 논문에서는 열 연계 메커니즘을 구성하기 위해 계층화 열 연계를 설계하였다. Table 1은 계층화 열 연계 단계를 보인 것이다.
본 논문을 통하여 효과적으로 열 연계를 할 수 있는 메커니즘을 구성하고 이에 따라 사업자가 최적 열 연계를 할 수 있는 알고리즘을 개발 및 적용시켜 유용성을 검증하였다.

제안 방법

그러므로 Loop 시스템 구축 시 열 연계 거리는 경제성을 고려하여 100[km]가 넘지 않도록 구성하였으며 수도권 전체 집단에너지사업자의 연계를 위하여 열연계 중심축을 이루고 있는 한국지역난방공사의 연계 망에 접속이 용이하도록 구성하였다. 상기의 사항을 고려하여 수도권집단에너지사업자의 권역을 Loop로 구성된 안산권역, 인천권역, 목동권역, 위례권역 4개의 권역으로 구분하였다.
그러므로 연계량의 기준 사업자로부터 양방향으로 송열되는 연계량은 전체 연계량을 10[%] 단위로 나누어 Enumeration 방법으로 최적의 연계량을 도출하였다. 또한, 각 Case별 투자비와 수익증가비율을 통해 도 출한 Case별 투자회수기간을 고려하여 최종적으로 사 업자간 최적 열연계량을 도출하였다.
본 논문에서는 2.2절과 2.3절의 내용에 따라 수도권 집단에너지사업자의 권역을 Table 3과 같이 Loop로 구성된 4개의 권역으로 구분하였다.
그러므로 Loop 시스템 구축 시 열 연계 거리는 경제성을 고려하여 100[km]가 넘지 않도록 구성하였으며 수도권 전체 집단에너지사업자의 연계를 위하여 열연계 중심축을 이루고 있는 한국지역난방공사의 연계 망에 접속이 용이하도록 구성하였다. 상기의 사항을 고려하여 수도권집단에너지사업자의 권역을 Loop로 구성된 안산권역, 인천권역, 목동권역, 위례권역 4개의 권역으로 구분하였다.
셋째, 본 논문에서는 Loop(환상식) 시스템 구축 시 열 연계 거리는 경제성을 고려하여 100[km]가 넘지 않도록 구성하며 수도권 전체 집단에너지사업자의 연계를 위하여 열 연계 중심축을 이루고 있는 한국지역 난방공사의 연계망에 접속이 용이하도록 안산권역, 인천권역, 목동권역, 위례권역으로 구성하였다.
안산권역의 열 생산량의 제약을 고려하여 최적 열 생산량 및 연계량을 도출하였다. Enumeration 방법으 로 시흥 군자지구에서 안산 고잔/신길지구로 10[%] 송 열하고 장현, 목감으로 90[%] 송열하는 Case 1부터 안산 고잔/신길지구로 90[%], 장현, 목감으로 10[%] 송열하는 Case 9까지 구성하였다.
권역별 Hub 통합운용발전소는 각 Loop마다 열연계의 효과가 가장 크고(용량 및 위치), 해당 권역에서 가장 큰 지배력을 가지고 있으며, 추후 한국지역 난방공사와 연계가 용이하다고 판단되는 발전소로 결정하는 것이 타당한 것으로 판단하였다. 지정학적 위치, 집단에너지사업장의 설비용량, 연계가능여유용량, 열 연계 현황을 모두 종합적으로 판단하여 Loop별로 Hub 통합운용발전소를 결정하였다.
첫째, 본 논문에서는 열 연계 메커니즘을 구성하기 위해 계층화 열 연계를 설계하였다. 계층화 1단계는 권역 내에서 Hub 통합운용발전소를 결정, 권역 내에서 Hub 통합운용발전소 및 참여발전소 간을 연계, 한국지역난방공사에 연계하는 것으로 구성하고 계층화 2 단계는 권역 간의 연계를 하는 것으로 구성하였다.
투자비를 고려할 때 가압장의 수는 15[km]를 기준으로 1[개소]를 두는 것으로 하였으며 배관망 투자비는 열거래 용량에 따른 배관망 관경을 구한 후 그 관경과 열 연계 거리에 따라 계산하였다.

대상 데이터

안산권역의 열 생산량의 제약을 고려하여 최적 열 생산량 및 연계량을 도출하였다. Enumeration 방법으 로 시흥 군자지구에서 안산 고잔/신길지구로 10[%] 송 열하고 장현, 목감으로 90[%] 송열하는 Case 1부터 안산 고잔/신길지구로 90[%], 장현, 목감으로 10[%] 송열하는 Case 9까지 구성하였다.

