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문제 정의
- 본 논문에서는 가장 최적화된 마이크로그리드 에너지시스템 설계를 위하여 총 세가지 시스템을 구성하여 비교하였다. CASE Ⅰ의 경우 기존의 CHP만을 운전하는 경우이고, CASE Ⅱ는 CHP에 연료전지를 하이브리드 시켰으며, CASE Ⅲ는 CHP와 연료전지에 기타 신재생에너지 하이브리드 시스템을 설계해 보았다.
- 본 논문에서는 많은 장점을 가졌음에도 불구하고 수익성이 악화되고 있는 대표적인 분산형 전원인 구역전기사업에 한국지역난방공사 SS지사의 실제 운영 자료를 기반으로 한 에너지 신사업 모델인 신재생에너지 하이브리드 시스템을 도입한 운영모델을 개발하고자 HOMER 프로그램을 이용해 최적조합과 발전 용량 산정 그리고 경제성에 대한 연구를 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 논문에서는 하절기의 감소된 열부하를 추종하여 가동할 수 있는 연료전지를 기반으로 한 신재생에너지 하이브리드 시스템에 대한 최적의 공정모델을 제시하는 것이 목표이기 때문에 [Table 4.7]과 [Table 4.8]에는 CHP와 연료전지 운전 상태를 비교해 보았다. CHP는 CASE Ⅰ에서 CASE Ⅲ로 갈수록 CHP 가동시간이 줄어들어 기기수명과 평균출력은 약간 증가하여 비용적인 측면에서 유리하다는 것을 알 수 있다.
- 이에 본 연구에서는 먼저 구역전기사업자의 경영 현황과 구역전기사업의 운영제도를 검토하여 구역전기사업이 활성화되지 못하는 주요 원인을 분석하고, 이어서 구역전기사업에 신재생에너지를 하이브리드 시켜서 지난 2015년 12월 합의 된 파리기후협정(COP21)에 따른 온실가스 감축과 RPS(Renewable Portfolio Standard; 500MW 이상의 시설을 보유한 발전 사업자에게 총 발전량에서 일정비율을 신재생에너지로 공급하도록 의무화하는 제도. 국내는 2012년 1월 1일부터 시행) 제도 도입으로 미래 에너지원으로 부각되는 신재생에너지원을 접목한 CHP Hybrid System의 합리적인 운영방안을 도출하고자 한다.[3]
가설 설정
- 시뮬레이션에 사용된 태양광 어레이의 용량은 발전소 유휴부지 면적을 고려하여 500kW부터 2,000kW까지 선택할 수 있는 것으로 제한하였으며, 추적시스템은 사용하지 않는 것으로 가정하고 수명은 25년으로 설정하였다.
- 인버터의 용량을 나타내는 결정변수인 컨버터의 사이즈는 장치가 DC전원을 발전시킴으로써 생산할 수 있는 교류전력의 최대량을 말한다. 시스템에서 컨버터는 단일종류이며 비용과 용량, 효율, 수명만을 가정할 수 있다. 인버터와 정류기의 효율은 90%, 수명은 15년, 용량은 1,000kW부터 30,000kW까지 범위를 설정했다.
제안 방법
- 본 논문에서는 가장 최적화된 마이크로그리드 에너지시스템 설계를 위하여 총 세가지 시스템을 구성하여 비교하였다. CASE Ⅰ의 경우 기존의 CHP만을 운전하는 경우이고, CASE Ⅱ는 CHP에 연료전지를 하이브리드 시켰으며, CASE Ⅲ는 CHP와 연료전지에 기타 신재생에너지 하이브리드 시스템을 설계해 보았다. 여기서 기타 신재생에너지원은 태양광을 사용하였다.
