[논문]산업단지 내 CHP Hybrid System 최적화 모델에 관한 연구

오광민; 김래현

doi:10.5855/energy.2019.28.3.065

산업단지 내 CHP Hybrid System 최적화 모델에 관한 연구
Optimization Process Models of Gas Combined Cycle CHP Using Renewable Energy Hybrid System in Industrial Complex 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.28 no.3, 2019년, pp.65 - 79

오광민 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원 신에너지공학과) , 김래현 (서울과학기술대학교 에너지바이오대학 화공생명공학과)

초록
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본 연구는 산업단지 내 Gas Combined Cycle CHP와 연계 가능한 신재생에너지원을 조합하여 최적의 설비용량을 산정하고자 하였다. 특히 2013~2016년도 에너지사용계획 협의 대상 산업단지 중 집단에너지 공급대상 지역지정 연료사용량 요건은 연간 3.8만 TOE로 미달되지만, 열밀도가 $92.6Gcal/km^2{\cdot}h$로 높은 세종첨단일반산업단지를 연구 대상으로 하였다. 그리고 신재생에너지 Hybrid System 경제성 분석 프로그램인 HOMER Pro를 이용하여 연료전지와 태양광발전을 연계한 FC-PV Hybrid CHP System의 최적화 운영 모델에 대해 분석하였다. 또 CHP의 주 공급 에너지원인 열에너지에 있어, 열수요량 뿐만 아니라 우점 업종에 대한 열수요 패턴을 분석하여 연구의 신뢰도를 높이고자 하였으며, 경제성 분석을 추가하여 상대적 편익을 비교하고자 하였다. 연구 결과, 신규 조성 중인 세종첨단일반산업단지의 전체 간접열 수요는 연간 378,282 Gcal이며, 이중 제지업종이 연간 293,754 Gcal인 약 77.7%를 우점하고 있었다. 산업단지 전체 간접열 수요에 대해 단일 Combined Cycle CHP의 최적 설비용량은 30,000 kW로, 이때 열생산은 CHP가 275,707 Gcal, 72.8 %를 분담하고, 첨두부하보일러 PLB가 103,240 Gcal, 27.2 %를 분담하는 것으로 분석되었다. 그리고 CHP와 연료전지, 태양광 조합에서는 최적 설비용량이 각 30,000 kW, 5,000 kW, 1,980 kW이며, 이때 열생산은 Combined Cycle CHP가 275,940 Gcal, 72.8%, 연료전지가 12,390 Gcal, 3.3%, PLB가 90,620 Gcal, 23.9%를 분담하였다. 여기서 CHP 용량이 감소하지 않은 것은, CHP 용량 감소에 따른 부족한 열 생산량에 대해 PLB의 과다한 운전이 요구되는 경제적이지 못한 대안이 도출되었기 때문이었다. 한편 우점 업종인 제지업종의 간접열 수요에 대해서는 Combined Cycle CHP, 연료전지, 태양광 조합의 최적 설비용량은 25,000 kW, 5,000 kW, 2,000 kW로, 이때 열생산은 CHP 225,053 Gcal, 76.5%, 연료전지 11,215 Gcal, 3.8%, PLB가 58,012 Gcal, 19.7%를 분담하는 것으로 분석되었다. 그러나, 현행 전력시장 및 가스시장에서의 경제성 분석결과는 모두 투자비 회수가 불가능한 것으로 확인 되었다. 다만, 우점 업종인 제지 업종만을 대상으로 CHP와 연료전지, 태양광을 조합한 CHP Hybrid System이 단일 CHP System에 대해 연간 약 93억원의 경영여건을 개선시킬 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The study attempted to estimate the optimal facility capacity by combining renewable energy sources that can be connected with gas CHP in industrial complexes. In particular, we reviewed industrial complexes subject to energy use plan from 2013 to 2016. Although the regional designation was excluded, Sejong industrial complex, which has a fuel usage of 38 thousand TOE annually and a high heat density of $92.6Gcal/km^2{\cdot}h$, was selected for research. And we analyzed the optimal operation model of CHP Hybrid System linking fuel cell and photovoltaic power generation using HOMER Pro, a renewable energy hybrid system economic analysis program. In addition, in order to improve the reliability of the research by analyzing not only the heat demand but also the heat demand patterns for the dominant sectors in the thermal energy, the main supply energy source of CHP, the economic benefits were added to compare the relative benefits. As a result, the total indirect heat demand of Sejong industrial complex under construction was 378,282 Gcal per year, of which paper industry accounted for 77.7%, which is 293,754 Gcal per year. For the entire industrial complex indirect heat demand, a single CHP has an optimal capacity of 30,000 kW. In this case, CHP shares 275,707 Gcal and 72.8% of heat production, while peak load boiler PLB shares 103,240 Gcal and 27.2%. In the CHP, fuel cell, and photovoltaic combinations, the optimum capacity is 30,000 kW, 5,000 kW, and 1,980 kW, respectively. At this time, CHP shared 275,940 Gcal, 72.8%, fuel cell 12,390 Gcal, 3.3%, and PLB 90,620 Gcal, 23.9%. The CHP capacity was not reduced because an uneconomical alternative was found that required excessive operation of the PLB for insufficient heat production resulting from the CHP capacity reduction. On the other hand, in terms of indirect heat demand for the paper industry, which is the dominant industry, the optimal capacity of CHP, fuel cell, and photovoltaic combination is 25,000 kW, 5,000 kW, and 2,000 kW. The heat production was analyzed to be CHP 225,053 Gcal, 76.5%, fuel cell 11,215 Gcal, 3.8%, PLB 58,012 Gcal, 19.7%. However, the economic analysis results of the current electricity market and gas market confirm that the return on investment is impossible. However, we confirmed that the CHP Hybrid System, which combines CHP, fuel cell, and solar power, can improve management conditions of about KRW 9.3 billion annually for a single CHP system.