성능/효과

본 논문에서는 수도권 전체에 하나의 Hub 통합운용발전소를 두는 것은 통합운용의 효율성이 떨어진다 판단되어 권역별로 통합운용발전소를 두는 것으로 설계하였다. 권역별 Hub 통합운용발전소는 각 Loop마다 열연계의 효과가 가장 크고(용량 및 위치), 해당 권역에서 가장 큰 지배력을 가지고 있으며, 추후 한국지역 난방공사와 연계가 용이하다고 판단되는 발전소로 결정하는 것이 타당한 것으로 판단하였다. 지정학적 위치, 집단에너지사업장의 설비용량, 연계가능여유용량, 열 연계 현황을 모두 종합적으로 판단하여 Loop별로 Hub 통합운용발전소를 결정하였다.
권역별로는 안산, 인천, 목동, 위례권역의 순서로 경제성이 우수한 것으로 도출되었다. Loop 구성 전 생산 비용 대비 Loop 구성 시 수익증가에 의한 생산비용 절감율은 다음과 같다.
넷째, 본 논문에서는 권역별 Hub 통합운용발전소는 지정학적 위치, 집단에너지사업장의 설비용량, 연계가 능여유용량, 열 연계 현황을 모두 종합적으로 판단하여 적정한 것으로 산정하였다. 따라서 안산권역은 안산도시개발(주)의 안산 고잔/신길지구, 인천권역은 인 천종합에너지(주)의 송도국제도시, 목동권역은 SH공사의 목동, 위례권역은 나래에너지서비스(주)의 하남 미사 사업장을 권역별 Hub 통합운용발전소로 산정하 였다.
다섯째, 권역별로 최적 열 생산량에 의한 사업자간 열연계량을 도출한 결과 안산, 인천, 목동, 위례권역의 순서로 우수한 것으로 도출되었다. Loop 구성 전 생산 비용 대비 Loop 구성 시 수익증가에 의한 생산비용 절감율은 최소 3.
둘째, 본 논문에서는 수도권 집단에너지사업자의 중앙을 관통하는 한국지역난방공사의 수지식 방식 열 배관망을 중심축으로 하여 가장 열 연계의 측면에서 비용 효과적으로 우수한 방식이며 수지식 방식 형태의 단점을 보완하며 열 거래효과를 높일 수 있는 환상식 방식 형태로 열 연계 시스템을 운용하는 것이 적정한 것으로 판단하였다.
통합운용의 기능을 수행하기 위해서는 설비용량이 충분하여야 열 연계로 인한 경제성을 극대화 시킬 수 있으며 열적 예비력 확보의 차원에서도 유리하다. 따라서 안산권역의 집단에너지사업장의 설비용량과 연 계가능여유용량의 3가지 측면에서 분석해본 결과 안 산도시개발(주)의 안산 고잔/신길지구 사업장이 이 Loop의 통합운용에 적정한 것으로 판단된다.
그러므로 연계량의 기준 사업자로부터 양방향으로 송열되는 연계량은 전체 연계량을 10[%] 단위로 나누어 Enumeration 방법으로 최적의 연계량을 도출하였다. 또한, 각 Case별 투자비와 수익증가비율을 통해 도 출한 Case별 투자회수기간을 고려하여 최종적으로 사 업자간 최적 열연계량을 도출하였다.
본 논문에서는 이러한 현실을 반영하여 수도권 집단 에너지사업자의 중앙을 관통하는 한국지역난방공사의 수지식 방식 열 배관망을 중심축으로 하여 가장 열 연계의 측면에서 비용 효과적으로 우수한 방식이며 수지식 방식 형태의 단점을 보완하며 열 거래효과를 높일 수 있는 환상식 방식 형태로 열 연계 시스템을 운용하는 것이 적당한 것으로 판단하였다.
수익증가분 측면의 계층화 1단계에서 각 권역의 수익증가분의 합과 계층화 2단계에서 각 Loop의 수익증 가분을 비교해본 결과 계층화 2단계에서의 수익증가분이 모든 Loop에서 계층화 1단계보다 높은 것으로 도출되었다. 따라서 Loop의 참여사업장 수를 점차 늘려가며 서로 양방향 열 연계를 할 시 수익증가분이 증가함에 따라 경제성이 더 좋아질 것이라 판단된다.
여섯째, 계층화 2단계는 이미 1단계가 갖춰진 이후에 진행한 과정이며 Loop 구성 전 생산비용 대비 Loop 구성 시 수익증가에 의한 생산비용 절감율은 최소 4.73[%]에서 최대 7.08[%]까지로 도출되었다. 김용하․김승희․현승연 에너지공학 제26권 제4호 2017 66
일곱째, 계층화 2단계에서의 수익증가분이 모든 Loop에서 계층화 1단계보다 높은 것으로 도출되었다. 따라서 Loop의 참여사업장 수를 점차 늘려가며 서로 양방향 열 연계를 할 시 수익증가분이 증가함에 따라 경제성이 더 좋아질 것이라 판단된다.
전술한 바와 같이 권역별 Hub 통합운용발전소는 지정학적 위치, 집단에너지사업장의 설비용량, 연계가능 여유용량, 열 연계 현황을 모두 종합적으로 판단하여 적정한 것으로 산정하였다.