- 앞서 1장과 2장에서 시뮬레이션 대상지역을 선정하였으며, ○○택지개발지구의 2013~ 2014년도 실제 전력 판매량 데이터를 바탕으로 월별 평균전력과 최대전력을 살펴 보았다. HOMER 프로그램 전력부하 입력시 1년치의 월별 평균전력 부하를 사용해도 되지만 보다 정확한 분석을 위하여 [Fig. 3.1]와 같이 소형 열병합발전시스템을 통해 전기와 열을 공급받고 있는 대구지역 C 주택 669세대에 대한 2004년 1월~12월까지의 월별 시간별 에너지 부하패턴을 적용하여 [Table 3.5]와 같이 2014년도 실적치를 바탕으로 월별 시간별 전력부하를 모델링하였다.[6]
- 6]과 같이 2014년 실적치를 바탕으로 열부하를 월별 시간별로 모델링하였다. HOMER 프로그램은 열부하 입력시 칼로리 단위를 지원하지 않기 때문에 1MWh = 0.86Gcal 를 적용하여 kWh 단위로 열부하를 변경하여 산출하였다.
- SS지사의 전력부하를 모델링한 데이타 [Table 3.5]를 HOMER 프로그램에 입력하여 [Fig. 3.2] 및 [Fig. 3.3]과 같은 그래프를 도출하였다.[7]
- 순 현재비용의 변수에서 연간이자율(할인율)은 6%, 감가상각율은 5%, 프로젝트 기간은 25년으로 고려하였다. 각 구성 시스템들의 비용은 국내에 설치된 발전소나 유사한 시설에서 집행된 비용의 개략적인 평균값으로 설정했고, 연료비는 CHP, 연료전지, PLB별로 도시가스사의 지난 1년간의 평균치를 적용했다. 또한, HOMER에서는 각 나라의 화폐단위로 변경할 수 있으므로 기본 설정값인 달러에서 국내 원화로 바꿔서 적용하였다.
- 시뮬레이션 계획시 대상지역을 선정한 후 CASE별로 계통도(시스템을 구성하는 설비들을 간단한 도형으로 표시하고 그들 상호간을 선이나 화살표 등으로 연결해서 설비 전체의 구성을 나타내는 도면)를 작성하는 것이 가장 중요하다. 계통도를 작성 후 선정된 대상지역의 전력부하 및 열부하 1년치를 월별로 시간단위로 입력하고, 논문에서 연구하고자 하는 CASE별 계통도의 Generator와 Component를 선택하여 각 설비들의 연료 선정, 연료 소모량, 효율, 설계수명, 열회수율 등과 같은 변수와 전력부하 및 열부하에 대응하는 적절한 용량 범위 등 운전 제한조건을 입력해 준다. 이때 설비들의 용량범위를 너무 넓거나 좁지 않게 선정하는 것이 중요하다.
- 그리고 각 설비들의 설치비, 교체비, 운영비와 연료단가를 실제와 유사하게 입력한다. 그 후 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실제로 예상하는 기대효과와 비교분석한 뒤 경제성분석과 민감도 분석을 검토하는 순으로 진행하였다.
- 각 구성 시스템들의 비용은 국내에 설치된 발전소나 유사한 시설에서 집행된 비용의 개략적인 평균값으로 설정했고, 연료비는 CHP, 연료전지, PLB별로 도시가스사의 지난 1년간의 평균치를 적용했다. 또한, HOMER에서는 각 나라의 화폐단위로 변경할 수 있으므로 기본 설정값인 달러에서 국내 원화로 바꿔서 적용하였다. Grid에서 전력거래시 매매비용은 100원/kWh으로 적용했다.
- 본 논문에서 말하는 CHP란 Gas Turbine, 배열회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator ; HRSG), Steam Turbine의 조합을 말하며, 실제 SS지사의 Heat Balance Diagram(-12℃, 운전모드 Ⅰ, 2GT×100%, 조연)의 연료 소비량대비 출력과 효율을 HOMER 프로그램에 입력하여 [Fig. 3.7] 및 [Fig. 3.8]과 같이 현장과 가장 유사하게 연료곡선(Fuel Flow)과 효율(Efficiency)을 산정하였다.
