2.1 IES의 내부 발전 구성

[그림 2]는 산업 단지 내에 설치한 내부 발전시스템의 전체를 보여준다. 천연가스를 연료로 소비하여 전력/난방/냉방을 공급하는 TriGen.과 빛에너지를 공급받아 전력을 생산하는 태양광 발전으로 에너지를 공급한다. TriGen.에서 생산하는 냉방에너지를 활용하여 태양광 패널에 설치 된 파이프를 통해 태양광 발전 효율을 개선하고 산업 단지 내부 부하에 필요로 하는 전력뿐 아니라 냉·난방에너지를 공급한다. 태양광 발전의 경우 자연에너지의 간헐적 특성 때문에 에너지저장장치를 연계하여 전기에너지를 효율적으로 운영한다. 또, 에너지정책으로 태양광 발전과 에너지저장장치의 연계를 통한 REC를 인정받아 전력 판매에 유리하게 작용할 수 있다. 에너지저장장치는 전력의 충·방전을 통하여 공급과 수요의 균형을 잡아주며 전력 사용 효율의 향상을 도모한다.

그림 2 산업 단지 내의 내부 발전시스템

Fig. 2 Internal power generation system in industrial park

IES는 다양한 에너지원의 상호관계를 Input과 Output로 나타내며 간단하게 IO matrix로 수식을 (1)로 표현한다.

$I$는 IES에서 입력하는 에너지원, $\eta_{a}$는 에너지 변환 효율, $O$는 IES에서 출력하는 에너지원이다. [그림 3]은 IES의 에너지전환 모델을 도식화 한 것이다. 목적과 환경에 따라 시간별로 에너지전환이 달라져야 한다. 예를 들어 겨울철 피크부하 시간대에 기존 전력망으로 전기에너지를 공급받는 것보다 Trigen.을 가동하여 여러 에너지원을 공급받는 운영이 더 경제적이다. 또, 태양광 발전의 공급량이 수요량보다 많을 경우는 전력, 수소, 가스 등의 에너지원으로 전환하여 저장 비중을 늘릴 수 있다. 이처럼 IES은 사용 목적, 날씨, 에너지 사용량, 연료 가격 등 외부요인에 따라 운전을 효율적으로 운영할 수 있다.

그림 3 Integrated energy system의 에너지전환 모델

Fig. 3 The energy conversion model of the integrated energy system

2.2 TriGen.

TriGen. 은 천연가스를 연료로 소비하여 전력/난방/냉방의 세 가지 종류의 에너지를 동시에 공급하는 시스템이다. 가스를 연료로 발전기를 구동하여 전기를 생산하며, 히트 펌프 구동 방식인 냉매 압축기 발전을 통하여 냉·난방에너지를 공급한다. TriGen.에서 생산되는 에너지원의 입출력 수식을 (2)로 표현한다.

$I_{g}$는 천연가스, $O_{e}$는 전기에너지, $O_{h}$는 난방에너지, $O_{c}$는 냉방에너지를 의미하며 $\eta_{tri}$는 TriGen.의 에너지 변환 효율을 나타낸다.

2.3 태양광 발전(PV)

태양광 발전은 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 생산하는 방식이다. 태양광에서 생산되는 전력은 온도와 일사량에 영향을 받아 생산하게 된다. 이에 태양광 발전이 최대 전력으로 운전하기 위해서는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기능을 추가하는 방식이 일반적이다. 생산되는 최대 전력은 $P_{pv\max}= P_{o}[1+\delta(T-T_{o})]$로 나타낼 수 있다. $P_{o}$는 표준상태의 전력량이며, $T$는 태양광 모듈의 온도, $T_{o}$는 표준상태의 온도, $\delta$는 태양광 모듈 종류에 따라 변하는 상수이다. $T$의 태양광 모듈의 온도는 25$^{\circ}{C}$에서 최대 발전효율이 나타나며, 1$^{\circ}{C}$ 변화에 따라 발전효율이 약 0.4~0.5\% 감소한다. [그림 4]는 태양광 발전의 태양광 모듈에 파이프를 부착하여 냉방에너지를 이용한 효율 개선을 보여준다. 태양광 모듈의 부착한 파이프에 TriGen.에서 공급되는 냉방에너지를 활용하여 25$^{\circ}{C}$를 유지하도록 제어하는 방식이다. 태양광 발전은 MPPT, DC-DC Converter, DC-AC Inverter가 제어기로 추가되며, 제어를 통한 전기에너지가 소비된다. 태양광 발전에서 생산되는 에너지원의 입출력 수식을 (3)으로 표현한다.