후속연구

58[%]까지로 도출되었다. 따라서 Loop 구성 시 수익이 증가함으로써 생산비용이 절감되어 사 업안정성(계약 지속성)을 향상시켜 집단에너지사업자의 사업성을 확보함으로써 집단에너지사업의 건전성 을 확보하여 지속가능하고 예견 가능한 사업의 추진이 가능할 것으로 판단된다. 또한 수요자의 입장에서도 효율적인 방법으로 공평하고 형평성 있는 열 요금인하가 가능해짐으로써 지역과 함께하는 에너지복지를 실 현하는 데 일조할 수 있을 것으로 판단된다.
58[%]까지로 도출되었다. 따라서 Loop 구성 시 수익이 증가함으로써 생산비용이 절감되어 사 업안정성(계약 지속성)을 향상시켜 집단에너지사업자의 사업성을 확보함으로써 집단에너지사업의 건전성 을 확보하여 지속가능하고 예견 가능한 사업의 추진이 가능할 것으로 판단된다. 또한 수요자의 입장에서도 효율적인 방법으로 공평하고 형평성 있는 열 요금인하가 가능해짐으로써 지역과 함께하는 에너지복지를 실 현하는 데 일조할 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 Loop 구성 시 수익이 증가함으로써 생산비용이 절감되어 사 업안정성(계약 지속성)을 향상시켜 집단에너지사업자의 사업성을 확보함으로써 집단에너지사업의 건전성 을 확보하여 지속가능하고 예견 가능한 사업의 추진이 가능할 것으로 판단된다. 또한 수요자의 입장에서도 효율적인 방법으로 공평하고 형평성 있는 열 요금인하가 가능해짐으로써 지역과 함께하는 에너지복지를 실 현하는 데 일조할 수 있을 것으로 판단된다.[4-5]
따라서 Loop 구성 시 수익이 증가함으로써 생산비용이 절감되어 사 업안정성(계약 지속성)을 향상시켜 집단에너지사업자의 사업성을 확보함으로써 집단에너지사업의 건전성 을 확보하여 지속가능하고 예견 가능한 사업의 추진이 가능할 것으로 판단된다. 또한 수요자의 입장에서도 효율적인 방법으로 공평하고 형평성 있는 열 요금인하가 가능해짐으로써 지역과 함께하는 에너지복지를 실 현하는 데 일조할 수 있을 것으로 판단된다.[4-5]
향후 열 연계의 활성화를 위해서는 실제적인 연계상 황을 상정하여 열 연계 사업을 개시하기 전에 열 연계로 인한 효과를 정량적으로 면밀하게 분석할 수 있게 하여 사업자에게 열 연계의 효과를 제시할 수 있도록 다자간 열 거래효과를 분석할 수 있는 방법론의 개발이 요구된다. 즉, 양자 간 열 거래뿐만 아니라 최소한 3자 간 열 거래 및 다자간 열 거래를 시뮬레이션 할 수 있는 도구의 개발이 요구된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열의 특징은 무엇인가?	열은 전력과 같이 이동속도가 빠르지 못하고 전력에 비해 손실이 비교적 크게 발생하므로 전력거래와 같이 한개의 운용센터를 두고 열 연계 시스템을 운용하는 것은 현실성이 없다. 현재 열 연계가 모두 이루어지고 있는 한국지역난방공사의 경우에도 인접한 2~4개 정도의 열병합발전소간에만 열 거래가 이루어지고 있는 실정이다.
	망상식 방식의 네트워크 구성이 주로 사용되는 이유는 무엇인가?	Network의 구성은 대부분 초기의 수지식 방식(Tree system)으로부터 환상식 방식(Loop system)을 거쳐 망상식 방식(Mesh or Network system)으로 진화를 하 게 된다. 이는 수요가 증가함에 따라 Network의 구성 이 복잡해지고 이에 대응하여 안정적인 Network의 운 용이 요구되기 때문이다. Table 2는 각 방식의 장단점 을 보인 것이다.
	열 배관망의 거리가 증가함에 따라 나타나게 되는 문제점은 무엇인가?	현재 가장 먼 거리의 열 거래가 이루어지고 있는 곳 은 인천복합화력으로부터 청라에너지, GS파워(주) 부천 을 거쳐 SH공사에 이르는 배관망으로 거리는 약 50[km] 에 이르고 있다. 열 배관망의 거리가 증가하게 되면 공 사비가 증가하고 가압장의 개수도 증가하게 되어 열 거래에 의한 경제성이 저하되게 된다. 그러므로 Loop 시스템 구축 시 열 연계 거리는 경 제성을 고려하여 100[km]가 넘지 않도록 구성하였으 며 수도권 전체 집단에너지사업자의 연계를 위하여 열 연계 중심축을 이루고 있는 한국지역난방공사의 연계 망에 접속이 용이하도록 구성하였다.

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