개별 지역난방 사용자 회수온도가 CHP 전력생산 기회비용에 미치는 영향 분석 연구

Abstract

국내에 지역난방이 보급된 지 30년이 지났다. 보급률도 2015년말 기준 전체 난방가구중 약 16%인 250만세대가 지역난방을 이용하고 있으며, 35개 사업자가 지역난방사업을 운영중에 있다. 그간 지역난방시스템은 높은 효율에 따른 에너지절감 효과로 정부정책 주도하에 확산보급 되어져 왔으며, 열생산 및 열수송설비의 기술수준은 세계 선진국 수준에 도달하였다고 판단되어진다. 그러나 사용자설비 분야는 사용자가 직접 운영함에 따른 설비고장 방치, 운영미숙 등의 원인으로 지역난방 효율을 저하시키는 요인이 되고 있다.

본 연구는 개별 지역난방 사용자들의 회수온도가 열원으로 회수되는 전체 회수온도에 미치는 영향을 분석하고, 지역난방 열원을 모델링하여 전체 회수온도 증가에 따른 열원에서 전력과 열을 생산하는데 발생되는 기회손실비용을 분석함으로써 개별 지역난방 사용자 회수온도별로 기회손실비용을 산정하였다. 본 연구의 목적은 사용자들의 불합리한 운영에 따른 사업자 손실을 사용자가 인식할 수 있도록 함에 따라 사용자가 자발적으로 사용자설비를 효율적으로 운영하게 함으로써 지역난방 전체시스템의 효율증대 및 에너지 절감 더 나아가 국가 탄소 배출 저감에 일익을 담당코자 한다.

개별 지역난방 사용자들의 회수온도와 전체 회수온도간의 수리적 연관관계를 해석하는데 있어서 기준온도는 사용자의 대류공조 난방방식 설계 회수온도 기준인 55℃로 설정하였다. 대부분의 사용자들은 기준온도 55℃이하에서 회수하고 있으나 약 10%의 사용자들만이 지속적으로 55℃를 초과하여 회수함으로써 전체 회수온도를 증가시키고 있다. 이러한 55℃를 초과하여 회수하는 사용자들이 전체회수온도에 미치는 영향을 분석하기 위해서는 타 사용자들의 회수온도에 영향을 받지 않는 객관적 기준이 필요하였고 본문 2장 식 (2.5)와 같이 수리식으로 정리하였으며, 수많은 데이터의 효율적 계산을 위하여 행렬 Matrix로 수리식을 재구성하였다.

또한 다양한 지역난방 열원시스템중 열생산을 위주로 실제 운영되는 배압터빈 방식의 열병합발전소를 GateCycle 상용해석 프로그램을 이용하여 모델링함으로써 전체 회수온도에 따른 전력생산 기회손실비용을 3장 4절에서 정리하였으며 RMS 오차평균은 약 0.1%로 계산되었다. 모델링은 공급온도 고정방식과 공급열량 고정방식으로 구분하여 수행하였고 동일한 연료량을 투입 하였을때 회수온도 증가에 따라 전력생산 감소 및 동력비 증가가 나타났고 이러한 비용은 실제 운영시 발생되는 비용과 동일한 비용으로 산출하였다.

2장과 3장에서 정리된 내용을 근거로 하여 한국지역난방공사 2015년 A지사 1월달 508개 사용자 실제 운영 데이터를 바탕으로 회수온도가 55℃를 넘는 94개 사용자들의 개별 기회손실비용을 산출하였다. 산출결과 A지사의 경우 연간 9천만원, 한국지역난방공사 전체 열원으로는 약 10억원의 기회손실비용이 발생함으로 알 수 있었다. 이러한 비용은 결과적으로 사용자들이 회수온도를 55℃ 이하로 운영한다면 동일한 연료량으로 열원에서는 연간 12,500 MW를 추가로 생산할 수 있으며 CO2 배출을 연간 6천톤을 줄일 수 있게 된다.

본 연구에서는 55℃를 초과하여 회수하는 개별 사용자별로 발생되는 기회손실비용을 어떻게 정형화 하여야 하는지에 대하여도 제시를 하였다. 전력요금의 역률 추가비용과 같이 기본요금 대비 비용으로 검토하였으나, 지역난방에서의 사용자 회수온도는 난방면적으로 계산되는 기본요금과는 상관관계가 없음을 알 수 있었다. 결국 사용자들의 회수온도 증가는 사용자 시설의 고장 방치 및 비효율적 운영에 기인한다고 판단하여 회수온도에 따른 비용 추세선으로 기회손실비용을 적용하는 것이 타당하다고 판단하였다.

본 연구결과로써 우리나라 집단에너지시스템의 사용자측 열에너지 사용효율에 대한 인식과 요금개선에 대한 필요성이 대두되고 보다 더 많은 연구의 단초가 되었다고 판단한다.