$I_{s}$는 태양광 빛에너지, $I_{e}$는 제어기로 소비되는 전기에너지, $I_{h}$는 난방에너지, $I_{c}$는 냉방에너지, $\eta_{pv}$는 태양광 발전의 효율을 나타낸다.

그림 4 냉각장치를 설치한 태양광 모듈

Fig. 4 The solar module installs a cooling system

2.4 에너지저장장치(ESS)

에너지저장장치(ESS)는 전기에너지를 저장하여 필요시 사용할 수 있는 충·방전 시스템이다. 신재생에너지에서 필요 이상의 전기에너지를 생산하면 에너지를 저장하고, 피크부하 시간에 저장된 전기에너지를 방전하여 피크 전력을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 에너지저장장치를 운영함으로써 피크 전력을 감소시키고, 충·방전을 통하여 전기에너지를 한전 계통에 판매할 수 있다. 에너지저장장치는 BMS(Battery Management System), 전력변환장치(Power Conditioner System)의 기능을 일반적으로 추가하여 설치한다. BMS는 전압, 전류, 온도 등을 실시간으로 제어하고, 저장용량(SOC)를 계산하여 배터리의 수명과 용량을 조정한다. 전력변환장치는 AC-DC, DC-AC로 변환시켜 전기에너지를 충·방전할 수 있도록 제어하는 양방향성 컨버터이다. 에너지저장장치의 전기에너지의 충·방전 식은 (4)로 나타낸다.

$I_{e}$는 충·방전되는 전기에너지, $\eta_{ess}$는 충·방전 시 효율, $O_{ess}$는 충·방전된 에너지를 나타낸다. 에너지저장장치에 충전된 전기에너지의 시간에 따른 손실은 고려하지 않는다.

[그림 5]는 IES의 내부 에너지원들의 전체적인 흐름을 보여준다. 이것을 반영한 각 모델들의 에너지전환 식은 (5)로 정리한다.

$\eta_{p}^{xy}$의 전환되는 효율에서 $x$는 공급되는 에너지원, $y$는 변환되는 에너지원, $p$는 발전원을 나타낸다. 예를 들어 $\eta_{tri}^{gc}$는 Trigen.에 의해 천연가스가 냉방에너지로 전환되는 효율을 나타낸다.

이렇게 나타낸 $\eta_{a}I = O$의 에너지전환 식 (5)를 하나의 Matrix로 표현하면 식 (6)과 같이 정리할 수 있다.

그림 5 Integrated energy system 에너지 흐름

Fig. 5 Energy flow of Integrated energy system

3.1 천연가스시장

국내 천연가스시장은 직도입하는 대규모 소비업자를 제외한 다른 소비시장은 한국가스공사(KOGAS)가 독점으로 공급하고 있다. 국내가스요금은 주택용, 일반용, 산업용, 발전용 천연가스 요금 종류가 있다. 이 중에서 발전용 천연가스는 동고하저 형태로 겨울철에 수요가 집중되어 계절별로 차등요금제를 적용하였으나, 2021년 5월부터는 연간 단일요금제로 운용한다. 따라서 본 IES의 천연가스시장은 정부의 요금산정에 따라 공급한다.

3.2 열시장

국내 열시장은 민간 사업자와 공기업인 한국지역난방공사가 공급하고 있으며 공공서비스의 성격으로 정부가 열요금을 규제한다. 국내에서는 공공요금 산정 기준에 의거해 공공서비스로 간주 되는 재화의 경우 공급 비용과 적정 수익률만을 보상하는 총괄 원가 규제가 원칙적으로 적용되며 지역난방의 열요금 규제도 이를 준용해 따르고 있다. 따라서 Trigen.으로부터 공급되는 난·냉방에너지는 지역난방공사의 열요금을 기준으로 계산한다.

3.3 전력시장

국내 전력시장은 전력거래소가 공급할 전력량을 결정하면 그만큼의 전력을 발전회사들이 생산한다. 생산된 전력은 한국전력이 사들여 소비자에게 되파는 체계이다. 전기에너지의 사용 요금은 소매시장이 없으며 정부에서 결정한 요금으로 계산한다. 전기에너지 사용 요금은 주택용, 일반용, 산업용, 교육용, 농사용, 가로등, 심야전기 요금 종류가 있으며, 이 중 산업용 전기요금은 계절별, 시간대별 구분하여 요금을 계산한다. 전기에너지 판매 시장 가격은 SMP(System Marginal Price)로 결정한다. SMP는 공급 입찰에 참여한 발전기의 비용 최소화 원칙에 따라 발전기 가동 여부에 출력이 결정되며, 이 중 가장 높은 발전비용이 그 시간대의 시장가격으로 결정되는 것이다. 추가적으로 우리나라는 REC(Renewable Energy Certificate)를 받아 전기에너지를 판매할 수 있다. REC는 신재생에너지 발전을 통해 전기에너지를 생산한 증명서로 신재생에너지공급의무화제도(RPS, Renewable Portfolio Standard)에 의해 대형 발전소와 500MW이상 민간발전소에 판매할 수 있다.