주제어

표/그림 (22)

표 Table 1. Regional designation of districts to be supplied with integrated energy for industrial complexes
그림 Fig. 1. Fuel consumption by fuel source for integrated energy producers in 2016.
표 Table 2. The forecasting result of industrial process heat and power demand in Sejong industrial complex
그림 Fig. 2. Monthly heat load relative factor(p.u) and heat load rate in Sejong industrial complex.
표 Table 3. Monthly heat load rate in Sejong industrial complex
표 Table 4. Legal classification of renewable energy in Korea
표 Table 5. Simulation and main equipment combination scenario using HOMER
표 Table 6. Main market variables and equipment conditions
그림 Fig. 3. Load profile of the overall heat demand of the industrial complex.
그림 Fig. 4. Load profile of paper industry heat demand.
그림 Fig. 6. Monthly CHP and Grid power supply for total power demand in Sejong industry complex(Case 1).
그림 Fig. 5. Monthly CHP and PLB heat production for total heat demand in Sejong industry complex(Case 1).
표 Table 7. Cost summary of a single CHP for the overall energy demand of the industrial complex
그림 Fig. 7. Monthly CHP, FC and PLB heat production for total heat demand in Sejong industry complex(Case 2).
그림 Fig. 8. Monthly CHP, FC, PV and Grid power supply for total power demand in Sejong industry complex(Case 2).
표 Table 8. Cost summary of CHP hybrid system for the overall energy demand of the industrial complex
그림 Fig. 9. Monthly CHP, FC and PLB heat production for the heat demand of paper industry(Case 3).
그림 Fig. 10. Monthly CHP, FC, PV and Grid power supply for the power demand of paper industry(Case 3).
표 Table 9. Comparison of cost summary of CHP hybrid system Case 2 & Case 3 for the paper industry
그림 Fig. 11. Annual share of heat output of each facility by case.
표 Table 10. Scenarios and proposal for CHP Hybrid System in the industrial complex to turn to profit
그림 Fig. 12. Comparison of monthly KOGAS price for power generation and city gas.

AI 본문요약
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문제 정의

Table 10은 최소한의 경제성 확보를 위한 주요 변수들의 시장조건을 정리한 것이며, 별도로 제시안도 포함한 것이다. CHP Hybrid System에 있어 CHP와 조합된 신재생에너지 설비의 REC 가중치를 일부 상향하고, 소규모 CHP 및 이와 연계된 보조열원들의 연료비를 집단에너지용 도매요금단가 수준으로 인하 하는 것이다.
그리고 전통적인 Gas Combined Cycle CHP(Combined Heat & Power, 열병합발전)와 입지 상 적용가능성이 높은 신재생에너지원을 조합한 CHP Hybrid System Model에 대해 최적화 프로그램을 통해 최적의 설비용량을 산정하고자 한다.
[18] 그러나, 이러한 CHP Hybrid System 도입의 적정성 판단은 산업단지 건설(준비)기간에 이루어짐을 고려 할 필요가 있을 것이다. 따라서, 결과론적인 해석을 피하기 위해 에너지사용계획 협의서가 심의되는 단계 시점에 대해서 적정성 판단을 수행하고자 한다. 세종첨단일반산업단지는 ’15년 10월 토지이용계획의 변경이 이루어진 점을 반영하여, 열 및 전력매출, 연료비의 기준 기간은 토지이용계획 변경 이후 1년 내로 하여 경제성을 분석하기로 한다.
본 연구는 NG를 연료로 하는 CHP와 세종첨단일반산업단지에 조합 가능한 신재생에너지원을 선정하여 설비를 조합하여 최적의 설비 용량을 분석하고자 하는 것이다. 현행 ‘신에너지 및 재생에너지 개발 · 이용 · 보급 촉진법’ 제2조[11]에 따른 신재생에너지원을 세종첨단일반산업단지의 입지 · 환경, 정책 방향을 고려하여 Table 4와 같이 비교하였다.
본 연구는 신규 산업단지를 대상으로 온실가스 및 미세먼지 배출 저감, 소규모 분산형 전원 및 재생에너지 보급 확대에 따라 가장 현실적인 대안으로써 Gas CHP 기반의 연료전지와 태양광발전을 연계 한 CHP Hybrid System의 최적화 모델을 분석하였다. 2013~2016년도 에너지사용계획 협의 대상 산업단지 중 열밀도가 92.
그리고 전통적인 Gas Combined Cycle CHP(Combined Heat & Power, 열병합발전)와 입지 상 적용가능성이 높은 신재생에너지원을 조합한 CHP Hybrid System Model에 대해 최적화 프로그램을 통해 최적의 설비용량을 산정하고자 한다. 이를 통해 산업단지 내에 중소형 집단에너지시스템 보급 확대 가능성을 분석하여 온실가스 감축 및 미세먼지 저감 목표 달성의 실현을 위한 개선 방향성을 확인하고자 한다.
이에 본 연구에서는 ’13~’16년도 에너지사용계획 협의 대상 신규 산업단지 20개소 중 집단에너지 공급대상 지역지정이 되지 못한 산업단지를 비교, 분석 하였다.