- 국내에서 발전용 연료전지로 사용할 수 있는 시스템은 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 인산형 연료전지 (PAFC)가 있다. 본 논문에서는 2017년부터 상업운전 개시 예정인 ○○○○에너지(주)의 용융탄산염 연료전지 설계 데이터를 바탕으로 연료 소비량대비 출력과 효율을 HOMER 프로그램에 입력하여 [Fig. 3.8] 및 [Fig. 3.9]과 같이 설계 데이터와 가장 유사하게 연료곡선 (Fuel Flow)과 효율(Efficiency)을 산정하였다.[8]
- 본 논문에서는 시뮬레이션을 하기 위해 필요한 연간 전력부하(Electric Load) 사용량, 연간 열부하(Thermal Load) 사용량, 열병합(CHP), 연료전지(Fuel Cell), 태양광발전(Photovoltaic), 배터리(ESS), 컨버터(Converter), PLB(Peak Load Boiler), 그리드(Grid)의 조합을 모델링 하였다. 현재 한국지역난방공사 SS지사의 경우 계통연계형 Microgrid로 운영 중이므로 Grid와 연결하여 시뮬레이션을 진행하였고, 동절기 Peak 열 부하를 감당하기 위한 PLB를 설정하였다.
- 06원/N㎥을 적용하였다. 상기 Heat Balance Diagram을 근거로 시간당 연료 23,551㎥를 소비할 때 최대 출력 106,440kWh로 CHP Fuel Flow를 산정하였다.
- 72원/N㎥을 적용하였다. 상기 설계 데이터를 근거로 시간당 연료 489㎥를 소비할 때 최대 출력 2,500kWh로 연료전지 Fuel Flow를 산정하였다. 전기 효율은 47.
- HOMER 프로그램을 사용하여 경제성 분석을 실시할 때 가장 먼저 해야 할 일은 선정된 대상지역의 부하를 산정하는 것이다. 앞서 1장과 2장에서 시뮬레이션 대상지역을 선정하였으며, ○○택지개발지구의 2013~ 2014년도 실제 전력 판매량 데이터를 바탕으로 월별 평균전력과 최대전력을 살펴 보았다. HOMER 프로그램 전력부하 입력시 1년치의 월별 평균전력 부하를 사용해도 되지만 보다 정확한 분석을 위하여 [Fig.
- 열부하 역시 전력부하와 똑같은 방식으로 월별 시간별 에너지 부하패턴을 적용하여 [Table 3.6]과 같이 2014년 실적치를 바탕으로 열부하를 월별 시간별로 모델링하였다. HOMER 프로그램은 열부하 입력시 칼로리 단위를 지원하지 않기 때문에 1MWh = 0.
- ) 배출량을 할당하고, 여유분 또는 부족분을 다른 기업에 현금ㆍ주식처럼 사고 팔 수 있게 한 제도)를 시작했다. 이번에는 [Table 4.10]에서 CASE별 Carbon Dioxide(CO2) 배출량을 비교해 보았다. CASE Ⅰ의 CHP 단독 열병합발전의 경우 CO2 배출량이 가장 높게 나왔고, CASE Ⅲ의 CHP+연료전지+태양광+ESS의 경우 CO2 배출량이 가장 낮게 나왔다.
- 첫 번째 시뮬레이션은 현재 가동중인 CHP 단독 열병합발전일 때를 고려하였으며, 두 번째 시뮬레이션은 CHP와 연료전지 열병합발전일 때를 고려하였으며, 세 번째 시뮬레이션은 CHP와 연료전지, 그리고 신재생에너지와의 하이브리드 열병합발전일 때를 고려하여 어떠한 조합이 최적인지 분석하였다.
- 본 논문에서는 시뮬레이션을 하기 위해 필요한 연간 전력부하(Electric Load) 사용량, 연간 열부하(Thermal Load) 사용량, 열병합(CHP), 연료전지(Fuel Cell), 태양광발전(Photovoltaic), 배터리(ESS), 컨버터(Converter), PLB(Peak Load Boiler), 그리드(Grid)의 조합을 모델링 하였다. 현재 한국지역난방공사 SS지사의 경우 계통연계형 Microgrid로 운영 중이므로 Grid와 연결하여 시뮬레이션을 진행하였고, 동절기 Peak 열 부하를 감당하기 위한 PLB를 설정하였다. 첫 번째 시뮬레이션은 현재 가동중인 CHP 단독 열병합발전일 때를 고려하였으며, 두 번째 시뮬레이션은 CHP와 연료전지 열병합발전일 때를 고려하였으며, 세 번째 시뮬레이션은 CHP와 연료전지, 그리고 신재생에너지와의 하이브리드 열병합발전일 때를 고려하여 어떠한 조합이 최적인지 분석하였다.
