[논문]집단에너지 네트워크 설계에 관한 연구 : 크리티컬 링크를 중심으로

송상화; 임옥경; 이재승; 김현철; 안창구

doi:10.5855/energy.2017.26.3.123

집단에너지 네트워크 설계에 관한 연구 : 크리티컬 링크를 중심으로
A Study on the Network Design in District Heating Networks : Focused on Critical Link 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.26 no.3, 2017년, pp.123 - 130

송상화 (인천대학교) , 임옥경 (인천대학교) , 이재승 (한국지역난방공사 미래개발원) , 김현철 (한국지역난방공사 미래개발원) , 안창구 (한국지역난방공사 미래개발원)

초록
AI-Helper

집단에너지 시스템은 높은 에너지 생산 효율과 발전 시 탄소배출량 절감 등의 이점이 있어 활용이 느는 추세다. 집단에너지 시스템은 도입 초기에는 열원 설비와 수요단지간의 개별 연결 형태였으나, 수요지가 증가하며 최근 네트워크 형태로 발전하고 있다. 집단에너지 시스템이 네트워크 형태로 구축하면 미활용 열을 수요가 발생한 곳에 송열하는 열 연계가 가능해지고, 이는 사업자의 수익성을 개선하여 산업에 긍정적 영향을 미친다. 이에 따라 본 연구에서는 열 연계 네트워크 설계를 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션을 거쳐 열 연계 네트워크에서 연중 최대 부하가 발생하는 링크를 크리티컬 링크(Critical Link)로 구분하였다. 또한, 크리티컬 링크의 연계 배관 용량 증감에 대한 민감도 분석을 통해 연계 배관 용량을 증가시키는 것이 열 연계 네트워크 효율에 영향을 미침을 제시하였다. 본 분석 결과를 바탕으로 크리티컬 링크 중 배관 용량의 증가 대비 열 연계량 효과가 높은 지역을 우선적으로 타 집단 에너지 사업자와 열 연계를 추진하면 상호 시너지 창출이 가능할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The district heating system has been successfully implemented with higher efficiency levels of energy production and reduction of carbon emissions during heat generation. Traditionally the system consisted of small number of production and demand sites, but, recently it has evolved into a network with large number of sites interconnected each other. By connecting multiple sites into a network, heat from low-cost production sites can be supplied to distant demand sites so as to lower the total operation cost. In this study, we simulate and analyze distict heating networks focused on critical links. a critical link is defined as a link in which capacity is fully utilized. If a newtork has critical links, then those cricial links become bottlenecks and it is difficult to improve the overall network efficiency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 기존 연구들에서 제안된 네트워크 설계 방법론을 고려하여 국내 집단에너지 사업자의 배관 네트워크를 분석해보고, 추후 네트워크 재설계시 고려해야 할 사항에 대해 살펴본다.
(2017)은 지역난방 네트워크 설계에서 운영비용만을 고려하기도 하였다. 본 연구에서는 다양한 열원을 사용하여 다수 지역에서 열에너지를 공급하는 지역난방 네트워크에서 총 운영비용 최소화를 위한 네트워크 설계를 수행하였다. 운영비용 최소화를 위해 모형에서 사용자 영역의 압력, 온도 및 열원별 특성을 고려하였다.
본 연구에서는 열 연계 네트워크의 최적화를 위한 방법으로 월 단위의 열연계 네트워크 시뮬레이션을 통해 크리티컬 링크를 관리하여야 함을 제시하였다. 이를 기초 연구로 하여 다음과 같은 연구가 가능할 것이다.
본 연구에서는 집단에너지 네트워크 분석을 위해 네트워크 시뮬레이터를 개발하였다. 네트워크 시뮬레이터는 네트워크 수열 및 송열 계획을 분석하는 기능이 포함되어 있다.
이에 따라, 본 연구에서는 복수 개의 열 생산 설비와 수요처로 구성된 집단에너지 네트워크의 설계에 대한 연구를 진행하고자 하며, 열 연계시 병목현상이 발생할 수 있는 열 배관망을 분석하는데 초점을 둔다. 기존의 열 네트워크에서 최대 부하가 발생하는 링크를 ‘크리티컬 링크(Critical Link)’로, 특정 월이나 계절에 부하가 발생하는 링크를 ‘세미 크리티컬 링크 (Semi-Critical Link)’로 제안하고, 이를 집단에너지 네트워크 재설계 시 주요 개선사항으로 사용하는 방안을 살펴보고자 한다.
이에 따라, 본 연구에서는 집단에너지 열 연계 네트워크 최적화를 위한 시뮬레이터를 개발하여 2013년 한국지역난방공사 데이터를 기반으로 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션을 통해 두 가지의 주요 분석 결과를 제시하였다.

