초록 ▼

1. 연구 배경 및 목적

1980년대 하반기에 도입된 집단에너지 사업은 국가 에너지이용효율화와 친환경 정책의 중장기 실현의 일환으로 급속하게 보급이 확대되었으나, 2010년대 이후에는 대규모 택지개발의 둔화, 온난화, 건물 단열강화 등으로 정체 내지 감소추세를 나타내고 있다. 또한 기후온난화 대응방안으로 도입된 RPS제도(2012)와 탄소배출거래제(2015) 등으로 집단에너지 사업자가 신재생부문에 투자하게 함으로써 사업 여건을 압박하게 되었다.
그러나 집단에너지는 열병합발전과 같이 효율이 높은 시스템을 활용하기 때

1. 연구 배경 및 목적

1980년대 하반기에 도입된 집단에너지 사업은 국가 에너지이용효율화와 친환경 정책의 중장기 실현의 일환으로 급속하게 보급이 확대되었으나, 2010년대 이후에는 대규모 택지개발의 둔화, 온난화, 건물 단열강화 등으로 정체 내지 감소추세를 나타내고 있다. 또한 기후온난화 대응방안으로 도입된 RPS제도(2012)와 탄소배출거래제(2015) 등으로 집단에너지 사업자가 신재생부문에 투자하게 함으로써 사업 여건을 압박하게 되었다.
그러나 집단에너지는 열병합발전과 같이 효율이 높은 시스템을 활용하기 때문에 정부는 이를 지속적으로 확대할 계획이다. 제2차 에너지 기본계획에서는 2035 년까지 총발전량의 15% 이상을 분산전원으로 충당한다는 계획을 수립하였고, 그 후속 계획으로 7차 전력수급계획에는 집단에너지용 열병합발전의 발전량을 제시하였다. 그 이외에 광 역배관망 구죽(Green Heat Project), 열지도(Heat map) 작성 등 집단에너지 확대를 위해 공공부문에서 꾸준히 노력하고 있다.
정부의 집단에너지 공급확대 계획에도 불구하고 어떤 설비를 통해 집단에너지를 공급할 것인지에 대한 구체적인 계획은 아직 마련되어 있지 않은 실정 이다. 정부가 수립한 집단에너지 관련 정책 목표를 달성하기 위해서는 어떤 규모의 집단에너지용 설비를 어느 정도 증대시켜야 하는지에 대한 구체적인 분석이 필요하다. 이 에 본 연구는 2035년까지의 국가온실가스 감축에 적극 기여하고 2차 에너지기본계획의 중장기 지역난방수요와 7차 전력수급계획에 제시된 중장기 집단에너지용 열병합발전의 발전량 수요를 안정적으로 조달하기 위해 TIMES 모형을 구축하고, 이를 통해 우리나라의 중장기 집단에너지용 열병합 발전의 공급 목표를 분석하고자 한다.

2. TIMES-DH 모형 구축

TIMES 모형은 현재 자료 이용이 가능한 최신 연도인 2013년을 기준 연도로 하고, 목표 연도는 에너지기본계획과 전력수급기본계획에서 설정한 2035년으로 하여 분석하였다. 분석 대상 집단에너지 시스템은 6가지 형태로 구분하고 비용효과성을 고려하여 2035년의 온실가스 배출을 가장 적게 하며 집단에너지 공급 목표를 달성할 수 있는 집단에너지 설비를 분석하였다.
우리나라의 집단에너지 공급시스템은 열병합발전(CHP), 열전용 보일러(PLB), 연계열(발전배열, 산업공정열), 쓰레기 소각열이 연계되어 운영되고 있으며, 여기에는 LNG와 중유가 연료로 사용되는 등 매우 복잡하게 구성되어 있다. 본 연구에서는 집단에너지 시스템을 사용연료, 열병합발전 규모, 에너지원 간 연계 특성 등을 반영하여 6개로 구분했다. 즉, 소규모 가스엔진 공급시스템, 중유 기력 열병합발전 시스템, 150MW급 가스복합 열병합발전 시스템, 350MW급 가스복합 열병합발전 시스템, 대규모 연계열과 열전용 보일러로 구성된 시스템, 그리고 보일러와 소각열 및 소규모 연계열로 구성된 시스템이 그것이다.
TIMES 모형에서 필요로 하는 외생 변수인 전기와 열에너지의 장기수요전망은 2차 에너지기본계획과 제7차 전력수급기본계획의 자료를 활용하였다. 에너지가격은 한난의 실적자료, 열병합발전 효율 등 기술적 외생자료는 관련 전문가의 의견을 반영하였다.

