1. 서 론

최근 급증하는 신재생 에너지 발전량에 따라서 증가하는 잉여 전력을 효율적으로 사용하기 위해 다종 에너지를 통한 유동적 에너지 사용이 대두 되고 있다. 신재생 에너지 설비의 확보로 꾸준히 증가하는 잉여 전력에 비하여 현재 전력 에너지를 저장하는 BES의 전력 저장 능력은 한계가 명확한 실태이다⁽¹⁾. 본 논문에서는 전력을 포함하여 낭비되는 에너지의 효율적인 활용으로 에너지의 공급에 지장이 생기더라도 타 에너지로부터의 지속적인 공급을 통해 에너지 공급 자체의 신뢰성과 에너지 공급체계의 경제성을 확보하는 MES에 관한 내용을 기술하고 관련 연구들을 소개한다. MES 구축을 위해서는 다종 에너지 간 상호 변환이 이루어져야 하며, 에너지 허브개념을 통해서 상호 에너지변환을 설명할 수 있다. 에너지 허브는 입력 에너지의 변수를 각기 다른 에너지 형태를 하고 있는 출력 에너지 변수로 나타내는 이른바 에너지 변환 개념이다⁽²⁾. 본 논문에서는 에너지 허브를 많이 쓰이는 대표적인 3가지의 구조로 분석하고 통합적인 MES시스템을 구축한다.

첫 번째 구조로는 P2G기술이다. P2G는 신재생 발전으로 인하여 증가하는 잉여 전력을 수소화 및 메탄화를 통하여 가스 에너지로 변환하여 공급, 저장 또는 소모하는 기술이다^(3-5). P2G를 구성하는 요소는 물을 전기분해 하여 수소를 생성하는 수전해장치 및 생성된 수소를 저장하는 HES로 구성되어 있다⁽⁶⁾. 이와 반대로 연료전지의 운영을 통해 수소 에너지를 입력으로 전기 에너지를 만드는 G2P기술이 따로 있지만 본 논문에서는 구분하지 않고 P2G 및 G2P를 모두 P2G기술로 정의한다. P2G를 활용한 연구들은 다음과 같이 이루어진다. ⁽⁷⁾에서는 HES의 SOC(state of Charge)를 분석하고 HES의 효율적인 운영방안을 제시한다. ⁽⁸⁾는 P2G 및 가스 화력 발전소를 사용하여 가스와 전기의 에너지 상호교환으로 신재생 에너지의 정도에 따른 최적 P2G 요소들의 최적 용량을 산출한다. ⁽⁹⁾는 신재생 에너지의 비중 별 시나리오를 기반으로P2G를 통해 생성된 천연가스를 저장하는 NGS의 경제적 최적화를 통하여 최적 용량을 산정한다. ⁽¹⁰⁾는 독일을 기준으로 P2G 기술의 경제성 분석에 관한 리뷰를 하였다.

두 번째 구조는 CHP이다. CHP의 기본적인 구조는 열과 전기의 융합 시스템이며, ⁽¹¹⁾은 MES 구축을 위한 에너지 허브의 구조를 CHP로 모델링 하였다. 대표적인 CHP구조 내부의 요소는 GT(Gas turbine), HRS(Heat Recovery system)이 있다⁽¹²⁾. CHP의 입력 에너지는 천연가스가 사용되며, GT를 통하여 전기발전을 하고 발생하는 폐열을 HRS을 통해서 열에너지로 공급한다⁽¹³⁾. CHP와 관련된 연구는 다음과 같이 이루어진다. ⁽¹⁴⁾는 EHP(Electric Heat Pump)와 CHP의 최적 혼합 모델을 도출한다. ⁽¹⁵⁾는 소규모 CHP인 MCHP를 다루어 가정집에서 전기보일러를 사용하는 MCHP를 사용하는 것의 경제성을 비교한다. ⁽¹⁶⁾는 Kalina cycle 과정을 통해 CHP의 효율 향상에 관한 방안을 제안한다.

세 번째 구조는 CCHP이다. CCHP는 기존의 CHP 시스템에서 추가적으로 냉방 부하에 에너지를 공급할 수 있도록 설계되었다⁽¹⁷⁾. 냉방 부하를 다루는 많은 MES의 연구들은 서두에 언급한 냉방 부하에 에너지를 공급하기 위한 에너지 허브 의 요소로 ACH(Absorption Chiller)를 사용한다⁽¹⁸⁾. CCHP에 관한 연구는 다음과 같이 이루어진다. ⁽¹⁹⁾는 ACH를 포함한 CCHP의 구조에 대한 설명과 각 요소들의 시간별 최적 운영방안을 제안한다. ⁽²⁰⁾는 CHP와 CCHP의 경제 분석 연구 기술 측면을 분석하여 비교하였다. ⁽²¹⁾에는 바이오매스 연소 기반의 CCHP운영 방안을 다룬다.