4.1 가정

IES의 전환 모델을 도출하기 위해서 3가지 가정을 한다. 1) 각 발전원은 입력에너지 크기에 따른 전환효율의 변화는 없다고 가정한다. 예를 들어 Trigen.에서 천연가스를 공급받아 20kW가 출력 되는 전환효율과 10kW가 출력 되는 전환효율의 차이가 있을 수 있다. 하지만 연구에서는 각 발전원의 최적 용량을 입력하여 운영하는 경우가 대부분이므로 전환 모델의 단순화를 위하여 이와 같이 가정한다. 2) 태양광 발전은 과거 유사한 환경에서 출력된 전기에너지를 그대로 생산한다고 가정한다. 신재생에너지원은 입력 에너지량의 측정이 까다로워 전환효율을 도출하는 부분에 어려움이 있다. 또한, 태양광 발전은 빛에너지를 공급받아 발전함으로 연료에 대한 비용이 발생하지 않으며, 출력 제어에 대한 전력 사용량은 소량이기 때문에 무시한다. 3) 에너지저장장치의 충전된 전기에너지의 시간에 따른 손실은 고려하지 않는다고 가정한다. 에너지저장장치에 충전된 전기에너지의 손실은 최적화 운영에 있어 받는 영향이 적으므로 무시한다.

이를 바탕으로 몇 가지 가정한 사례를 분석한다. 1) 계절별 주중, 주말 소내 전력 소비량, 계절별 태양광 발전의 에너지의 흐름은 [그림 6]으로 가정한다. 2) 전기에너지 판매 시장 가격인 SMP는 2020년의 가격이며, REC는 2020년 현물시장 가격을 평균한 단가로 가정한다. 3) 전기, 가스, 냉·난에너지의 시장 가격은 2020년 국내에서 정부가 고시한 가격을 기준으로 가정한다.

그림 6 계절별 태양광 발전량(a), 계절별 주중 전력 소비량(b), 계절별 주말 전력 소비량(c)

Fig. 6 Seasonal solar power (a), seasonal weekday power consumption(b), seasonal weekend power consumption(c)

4.2 시나리오1

Trigen.의 동작 여부는 기존 한국전력 전기 요금과 Trigen.에서 생산되는 전력 및 냉·난방에너지를 lkW당 생산 비용으로 환산한 금액을 비교한다. 만약, Trigen.에서 환산한 생산 비용이 한국전력 전기 요금보다 저렴할 경우 가동하고 그렇지 않으면 정지한다. 그리고 Trigen.은 자가용으로만 운영하므로 내부 부하의 전력량이 Trigen.에서 생산하는 전력량보다 큰 경우에만 동작한다. 또, Trigen.이 1년 중 대기 온도가 높은 여름철 5월~9월 사이에 발전하는 경우 냉방에너지를 동시에 공급하고, 비교적 온도가 낮은 1월~4월, 10~12월은 난방에너지를 공급한다. 공급된 냉방에너지는 먼저 내부 부하에 활용한 이후 약 7~12$^{\circ}{C}$사이의 냉방에너지를 활용하여 태양광 발전에 공급해준다. 이와 같은 알고리즘을 [그림 7]에 나타낸다.

그림 7 Trigen.의 동작 여부 알고리즘

Fig. 7 Algorithm for determining whether Trigen. work or not

태양광 발전은 빛에너지의 여부에 따라 동작한다. 빛에너지를 받는 시간에는 동작하고 빛에너지가 받지 못하는 시간에는 정지한다. 1년 중 대기 온도가 높은 5월~9월 사이에는 냉각장치가 설치된 태양광 모듈의 온도를 제어한다. 제어 방식은 Trigen.에서 생산된 냉방에너지를 활용하여 태양광 패널에 설치한 파이프를 통해 공급해줌으로써 모듈의 온도를 제어하여 효율을 개선한다. 개선된 전기에너지는 에너지저장장치로 이동하여 충전된다. 이와 같은 알고리즘은 [그림 8]에 나타낸다.

