3.1.1 시뮬레이션 모형

본 논문에서는 고층 건축물의 마이크로 하이브리드 양수발전의 최적화 분석을 하기 위해 Homer Pro version 3.18 모형을 활용하였다. Homer Pro 시뮬레이션 모형은 1993년에 (NREL, National Renewable Energy Laboratory) 국립 재생 에너지 연구소에서 개발한 모형으로 탄소 배출권 감소, NPC 및 LCOE 최소화 및 경제적 분석을 하는데 널리 사용하는 소프트웨어이다. Homer Pro모형은 다양한 변수 값의 조합에 따라 최적화 분석 및 경제성 분석 등 광범위한 분석을 제공한다. 본 논문의 시뮬레이션은 i5-7200u CPU 2.71Ghz Ram 8GB, 64비트에서 수행하였다.

3.1.2 시뮬레이션 데이터 입력 설정

고층 건축물의 마이크로 하이브리드 양수발전의 최적화 분석을 하기 위해 할인율은 4.5%로 가정하여 수행하였다^[17].

투자 회수 기간법(SPB, Simple play back)은 투자비용을 회수하는데 걸리는 기간으로 안전한 투자일수록 투자 회수 기간이 짧은 특성을 갖는 분석이다. 본 논문에서는 예상 인플레이션율을 2.3%^[18]와 프로젝트 수명 기간은 25년, 시스템 고정 자본비용, 시스템 고정 O&M(O&M, Operation and Maintenance cost)비용, 용량 부족 페널티는 0으로 가정하여 최적화 분석을 수행하였다. 그리드 비용은 Simple Rate에서 그리드 구매 가격의 환율을 반영하여 0.120($/kWh), 그리드 판매 가격을 0.093($/kWh)으로 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다.

여기서, 그리드 구매가격(Grid Purchase Price)은 전력거래소로부터 구매한 가격으로 한국 전력 통계 2023년 6월 전력 구입 실적의 128.67원/kWh를 환율 1380원/달러를 나누어 계산하여 0.093으로 적용하였다^[19].

여기서, 그리드 판매 가격(Grid sell-back price)은 한국전력이 거래소로 판매한 가격으로 전력 거래소 전력 통계 정보 시스템 23년 1월 -12월 SMP 통합 자료의 평균 166.40원/kWh에 1380원/달러를 환산하여 0.120을 Homer Pro 모형 분석에 적용하였다^[20].

Homer Pro모형에 적용한 데이터 변수 값은 Table 3에 정리하였다.

비용자료는 양수발전 ^[21]과 태양광 ^[22] 및 변환기는 ^[21]을 사용하였고 납산 배터리는 1kWh(167Ah)의 자본비용은 188$, 교체비용은 144$이며, O/M cost는 10 ($/yr)으로 적용하여 Table 4에 제시하였다^[23].

3.1.3 Homer Pro 모듈 구성요소 및 구성도

최적화를 위해 Fig. 3과 같이 Homer Pro 모형을 구현하였다. Fig. 3(a)는 태양광, 양수발전, 부하, 변환기, 배터리, 전력망을 구성한 하이브리드 시스템 모듈 구성도이고 Fig. 3(b)는 하이브리드 시스템에서 전력망을 고려하지 않은 모듈의 구성도를 제시하였다.

Fig. 3. Configuration diagram of the simulation module[24]

3.1.4 시뮬레이션 모형의 부하 입력 자료

전력 부하량은 여의도 가상 아파트에 평균 전력을 250kW를 사용하였다고 가정하여 연간 평균 척도(scaled annual average)를 활용하여 1000kWh에서 6,000kWh까지 변동한다고 가정하여 수행하였다.

Fig. 4. The target area of the simulation

태양광 발전 정보는 Homer 모형에서 제공해 주는 NASA Date를 바탕으로 태양광 발전 자원 정보를 활용하여 분석 대상 지역을 Fig. 4와 Table 5에 나타내었다.

3.2.1 시뮬레이션 평가 방법

본 논문에서는 도심 고층 건축물의 마이크로 하이브리드 양수발전 시스템의 부하량이 변동하는 경우를 모의하여 (NPC, Net Present Cost)와 (LCOE, Levelized Cost of Energy)의 최적화 비용 분석을 하였다.

(NPC, Net Present Cost)는 시스템의 수명 기간 동안 발생하는 모든 비용의 현재 가치에서 수명 기간 동안 벌어들인 모든 수익의 현재 가치를 뺀 값을 순 현재 비용이라고 한다. 이를 식으로 나타내면 식 (1)과 같다. NPC비용에는 연료비용, O&M비용, 자본비용, 교체 비용, 배출 비용, 그리드의 전력 구매비용 포함하여 산출한다. NPC는 Homer 모형의 주요 경제적 산출물이며 최적화 결과에서 모든 시스템의 구성 순위를 매기는 값이다. 총 연간비용과 균등화 비용을 계산하는 기준이다^[25].

결국 장기분석에서 재생 에너지 마이크로 그리드의 비용-효율성을 나타내는 두 가지 주요 지표는 순 현재 비용(NPC)과 균등화 발전 비용(LCOE, Levelized Cost of Energy)이다^[25].

따라서 자본 회수율 계수와 순 현재 비용 및 연간 프로젝트 수명을 합산하여 식 (2)와 같이 연간 총비용을 산출할 수 있다^[26].

여기서, $C_{NPC}$ = 순 현재 비용 ($\$$), $i$ = 연간 실질 할인율(%), $R_{proj}$ = 프로젝트 수명[yr], $CRF()$ = 자본 회수율 계수이다.

식 (3)은 총 전력 생산 비용을 총 전력 부하로 나누어 LCOE를 산정할 수 있다^[27]. 균등화 발전 비용(LCOE)이 낮다는 것은 공급 비용을 절감할 수 있음을 나타낸다.

결국 LCOE가 낮을수록 효과성이 높다고 할 수 있다.

여기서, $C_{ann,tot}$ 는 연간 시스템 연간 총비용이다. $C_{boiler}$는 보일러 한계비용이다. $H_{served}$는 총 열 부하이다. $E_{served}$는 총 전력 부하이다.