서두에 설명한 에너지 허브의 3가지 구조에서 전기 및 천연가스의 입력으로 다종 에너지의 출력을 나타냈지만 더 넓은 범위로 에너지 허브를 분석하면 나무를 이용한 지역 열 및 태양열을 통한 지역 열을 추가하여 열의 입력이 추가된 에너지 허브를 구성할 수 있다⁽²²⁾. 에너지 허브의 구조를 3가지 구조로 나누어서 보았지만 모든 MES와 MES를 이루는 에너지 허브가 언급했던 구조의 형태를 띄는 것은 아니며, 각 구조가 항상 독립적으로 동작하는 것도 아니다. 즉 에너지 허브 운영자가 어떻게 에너지 허브를 운영 하는가에 따라 에너지 허브의 구조 및 요소는 달라진다⁽²³⁾. ⁽¹⁷⁾에서 대표적인 MES를 구축하고 있으며 CHP와 ACH를 따로 분리하여 MES를 구축하였다. ⁽²⁴⁾는 수소에너지 및 HES를 CHP와 연동하여 연구를 진행하였다. ⁽²⁵⁾는 MES와 P2G의 융합 시스템을 보여주며, MES의 사용 에너지에 수소를 사용하는 방안을 제시하였다. ⁽²⁶⁾는 서두에 언급되었던 구조들 에서 다루는 에너지를 모두 포함하는 에너지 허브를 통해 MES를 구축하는 대표적인 예로 볼 수 있다. 그림 1에서는 서두에 설명한 에너지 허브의 3가지 구조를 포함하여 통합적인 MES의 형태를 입력 에너지, 에너지 변환, 출력 에너지를 박스형태의 에너지허브로 구성하고 사용되는 에너지의 매개체를 구분하여 그림으로 나타내었다. 그림 1에서 3가지의 구조는 색깔이 있는 테두리를 이용하여 구분을 하였고 에너지 변환을 보여주는 2번째 레이어와 3번째 레이어가 에너지 허브를 나타낸다.

MES가 구성되면 여러 가지 관점에서 MES의 목적함수를 정하고 문제를 해결한다. 대부분의 연구들은 MES를 통해 기존의 단일 시스템보다 향상된 경제성을 목적으로 하거나 MES를 통한 계통의 신뢰도 향상 방안을 제시하며, 시뮬레이션을 통해 기존의 계통에 비해서 향상된 경제성 및 신뢰도 값을 보여준다. 본 논문에서는 MES를 이루기 위한 구조를 설명하고 각각의 연구 목적과 수행 과정을 기술하며, 그 순서로는 다음과 같이 2, 3, 4로 구분한다.

2. 일반적인 단일 에너지 시스템

3. 다종 에너지 변환 시스템

4. 다종 에너지 시스템의 목적

2에서는 기존의 각 에너지의 단일 시스템에서 어떻게 동작 되는가를 간단하게 다루며, 그와 관련된 연구들을 소개한다. 3에서는 단일 시스템으로 동작하는 각각의 에너지를 에너지 허브 개념을 도입하여 어떤 과정을 통하여 변환 되는지를 다루며, 각각의 에너지 허브 요소들과 그와 관련된 연구들을 소개한다. 4에서는 2 및 3 과정을 통하여 모델링된 여러 형태의 MES가 여러 목적을 정하고 문제를 해결하는 과정을 다루고 그와 관련된 연구들을 소개한다.

2. 일반적인 단일 에너지 시스템

이 장에서는 각각의 단일 에너지 시스템에 관한 내용을 설명한다. 에너지별 단일 에너지 시스템의 해석은 전력 조류 해석, 가스 유량 해석, 물 유량 해석을 하며, 에너지 저장장치는 BES, TES, IES, NGS, HES를 다룬다.

2.3 열 시스템

열은 많은 MES 연구에서 입력 에너지 와 출력 에너지 양쪽 모두에 사용되는

그림. 1. 다종 에너지 시스템의 개념도

Fig. 1. Conceptual model of Multi Energy System

에너지다⁽³⁰⁾. 열은 에너지 자체가 전력 시스템처럼 케이블을 통해 전송 되지도 않고 NG처럼 배관을 따라 흐르지는 않지만 매개체를 통하여 온도를 전달하는 형태로 매개체는 물 또는 가스로 볼 수 있다^(31-34). 그 중에서 [31,33-34]는 물을 매개체로 하는 flow analysis를 수학적으로 다룬다.