가설 설정

CHP Hybrid System의 최적 설비용량을 산정하기위한 기초 에너지 수요량은 에너지사용계획 협의서를 인용하기로 한다. 특히 CHP 설비 목적 상 열에너지(공정용으로 사용하는 직접열은 제외)를 분석하고, 산업단지에 필요한 전기에너지는 계통연계를 고려하는 것으로 가정한다.

제안 방법

본 연구는 신규 산업단지를 대상으로 온실가스 및 미세먼지 배출 저감, 소규모 분산형 전원 및 재생에너지 보급 확대에 따라 가장 현실적인 대안으로써 Gas CHP 기반의 연료전지와 태양광발전을 연계 한 CHP Hybrid System의 최적화 모델을 분석하였다. 2013~2016년도 에너지사용계획 협의 대상 산업단지 중 열밀도가 92.6 Gcal/㎢․h로 가장 높은 세종첨단일반산업단지의 전체 열수요량 378,282 Gcal/year와 대표업종인 제지업종의 열수 요량 293,754 Gcal/year에 대하여 열수요 패턴을 분석하였다. 제지업종은 일일 평균 가동시간이 19.
CHP Hybrid System으로 조합된 Case 3를 기준으로, 이러한 전력매출 보정, CHP와 결합된 신재생에너지에 대해 REC 조정 그리고 연료비 조정에 대해 영업이익이 적자에서 흑자로 전환되는 조건을 분석하였다. 전력매출의 경우 적정 변동비 보상을 위해서는 앞서 가정한 SMP 단가를 76.
그리고 설비규모는 CHP의 경우 전기사업법에 공급설비 요건으로 명시된 전력수요의 60 % 이상의 공급능력에 해당하는 20 MW급 설비로 예상하였다.[17] 이에 전기와 열을 동시에 공급하는 20 MW급의 유사규모 설비로써 한국지역난방공사의 동남권 CES 설비의 기술적 자료를 인용하였으며, 연료전지와 태양광설비는 실제 제작사의 제시안을 통해 입력하였다.[18] 그러나, 이러한 CHP Hybrid System 도입의 적정성 판단은 산업단지 건설(준비)기간에 이루어짐을 고려 할 필요가 있을 것이다.
[2] 산업부문의 감축 수단으로써 설비 및 공정 효율화, 업종별 신기술 · 혁신기술 개발 및 보급 그리고 온실가스 저배출 연료 및 원료의 대체(산업단지의 주연료인 석탄을 LNG 및 바이오매스 연료로 대체)를 제시하였다.
Case 3은 이러한 여건을 고려하여, 산업단지 내 대표업종인 제지업종에 한해 에너지수요량을 축소, 변경한 경우이다. 그리고 CHP와 연료전지, 태양광을 조합하여 시뮬레이션을 수행함으로써 최적의 설비용량을 분석하고, 경제성을 비교하고자 한다. 특히Case 3에서는 보다 정교한 분석과 비교를 위해, Case 1에서 산정한 CHP 설비용량 30,000 kW는 초과하지 않도록 제한하고, CHP 설비용량을 5,000 kW 단위로 변화시키면서 최적의 설비용량이 도출되도록 분석하였다.
먼저, HOMER의 주요 입력변수들은 시나리오를 산업단지 전체 에너지수요와 대표업종인 제지업종의 에너지수요에 대해 분석하는 것으로 구분하여 보다 경제적인 대안이 비교 될 수 있도록 하였다. 그리고 일반적인 단일 CHP만으로 설비를 구성하는 경우와 앞서 선정한 연료전지와 태양광에너지를 조합한 CHP Hybrid System을 적용하는 경우로 나누어 최적설비용량과 경제성 분석을 수행하였다. 기타 경제성 분석에 필요한 시장변수는 시장에서 통용되는 일반적인 수치와 더불어 발전에너지업종의 실적자료(건설비, 운영비 등)를 반영하였다.
두 번째 시뮬레이션은 앞의 산업단지 전에 에너지수요에 대해 CHP와 FC, PV를 조합한 CHP Hybrid System을 적용하는 경우이다. Case 1에서 시스템 조합을 변경하여 순 현재비용인 NPC가 최소가 되도록 시뮬레이션을 수행한 결과, CHP 열생산 분담률 대비 PLB 열생산 분담률이 과도하게 높게 도출 되었다.
그 결과 즉시 최적화 모델에 조합 가능하고, 계통연계가 가능한 에너지원은 연료전지와 태양에너지로 분석 되었다. 따라서, 본 연구에서는 세종첨단일반산업단지의 제반 여건을 고려하여 Gas CHP와 연료전지(Fuel Cell, FC), 태양광(Photovoltaic system, PV)을 조합하는 모델을 적용하기로 하였다.
또, 신규 산업단지가 조성중인 2016년의 시장조건을 반영하여 경제성 분석을 수행하였다. 산업단지 전체 열수요량을 충족하기 위한 단일 CHP 모델에서는 총 투자비 1,594.
먼저, HOMER의 주요 입력변수들은 시나리오를 산업단지 전체 에너지수요와 대표업종인 제지업종의 에너지수요에 대해 분석하는 것으로 구분하여 보다 경제적인 대안이 비교 될 수 있도록 하였다. 그리고 일반적인 단일 CHP만으로 설비를 구성하는 경우와 앞서 선정한 연료전지와 태양광에너지를 조합한 CHP Hybrid System을 적용하는 경우로 나누어 최적설비용량과 경제성 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 세종첨단일반산업단지의 전체 에너지수요 및 대표업종인 제지업종의 에너지수요에 대하여 단일 CHP를 적용한 사례와 CHP Hybrid System을 적용한 사례로 구분하여 HOMER를 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 열부하 모델링에는 HOMER의 입력변수 단위가 전력량 단위인 kWh이므로 열수요량 단위인 Gcal/h를 에너지법 시행규칙 별표에 따른 환산기준 ‘1 kWh = 860 kcal’를 적용[19]하여 단위환산을 수행하였다.