제안 방법

기존의 열 네트워크에서 최대 부하가 발생하는 링크를 ‘크리티컬 링크(Critical Link)’로, 특정 월이나 계절에 부하가 발생하는 링크를 ‘세미 크리티컬 링크 (Semi-Critical Link)’로 제안하고, 이를 집단에너지 네트워크 재설계 시 주요 개선사항으로 사용하는 방안을 살펴보고자 한다.
네트워크 시뮬레이터는 네트워크 수열 및 송열 계획을 분석하는 기능이 포함되어 있다. 네트워크 내의 수열 및 송열 분석을 위해서 네트워크의 노드를 열원 설비와 열 수요 지역으로 설정하고, 지역 간 배관 구조를 링크로 설정하여 시뮬레이션하게 된다. 시뮬레이션을 위한 입력정보는 노드와 링크정보, 열원 설비별 열 생산량, 열원설 비로부터 수요지역으로의 공급량이며, 출력정보로 열연계 및 거래 네트워크를 제시한다.
(2016)에서는 지역난방네트워크에서 전배(cascading)효과를 고려한 네트워크 설계 모형을 제시하였다. 네트워크 설계는 투자비용, 운영비용을 포함한 총 비용 최소화를 위해 네트워크 형태와 열 생산기술, 온수 온도 및 유량 등을 고려하였다.
또한, 해당 링크들로 인해 열 연계에 있어 이미 병목현상이 발생한 경우 해당 링크의 용량을 증가시키게 되면 추가적인 열 연계가 가능하여 수익성을 높일 수 있다. 본 사례에서도 이러한 상황이 발생 할 수 있기에 이를 검증하기 위해 다음 절에서는 크리티컬 링크를 중심으로 배관용량 증가에 따른 수익성 변화를 시뮬레이션 하였다.
(2016)은 신규 잠재 사용자를 기존의 지역난방시스템에 연결할지 여부를 결정하기 위한 모형을 설계하였다. 본 연구에서 제시한 에너지 공급자의 이익 극대화를 위한 수리 모형에는 사용자의 수요, 사용자와 생산자의 연결여부와 연결 파이프의 유량을 고려하였다. 즉, 열공급 네트워크 설계를 위한 주요 고려사항이 연결 링크간의 용량임을 살펴볼 수 있다.
네트워크 내의 수열 및 송열 분석을 위해서 네트워크의 노드를 열원 설비와 열 수요 지역으로 설정하고, 지역 간 배관 구조를 링크로 설정하여 시뮬레이션하게 된다. 시뮬레이션을 위한 입력정보는 노드와 링크정보, 열원 설비별 열 생산량, 열원설 비로부터 수요지역으로의 공급량이며, 출력정보로 열연계 및 거래 네트워크를 제시한다.
연계용량 증가에 따른 수익성 변화를 검토하기 위해 연계용량 증가를 가정하여 CHP 열 생산량 및 공헌이익의 분석 및 배관 용량 대비 연계량 증가의 두가지 분석을 진행하였다.
Ameri and Besharati(2016)에서는 지역 냉각, 난방 및 전력 네트워크에서 집단에너지시스템의 최적 용량 및 운영 방법을 결정하기 위한 혼합 정수 선형 프로그래밍 모델을 제시하였다. 운영 방식은 에너지 공급형태별로 네 가지 시나리오를 구성하였으며, 시나리오별로 투자 비용, 1차 에너지 비용, 이산화탄소 배출량을 비교하 였다. Mertz et al.
본 연구에서는 다양한 열원을 사용하여 다수 지역에서 열에너지를 공급하는 지역난방 네트워크에서 총 운영비용 최소화를 위한 네트워크 설계를 수행하였다. 운영비용 최소화를 위해 모형에서 사용자 영역의 압력, 온도 및 열원별 특성을 고려하였다. 사례 분석에서는 열 배관 중일부가 열 부하 용량을 초과한다 하더라도 가장 저렴한 열원을 사용하는 것이 분산 열원을 사용하는 것보다 운영비용이 저렴함을 제시하였다.
한국지역난방공사 열 네트워크의 노드는 판교, 광교, 파주 등 18개 지사의 열병합발전설비(CHP), 보일러 (PLB), 소각로(INC) 등으로 구성되며, 각 지사를 연결하는 링크인 연계 배관은 시간당 송열량이 제한되어 있다. 이러한 네트워크 특성으로 시뮬레이션은 총수익 최대화를 목적으로 연계 배관 용량을 고려하는 구조로 수행하였다.
첫째, 3-2.에서 크리티컬 링크로 정의된 배관망의현 용량을 100%라고 설정했을 때, 링크의 용량 증가에 따른 CHP의 열 생산량과 공헌 이익을 분석하였다. 분석 결과, Fig.
시뮬레이션을 통해 두 가지의 주요 분석 결과를 제시하였다. 첫째, 각 월별 링크 간 부하량 분석을 통해 연중 최대 부하가 발생하는 특정 링크를 크리티컬 링크로 정의하고, 특정 월에 최대 부하가 발생하는 링크를 세미 크리티컬 링크로 구분하였다. 구분된 링크들은 열 연계 네트워크에서 병목현상을 발생시키거나, 위험 상황 발생 시 전체 네트워크에 부정적 영향을 끼칠 수 있다.

