[논문]대학 캠퍼스 내 에너지저장장치 연계에 따른 잉여 수소에너지 생산에 관한 연구

최봉기; 전종현; 김성열

doi:10.5370/kieep.2018.67.2.094

[국내논문] 대학 캠퍼스 내 에너지저장장치 연계에 따른 잉여 수소에너지 생산에 관한 연구
A Study on the Production of Hydrogen Energy According to Installed Capacity of Energy Storage System on Campus 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.67 no.2, 2018년, pp.94 - 99

최봉기 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Keimyung University) , 전종현 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Keimyung University) , 김성열 (Dept. of Electrical Energy Engineering, Keimyung University)

Abstract ▼ AI-Helper

Depending on how the energy storage system(ESS) is used in a system that can construct a microgrid by using an independent power source such as campus, surplus power can be generated that can not be charged to the ESS. For example, assuming that heat is supplied by a fuel cell in the case of a system in which thermal self-sustaining is prioritized, the fuel cell capacity required differs depending on the heat load. The amount of surplus power that can not be stored in the ESS will appear differently depending on the load operation of the fuel cell for each cycle. This power is hydrogenated through a water electrolytic device to present the amount of hydrogen energy that can be operated for each cycle. Therefore, this paper propose the possibility of utilizing University campus as a hydrogen station.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 높은 에너지 밀도를 가진 수소의 특성을 기반으로 대학교 캠퍼스 내 발전설비에 따른 생산 가능한 수소에너지양을 분석함으로써 지역사회 수소인프라 구축에 기여할 수 있는 가능성을 제시하고자 한다[1, 2].

제안 방법

본 논문에서는 마이크로그리드 내 한정되어있는 에너지저장장치 용량과 계시별로 상이한 전력 생산량으로 인해 불가피하게 발생하는 초과전력생산량을 이용하여 수소화 가능용량에 대해 분석하였다. A대학교 기숙사에 설치 된 연료전지를 캠퍼스 최대수요전력을 줄이는데 사용하는 관점에서는 ESS용량이 670kWh인 시점이 적절하지만 초과 전력 생산량을 이용하여 수소에너지를 생산하는 관점에서는 ESS용량이 40kWh인 시점이 적절하다.

대상 데이터

본 사례연구에서는 발전용 연료전지와 에너지저장장치, 그리고 수전해 장치를 이용한 소규모그리드를 구현하여, 부하량에 따른 연료전지 용량과 에너지저장장치용량, 잉여전력량에 따른 수소에너지 생산량을 산정한다. 캠퍼스 내 건물 중 비교적 열 부하 사용량이 많은 기숙사동을 기준으로 사례연구를 실시하였으며 연료전지의 열효율 및 전기효율은 각각 49%, 42%,로 설정하였다[11].

이론/모형

그림 3, 그림 4의 잉여전력 생산량 빈도분포를 기반으로 그림 5와 같이 추가적인 적정 에너지저장장치 용량을 산정 하였다. 이때 Round Method를 이용하여 분포되어 있는 용량별 빈도를 일정한 크기단위로 표현하였다.

성능/효과

본 논문에서는 마이크로그리드 내 한정되어있는 에너지저장장치 용량과 계시별로 상이한 전력 생산량으로 인해 불가피하게 발생하는 초과전력생산량을 이용하여 수소화 가능용량에 대해 분석하였다. A대학교 기숙사에 설치 된 연료전지를 캠퍼스 최대수요전력을 줄이는데 사용하는 관점에서는 ESS용량이 670kWh인 시점이 적절하지만 초과 전력 생산량을 이용하여 수소에너지를 생산하는 관점에서는 ESS용량이 40kWh인 시점이 적절하다. 이렇게 생산된 수소는 대학교 캠퍼스 내에서 전력을 공급받지 못하는 비상 재난 시 연료 전지를 가동하는 공급원이 될 수 있고 국가적 차원에서 타 선진국들에 비해 부족한 지역 수소충전 인프라 구축에도 일조할 수 있을 것이라고 판단된다.