이때 REC 발급 수량은 신재생에너지를 통한 단위 전력 생산량 1 MWh에 대해 가중치를 부여하게 되는데, 이는 신재생에너지원별 발전비용을 보상해주는 개념에 가깝다. 본 연구에서는 연료전지에서 생산한 전기는 가중치 2.0, 태양광발전에서 생산한 전기는 가중치 1.0을 반영하였다.[21] 단일 연료전지, 태양광발전과 달리 CHP와 조합하여 최적의 설비운영을 도모하는 경우 이 가중치들을 일부 조정하여 전체적인 CHP Hybrid System의 발전비용을 보상해 줄 수 있는 방안도 검토 해 볼 수 있을 것이다.
다만, 계절별로는 전체적인 열수요량의 차이만 발생하는 것으로 보고하였다. 본 연구에서도 선행 연구자료의 계절별 최대, 최소 p.u. 수치를 통해 월별 상대적 가중치를 산정하고, 세종첨단일반산업단지 내 제지업종의 열과 전력 수요량에 대해 재추정한 상대계수를 적용하여 시간대별, 월별 수요패턴을 분석하였다. Fig.
산업단지 전체 에너지수요와 대표업종인 제지업종에 대한 에너지수요에 대해 단일 CHP System과 연료전지, 태양광을 조합한 CHP Hybrid System으로 구분하여 HOMER를 이용한 시뮬레이션 수행하였다. 이를 통해 각 Case에 있어 최적의 설비용량을 분석하고, Fig.
이 연구는 신규 산업단지의 에너지사용계획 협의서의 열수요 추정량을 반영하여 최적화 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 최적의 설비용량을 시뮬레이션 하였다. 이는 산업단지 조성이 완료되고 실제 유치하게 되는 업종과 규모가 달라질 수 있으므로 최적의 설비용량이 달라질 수 있음에 유의해야 한다.
산업단지 전체 에너지수요와 대표업종인 제지업종에 대한 에너지수요에 대해 단일 CHP System과 연료전지, 태양광을 조합한 CHP Hybrid System으로 구분하여 HOMER를 이용한 시뮬레이션 수행하였다. 이를 통해 각 Case에 있어 최적의 설비용량을 분석하고, Fig. 11과 같이 각 Case 별 설비의 연간 최적화 운영 시 열생산량 분담비율을 비교하였다. 또, 국내 시장 조건에서의 개략적인 경제성을 검토하여, CHP Hybrid System을 적용한 경우에도 여전히 타당성 문제가 있음을 확인 할 수 있었다.
한편, 집단에너지시스템은 개별 보일러와 비교했을 때 에너지 절감 및 환경개선 효과가 분명하고, 분산형 전원확보 차원에서 국가 전력수급다양화에 기여하기에 국가적으로도 일정 규모 이상의 신규 택지 또는 산업단지에 대해 집단에너지 공급대상 지역을 지정하고 있다. 이에 소규모 분산전원 보급 확대와 기후환경 대응을 위해 공급대상 지역으로 지정되지 못하였지만, 상대적으로 열밀도가 높고, 열수요량이 많은 신규 산업단지에 대해 NG를 주 연료원으로 하는 CHP System의 최적화 모델을 분석하였다. 그러나, 단일 CHP와 CHP Hybrid System 어느 경우에도 현재의 시장조건에서는 보급 확대에 한계가 있음을 확인할 수 있었다.
[12] 한편, 본 연구에서는 신재생에너지를 조합한 최적화 공정모델을 제시하고자 하는 것으로 이러한 프로그램에서는 신재생에너지 설비를 추가할 수 없다. 이에 특정 지역의 기후환경 및 부하패턴을 이용하여 분산형 전원의 최적 조합을 고려한 설계를 위해 하이브리드 시스템 경제성 분석이 가능한 대표적인 프로그램인 미국의 NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서 개발한 HOMER(Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources) Pro 3.13.3 버전을 통해 시뮬레이션을 수행하고자 한다.[13] HOMER는 여러 가지 변수에 따라 발전설비들을 조합해 봄으로써 요구되는 부하량을 만족시키는 발전 설비들의 최적 용량을 결정하며, 총 순 현재비용이 증가하는 순으로 시스템 설비조합을 제시 할 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이 세종첨단일반산업단지는 제지업종이 에너지수요를 우점하고 있기에, 열수요 패턴은 제지업종의 열수요 패턴과 유사할 것임을 예상 할 수 있다. 이에, 제지업종에 대한 선행 연구자료를 분석하여 적용하기로 한다.
Case 1에서 시스템 조합을 변경하여 순 현재비용인 NPC가 최소가 되도록 시뮬레이션을 수행한 결과, CHP 열생산 분담률 대비 PLB 열생산 분담률이 과도하게 높게 도출 되었다. 집단에너지사업자 중 CHP보다 PLB를 우선적으로 가동하는 경우가 있긴 하지만, 본 연구에서는 앞서 분석한 Case 1과 비교하기 위해, CHP 용량을 동일한 30,000 kW로 설정하고 발전단가 비용(COE; Cost Of Energy)이 최소화가 되는 조건에서 CHP Hybrid system의 최적 설비용량을 Table 8과 같이 조정, 도출하였다. Case 1의 단일 CHP를 적용하는 경우보다 연료전지와 태양광을 조합하게 되면, 운영비는 다소 감소하게 되나, 전체적인 투자비, 순 현재 비용, 연료비용 등이 증가하게 된다.
그리고 CHP와 연료전지, 태양광을 조합하여 시뮬레이션을 수행함으로써 최적의 설비용량을 분석하고, 경제성을 비교하고자 한다. 특히Case 3에서는 보다 정교한 분석과 비교를 위해, Case 1에서 산정한 CHP 설비용량 30,000 kW는 초과하지 않도록 제한하고, CHP 설비용량을 5,000 kW 단위로 변화시키면서 최적의 설비용량이 도출되도록 분석하였다.
현행 ‘신에너지 및 재생에너지 개발 · 이용 · 보급 촉진법’ 제2조[11]에 따른 신재생에너지원을 세종첨단일반산업단지의 입지 · 환경, 정책 방향을 고려하여 Table 4와 같이 비교하였다.