모형 분석의 시나리오는 크게 연료전환과 공급시스템 에너지전담으로 나누었다. 연료전환 시나리오는 현재 중유 열병합발전시스템 (SYS_2)의 연료를 천연가스로 대체하면서 열병합발전 설비 용량을 2배로 증가시키는 방안이다. 에너지전담 시나리오는 열과 전기의 수요를 특정한 공급시스템에서 전담하는 방안이다. 이는 6가지의 집단에너지공급시스템 중 어느 시스템이 우수하고 효율적인지 알 수 없는 상황에서 가장 비용이 낮고 CO₂ 배출이 적은 공급시스템 및 열원을 발굴하기 위해서이다.

TIMES_DH룰 구축한 다음, 시나리오별 시스템 총비용, CO₂ 배출량, CO₂ 감축비용을 도출하고, 이를 상호 비교하여 향후 집단에너지를 확대 보급할 경우 채택할 수 있는 공급시스템을 모색하였다. 시나리오 분석 결과 연료전환 케이스(SCE-4-1)가 비용 측면이나 배출 감축 측면에서 탁월한 것으로 나타났다. 그리고 중대형 열병합발전에 전기 수요 증가를 전담시키는 방안(SCE-1-3, SCE-1-4)이 다른 대안보다 유리한 반면, 열 수요를 특정 공급시스템에 전담하게 하는 시나리오는 총 비용과 CO₂ 배출량 측면에서 다른 시나리오보다 불리하게 나타났다.
그리고 구축된 TIMES_DH 모형을 통하여 중장기 최적 열병합발전 규모를 도출하였다. 2035년 기준으로 온실가스 감축비용이 가장 낮은 방안은 150MW급 열병합발전 확대 시나리오(SCE-1-3)의 경우로 총 6.14GW의 설비가 도입되었다. 총비용과 CO₂ 배출이 가장 낮은 연료 전환 방안(SCE-4-1)의 경우는 5.62GW의 열병합발전이 도입되는 것으로 전망되었다.
모형의 최적설비는 현실적으로 계획된 설비규모보다 낮게 나타났다. 이는 최적 모형에서는 예비설비 등을 확보하는 별도의 제약을 두지 않으면, 주어진 에너지수요를 가장 저렴하면서 안정적으로 충족할 수 있는 설비를 도입하기 때문인 것으로 분석된다.

TIMES_DH의 시나리오 운용 결과를 통하여 집단에너지사업에 대한 에너지.환경 정책의 의미를 정리하면 다음과 같다.
첫째, 연료전환 방안이 가장 비용 효과적으로 CO₂를 줄일 수 있다. 따라서 정부가 온실가스 저감 목표를 달성하기 위해서는 발전부문의 연료전환을 가장 우선 고려하는 것이 바람직하다.
둘째, 연료전환 이외의 방안으로 가스복합 열병합발전을 도입할 경우 비교적 규모가 큰 시설이 공급비용과 CO₂ 감축에 유리하다. 소규모 CHP를 증대시킬 경우 상당한 비용이 수반되며，결국 이는 CO₂ 감축 비용을 높인다. 시나리오 분석에서는 350MW급 CHP가 150MW급 CHP보다 총비용도 낮고 CO₂도 많이 감축된 것으로 나타났다. 이는 단위비용도 상대적으로 저렴하고 발전효율도 좋기 때문인 것으로 분석된다. 그런데 150MW급 CHP를 확대하는 시나리오에서 CO₂ 감축비용이 가장 낮게 나타나므로 열원선택에 있어서 중대형 규모의 열병합발전이 경쟁할 경우에는 보다 세심한 분석이 필요하다.
셋째, 열병합발전의 가동률을 보장하면 신규설비의 규모가 합리화되고, 그에 따라 온실가스 감축비용도 낮아질 수 있음을 추정케 한다. 모형은 외생 변수로 주어지는 장기 에너지 수요에 부응하기 위해 무조건 가동해야 한다. 고장.정비에 대비한 예비설비 등을 고려하더라도 최적으로 운전할 실질적인 규모로 도입하게 되므로 에너지이용 효율화를 도모할 수 있다.

