주 ) 삼천리 기술 연구소

1. 가스 열병합 발전 경제성 분석 프로그램 고객 서비스 2002. 12. 30. Win-Win 2003.11. 26 주)삼천리 기술 연구소 소장, 기술사 주동한(dhenergy@samchully.co.kr)

2. Contents 1. 가스 열병합발전(Gas Co-Gen) 1) 개요 2) 열병합발전 기기 비교 2. 용어의 정의 3. 경제성 분석 프로그램 1) 개요 2) Co-Gen 도입 적합 건물 3) 프로그램 구성 요소 4) 문제점 및 개선 사항 4. 경제성 분석 사례(APT) 5. 가스 열병합 발전 보급 활성화 방안

3. 1. 가스 열병합 발전(Gas Co-Gen) 1) 도입 배경 ① 국가 에너지 소비량 증가  효율향상 및 에너지 절약 시스템 보급 ② 도시가스사 ◆ 원단위 향상을 통한 가스판매량 및 매출 증대 - 하절기 가스 판매량 증가로 TDR 개선(가스 열병합발전 가동시간 하절기 위주 가동) - 타에너지 가스화를 통해 가스 판매량이 10~25% 증대 ◆ 타 난방방식에 의한 기존 시장 잠식 방어 - 생활수준의 향상 및 편리성 가치 추구(중앙난방  개별난방  지역난방  ??) - 재건축, 재개발 지역에 대한 타 난방 잠식 대처(구역형 CES 집단에너지 사업) ◆ 신기술 적용으로 신규 시장 확대 및 기술력 향상 - 지속적인 설비 제안으로 ENGINEER 기술력 향상 - 미래시장 개척 및 전문기술 기반 구축 ◆ 차별화 우위 마케팅으로 고객 만족및 이미지 개선 -1 -

4. 2) 열병합발전 기기 비교 구 분 가스엔진 가스터빈 배열회수형태 배기가스 : 온수 또는 증기 냉 각 수 : 온수 또는 증기 배기가스 : 주로 증기 발 전 효 율 25 ∼ 40% 20 ∼ 33% 종 합 효 율 75 ∼ 85% 75 ∼ 85% 배기가스 온도 기관출구 450 ∼ 650℃ 400 ∼ 550 ℃ 열교환출구 150 ∼ 200 ℃ 160 ∼ 200 ℃ 배기연(그을음) 없음 없음 소음 95 ∼ 97dB(A) 고주파영역이 높다 105 ∼ 110dB(A) 진동 일부 방진대책이 필요 진동이 적어 특별한 대책은 필요없음 Nox 대책 연소개선 희박연소 수분사, 증기분사, 예혼합희박연소 배기가스 삼원촉매 암모니아(또는 요소)탈초 특징 ㆍ왕복운동 ㆍ발전효율이 높다 ㆍ 동일한 장소(실린더내)에서 연소 ㆍ흡기온도에 상관없이 출력이 거의 일정 ㆍ급격한 부하 변동에 수동 대응 ㆍ회전운동 및 배열이 많음 ㆍ배기가스온도가 고온이고 증기회수가 용이 ㆍ독립된 기능을 가진 개별장소에서 연속적 수행 ㆍ냉각수가 불필요 또는 소량으로 충분 ㆍ1대당 발전용량이 1,000kW이상으로 큰 것이 많다 -2 -

5. 2. 용어의 정의 ㅇ 열병합발전 :하나의 연료(가스, 유류, 고체연료)로부터 전기 및 열에너지를 동시에 생산하는 설비(에너지관리공단, 국내 발전 사업자) ㅇ Co-Generation : "열병합발전"의 영문 표기 ㅇ Gas Co-Gen : 연료를 가스로 사용하는 "Co-Generation"의 영문 표기의 약어(도시가스공급사) ㅇ CHP(Combined Heat and Power Plant) : "열병합발전소"의 영문 표기 ㅇ HOB(Heat Only Boilar:열전용보일러) : 첨두 난방부하용 또는 비상용으로 활용하는 보일러(한국지역난방공사, LG POWER 등 사용) * 보조 보일러(서울도시개발공사 사용) - 3 -

6. ㅇ 집단에너지 : 집단에너지 사업법에서 사용하는 용어로 다수의 사용자를 대상으로 공급되는 열 또는 열과 전기를 말함(집단에너지사업법, 산업자원부) - 지역 냉.난방 :집중된 열생산시설에서 일정지역내에 있는 주택, 상가, 사무실 등 건 물을 대상으로 냉.난방용, 급탕용 열 또는 열과 전기를 공급하는 방식 (집단에너지공급기본계획) - 산업단지 집단에너지 : 산업단지에 공정용 열 또는 열과 전기를 공급하는 방식 - 구역형 CES(Community Energy System) [주택.건물, 산업단지] 집중된 열생산시설에서 도심과 같은 일정지역내에 집중되어 있는 주택, 상업, 업무, 병원, 정보통신시설 등 건물의 냉.난방용, 급탕용 및 산업단지 공정용 열 또는 열과 전기를 공급하는 방식(집단에너지공급기본계획) * TES(Tri Energy System) : TES란 CES개념 도입 초기 일부 학자에 의해 사용되었으나 삼천리가 '02년 지역난방 대응의 하나로 가스, 전기, 열(냉방.난방) 3가지를 일괄공급하는 CES의 변형된 용어로 사용하였음 ㅇ 자가용 발전 :동일건물 또는 동일인이 소유한 서로 인접 - 4 -