대상 데이터

또, NG를 연료로 사용하는 발전사업자 및 집단에너지사업자는 도시가스사업법에 따라 시설용량 100 MW 이상에 대해서만 한국가스공사로부터 도매요금으로 연료를 공급 받을 수 있다. 따라서 본 연구에서 산정한 최적 설비용량인 25 MW급의 CHP는 지역 도시가스회사로부터 소매요금으로 연료를 공급받아 사용하게 된다. 지난 2013년 3월부터 2016년 9월까지 열병합시설과 열원시설에 대한 한국가스공사가 고시한[22] 발전용 요금과 도시가스 요금을 분석한 결과, 도시가스 요금이 발전용 요금 대비 열병합은 약 12.
이에 본 연구에서는 ’13~’16년도 에너지사용계획 협의 대상 신규 산업단지 20개소 중 집단에너지 공급대상 지역지정이 되지 못한 산업단지를 비교, 분석 하였다. 이중 열밀도, 연료사용량 및 최대 전력부하 등이 가장 높은 세종첨단일반산업단지를 연구 대상으로 선정하였다. 그리고 전통적인 Gas Combined Cycle CHP(Combined Heat & Power, 열병합발전)와 입지 상 적용가능성이 높은 신재생에너지원을 조합한 CHP Hybrid System Model에 대해 최적화 프로그램을 통해 최적의 설비용량을 산정하고자 한다.

이론/모형

이때 열부하 모델링에는 HOMER의 입력변수 단위가 전력량 단위인 kWh이므로 열수요량 단위인 Gcal/h를 에너지법 시행규칙 별표에 따른 환산기준 ‘1 kWh = 860 kcal’를 적용[19]하여 단위환산을 수행하였다.