3. 다종 에너지 변환 시스템

이 장에서는 서두에 언급하였던 에너지 허브개념을 도입하여 각 에너지의 변환을 이루는 요소에 관한 설명을 한다. ⁽⁴⁰⁾는 에너지 허브의 에너지 변환을 커플링 매트릭스를 통하여 설명을 한다. 에너지 허브를 통한 MES의 에너지 변환 시스템은 본 논문에서 Multi Energy to Multi Energy로 구성하고 에너지 허브의 전기, 천연가스, 열(물)의 다중 입력과 전기, 열, 냉방의 다중 출력에 따라 다음과 같이Multi Energy to Electricity (MEtE), Multi Energy to Heat(MEtH), Multi Energy to Cool(MEtC), Multi Energy to Hydrogen(MEtH2)의 시스템을 구성한다.

3.3 다종 에너지 입력 및 냉방출력

그림. 2. 다종 에너지 출력을 나타내는 에너지허브

Fig. 2. illustration of Energy Hub indicationg different output

그림 1에서 MEtC의 형태를 가지는 구조는 마찬가지로 CCHP가 있으며, 사용되는 요소는CCHP구조에서 GT와 HRS의 계 동작이 있다. GT의 폐열을 이용하여 HRS에서 발생하는 뜨거운 물을 ACH에 공급하고 약 5°C 정도에서 비등증발 시켜 냉방 에너지를 공급해준다. EC(Electric Chiller)을 사용하여 전기를 입력으로 냉방 출력을 발생시킨다⁽⁴⁵⁾. 시스템 동작 특성은 그림 2(c)를 참조한다.

4. 다종에너지 시스템의 목적

MES를 구축하는 목표 중 하나는 발전하는 재생에너지에 의하여 발생하는 잉여 전력의 활용 효율을 높이고 기저 발전을 줄여 친환경 발전을 이룰 수 있는 새로운 에너지 시스템을 구축하기 위함이다. 하지만 에너지 시스템의 효율을 높이기 위하여 MES를 구축하였지만 결과적으로 경제적으로 큰 비효율을 가지고 온다면 MES를 구축하는 의미가 없어지게 된다. 따라서 MES에 관한 많은 연구들은 기본적으로 MES 를 구성하고 구성요소들의 용량 및 운영 등에 관하여 최적화 된 경제성을 보여주거나 기존의 시스템보다 향상된 계통의 신뢰도를 보여주기 위해서 경제성 최적화 및 신뢰도 향상의 목적을 두고 연구를 진행한다.

5. 결 론

본 논문에서는 MES를 구축하기 위하여 일반적으로 사용되는 단일 에너지 시스템의 간단한 분석부터 에너지 허브의 개념 및 에너지 변환에 관한 분석을 통해 MES를 구성하고 커플링 매트릭스를 사용한 수학적 모델링과 MES를 통한 경제적 분석 및 신뢰도 분석에 관하여 서술을 하였으며, 많은 연구들을 통하여 MES운영 자체의 높은 효율이 도출되는 것을 확인할 수 있었다. 신재생 에너지의 발전량 예측은 확률 분포에 의하여 이루어지기 때문에 예비 전력을 고려한 전력발전에는 잉여 전력이 필수불가결로 생기기 마련이다. 이러한 관점에서 ESS가 무한대의 용량을 가지고 있고 경제적으로 매우 저렴하다면 이상적인 상황을 고려해볼 수 있다. 하지만 현실적인 대안에서 그것이 불가능하기 때문에 다양한 에너지를 통해 에너지의 유동성 있는 관리와 사용을 이루는 것으로 각 국 또는 지역에서 보다 효율 높은 에너지 운영 전략을 도출할 수 있고 오염물질의 배출을 감소시킴으로써 친환경적인 발전 시스템을 구축할 수 있다. 향후 연구내용으로는 현재 세계적으로 많은 주목을 받고 있는 수소에너지를 활용하여 P2G와 G2P를 기반으로 하여 전력계통 관점에서의 MES와 가스 계통 관점에서의 MES를 구성하고 각 계통의 신뢰성과 경제성에 있어 최적 운영이 되는 에너지운영 시스템에 관한 연구를 진행하고 AI 및 머신러닝을 통해 최적 에너지 운영 시스템에 관한 알고리즘을 도출한다.