1. 서론

최근 각국에서 빈번하게 발생하는 재난으로 우리나라 또한 재난상황에 대한 관심이 증가하고 있다. 우리나라는 행정안전부 산하의 재난안전관리본부 등 여러 기관들이 예측 불가하고 다양하게 발생하는 재난에 대비하고 있다. 특히 지진이나 홍수 등 가옥이 파손되거나 주거생활이 불가능한 상황이 되면 수많은 이재민들이 발생한다. 경우에 따라 재난상황의 지속기간이 불확실하기 때문에 장기적인 재난상황을 대비하여 대피소를 운영할 필요가 있다. 국립재난안전 연구원의 “지진대피소 지정·운영 기준 개발”에 의하면 이러한 상황에 대비하여 이재민들에게 재난 기간 동안 취침과 기거의 장을 제공하고 위생관리를 도모하기 위한 세면장 및 목욕시설의 구비 등 다양한 기준을 설정하고 있다^[1].

최근 연료전지의 개발로 그리드 내 전기 및 열에너지 공급이 활발해지고 있다. 또한 연료전지는 도시가스뿐만 아니라 수소를 원료로 하기 때문에 재난 시 도시가스 공급이 불가능한 상황에서 수소를 이용하여 안정적인 발전 및 발열이 가능하기 때문에 재난 대피소에 적합한 발전원이다.

따라서 본 논문에서는 재난 대피소에 필요한 비상부하를 선정하고 이를 기준으로 부하 평활 과정을 통해 일일 부하곡선을 산출한다. 이는 일일 피크부하가 높아짐에 따른 설비용량 증대를 억제하기 위함이다. 산출된 일일 부하곡선을 기준으로 수용인원수에 따라 대피소에 필요한 전기와 열에너지를 충당할 수 있는 연료전지 및 에너지저장장치 용량을 산정하고자 한다.

2. 재난 시 비상부하 및 수용인원 선정

본 논문에서 가정하는 대피소는 국립재난안전 연구원의 “지진대피소 지정·운영 기준 개발”에 근거하여 면적 3.3m²당 수용인원 1명을 기준으로 하고 공공건물, 학교시설, 교회, 마을회관 등 내진설계가 적용된 시설물을 이용하여 재해 발생으로 피해를 입은 이재민, 일시 대피자 등에게 재해 구호물자를 지급하고 일정 기간 동안 생활하는 공간을 제공할 수 있도록 한다. 또 피난생활에 필요한 최소한의 인프라가 갖추어져야 한다. 위 보고서에서는 취사장, 전기, 수도, 위생과 관련된 비상부하들을 언급하고 있으며 본 논문에서는 조명, 냉·난방기를 최소한의 전기 비상부하로 선정하였다. 하지만 재난상황이 장기화되는 상황을 고려하여 기타 편의 시설인 냉장고, 세탁기 및 휴대폰 충전기 등의 예비전력을 추가적으로 고려한다. 그뿐만 아니라 이재민들의 위생관리를 도모하기 위하여 세면장이나 목욕시설 등 급탕 비상부하를 선정한다.

3. 재난 시 계절별 일일 열·전기 부하 분석

본 논문에서는 재난 비상부하를 크게 전기부하와 급탕부하로 구분한다. 재난 대응형 발전원을 구성하기 위해서는 그리드의 에너지원별 부하 패턴 분석이 선행되어야 한다. 따라서 계절과 수용인원수에 따라 필요한 전기부하와 급탕부하를 분석하고자 한다.

4. 재난 시설의 발전원 구성

본 논문에서 설정한 계절별 비상부하를 기준으로 발전원 및 에너지저장장치의 용량을 구성한다. 전기와 열을 동시에 생산하는 연료전지는 발전량 및 발열량이 운전율에 따라 일정하기 때문에 BESS 및 축열조를 이용하여 부하 패턴에 맞게 전력 및 열 공급을 스케줄링한다^[3-6]. 이때 봄·가을의 전기 피크부하 패턴은 여름·겨울에 비해 현저히 낮은 수준이기 때문에 여름·겨울의 발전원 구성으로 봄·가을의 피크부하를 충분히 충당할 수 있다고 가정하고 봄·가을의 발전원 구성은 생략한다. 본 논문에서 제안한 기법을 설명하기 위해 정의된 표기법은 다음과 같다.

$n$ : 수용인원[100명 기준]

$C _{FC,s,elec}$ : 전기 비상부하 관점의 연료전지 설비용량[kW]

$C _{FC,heat}$ : 급탕 비상부하 관점의 연료전지 설비용량[kW]

$C _{BESS} (t)$ : 시간 t의 BESS에 존재하는 전력량[kWh]

$C _{HESS} (t)$ : 시간 t의 축열조에 존재하는 열량[kcal]

$C _{FC}$ : 연료전지 설비용량[kW]

$E _{elec,n,s} (t)$ : 수용인원 n에 따른 계절 s에서 시간 t별 전기 부하량[kWh]

$E _{heat,n} (t)$ : 수용인원 n에 따른 시간 t별 급탕 부하량[kcal]

$P _{BESS} (t)$ : 시간 t에 BESS로 유입되는 전력량[kWh]

$P _{FC,elec} (t)$ : 시간 t에 연료전지의 발전량[kWh]

$P _{HESS} (t)$ : 시간 t에 축열조로 유입되는 열량[kcal]

$P _{FC,heat} (t)$ : 시간 t에 연료전지의 발열량[kcal]

$P _{heat}$ : 연료전지 1kW당 시간별 열 생산량[kcal/h]

$T _{rise}$ : 상승온도[°C]

$V$ : 1인당 하루 온수 사용량[L]

$\eta _{c}$ : BESS의 충전효율

$\eta _{d}$ : BESS의 방전효율

발전원 용량으로는 식 (3)과 같이 계절에 따라 전기 비상부하와 급탕부하를 모두 충족할 수 있는 연료전지 설비 용량을 산정한다.