성능/효과

두 번째 시뮬레이션은 앞의 산업단지 전에 에너지수요에 대해 CHP와 FC, PV를 조합한 CHP Hybrid System을 적용하는 경우이다. Case 1에서 시스템 조합을 변경하여 순 현재비용인 NPC가 최소가 되도록 시뮬레이션을 수행한 결과, CHP 열생산 분담률 대비 PLB 열생산 분담률이 과도하게 높게 도출 되었다. 집단에너지사업자 중 CHP보다 PLB를 우선적으로 가동하는 경우가 있긴 하지만, 본 연구에서는 앞서 분석한 Case 1과 비교하기 위해, CHP 용량을 동일한 30,000 kW로 설정하고 발전단가 비용(COE; Cost Of Energy)이 최소화가 되는 조건에서 CHP Hybrid system의 최적 설비용량을 Table 8과 같이 조정, 도출하였다.
현행 ‘신에너지 및 재생에너지 개발 · 이용 · 보급 촉진법’ 제2조[11]에 따른 신재생에너지원을 세종첨단일반산업단지의 입지 · 환경, 정책 방향을 고려하여 Table 4와 같이 비교하였다. 그 결과 즉시 최적화 모델에 조합 가능하고, 계통연계가 가능한 에너지원은 연료전지와 태양에너지로 분석 되었다. 따라서, 본 연구에서는 세종첨단일반산업단지의 제반 여건을 고려하여 Gas CHP와 연료전지(Fuel Cell, FC), 태양광(Photovoltaic system, PV)을 조합하는 모델을 적용하기로 하였다.
그러나 여전히 영업이익이 –97.1 억원으로 손실 규모는 줄일 수 있었으나 경제성은 떨어짐을 확인 할수 있었다.
또 특정 기간의 시장조건을 반영하여 경제성 분석을 수행하였기에 분석기간에 따라 결과가 달라질 수 있으며, 전력시장과 가스시장이 변화함에 따라 그 실현 여부가 달라질 가능성이 높다. 그럼에도 불구하고 본 연구를 통해 단일 CHP System 보다 신재생에너지를 조합한 CHP Hybrid System이 손실 규모를 줄일 수 있음을 확인 할 수 있었다. 다만, CHP Hybrid System의 실질적인 경제성을 확보하기 위해서는 고정비 일부를 보상하거나, 분산형 전원 및 재생에너지 확대 정책 기조에 따른 CHP 연계형 신재생에너지에 대한 보전방안 마련, 그리고 연료비 조정 등 다방면에서의 제도개선이 함께 이루어질 필요가 있을 것이다.
2 %는 PLB가 분담하는 것으로 분석 되었다. 그리고 CHP Hybrid System에서의 최적 설비용량은 CHP 30,000kW, 연료전지 5,000 kW, 태양광 1,980 kW로, CHP의 열생산 분담량은 단일 CHP 경우와 유사한 275,940 Gcal/year이나, 연료전지가 12,390 Gcal/year를 분담함으로써 PLB 열생산 분담량이 23.9 % 수준인 90,620 Gcal/year로 감소하였다. 한편, 대표업종인 제지업종의 열수요량을 충족하기 위한 CHP Hybrid System의 최적 설비용량은 CHP 25,000kW, 연료전지 5,000 kW, 태양광 2,000 kW로, CHP의 열생산 분담량은 76.
그리고 국내 시장에 맞게 경제성 분석을 조정, 수행한 결과 총 투자비 1,594.1 억원에 연간 영업이익은 –190.1 억원으로 손실이 발생하여 타당성이 없는 것으로 확인 되었다.
그리고 산업단지 전체 열수요량을 충족하기 위한 CHP Hybrid System은 총 투자비 1,949.1 억원에 NPC가 10,770 억원, LCOE는 81.50 원/kWh으로분석되었으며, 연간 영업이익은 –127.5 억원으로 여전히 타당성이 없었다.
11과 같이 각 Case 별 설비의 연간 최적화 운영 시 열생산량 분담비율을 비교하였다. 또, 국내 시장 조건에서의 개략적인 경제성을 검토하여, CHP Hybrid System을 적용한 경우에도 여전히 타당성 문제가 있음을 확인 할 수 있었다.
또, 대표업종인 제지업종의 열수요량을 충족하기 위한 CHP Hybrid System의 총 투자비는 1,683.9 억원으로, NPC가 8,271 억 원, LCOE는 78.74 원/kWh으로 분석되었고, 연간영업이익은 –97.1 억원으로 분석되어 모든 최적화 모델에 있어 타당성은 없는 것으로 확인되었다.