대상 데이터
- REC란 Renewable Energy Certificate의 약자로 신재생에너지 공급 인증서라 한다. 1 REC는 신재생에너지 전력생산량(㎿h)에 가중치를 곱해 부여하는 단위를 의미하며, 본 논문에 이용된 REC가격은 현물시장에서 2016년 10월 거래 가격의 평균값인 173,136원을 사용하였다. 연료전지의 가중치는 2.
- 배터리는 일반적으로 많이 사용되는 1kWh Li-Ion 전지를 사용하였으며, 효율은 90%, 수명은 15년, 용량은 1,000kW부터 5,000kW까지 범위를 설정했다
- 시뮬레이션에 사용된 CHP의 수명은 30년, 용량은 실제 SS지사의 설비 규모인 99,000kW로 범위를 한정하였다
- 2%로 연료전지 Efficiency를 산정하였다. 시뮬레이션에 사용된 연료전지의 수명은 10년, 용량은 전력부하와 열부하를 감안하여 5,000kW부터 20,000kW까지 범위를 설정하였다
- 연료는 LNG이며, 도시가스사의 연료전지 발전요금을 1년간 평균한 519.72원/N㎥을 적용하였다. 상기 설계 데이터를 근거로 시간당 연료 489㎥를 소비할 때 최대 출력 2,500kWh로 연료전지 Fuel Flow를 산정하였다.
- 연료는 LNG이며, 도시가스사의 집단에너지 CHP 발전요금을 1년간 평균한 521.06원/N㎥을 적용하였다. 상기 Heat Balance Diagram을 근거로 시간당 연료 23,551㎥를 소비할 때 최대 출력 106,440kWh로 CHP Fuel Flow를 산정하였다.
- 현재 한국지역난방공사에서 운영중인 구역전기사업은 총 4개 지역이다. 이중에서 설비규모가 가장 크지만 하절기 열부하가 적어서 하절기인 6~9월 사이에 CHP 가동이 곤란한 지역이면서 사업장 내 녹지나 주차장 등 인근의 유휴부지 활용이 가능하여 신재생에너지 설비 설치가 가능한 SS지사를 시뮬레이션 대상지역으로 선정하였다. 상기 지사가 위치하는 ○○택지개발지구는 정부의 향후 10년간 “국민임대주택 100만호 건설”정책의 부응과 수도권 지역의 무주택서민 및 저소득층의 주거생활 안정과 고양시 동부지역의 균형성장 목적으로 추진되고 있는 지역이며, 지속적인 인구유입으로 전력 및 열부하의 꾸준한 증가가 예상되는 곳이다.
- 시스템에서 컨버터는 단일종류이며 비용과 용량, 효율, 수명만을 가정할 수 있다. 인버터와 정류기의 효율은 90%, 수명은 15년, 용량은 1,000kW부터 30,000kW까지 범위를 설정했다.[9],[10]
이론/모형
- 본 연구에서는 최적공정 모델의 경제성 분석 프로그랩으로 미국의 NREL (National Renewable Energy Laboratory)에서 개발한 HOMER(Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources)를 사용하였다. HOMER에서 경제성 분석을 하기 위해서 각 구성요소에 대한 초기투자비(Capital Cost), 교체비(Replacement Cost), 운영유지비(O&M Cost)를 입력해주고, 그 결과 발전단가 비용(COE: Cost of Energy)과 순 현재비용(NPC: Net Present Cost), 그리고 잔존가치(Salvage Value) 등이 계산되어진다.
성능/효과
- 1. 기존의 99MW CHP와 신재생에너지를 조합하여 HOMER 프로그램을 수행한 결과, 5MW의 연료전지와 521kW의 태양광을 하이브리드 시키는 것이 최적의 조합으로 나타났다.
- 2. NPC만으로 경제성을 분석한 결과, 99MW의 CHP 열병합발전만으로 전력과 열을 공급하는 것은 99MW의 CHP와 5MW의 연료전지, 521kW의 태양광을 하이브리드 시키는 것보다 최대 313억원 경제적이다.