식 (4)와 같이 BESS로 충전되고 방출되는 전력량에 따라 식 (5), 식 (6)과 같이 충·방전 효율을 고려하여 BESS 내부의 시간에 따른 전력량을 산정한다. BESS의 용량은 상이하게 발생하는 일간 전기 비상부하에 따라서 식 (7)과 같이 BESS 내부의 최대 전력량으로 산정한다^[7].

또, 축열조의 용량도 BESS의 용량과 마찬가지로 식 (8)과 같이 축열조로 저장되고 사용되는 열량을 식 (9)와 같이 시간에 따른 축열조 내부의 열량을 산정한다. 따라서 축열조의 용량은 일간 급탕 비상부하에 따라서 식 (10)과 같이 축열조 내부의 최대 열량으로 산정한다^[8].

5. 사례연구

사례연구에서는 재난 시 A 대학교 내에 운영되고 있는 체육관을 대피소로 운영하는 것으로 가정하였다. 체육관 내 이재민들이 임시적으로 거주할 수 있는 면적 약 1,231m² 에 소요면적 3.3m²당 수용인원 1명으로 설정하였을 때 최대 수용인원은 총 373명이다. 본 사례연구에서는 100명 단위의 수용인원을 분석하기 위해서 최대 400명의 이재민을 수용하는 것으로 설정하였다. 국립재난안전 연구원의 “지진대피소 지정·운영 기준 개발”에 근거하여 사례연구에 적용할 비상부하는 전기 비상부하와 급탕 비상부하로 구분하며 조명, 세탁기, 냉·난방기, 냉장고, 휴대폰 충전기, 예비전력, 온수시설 등으로 구성하였다. 상시 부하로는 냉장고, 휴대폰 충전기, 예비전력을, 시간대별 비상부하로는 조명, 세탁기, 냉·난방기로 구성하였다.

그림. 1-그림. 3에서 봄·가을의 피크부하 패턴은 여름·겨울의 피크부하 패턴에 비해 현저히 낮은 것을 직관적으로 알 수 있다.

급탕 부하의 경우 표준편차 1.5를 가지는 2개의 분포를 이용하여 수용인원 400명 기준의 하루 총 사용 열량을 산정한다. 본 연구에서는 세면 및 샤워시설에 1인당 42°C의 온수 30L를 하루 동안 사용한다고 설정하고, 또 급수온도 5°C, 연료전지 1kW당 시간별 열 생산량 1200kcal/h로 가정하였다.

본 사례연구에서는 두산 퓨얼셀의 PEMFC 1kW 제품을 기반으로 연구를 진행하였으며 제품의 제원은 표 5와 같다.

표 4의 시간대별 비상부하의 가동시간과 최대 수용인원 400명을 기준으로 산정된 전기 비상부하에 따른 계절별 예상 피크부하는 다음과 같다.

식 (1)에 의하여 여름의 전기 비상부하 관점의 연료전지 용량으로 12.4kW 급이 산정되었고 겨울의 전기 비상부하 관점의 연료전지 용량으로 14kW 급이 산정되었다. 또, 식 (2)에 의하여 급탕 비상부하 관점의 연료전지 용량으로 18kW 급이 산정되었다. 따라서 본 사례연구에서 열·전기 부하를 100% 충족할 수 있는 연료전지 용량으로 18kW급이 산정되었다.

산정된 연료전지를 가동하였을 때 발생하는 일정한 출력을 냉·난방 부하와 정규분포를 따르는 급탕 부하에 공급하기 위하여 BESS 및 축열조를 이용한다. 식 (4)-식 (10)에 의하여 산정된 BESS 및 축열조의 용량은 170[kWh], 127.8[Mcal/day]이다.

6. 결 론

비상부하 구성에서 냉·난방 부하의 비중이 70% 이상이기 때문에 연료전지의 고장이나 연료의 불충분 또는 예측하지 못한 부하의 증가 등으로 전기 자립을 위한 전력 공급에 차질이 생길 시 냉난방 시설의 출력 조절을 통해서 해결할 수 있다.

본 논문에서는 재난 시 계통으로부터 전력 공급이 불가능하고 도시가스를 공급받아 연료전지를 가동하는 환경을 가정하였다. 하지만 지진이나 화재 등의 재난 시 도시가스를 공급받지 못하는 상황이 발생할 수도 있다. 이러한 상황을 대비하여 수소를 이용한 연료전지 운영을 고려하여야 한다. 따라서 도시가스를 공급받지 못하는 상황을 대비하여 최대 수용인원 기준 최소한의 일수를 수용할 수 있는 전력 및 열을 생산할 수 있도록 수소 용량이 필요하다. 또한 재난의 최악의 상황에 대비하여 비축해두어야 할 수소 용량에 대한 기준이 필요할 것으로 보인다.