7. 3. 경제성 분석 프로그램 1)개요 열병합발전시스템은 열수요에 따라 공정열을 공급하는 동시에 전기출력 및 전력회사로부터의 구매전력을 적절히 조정하여 운전 열출력 및 전기출력을 동시에 공급한 경우 보다 저렴한 비용으로 공정열 및 전력을 얻기 위해서는 일정기간(일간, 주간)동안의 열출력 및 전기출력을 시간대별로 적절하게 배분시킬 수 있는 열병합발전시스템 운전 기법이 절실하게 필요 ☞Co-Gen은 가동률 및 부하율이 높은 운전을 유지함으로써 조기에 초기투자를 회수할 수 있는지? ☞규모 시스템 도입으로 투자 회수기간 및 장기적인 경제적 Merit가 커지는지?. ☞경제적 Merit뿐만 아니라 환경성, 신뢰성 향상에 기여하는지? ☞ Co-Gen 적용시 건물의 적정성 여부를 파악하고 사업 사이클에 적합한 회수년수를 설정하는것이 중요 2)Co-Gen 도입 적합 건물 ▼ 연간 안정된 전력부하, 열부하가 있는 건물(휴일이 적은 건물) ▼ 전력부하와 열부하가 시간별 패턴이 유사한 경우 ▼ 열전비(열부하/전기부하)가 높은 경우 ▼ 전력, 열 에너지원을 복수화하여 신뢰성을 높이고자 하는 경우 ▼ 특별고압 수전을 회피하고자 하는 경우 ▼ 설비증설에 따른 전력설비 증설이 불가피한 경우 - 5 -

8. 3) 프로그램 구성 요소 • ■ Data 부 • 각종 건물 부하 Data • 에너지 비용 • 각종 기기 특성 자료 • ■ 연산부 • 목적 함수를 기본으로 최적화 • 설비용량 산출 및 부하분석 • 최적화 알고리즘을 통한 연산 • ■ 입.출력부 • 기본자료 입.출력 • 현장별 부하 Pattern 도출 • 경제성 평가 도출 ㄱ) 에너지 소비 건물에 대한 기분 구성과 건물의 에너지 연간 부하 산출 (장치부하 및 운전부하 산출) ㄴ) 산출 부하를 만족하기 위하여 주요기기를 선택 조합하여 에너지 공급 시설을 구성하고 이것을 운전 부하를 만족시키도록 운전할 경우 전체 시스템과 개별기기에서의 에너지 흐름과 매전량, 연료소비량을 계산 (시스템 구성과 운전 시뮬레이션) ㄷ) 시스템 구성 결과 선정된 기기 구입비 계산 및 발생전력요금, 가스요금, 연료비 보조기기 구동비, 인건비 등을 포함한 경비를 파악 경제성 분석 Data산출경제성평가 자료조사 입력 제안 협의 자료제출 - 6 -

9. 4)문제점 및 개선사항 ◆ 설계 조건인 파라미터가 정립된 자료가 부족 - 용도별, 규모별, 지역별, 계절별 건축물 설계 조건인 파라미터 부족 - 학계 분석 알고리즘에 의한 분석 자료로 현장감이 떨어짐 ◆ 최적 진화 알고리즘 적용 미흡 - 적합도 평가, 계산 수식의 불 명확 (도출되는 자료 신뢰성이 떨어짐) ◆ 선진외국 제품 구입시 작업 환경 상이 - 기후환경 및 생활 습관이 상이하여 S/W의 수정이 불가피 ◆ 분석된 자료를 통해 제안서 제 구성하는 번거로움 발생 ※ 건물 부하패턴에 대한 Database 구축ㆍExpert System 개발 ※ ※ 비전문가도 간단한 수치 입력만으로도 경제성 출력 ※ - 7 -

10. 4. 경제성 분석 사례(APT) 1) 대상건물별 정보 ▣ 각종 건물 최대 에너지 부하 (단위: W/㎡, Kcal/㎡, *Mcal/h) ▣ 각종 건물 연간 에너지 부하 (단위: KWh/㎡, Mcal/㎡, *Mcal/h) - 8 -