- 3. 그러나, 탄소배출권 거래만으로 경제성을 분석한 결과, 99MW의 CHP와 5MW의 연료전지, 521kW의 태양광을 하이브리드 시켜서 전력과 열을 공급하는 것이 99MW의 CHP 열병합발전만으로 전력과 열을 공급하는 것보다 최대 32억원 경제적이다.
- 4. 마찬가지로, REC 거래만으로 경제성을 분석한 결과, 99MW의 CHP와 5MW의 연료전지, 521kW의 태양광을 하이브리드 시켜서 전력과 열을 공급하는 것이 99MW의 CHP 열병합발전만으로 전력과 열을 공급하는 것보다 최대 2,755억원 경제적이다.
- 5. 그러므로, 종합적인 경제성 분석결과는 99MW 의 CHP와 5MW의 연료전지, 521kW의 태양광을 하이브리드 시켜서 전력과 열을 공급하는 것이 99MW 의 CHP 열병합발전만으로 전력과 열을 공급하는 것 보다 최대 2,475억원 경제적이다.
- 6. 연료비를 -10 ~ +10% 변화하면서 민감도를 분석한 결과, NPC는 연료비의 변동에 따라 정비례하는 결과가 도출되었다.
- 10]에서 CASE별 Carbon Dioxide(CO2) 배출량을 비교해 보았다. CASE Ⅰ의 CHP 단독 열병합발전의 경우 CO2 배출량이 가장 높게 나왔고, CASE Ⅲ의 CHP+연료전지+태양광+ESS의 경우 CO2 배출량이 가장 낮게 나왔다. CO2 배출량을 비교해 보면 CASE Ⅰ을 기준으로 CASE Ⅱ는 연간 5,104ton 이 감소되었고, CASE Ⅲ는 연간 7,176ton이 감소되었다.
- CASE 별 NPC의 경제성 측면에서만 고려해 봤을 때 CHP 단독 발전인 CASE Ⅰ이 가장 경제적으로 나타났고,경제적인 순서를 나열하면 CASE Ⅰ > CASE Ⅲ > CASE Ⅱ 로 분석되었다.
- CASE별 REC 거래의 경제성 측면에서만 고려해 봤을 때 CASE Ⅲ이 가장 경제적으로 나타났고, 경제적인 순서를 나열하면 CASE Ⅲ > CASE Ⅱ > CASE Ⅰ로 분석되었다.
- CASE별 탄소배출권 거래의 경제성 측면에서만 고려해 봤을 때 CASE Ⅲ이 가장 경제적으로 나타났고, 경제적인 순서를 나열하면 CASE Ⅲ > CASE Ⅱ > CASE Ⅰ 로 분석되었다.
- CHP + 연료전지 + 신재생에너지 발전시스템 일 때 시뮬레이션한 결과 연료전지는 5,000kW, Photovoltaic 은 521kW, ESS는 500kW, Converter는 4,650kW가 선정되었으며, [Table 4.3]과 같이 순 현재비용은 4,830 억원이고, 발전단가 비용(Cost Of Energy ; COE)은 113.98원/kWh으로 분석되었다.
- CHP + 연료전지 발전시스템 일 때 시뮬레이션한 결과 연료전지는 5,000kW, Converter는 3,000kW가 선정되 었으며, [Table 4.2]와 같이 순 현재비용은 4,846억원이고, 발전단가 비용은 112.24원/kWh으로 분석되었다.
- 8]에는 CHP와 연료전지 운전 상태를 비교해 보았다. CHP는 CASE Ⅰ에서 CASE Ⅲ로 갈수록 CHP 가동시간이 줄어들어 기기수명과 평균출력은 약간 증가하여 비용적인 측면에서 유리하다는 것을 알 수 있다. 또한, 연료전지는 CASE Ⅱ와 CASE Ⅲ의 가동시간이 1년 8,760시간동안 쉬지 않고 가동되어 똑같지만 ESS와 하이브리드한 CASE Ⅲ의 경우 전력생산량이 연간 10,125,250kWh 증가한 것으로 보아 신재생 에너지 하이브리드 시스템에 ESS는 필수라는 사실을 확인할 수 있었다.