Case 1, Case 2와 같이 산업단지 전체 에너지수요에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과, 상대적으로 열 수요량이 낮아지는 하절기에 상대적으로 연료비가 비싼 PLB의 운전을 최소하는 경우를 고려한다면, 단일 CHP 설비용량은 약 40,000 kW급으로 구성될 필요가 있다. 또한, 연료전지, 태양광발전을 조합하더라도 여전히 산업단지 전체 에너지수요를 충족하기 위해서는 운영손실 규모가 큼을 확인 할 수 있었다. 이에, 하절기와 동절기의 PLB 운전을 최소화하는 방안으로써, 산업단지 전체가 아닌 대표업종인 제지업종으로 에너지수요를 한정 짓게 되면, 아직 분양이 완료되지 않은 산업단지의 상황을 고려할 때 초기 투자비 부담 완화와 향후 운영에 따른 손실을 최소화 할 수도 있을 것이다.
산업단지 전체 열수요량을 충족하기 위한 단일 CHP 모델에서는 총 투자비 1,594.1 억원에 NPC가 10,400억원, LCOE는 75.74 원/kWh으로 분석되었으며, 연간 영업이익은 –190.1 억원으로 타당성이 없었다.
산업단지 전체 열수요량을 충족하기 위한 단일 CHP의 최적 설비용량은 30,000 kW이며, CHP가전체 열수요의 72.8 %인 275,707 Gcal/year의 열 생산을 분담하고, 나머지 열수요 27.2 %는 PLB가 분담하는 것으로 분석 되었다. 그리고 CHP Hybrid System에서의 최적 설비용량은 CHP 30,000kW, 연료전지 5,000 kW, 태양광 1,980 kW로, CHP의 열생산 분담량은 단일 CHP 경우와 유사한 275,940 Gcal/year이나, 연료전지가 12,390 Gcal/year를 분담함으로써 PLB 열생산 분담량이 23.
6 Gcal/㎢․h로 가장 높은 세종첨단일반산업단지의 전체 열수요량 378,282 Gcal/year와 대표업종인 제지업종의 열수 요량 293,754 Gcal/year에 대하여 열수요 패턴을 분석하였다. 제지업종은 일일 평균 가동시간이 19.9시간, 연중 평균 가동일수는 296.4일로 분석되었으며, 열수요는 시간대별 규칙적인 경향을 보이며, 요일별 큰 차이는 없는 것으로 확인되었다.
제지업종의 열수요를 충족하면서 연료전지와 태양광 설비를 조합하여 최적의 설비용량을 분석한 결과 CHP는 25,000 kW, 연료전지는 5,000 kW 그리고 태양광발전은 2,000 kW로 도출되었다. 총 투자비 1,683.
첫 번째 시나리오인 산업단지 전체 에너지수요에대한 단일 CHP 시뮬레이션을 수행하였고, HOMER 분석 결과, 순 현재비용(NPC; Net Present Cost)이 최소화가 되는 최적의 CHP 설비용량은 Table 7과 같이 30,000 kW로 제시 되었다. 이 경우의 순 현재비용은 10,400 억원으로, 균등화발전비용(LCOE; Levelized Cost Of Energy)은 75.
제지업종의 열수요를 충족하면서 연료전지와 태양광 설비를 조합하여 최적의 설비용량을 분석한 결과 CHP는 25,000 kW, 연료전지는 5,000 kW 그리고 태양광발전은 2,000 kW로 도출되었다. 총 투자비 1,683.9 억원으로 Case 2 보다 13.6 %의 투자비가 절감된 반면, 영업이익은 23.8 % 개선되었다. 그러나 여전히 영업이익이 –97.
총 투자비 1,949.1 억원으로 단일CHP 보다 투자비는 증가하였으나, 신재생에너지원이 조합되어 REC 발급에 따른 추가 매출이 발생하게 됨으로써 연간 영업이익은 –127.5 억 원으로 분석 되었다.
이러한 조정 역시 SMP와 유사하게 임의 조정하기 어려울 것이다. 한편, NG 연료비만을 조정할 경우에는 설비별 요금단가를 구분하지 않고 일괄적으로 441.2 원/Nm³인 기존 요금단가 대비 최소 85 % 수준으로 인하하면 흑자 전환이 가능할 것으로 분석되었다. 이 요금단가는 분석기간의 한국가스공사 집단에너지용 요금단가와 유사한 수준으로 실현 가능성이 상대적으로 높을 것으로 판단된다.
9 % 수준인 90,620 Gcal/year로 감소하였다. 한편, 대표업종인 제지업종의 열수요량을 충족하기 위한 CHP Hybrid System의 최적 설비용량은 CHP 25,000kW, 연료전지 5,000 kW, 태양광 2,000 kW로, CHP의 열생산 분담량은 76.5 %인 225,053 Gcal/year로 약간 증가하였으나, PLB 열생산량 분담량이 19.7% 수준인 58,012 Gcal/year로 크게 감소하였다.
한편, 본 연구에서 수행한 연료전지, 태양광발전을 조합한 CHP Hybrid System의 경제성을 살펴보면 몇가지 주요 조건들이 조정되어야 현실적인 사업검토가 가능한 수준으로 경제성이 향상 될 수 있음을 확인 할 수 있었다. 먼저, 전기생산 매출과 관련된 것으로, 현행 전력시장은 ‘전력시장운영규칙’에 따라 정산되고 있다.