후속연구

A대학교 기숙사에 설치 된 연료전지를 캠퍼스 최대수요전력을 줄이는데 사용하는 관점에서는 ESS용량이 670kWh인 시점이 적절하지만 초과 전력 생산량을 이용하여 수소에너지를 생산하는 관점에서는 ESS용량이 40kWh인 시점이 적절하다. 이렇게 생산된 수소는 대학교 캠퍼스 내에서 전력을 공급받지 못하는 비상 재난 시 연료 전지를 가동하는 공급원이 될 수 있고 국가적 차원에서 타 선진국들에 비해 부족한 지역 수소충전 인프라 구축에도 일조할 수 있을 것이라고 판단된다. 또, 사용자의 상황에 맞게 사용자가 원하는 최대수요 저감량과 수소생산량을 고려하여 에너지저장장치 용량을 선택할 수 있을 것으로 판단된다.
이렇게 생산된 수소는 대학교 캠퍼스 내에서 전력을 공급받지 못하는 비상 재난 시 연료 전지를 가동하는 공급원이 될 수 있고 국가적 차원에서 타 선진국들에 비해 부족한 지역 수소충전 인프라 구축에도 일조할 수 있을 것이라고 판단된다. 또, 사용자의 상황에 맞게 사용자가 원하는 최대수요 저감량과 수소생산량을 고려하여 에너지저장장치 용량을 선택할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	캠퍼스 같은 시설에서 연료전지의 장점은?	설치지역 특성상 열 공급이 가능하고 소음이 없는 발전원을 고려하여 연료전지를 발전원으로 선정하였다. 연료전지는 외부영향에 의한 생산량의 변화가 없다는 장점을 가지며, 24시간 내내 안정적인 발전이 가능하기 때문에 비교적 일정한 부하량을 가지는 캠퍼스 같은 계통에서 운영하기 기 적합하다[3].
	연료전지를 발전원으로 선정한 이유는?	본 논문에서는 발전시스템과 에너지저장장치를 이용하여 대학교 캠퍼스와 같은 교육용 수용가에 열에너지 및 전력을 공급하는 방식을 모의한다. 설치지역 특성상 열 공급이 가능하고 소음이 없는 발전원을 고려하여 연료전지를 발전원으로 선정하였다. 연료전지는 외부영향에 의한 생산량의 변화가 없다는 장점을 가지며, 24시간 내내 안정적인 발전이 가능하기 때문에 비교적 일정한 부하량을 가지는 캠퍼스 같은 계통에서 운영하기 기 적합하다[3].
	수소가 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 이유는?	수소는 전 세계적 관점에서 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 그 이유 중 하나는 수소가 지구를 이루는 구성요소에서 가장 높은 비율을 차지하고 있어 그만큼 자원의 제약이 없다는 것이다. 화석연료가 만들어지는 속도에 비해 10만배 이상 빠른 속도로 고갈되고 있다는 연구에 따르면 수소 고갈에 대한 걱정은 무의미하다. 수소가 주목받은 또 다른 이유는 수소에너지의 특성 상 이를 연료로 사용했을 때 발생하는 연소생성물이 물 밖에 없다는 것이다. 이는 화석연료에 비해 공해물질 배출로 인한 환경오염 걱정으로부터 완전히 벗어날 수 있다는 것을 의미한다. 또 연료전지를 통해 우리가 널리 사용하는 전기에너지로 쉽게 전환이 가능하다는 점과 수소 운반 시에도 전기에너지보다 운송 손실이 1/10정 도로 줄일 수 있다는 점이다. 이 특성은 수소를 액화시켜 수송이 가능하고 다양한 형태로 저장할 수 있다는 특성과 결합하여 수소를 에너지 매체라고 부르기도 한다.

참고문헌 (11)

Domestic and Foreign Policy Trends for Preparing Hydrogen Economy Society. Convergence Research Policy Center, 2017.
Possibility of growth and development of hydrogen industry opening renewable energy paradigm, Korea Institute for Industrial Economics & Trade, 2016.
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Jih-Sheng Lai, Michael W. Ellis, "Fuel Cell Power Systems and Applications," Proceedings of the IEEE, vol. 105, no. 11, pp. 2166-2190, Nov. 2017.

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Junjie Yang, Juan Liu, Zilu Fang, Weiting Liu, "Electricity scheduling strategy for home energy management system with renewable energy and battery storage: a case study," IET Renewable Power Generation, vol. 12, no. 6, pp. 639-648, Apr. 2018.

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Rishi Kant Sharma, Sukumar Mishra, "Dynamic Power Management and Control of a PV PEM Fuel-Cell-Based Standalone ac/dc Microgrid Using Hybrid Energy Storage," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 54, no. 1, pp. 526-538, Feb. 2018.

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Pavithra Harsha, Munther Dahleh, "Optimal Management and Sizing of Energy Storage Under Dynamic Pricing for the Efficient Integration of Renewable Energy," IEEE Transactions on Power Systems, vol. 30, no. 3, pp. 1164-1181, May. 2015.

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Luis Valverde; Felipe Rosa; Carlos Bordons, "Design, Planning and Management of a Hydrogen-Based Microgrid," IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 9, no. 3, pp. 1398-1404, Aug. 2013.

상세보기
Sebastian Verhelst, Thomas Wallner, Helmut Eichlseder, Kaname Naganuma, Falk Gerbig, Brad Boyer, Shiro Tanno, "Electricity Powering Combustion: Hydrogen Engines," Proceedings of the IEEE, vol. 100, no. 2, pp. 427-439, Feb. 2012.

상세보기
Seema Kewat, Bhim Singh, Ikhlaq Hussain,"Power management in PV-battery-hydro based standalone microgrid," IET Renewable Power Generation, vol. 12, no. 4, pp. 391-398, Mar. 2018.

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