CES내 신재생에너지 하이브리드 시스템을 활용한 CHP 최적 공정모델 :Optimal Process Model of CHP Using New & Renewable Energy Hybrid System in CES

이승준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이승준 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 김래현

발행연도: 2016

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

구역전기 사업시 CHP와 신재생에너지 하이브리드 시스템의 최적공정 모델

이승준 , 김래현 에너지공학 2017.06 학술저널

2016

CES내 신재생에너지 하이브리드 시스템을 활용한 CHP 최적화 공정 모델

이승준 , 오광민 , 김래현 한국에너지학회 학술발표회 2016.04 학술대회자료

CES내 신재생에너지 하이브리드 시스템을 활용한 CHP 최적 공정모델

이승준 2016.01 학위논문

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구역전기사업이 시행된 2004년 이후 LNG가격은 수년간 급등하였다. 그러나, 전기요금의 인상은 제한되었다. 오히려 기저부하 발전 비중 및 예비율 증가로 인한 SMP(System Marginal Price; 계통한계가격) 하락으로 수익성이 악화되었다. 또한, 구역전기사업은 사업규모가 제한되어 있어 규모의 경제 실현이 어렵고, 비중앙급전발전기로 분류되어 CP(Capacity Price; 용량요금) 회수가 불가능한 점 때문에 수익성은 점점 악화되었다. 구역전기사업 허가를 받는 국내 32개 사업장 중 19개 사업장은 이미 수익성 문제로 사업을 전환 또는 포기할 정도로 이 제도는 급격히 위축되고 있다.
한국지역난방공사 SS지사에서는 시설용량 전기 99MW, 열 98Gcal/h 규모의 열병합(Combined Heat & Power) 발전소를 구역전기사업으로 운영하고 있다. 이 지역은 경기불황과 수요 감소로 하절기 6~9월 사이에 잉여열 처리문제가 발생하여 발전기를 가동하기 곤란한 상황이므로 경제성 있는 에너지 신사업모델 개발이 절실하다.
본 연구에서는 이곳의 실제 운영 자료를 기반으로 신재생 에너지 하이브리드 시스템을 도입하여 최적화 운영모델을 개발하고자 한다. 특히 신재생에너지 중에서도 입지제약이 작고 열과 전기를 동시에 생산할 수 있는 연료전지(Fuel Cell) 발전과 대표적인 신재생에너지인 태양광(Photovoltaic) 발전과 심야 발전 시 전력을 저장하여 주간에 전력을 방출 할 수 있는 ESS(Energy Storage System)의 조합을 검토하였다. 이에 따른 최적화 모델 선정은 HOMER(Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources) 프로그램을 활용하였다. 경제성 분석을 수행한 결과, 순 현재비용(NPC) 측면에서는 기존의 99MW 열병합발전이 가장 경제적이지만 신재생에너지를 사용하여 발생되는 탄소배출권 거래와 REC(Renewable Energy Certificate) 거래를 포함한 측면에서는 99MW의 CHP와 5MW의 연료전지, 521kW의 태양광을 하이브리드 시켜서 전력과 열을 공급하는 것이 99MW의 CHP 열병합발전만으로 전력과 열을 공급하는 것보다 최대 2,475억원 경제적인 것으로 나타났다.
지역난방 시스템의 최적화 공정모델로 연료전지와 신재생에너지 하이브리드 시스템을 도입함으로써 구역전기사업 여건을 개선시킬 수 있는 결과를 확인하였다.