후속연구

0을 반영하였다.[21] 단일 연료전지, 태양광발전과 달리 CHP와 조합하여 최적의 설비운영을 도모하는 경우 이 가중치들을 일부 조정하여 전체적인 CHP Hybrid System의 발전비용을 보상해 줄 수 있는 방안도 검토 해 볼 수 있을 것이다.
12)에서는 재생에너지를 ’30년 발전량의 20%로 확대 및 노후석탄 조기폐지와 석탄발전의 LNG 전환 등을 추진하는 것을 기본방향으로 설정하였다.[3] 이러한 주요 정책들의 이행계획 및 목표에 현실적으로 가장 적합한 핵심전원은 여러 국가 계획 등에서 제시된 바와 같이 열병합발전이 될 것이다. 따라서, 온실가스 감축목표 달성 및 미세먼지 저감을 위해서는 산업부문이 다수 입주해 있는 산업단지를 대상으로 집단에너지시스템의 핵심인 열병합발전의 확대보급을 추진 할 필요가 있다.
그럼에도 불구하고 본 연구를 통해 단일 CHP System 보다 신재생에너지를 조합한 CHP Hybrid System이 손실 규모를 줄일 수 있음을 확인 할 수 있었다. 다만, CHP Hybrid System의 실질적인 경제성을 확보하기 위해서는 고정비 일부를 보상하거나, 분산형 전원 및 재생에너지 확대 정책 기조에 따른 CHP 연계형 신재생에너지에 대한 보전방안 마련, 그리고 연료비 조정 등 다방면에서의 제도개선이 함께 이루어질 필요가 있을 것이다. 앞으로도 산업단지에 대한 다양한 연구들이 지속적으로 이루어져, 기후변화 대응을 위한 국가의 온실가스 배출 저감 및 에너지절감 목표를 달성할 수 있는 다양한 방안들이 제시되기를 기대한다.
다만, CHP Hybrid System의 실질적인 경제성을 확보하기 위해서는 고정비 일부를 보상하거나, 분산형 전원 및 재생에너지 확대 정책 기조에 따른 CHP 연계형 신재생에너지에 대한 보전방안 마련, 그리고 연료비 조정 등 다방면에서의 제도개선이 함께 이루어질 필요가 있을 것이다. 앞으로도 산업단지에 대한 다양한 연구들이 지속적으로 이루어져, 기후변화 대응을 위한 국가의 온실가스 배출 저감 및 에너지절감 목표를 달성할 수 있는 다양한 방안들이 제시되기를 기대한다.
또한, 연료전지, 태양광발전을 조합하더라도 여전히 산업단지 전체 에너지수요를 충족하기 위해서는 운영손실 규모가 큼을 확인 할 수 있었다. 이에, 하절기와 동절기의 PLB 운전을 최소화하는 방안으로써, 산업단지 전체가 아닌 대표업종인 제지업종으로 에너지수요를 한정 짓게 되면, 아직 분양이 완료되지 않은 산업단지의 상황을 고려할 때 초기 투자비 부담 완화와 향후 운영에 따른 손실을 최소화 할 수도 있을 것이다. Case 3은 이러한 여건을 고려하여, 산업단지 내 대표업종인 제지업종에 한해 에너지수요량을 축소, 변경한 경우이다.
1과 같이 고체연료를 주 연료원으로 사용하는 산업부문에서 청정연료원으로의 에너지전환 검토가 보다 적극적으로 이루어질 필요가 있음을 보여준다. 즉, 종합효율이 우수한 청정연료원을 기반으로 하는 집단에너지사업의 활성화를 위해 집단에너지 공급대상 지역지정 기준을 보완 하거나, 중소형 집단에너지 공급설비 적용 가능성에 대해 연구 할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HOMER Pro는 무엇인가?	6Gcal/km^2{\cdot}h$로 높은 세종첨단일반산업단지를 연구 대상으로 하였다. 그리고 신재생에너지 Hybrid System 경제성 분석 프로그램인 HOMER Pro를 이용하여 연료전지와 태양광발전을 연계한 FC-PV Hybrid CHP System의 최적화 운영 모델에 대해 분석하였다. 또 CHP의 주 공급 에너지원인 열에너지에 있어, 열수요량 뿐만 아니라 우점 업종에 대한 열수요 패턴을 분석하여 연구의 신뢰도를 높이고자 하였으며, 경제성 분석을 추가하여 상대적 편익을 비교하고자 하였다.
	REC 발급은 어떻게 받는가?	그리고 CHP Hybrid System에서 조합한 연료전지, 태양광발전이 추가되면, 단일 CHP에서는 발생하지 않는 REC(Renewable Energy Certificate)를 발급받게 되어 추가 매출항목이 생긴다. 이때 REC 발급 수량은 신재생에너지를 통한 단위 전력 생산량 1 MWh에 대해 가중치를 부여하게 되는데, 이는신재생에너지원별 발전비용을 보상해주는 개념에 가깝다.
	전력시장은 무엇에 의해 정산 되는가?	한편, 본 연구에서 수행한 연료전지, 태양광발전을 조합한 CHP Hybrid System의 경제성을 살펴보면 몇가지 주요 조건들이 조정되어야 현실적인 사업검토가 가능한 수준으로 경제성이 향상 될 수 있음을 확인 할 수 있었다. 먼저, 전기생산 매출과 관련된 것으로, 현행 전력시장은 ‘전력시장운영규칙’에 따라 정산되고 있다. 고정비를 보상하는 차원에서 지급하는 용량요금(CP; Capacity Payment)은 전력거래소에 중앙급전발전기로 등록된 20 MW 이상의 설비에 한정된다.

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상세보기
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Korea Gas Corporation., http://www.kogas.or.kr

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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