- CASE Ⅰ의 CHP 단독 열병합발전의 경우 CO2 배출량이 가장 높게 나왔고, CASE Ⅲ의 CHP+연료전지+태양광+ESS의 경우 CO2 배출량이 가장 낮게 나왔다. CO2 배출량을 비교해 보면 CASE Ⅰ을 기준으로 CASE Ⅱ는 연간 5,104ton 이 감소되었고, CASE Ⅲ는 연간 7,176ton이 감소되었다. 2016년 9월 현재 ton당 18,000원인 탄소배출권 거래가격을 감안하면 CASE Ⅰ을 기준으로 CASE Ⅱ 는 연간 5,104ton이 감소되어 연간 91,872천원의 경제적인 이득을 볼 수 있고, CASE Ⅲ는 연간 7,176ton 이 감소되어 연간 129,168천원의 수익이 발생하는 것으로 분석되었다.
- 현재 SS지사에서는 열부하 추종하여 CHP를 가동하고 있으나 우리나라 계절적인 특성상 하절기(6~9월)에는 열부하가 적어 CHP를 가동하지 못하는 실정이다. HOMER 분석 결과도 실제와 마찬가지로 [Fig. 4.1]과 같이 하절기에는 전량 그리드에서 전력부하를 담당하는 것이 경제적인 것으로 분석되었고, 열부하는 [Fig. 4.2]와 같이 PLB에서 담당하는 것이 경제적인 것으로 분석되었다.
- HOMER에서 시뮬레이션 결과는 순 현재비용(Net Present Cost ; NPC)이 낮은 순서로 용량별로 나열되지만, 본 논문에서는 SS지사와 가능한 동일한 조건으로 시뮬레이션하기 위해 CHP용량은 99,000kW로 한정하여 단독 발전시스템으로 시뮬레이션한 결과 [Table 4.1]과 같이 순 현재비용은 4,518억원이고, 발전단가 비용(Cost Of Energy ; COE)은 98.49원/kWh으로 분석되었다.
- NPC의 경제성 측면에서만 고려하면 CASE Ⅰ이 가장 유리하지만, 탄소배출권 거래와 REC 거래를 감안하여 경제적인 순서를 나열하면 CASE Ⅲ > CASE Ⅱ > CASE Ⅰ 로 분석되었다.
- CASE Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 모두 O&M 비용은 남는 전기를 전력망에 판매하는 비용이 발생하므로 수익이 창출되므로 ‘-’로 표시되는데 전력 생산량이 가장 많은 CASE Ⅲ가 CASE Ⅰ보다 O&M 비용은 23,502백만원이 더 유리하다. 경제성 분석 결과에서 가장 큰 비용을 차지하는 연료비는 전력생산량이 가장 작은 CASE Ⅰ이 CASE Ⅲ보다 20,588백만원 더 적다. CASE 별 NPC의 경제성 측면에서만 고려해 봤을 때 CHP 단독 발전인 CASE Ⅰ이 가장 경제적으로 나타났고,경제적인 순서를 나열하면 CASE Ⅰ > CASE Ⅲ > CASE Ⅱ 로 분석되었다.
- CHP는 CASE Ⅰ에서 CASE Ⅲ로 갈수록 CHP 가동시간이 줄어들어 기기수명과 평균출력은 약간 증가하여 비용적인 측면에서 유리하다는 것을 알 수 있다. 또한, 연료전지는 CASE Ⅱ와 CASE Ⅲ의 가동시간이 1년 8,760시간동안 쉬지 않고 가동되어 똑같지만 ESS와 하이브리드한 CASE Ⅲ의 경우 전력생산량이 연간 10,125,250kWh 증가한 것으로 보아 신재생 에너지 하이브리드 시스템에 ESS는 필수라는 사실을 확인할 수 있었다.
- 본 논문에서 시뮬레이션 대상지역으로 선정한 SS지사는 택지개발지구 특성상 입주 초기에는 주택, 업무용 빌딩, 상가 등의 입주 지연으로 전력부하가 많지 않았으나, 2014년도에 사용고객 증가추세로 [Table 3.3]에서 보는 바와 같이 최대수요전력(어느 일정기간 동안의 1시간 평균전력이 최대인 전력수요)과 평균전력(일정기간의 전력량을 그 기간의 총 시간수로 나눈 값)이 2013년도에 비해 약 60% 정도 증가하였다.