LNG prices have surged for many years since 2004 when the district electricity project was implemented. However, the increase in electricity rates was limited. On the downside, profitability deteriorated due to a decrease in System Marginal Price (SMP) due to the proportion of base load power generation and reserve ratio. In addition, profitability has deteriorated due to the fact that economies of scale are difficult to realize due to limited business scale, and because it is classified as a non-centralized power generator and the capacity price (CP) can not be recovered. Of the 32 domestic workplaces that are licensed to operate the district electricity business, 19 are already shrinking to such an extent that they have already converted or abandoned their businesses due to profitability problems.
In SS branch of Korea District Heating Corporation, Combined Heat & Power power plant with 99MW capacity and 98Gcal /h capacity is operated as a district electricity business. In this region, it is difficult to operate the generator due to the problem of surplus heat treatment between June and September due to the economic recession and the decrease in demand, so it is urgent to develop an economical energy new business model.
In this study, we will develop an optimized operation model by introducing a renewable energy hybrid system based on actual operation data of this site. In particular, among renewable energy sources, fuel cell (Fuel Cell) power generation which can generate heat and electricity at the same time with limited location constraints, photovoltaic power generation which is representative renewable energy, ESS (Energy Storage System). HOMER (Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources) program was used to select the optimal model.
As a result of the economic analysis, 99MW CHP combined cycle power generation is the most economical in terms of net present cost (NPC), but 99MW CHP in terms of carbon emission trading and renewable energy certificate And 5MW fuel cells, and 521kW of solar power to supply electricity and heat than the supply of electricity and heat by 99MW CHP cogeneration power, it was shown that it is economically up to 247.5 billion won.
Therefore, we confirmed the results of the improvement of the zone electricity business condition by introducing the fuel cell and the renewable energy hybrid system as the optimization process model.

#구역전기사업 #신재생에너지 하이브리드 #에너지 신사업 #HOMER Pro

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구배경 및 목적 1
2. 연구의 내용과 구성 2
Ⅱ. 이론적 고찰 3
1. 구역전기사업(Community Energy System; CES) 3
1.1 구역전기사업의 개요 3
1.2 구역전기사업의 현황 및 문제점 5
2. 연료전지 시스템(Fuel Cell System) 8
2.1 시스템 개요 및 특성 8
2.2 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC) 10
2.3 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell; PAFC) 14
3. 태양광 시스템(Photovoltaic System) 16
3.1 시스템 개요 및 특성 16
4. ESS(Energy Storage System) 17
4.1 시스템 개요 및 특성 17
4.2 종류별 특징 17
5. 최적 공정모델 경제성 분석 프로그램 20
5.1 HOMER(Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources) 21
5.2 RETScreen 22
6. HOMER 이론 23
6.1 순 현재비용(Net Present Cost; NPC) 24
6.2 발전단가비용(Cost Of Energy; COE) 25
6.3 초기투자비용(Initial Capital Cost) 25
6.4 교체비용(Replacement Cost) 25
6.5 운영유지비용(O & M Cost) 25
6.6 잔존가치(Salvage Value) 26
Ⅲ. 시뮬레이션 대상지역 분석 및 모델 제안 27
1. 시뮬레이션 계획 27
1.1 시뮬레이션 진행과정 27
1.2 시뮬레이션 구성 29
2. 시뮬레이션 대상지역 선정 30
3. 선정지역 전력부하 및 열부하 패턴 분석 32
3.1 전력부하 현황 32
3.2 전력부하 패턴 산정 33
3.3 열부하 현황 36
3.4 열부하 패턴 산정 37
4. 시뮬레이션 모델 제안 39
4.1 CHP 모델링 39
4.2 연료전지발전 모델링 40
4.3 태양광발전 모델링 42
4.4 ESS 모델링 43
4.5 첨두부하 보일러 모델링 44
4.6 컨버터 모델링 44
4.7 비용 모델링 44
Ⅳ. 결과 및 고찰 46
1. 시뮬레이션 결과 46
1.1 CHP 단독 열병합발전시스템(CASE I) 46
1.2 CHP + 연료전지 열병합발전시스템(CASE II) 47
1.3 CHP + 연료전지 + 태양광 열병합발전시스템(CASE III) 48
1.4 시뮬레이션 결과 비교 분석 50
1.5 경제성 분석 55
1.6 민감도 분석 57
Ⅴ. 결론 60
참고문헌 62
Abstract 64

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