그림 8 태양광 발전의 동작 여부 알고리즘

Fig. 8 Algorithm for determining whether PV work or not

에너지저장장치는 단순한 방법으로 태양광 발전의 동작 여부와 SMP의 특정 시간에 따라 충·방전 여부를 결정한다. 특정 시간은 1년 중 SMP의 가격을 평균하였을 때, 가장 높은 시간인 17시로 결정하였다. 에너지저장장치는 태양광 발전에서 매시간 생산된 전기에너지를 충전, 매일 17시의 SMP의 가격으로 방전하여 판매 운영한다. 만약 SMP의 시간이 17시가 아닌 경우 $t$시간에 생산된 태양광 발전량과 $t-1$의 $SOC$의 합계가 $SOC_{\max}$보다 이하이면 충전한다. 반대로 $SOC_{\max}$을 초과한다면 $t$시간에 생산된 태양광 발전량은 즉시 한전 계통에 판매되며, $t-1$의 $SOC$는 알고리즘을 통하여 17시가 될 경우 방전하여 판매한다. 이와 같은 알고리즘은 [그림 9]에 나타낸다. 시나리오1의 알고리즘으로 1년간의 총 운영비는 25,477,250원, 순 이익은 12,638,959원이며, 투자비 회수 기간은 약 7.36년으로 결과가 나타났다.

그림 9 시나리오1.의 ESS 동작 여부 알고리즘

Fig. 9 Algorithm for determining whether ESS work or not in Scenario 1

4.2 시나리오2

시나리오2의 Trigen.과 태양광 발전의 동작 여부는 시나리오1과 동일한 알고리즘이다. Trigen.은 소내 부하에 소비로만 사용하므로 자가용으로 운영하고 태양광 발전은 빛에너지를 전환하여 동작하기 때문에 시나리오1과 같은 알고리즘으로 운영한다. 시나리오2의 에너지저장장치는 SMP의 가격에 따라 충·방전 여부를 결정한다. 에너지저장장치는 태양광 발전에서 생산된 전기에너지를 충전하여 SMP의 가격이 가장 높은 시간에 방전한다면 시나리오1보다 경제적인 운영을 할 수 있다. 하루 중 SMP의 가격이 가장 높은 시간이 아닌 경우 $t$시간에 생산된 태양광 발전량과 $t-1$의 $SOC$의 합계가 $SOC_{\max}$보다 이하이면 충전한다. 반대로 $SOC_{\max}$을 초과한다면 $t$시간에 생산된 태양광 발전량은 즉시 한전 계통에 판매되며, $t-1$의 $SOC$는 SMP의 가격이 가장 높은 시간에 방전하여 판매한다. 이와 같은 알고리즘은 [그림 10]에 나타낸다. 시나리오2의 알고리즘으로 1년간의 총 운영비는 25,477,250원, 순 이익은 12,726,678원이며, 투자비 회수 기간은 약 7.31년으로 결과가 나타났다.

그림 10 시나리오2.의 ESS 동작 여부 알고리즘

Fig. 10 Algorithm for determining whether ESS work or not in Scenario 2

4.3 시나리오3

시나리오3의 Trigen.과 태양광 발전의 동작 여부는 시나리오1,2와 동일하다. 시나리오3의 에너지저장장치는 태양광 발전의 발전량과 SMP의 가격에 데이터를 입력받아 예측을 통한 충·방전 여부를 결정한다. SMP의 가격과 태양광 발전량은 시간과 계절에 따라 비슷한 패턴을 보여준다. 이런 패턴을 예측하여 SMP의 가격이 낮은 시간순으로 전기에너지를 충전하고 반대로 SMP가 가장 높은 시간에 방전하여 판매한다면 시나리오2보다 경제적인 운영을 할 수 있다. SMP의 가격이 가장 높은 시간이 아닌 경우 SMP의 가격이 낮은 시간순부터 전기에너지를 충전하고, $SOC_{\max}$의 도달하면 방전하여 판매한다. 만약 SMP의 가격이 가장 높은 시간 또는 충전하는 시간이 아닌 경우는 한전 계통으로 즉시 태양광 발전량을 판매한다. 이와 같은 알고리즘은 [그림 11]에 나타낸다. 시나리오3의 알고리즘으로 1년간의 총 운영비는 25,477,250원, 순 이익은 12,749,074원이며, 투자비 회수 기간은 약 7.30년으로 결과가 나타났다.

그림 11 시나리오3.의 ESS 동작 여부 알고리즘

Fig. 11 Algorithm for determining whether ESS work or not in Scenario 3