3. 모형 분석의 한계 및 향후 개선 방안

집단에너지사업을 6가지 형태의 공급시스템으로 분류하고 시도한 본 연구에서는 다음과 같은 한계를 지닌다.
첫째, TIMES_DH 모형의 구성이 지역난방 공급시스템 간의 경쟁으로 한정되어 있다. 이에 난방시장의 경쟁 구도(지 역난방 vs. 개별난방)로 구축하지 못하고, 집단에너지에서 생산된 전력과 집단에너지로 투입되는 발전배열이 외생 자료처럼 처리되어 분석되었다.

둘째, 현 모형의 외생 변수로 들어간 열에너지 수요의 장기 전망치가 비현실적으로 낮다. 입력 자료는 2차 에너지기본계획 장기전망 수치인데, 이는 현행 에너지통계연보의 에너지밸런스를 기준으로 작성 되었다. 그런데 에너지밸런스의 열에너지 수요가 매우 낮게 집계되어 우선적으로 개선되어야 할 부분으로 지적되었다.
셋째, 미래 열병합발전 기술수준이 반영되지 않았다. 향후 터빈 기술개발의 진전은 계속될 것이라는 전망이 우세하다. 터빈기술의 진보는 설비의 열전비를 변화시킨다. 즉 전기 생산은 증가하고 열 생산은 줄어들게 된다. 결국 주력 열원의 구성비에 영향을 줄 수 있기 때문에 모형 개선 시에 열전비의 장기 변화 추이 등을 외생변수로 고려해야 한다.
향후 열과 전기의 수요와 공급을 동시에 고려해야 하는 열병합발전을 주 열원으로 하는 집단에너지 모형 구축은 이러한 문제점을 개선 하는 방향으로 추진되어야 할 것이다.
첫째, 모형을 지역난방과 개별난방(개별보일러, 중앙보일러, 태양열, 지열, 히트펌프, 연료전지 등), 분산전원(지역난방, 신재생, 자가발전) 간의 경쟁이 이뤄지도록 모형화하여야 한다. 이를 위하여 지역난방의 지역독점성, 전기시장과의 연계성, 대체난방 관련 자료의 데이터베이스 등이 고려되어야 한다.

둘째, 집단에너지용 열병합발전에서 생산된 전력이 발전부문 전체에 연계되는 모형으로 구축되어야 하며, 동시에 발전부문에서 생산된 배열이나 산업부문의 공정폐열이 지역난방시스템에 투입되는 과정 (process)도 반영되어야 한다. 이를 위해 집단에너지용 배열 생산열원 (복합화력)은 집단에너지설비로 재분류하는 작업이 필요하다. 또 본 분석에서 제외 되었던 산업단지 집단에너지도 포함하여야 명실상부한 집단에너지부문 모형이 될 수 있다.
셋째, 열 수요 등 외생 자료(할인율, 에너지가격 자료, ,설비설계의 마진 등)는 현실성 있도록 재조정되어야 하며, 이러한 변수의 장기변화 추이를 반영하여야 한다.
넷째, 다양한 시나리오 분석이 필요가 있다. ‘35년까지 집단에너지 발전량을 분산전원 공급목표(15% 이상)에서 현행 방안(4.6%)보다 확장된 경우(7%, 10%) 뿐만 아니라 배관망 손실, 송배전 편익 등과 같은 다양한 시나리오 설정이 필요하다.