대상 데이터

본 연구에서는 시뮬레이션을 위해 한국지역난방공사의 2013년 열 공급 및 수요 데이터를 사용하였다. 한국지역난방공사 열 네트워크의 노드는 판교, 광교, 파주 등 18개 지사의 열병합발전설비(CHP), 보일러 (PLB), 소각로(INC) 등으로 구성되며, 각 지사를 연결하는 링크인 연계 배관은 시간당 송열량이 제한되어 있다.

성능/효과

구분된 링크들은 열 연계 네트워크에서 병목현상을 발생시키거나, 위험 상황 발생 시 전체 네트워크에 부정적 영향을 끼칠 수 있다. 둘째, 네트워크 연계 용량 변화에 따른 수익성의 민감도 분석을 통해 용량 증가에 따른 CHP 열 생산량, 공헌이익이 지속적으로 증가함을 알 수 있었다. 또한, 이를 각 링크별로 용량 증가에 따른 연계량 증가율을 분석한 결과, 특정 링크의 경우 배관 용량 확장에 따라 연계량 증가율이 6배 이상 상승하나, 배관 용량 확장에 연계량 증가가 미미한 링크도 존재함을 알 수 있다.
둘째, 네트워크 연계 용량 변화에 따른 수익성의 민감도 분석을 통해 용량 증가에 따른 CHP 열 생산량, 공헌이익이 지속적으로 증가함을 알 수 있었다. 또한, 이를 각 링크별로 용량 증가에 따른 연계량 증가율을 분석한 결과, 특정 링크의 경우 배관 용량 확장에 따라 연계량 증가율이 6배 이상 상승하나, 배관 용량 확장에 연계량 증가가 미미한 링크도 존재함을 알 수 있다.즉, 이는 링크별로 배관 용량 증가 대비 열 연계량 증가 효과가 동일하지 않음을 제시한다.
(2015)에서는 GHP 사업을 통한 열 공급, 생산원가 절감, 온실가스 저감, 대기질 개선을 편익으로, 사업 착수 후 3년간의 투자비와 30년 동안의 운영비를 비용으로 하여 분석하였다. 분석 결과 편익/ 비용비율 1.72, 내부수익률 24.26%로 분석되어 사업 추진을 제시하였다. 반면, Jin(2016)에서는 유럽의 사례와 국내 GHP 사업을 비교 분석한 후, 분산형 열에너지 거래를 위해 필요한 사회적 비용이 높아 사업 여건의 제고가 필요함을 제시하였다.
에서 크리티컬 링크로 정의된 배관망의현 용량을 100%라고 설정했을 때, 링크의 용량 증가에 따른 CHP의 열 생산량과 공헌 이익을 분석하였다. 분석 결과, Fig. 4.에서 살펴볼 수 있는 것처럼 링크의 용량이 증가하면 CHP 열 생산량 역시 증가하는 것으로 나타났다. 또한, CHP 열 생산량 증가에 따라 공헌 이익 역시 증가하는 추세를 보인다.
F 소프트웨어에서는 공급지 및 수요지의 위치정보, 수요 지별 유틸리티 정보, 공급원별 공급온도, 시스템 특성 등의 공급원 정보 및 각 파이프의 전도 계수, 길이 등파이프 변수를 입력변수로 하여 지역난방네트워크 설계를 시뮬레이션하게 된다. 분석 결과로 공급원별 수요지와의 매칭, 링크 간 유량, 속도, 손실량을 확인할 수 있다. 본 소프트웨어는 공학적 측면에서의 배관망 해석에 초점을 맞추고 있다.
운영비용 최소화를 위해 모형에서 사용자 영역의 압력, 온도 및 열원별 특성을 고려하였다. 사례 분석에서는 열 배관 중일부가 열 부하 용량을 초과한다 하더라도 가장 저렴한 열원을 사용하는 것이 분산 열원을 사용하는 것보다 운영비용이 저렴함을 제시하였다.
(2013)에서 열병합 발전소의 운영 특성을 고려한 열거래 기반 집단에너지 시스템의 전체 편익을 최대화하는 최적 운영 모델을 제시하였다. 이 연구에서는 모형 검증을 위해 인접한 사업자간 연계 및 미연계 운영 결과를 비교하였으며, 연계 시 총 편익이 증가하는 것으로 나타나 지역냉난방 시스템의 연계운영을 통해 사업자의 경영수지 개선이 가능하다고 분석하였다.
즉, 이는 링크별로 배관 용량 증가 대비 열 연계량 증가 효과가 동일하지 않음을 제시한다. 이러한 결과를 바탕으로 배관 용량 증가 대비열 연계량 효과가 높은 지역에서 우선적으로 타 집단에너지 사업자와 열 연계 추진 시 상호 시너지 창출이 가능할 것으로 판단할 수 있다. 분석 결과를 종합하면, 열연계 네트워크 최적화를 위해서는 링크별 연계 용량과 연도별 및 월별 연계량 분석을 통해 크리티컬 링크의 파악이 필요하다.
둘째, 특정 월의 배관 용량 대비 연계량 증가분을 분석하였을 때, 각 링크별로 연계 민감도가 다름을 살펴볼 수 있다. 첫 번째 막대그래프로 표현된 링크 간 연계량에 제한을 없앨 경우, 해당 링크의 연계량보다 최대 6배 이상 증가하는 것으로 나타났다. 이는 2013 년 당시 해당 링크가 병목현상을 발생시키는 크리티컬 링크로 작용했을 가능성이 큼을 알 수 있다.