11. ▣ 연간 에너지 수요 패턴 예 (전기) - 9 -

12. ▣ 연간 에너지 수요 패턴 예 (난방 및 급탕) - 10 -

13. 2) 경제성 분석 FLOW - 11 -

14. 3) 알고리즘 연간 발전량 연간 배열량 - 12 -

15. 4) 기본 입력 자료 ● 건물 조건 - 업종 : APT, 호텔, 병원, 백화점, 업무용 빌딩 등 - 건물 규모 : 건축 연면적 ● 시스템 조건 - 발전기 기종 : 가스엔진, 터빈, 연료전지 - 발전기 수량, 발전기 최저부하율, 최고 부하율, 운전형태 - 보조기기 동력 전력 소비량 - 배열이용 : 급탕, 난방, 냉방 ● 에너지 가격 - 도시가스 요금 : 용도별 가스요금 - 전기요금 : 부하 형태별 요금 (저압, 업무용 갑. 을, 고압 갑.을, 특고압, 산업용) - 지역난방 요금 : 지역별 지역난방 요금 ● 비교 시스템 - 비교시스템 : 지역난방, 중앙난방, 개별난방, 빙축열, 가스냉.난방, - 13 -

16. 5) 공동주택 Co-Gen 경제성 분석 ㄱ) 검토 기준 ● APT 분석 규모 - 총 세 대 수 : 1,000세대(25평 : 400세대, 32평 : 600세대) - 건축연면적 : 101,530㎡(30,700평) - 전 용 면 적 : 81,220㎡(24,600평) ● 요금(2003.7.1 경기도) - 전기 요금 : 주택용(주택용 고압), 가로등(가로등), 오폐수펌프(산업용) - 열 요 금 : 한난(기본요금 49.02원/㎡, 사용요금 평균 40.73원/M㎈) * LG-Power는 한난과 동일한 요금 구조임 - 도시 가스 : 보일러(주택난방용 : 470.69원/㎥)->452.57원/㎥(’03.9) 발전기(공동주택 CES용 : 冬(433.35원) 夏(360.12원) 春秋(396.02원)) -> 冬(415.23원) 夏(342.00원) 春秋(377.90원)) ● 열부하 - Peak 부하 : 급탕 1.9Mcal/h, 난방 6.1Gcal/h - 급탕+난방부하 : 6.4Gcal/h(약 10Ton/h), 열사용량(10,597Gcal/년) * 세대당 년간 평균 사용량(10.6 Gcal/년.세대) ● 전기부하 - Peak부하 : 2,355kW(최저전기 99Kw 전등 약 5천개분량) - 전기 사용량 : 4,061MWh/년, * 월간 세대 평균 전기 사용량( 340Kwh/월) - 14 -

17. ㄴ) 설비 구축 및 운영 ● Co-Gen 및 설치비 - 가스 엔진 : 180Kw x 2대 = 360Kw(배열 : 252Kw x 2 = 504Kw->430Mcal/h) * 시간당 연료 사용량 : 0.27㎥/Kwh당 - 투 자 비 : LNG 중앙난방 전환시 11억원(신축 32억원) ● 운전실적 - 가스 엔진 가동시간 : 6,396(2대 동시 가동 기준) - 년간발전량 : 2,187천Kwh/년, 전기 전체 부하(4,061천KWh /년)의 54% 담당 * 발전기 소내 동력 5%, 폐열 5% Loss 반영 - 폐열회수량 : 2,772Gcal/년, 열 전체부하(10,597Gcal/년)의 26% 담당 연료 비용 ● Co Gen (Co-Gen 페열량 포함 ) - Co-Gen : 614천㎥ x 주택용열병합요금 = 243백만원 - 보 일 러: 1,055천㎥ x 주택용난방요금 = 497백만원 - 한국 전력 : (4,061천KWh-2,187천Kwh)*60원 = 112백만원 ● 기존 LNG 중앙난방 - 전기 : 4,061천Kwh * 119원 = 4억 8천만원 (절감액 : 3억 7천만원) - 가스 : 7억 7천만원 (절감액 : 3천만원) 가스량(1,669천㎥), 요금(7억 4천만원) 절감액(1억9천만원) 단순 투자회수 기간 (4.34년) - 15 -

18. ㄷ) 경제성 분석 결과 ▷공동주택 25평(400세대), 32평(600세대) 기존 LNG중앙난방을 공동주택 Co-Gen으로 전환 가정하여 에너지 분석 결과 이자 이율 4% 반영시 순수 절감금액은 4억정도 나타나나 부대비용및 운영비용 반영시 1억9천만원으로 10억 7천만원 투자하여 회수기간은 4.34년임. ▷ 일정세대 이상(전기소비가 많은 500세대 이상)이면 규모의 경제성을 떠나 조합의 경제성(Best Condition System 구축) 접근 필요. ▷전기요금, 가스요금, 투자비 이자 상환에 투자회수기간이 크게 좌우됨 1)전기요금 ±10원/Kwh 당 투자회수기간이 ± 1년이 증감됨 2) 가스요금 ±10원/㎥당 투자회수기간이 ± 0.5년이 증감됨 3) 열요금 ±10원/Kcal당 투자회수기간이 ± 1.2년이 증감됨 4) 상환이율 ±4% 당 투자회수기간이 ± 0.5년이 증감됨 따라서, 현재와 같은 이상적인 조건에서 투자회수 기간이 4.34년 도출은 현장 적용시 “투자비 과다, 이자부담”“에너지소비가 높은 가스엔진 선정” “에너지 Loss 과다”“전기 사용량이 적은 저평형 APT”의 경우 Best Condition System 미 구축시 민원 발생 소지가 있음. - 16 -