TIMES-DH 모형이 발전부문뿐만 아니라 산업부문이 포함된 TIMES 국가 모형의 서브 모듈로서 원만하게 작동되어야 집단에너지용 열병합발전에 대한 정책을 객관적으로 평가할 수 있다. 분산전원으로 집단에너지 열병합발전을 확대 보급하기 위해 투입연료에 세제해택을 줄일 경우, 혜택의 수준이 타 산업 부문에 어떤 영향을 미칠지를 검토할 수 있어야 정책적 형평성을 유지하는 모형이 될 수 있다.
향후 TIMES_DH 모형에는 집단에너지사업에 영향을 미칠 수 있는 RPS, 탄소배출권거래제, 가스터빈의 기술개발 속도, 열병합발전의 사회적 편익 반영방안 등을 고려할 수 있어야 한다. 현실을 잘 반영할 수 있는 정교한 모형을 구축하기 위해서는 그 분야의 내용을 잘 알고 있는 전문가들의 꾸준한 노력이 수반되어야 한다. 이를 위해서는 유사 연구가 지속적으로 개발되어 모형개발 및 연구에 국내 전문가는 물론 해외 전문가들과의 지속적인 협력이 필요하다.

Abstract ▼

1. Research Purpose
District heating and Cooling(DHC) and CHP(DHC and CHP) and had been rapidly introduced since late 1980s because of the housing expansions and environmental issues in Korea. It has been decreasing since 2010 because of the global warming and the slow housing development. Even t

1. Research Purpose
District heating and Cooling(DHC) and CHP(DHC and CHP) and had been rapidly introduced since late 1980s because of the housing expansions and environmental issues in Korea. It has been decreasing since 2010 because of the global warming and the slow housing development. Even though it is not expanding nowadays, Korean government is planning to increase the integrated energy system since it is efficient system. Government will supply more than 15% of electricity from decentralized power resources including CHP of District heating and Cooling by 2035 in the 2nd National Energy Plan, and the capacity of CHP of IES was specified in the 7th Power Plan.
However, there is no action plans for the district heating and cooling systems in order to achieve the government’s 2035 target. There is no plan for the capacity level of district heating and cooling and which technologies or DHC system will be expanded even though the total capacity of decentralised power resources was already decided in the 2nd National Energy Plan. The purpose of this paper is to establish the TIMES model searching for the technology or type of district heating system to contribute a national GHG emission target, and to suggest the mid-term supply target CHP capacities for district heating by 2035.