- 분석결과 연료전지의 설비규모가 5MW로 부하에 비해 상대적으로 작아 전량 부하를 담당하지 못하였으나, [Fig. 4.5], [Fig. 4.6]와 같이 연중 가동되어 기저 발전원으로 사용되었음을 알 수 있다.
- 분석결과 연료전지의 설비규모가 5MW로 부하에 비해 상대적으로 작아 전량 부하를 담당하지 못하였으나, 연료전지는 [Fig. 4.3], [Fig. 4.4]와 같이 연중 가동되어 기저 발전원으로 사용되었음을 알 수 있다.
- 또한 일사량, 천연가스 연료 가격 등을 변화시킴으로써 민감도 분석이 가능하다. 시뮬레이션 결과는 총 순 현재비용이 증가하는 순으로 시스템 구성이 나열되며, 이들 중 총 순 현재비용이 가장 작은 시스템 구성 항목이 최적 설계 값을 나타낸다.[4]
- 시뮬레이션 결과를 비교 분석하면 전력생산량은 CASE Ⅰ에서 CASE Ⅲ로 갈수록 CHP와 전력망 비중이 줄어드는 것을 볼 수 있고, 반대로 연료전지의 비중은 높아지는 것을 알 수 있다.
- 시뮬레이션 결과를 비교 분석하면 전력생산량은 CASE Ⅰ에서 CASE Ⅲ로 갈수록 CHP와 전력망 비중이 줄어드는 것을 볼 수 있고, 반대로 연료전지의 비중은 높아지는 것을 알 수 있다. 열생산량은 CASE Ⅰ에서 CASE Ⅲ로 갈수록 CHP와 PLB의 비중이 줄어드는 것을 볼 수 있고, 반대로 연료전지의 비중은 높아지는 것을 알 수 있다.
- 상기 설계 데이터를 근거로 시간당 연료 489㎥를 소비할 때 최대 출력 2,500kWh로 연료전지 Fuel Flow를 산정하였다. 전기 효율은 47.0%, 열 효율은 24.2%로 전체 효율 71.2%로 연료전지 Efficiency를 산정하였다. 시뮬레이션에 사용된 연료전지의 수명은 10년, 용량은 전력부하와 열부하를 감안하여 5,000kW부터 20,000kW까지 범위를 설정하였다
- 전기 효율은 상기 Heat Balance Diagram을 근거하여 40.88%, 열 효율은 45.01%로 전체 효율 85.89%로 CHP Efficiency를 산정하였다.
후속연구
- 여기서 SMP란 각 시간 대별 수요를 충족시키기 위하여 발전이 할당된 발전 기별 발전가격(변동비) 중 가장 비싼 값을 의미하며, 모 든 발전기가 동일하게 발전에 대한 대가로 이 가격을 적용받는다.[2] 또한 최근 경기 불황으로 수도권 신도시내 업무용 사무실 수요 감소와 계절적인 열부하의 동고하저로 하절기(6~9월) 잉여열 처리 문제가 발생하여 발전기를 가동하기 곤란한 상황이므로 경제성 있는 에너지 신사업모델 개발이 필요하다.
- 구역전기사업이 시행된 2004년 이후 변동비의 대부분을 차지하는 LNG가격은 수년간 급등하였으나, 전기요금은 인상이 제한되었고, 집단냉난방사업자의 경우 현재 발전원가가 상대적으로 높은 150MW 규모 이하의 발전기로 사업규모가 제한되어 있어 규모의 경제 실현이 어렵고, 비중앙급전발전기로 분류되어 고정비인 용량요금 회수가 불가능한 점 때문에 구역전기사업자의 수익성을 크게 악화시키는 결과를 초래하였다. 하지만 본 연구에서 확인한 바와 같이 기존의 구역전기사업 CHP 열병합 발전기에 신재생에너지를 하이브리드 시켜서 운영한다면 온실가스 배출권 거래와 REC 거래까지 포함하여 연 평균 99억원의 비용을 절감할 수 있고, 친환경적인 효과와 경제적 효과를 동시에 가져 올 것으로 기대된다.
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