후속연구

이를 기초 연구로 하여 다음과 같은 연구가 가능할 것이다. 먼저, 타 사업자의 열 생산 및 공급 데이터 분석을 통해 사업자간 열 연계 시 시너지 효과가 발생할 수 있는 열거래 대상지역의 선정이 가능하다. 이를 바탕으로 사업자간 열거래 도입 시 일별 및 시간대별 수급량 분석을 통해 사업자간 열거래 메커니즘 개발이 가능할 것이다.
이러한 결과를 바탕으로 배관 용량 증가 대비열 연계량 효과가 높은 지역에서 우선적으로 타 집단에너지 사업자와 열 연계 추진 시 상호 시너지 창출이 가능할 것으로 판단할 수 있다. 분석 결과를 종합하면, 열연계 네트워크 최적화를 위해서는 링크별 연계 용량과 연도별 및 월별 연계량 분석을 통해 크리티컬 링크의 파악이 필요하다. 이를 바탕으로 크리티컬 링크를 집중적으로 관리하고, 크리티컬 링크 지역을 우선적으로 타 사업자와의 열 연계를 통해 열 연계 네트워크 운영을 효율화하는 것이 필요할 것이다.
먼저, 타 사업자의 열 생산 및 공급 데이터 분석을 통해 사업자간 열 연계 시 시너지 효과가 발생할 수 있는 열거래 대상지역의 선정이 가능하다. 이를 바탕으로 사업자간 열거래 도입 시 일별 및 시간대별 수급량 분석을 통해 사업자간 열거래 메커니즘 개발이 가능할 것이다.
분석 결과를 종합하면, 열연계 네트워크 최적화를 위해서는 링크별 연계 용량과 연도별 및 월별 연계량 분석을 통해 크리티컬 링크의 파악이 필요하다. 이를 바탕으로 크리티컬 링크를 집중적으로 관리하고, 크리티컬 링크 지역을 우선적으로 타 사업자와의 열 연계를 통해 열 연계 네트워크 운영을 효율화하는 것이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	집단에너지 시스템이란 무엇인가?	집단에너지 시스템은 열병합발전, 첨두부하보일러, 소각로 등을 이용하여 열과 전기를 생산하고 수요처로 열배관을 통해 온수를 공급하거나 배전망을 통해 전력을 공급하는 시스템을 의미한다 (Han et al., 2012).
	집단에너지 시스템의 장점은 무엇인가?	집단에너지 시스템은 높은 에너지 생산 효율과 발전 시 탄소배출량 절감 등의 이점이 있어 활용이 느는 추세다. 집단에너지 시스템은 도입 초기에는 열원 설비와 수요단지간의 개별 연결 형태였으나, 수요지가 증가하며 최근 네트워크 형태로 발전하고 있다.
	집단에너지 시스템에서 네트워크를 구성하는 요소는 무엇인가?	집단에너지 네트워크를 구성하는 노드는 발전소, 수요지 또는 연계사업자의 발전소 또는 수요지를 의미하고, 노드를 연결하는 링크는 온수를 공급하는 열 배관망으로 정의된다. 집단에너지 시스템이 개별 시스템 운영에서 네트워크 형태로 발전함에 따라 네트워크의 최적 설계가 이슈로 등장하기 시작했다.

참고문헌 (18)

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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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