2. Research Results and Policy Implications
The base year of Korean TIMES model for district heating(TIMES-DH) is 2013, and the target year is 2035 in order to keep the consistency with the 2nd National Energy Plan and the 7th Power Plan. The cost effective district heating and cooling systems with the least GHG emissions are analyzed based on the TIMES_DH model.
Based on the fUel, capacity level and the linkage types, the Korean district heating and cooling systems are defined as 6 types, which are small gas-engine CHP(SYS-1), diesel powered CHP(SYS-2), medium-sized(150MW) gas combined cycle CHP(SYS-3), large-sized(350MW) gas combined cycle CHP(SYS-4), peak load boiler and processing heat(SYS-5), peak load boiler and waste heat(SYS-6). The energy sources for DHC systems are CHP, peak load boiler, process heat, waste heat, and the fUels are LNG and fUel oil(B-C oil). The exogenous demand of electricity and heat by 2035 is based on the 2nd National Energy Plan and the 7th Power Plan. The energy costs and the energy efficiencies for district heating and cooling systems are based on the Korea District Heating and Cooling Corporation.
According to the TIMES analysis， the cost and the GHG emissions of the fUel switch case which the B-C oil of SYS-2 is switched to LNG and the capacity is increased by twice is the lowest case. most cost-effective case. The case which the SYS-3 and SYS-4 supply the whole electricity is better than any other case in terms of cost and GHG emissions. But the case which any DHC-system supply the whole heat demand is the worst among cases. If the best case of fuel switching SYS-2 supply the whole electricity and heat demand, the installed capacity of 5.62GW should be needed by 2035. If the case of SYS-3 supply the whole electricity and heat demand, the capacity of 6.14GW should be installed by 2035. The case of SYS-3 is analyzed as the optimal system to achieve the 2035 target. The optimal capacity is less than the planned capacity of government.
The first policy implications of research results is that Korean government shall switch the fuel of SYS-2 to LNG from B-C oil in order to achieve the GHG emissions target since the case can reduce the GHG emissions most cost-effectively. The second implication is that the large-sized CHP(SYS-4) is the second best DH supply systems in terms of cost and GHG emissions since the large systems have the economics of scale. The third implication is that in case power Authority ensure the optimal operating factor of CHP for district heating optimize it would reduce the total cost and CO₂ emission of the system.

3. Further Research
This research does not consider the alternative system which can compete with collective system, for example, individual heating system. The heat demand is too low since it does not include all demand of heat in Korea. The technological development that the ratio of power to heat will be increased in the future is not considered in the TIMES model.
As a result, the future Korean district heating TIMES model should improve those drawbacks. The next TIMES DH should be considered the competition of district heating systems and individual heating systems in the analysis. TIMES should model three kinds of systems in a competitive manner. The electricity from DHC CHP should be linked to the power sector, and the heat from power sector and industrial process should be linked to the district heating and cooling system. Heat demand shall be increased in order to include all the heat consumption in the real world. More scenarios should be analyzed in order to include the higher share of decentralized power resources than the governments’s plan.
The Korean TIMES DH should be a part of National TIMES system including industry, transportation, residential sector, commercial sector in order to analyze the effect of district heating and cooling in national energy systems. That is, the effect of the case which the government give the subsidy for the fuel of DHC in order to expand of DHC system can be analyzed only based on the National TIMES system, The next TIMES-DH could be able to analyze the effect of RPS(Renewable Portfolio Standards), the prospect of technological development of gas turbine, and social benefit of CHP.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 참여연구진 ... 5
• 요약 ... 7
• ABSTRACT ... 15
• 목차 ... 21
• 표목차 ... 23
• 그림목차 ... 25
• 제1장 서 론 ... 27
• 1. 연구 배경 ... 27
• 2. 연구 목적 ... 28
• 3. 연구 주요 내용 및 방법론 ... 30
• 4. 보고서 체제 ... 31
• 제2장 집단에너지 보급현황과 기술 ... 33
• 1. 집단에너지 보급 현황 ... 33
• 2. 집단에너지 공급기술 현황 및 전망 ... 41
• 3. 국가 온실가스저감 목표와 집단에너지 공급 ... 50
• 제3장 국가 TIMES 모형의 이해 ... 59
• 1. TIMES의 개요 ... 59
• 2. 국가 TIMES 모형의 구조 ... 76
• 제4장 TIMES_DH 모형 구축 ... 89
• 1. 기준안(RES) ... 89
• 2. 모형의 외생자료 ... 109
• 제5장 TIMES_DH 모형의 운용 및 결과 ... 117
• 1. 기준안의 투입연료 수요 전망 및 온실가스 배출가스 ... 117
• 2. 분석 시나리오의 구성 ... 118
• 3. 시나리오 분석의 결과 ... 120
• 4. 중장기 집단에너지용 열병합발전 전망 ... 129
• 제6장 결 론 ... 135
• 1. 결과 분석 및 시사점 ... 135
• 2. 모형 분석의 한계 및 향후 개선 방안 ... 137
• 참고문헌 ... 141
• 끝페이지 ... 145