1. 서 론

2004년, 신에너지 및 재생에너지 개발 이용 보급촉진법이 개정되고, 신재생에너지 이용의 의무화에 대한 근거⁽¹⁾가 마련된 이후 신재생에너지 설비는 꾸준히 보급 확대되어왔다. 특히, 태양광발전, 태양열 급탕, 지열 히트펌프는 다른 신재생에너지 설비보다 설치비용 대비 신재생에너지 생산량이 많은 것으로 평가되기 때문에, 신재생에너지 공급의무 비율이 높지 않은 건축물에는 이 3가지 설비만으로도 의무비율을 충족시키는 사례가 거의 전부였다.⁽²⁾ 한편, 2010년부터 신재생에너지 공급의무 비율이 점차 높아지면서,⁽¹⁾ 건축물 내 설치면적의 제약 등으로, 신재생 에너지 생산량 대비 설치면적이 작은 연료전지를 설치하는 사례가 늘고 있는 실정이다.⁽²⁾

다만, 여전히 연료전지는 고가의 설치비용을 부담해야 하고, 운영단계에서도 불규칙한 폐열 수요 등으로 운영 이익을 얻기 어렵다⁽³⁾는 견해가 상당히 지배적이다. Hwang et al.⁽³⁾은 계절에 따른 부하변동을 고려한 운전전략 수립이 운영비용 절감에 효과적임을 확인하였고, Lee et al.⁽⁴⁾은 연료전지의 운영비용 및 이익을 수학적 정형화를 이용하여 분석하였다. Kang et al.⁽⁵⁾은 호텔, 병원의 LCC, CO2 분석을 통해 전력 단가와 열전비가 설계용량선정의 중요 평가요소임을 확인하였고, Jang et al.⁽⁶⁾은 업무용건축물의 LCC 분석을 통해 연료전지시스템을 복합 적용 하는 경우의 투자비 회수 기간을 확인하였다. 선행연구에서는 연료전지의 운영이익 및 경제성 평가에 대해서는 정리되어 있지만, 대상 건축물에 대한 연료전지 용량의 적정성 검토를 위해, 참고할 수 있는 설계 기초자료가 정리되어 있지 않은 것 같다. 실제 설계단계에서 설계자는 접근이 용이한 기존 설치사례만을 참고하여, 연료 전지의 설계를 진행할 수밖에 없는 것도 현실이다. 이에 필자는 건축물에 적용되는 연료전지에 대해, 그 투자 비용을 좌우하는 용량 설계와 운영이익에 직결되는 운영시나리오에 주목하였다.

본 연구는 건축물에 연료전지를 도입해야 하는 조건을 가정하고, 설계단계와 운영단계에서 참고할 수 있는 기초자료 확보를 목적으로, 건물의 전력부하 및 열부하 특성에 적합한 경제적 운영시나리오를 도출하고, 경제적으로 유리한 설계용량 제시를 목적으로 한다. 구체적으로, 먼저 연료전지 설계 사례분석을 통해, 기존의 설계방법의 실태를 확인하고, 업무시설에 적용되는 연료전지 종류, 시스템 구성, 다양한 운영시나리오를 설정 한다. 이후, 하나의 대상 건물에 대한 연료전지의 운영시나리오에 따른 에너지비용 비교를 통해, 운영이익이 가장 높은 운영시나리오를 도출하고, 이에 따른 연료전지 용량을 분석한다.

2. 사례분석을 통한 시스템 구성과 운영 시나리오 설정

최근에 수행 건축물에 연료전지를 적용한 사례에서는 최근 3년 이내에 설계가 완료된 6개소를 대상으로, 일일 전력부하량, 일일 급탕 부하량, 그리고 연료전지의 시스템 구성 및 설계용량에 관해 확인하였다. Table 1에 나타나는 바와 같이, 고분자전해질(PEMFC) 방식이 모두 적용되었다. 시스템 구성은 건물마다 다소 차이는 있으나, 대부분 폐열로 급탕 부하를 처리할 수 있도록 Fig. 1과 같이 설치되었다. 축열조 용량은 연료전지 제조사가 권장하는 100 L/kW~120 L/kW로 설치되었다. 운영방법은 연료전지 설비를 상시 가동하는 제어, 열부하 추종 운전방식, 전기부하 및 급탕 부하를 추종하여 운전하는 방식이 적용되어 있었다.

본 연구는 6개소의 설계사례를 참고하여, 연료전지 종류는 PEMFC, 시스템 구성은 전기부하 처리 외에 폐열로 급탕 부하만 처리하는 시스템 구성을 분석조건으로 설정하였다. 연료전지의 운영시나리오는 앞서 확인된 설계 사례와 선행연구^(7,8)를 참고하여 연평균 가동율 75%에 해당하는 시나리오(Scenario 1), 계통으로부터 공급받는 전력단가와 연료전지시스템의 운영 및 보조열원의 가동시 발생하는 에너지 요금을 반영하는 운영이익의 발생 기준 운영시나리오(Scenario 5, 6, 7)를 Table 2와 같이 전체 7가지 운영시나리오를 설정하였다.

Fig. 1 Energy supply diagram of fuel cell system.

3. 운영 시나리오의 에너지 소비비용 분석 비교

앞서 설정한 7가지의 연료전지 운영시나리오에 대한 기본적 에너지 소비비용 차이를 확인하기 위해, 신재생 에너지 이용의 의무비율에 대상이 되는 공공건축물 중 가장 많은 비율을 차지하는 건물 용도로, 연면적 10,000 ㎡의 업무시설을 분석 대상으로 설정하였다. 전기부하와 급탕 부하의 산출은 Yoon et al.⁽⁹⁾의 건물 용도별 단위 부하 기준을 이용하였으며, 사용 스케쥴은 ASHRAE 90.1⁽¹⁰⁾에 정의된 스케쥴을 이용하였다. 전기요금은 한국전력 공사 요금표의 일반용 전력(갑)Ⅰ고압 A 선택Ⅰ을 이용하였으며, 가스요금은 한국도시가스협회 서울지역 일반용 1을 이용하였다. Table 3은 대상 건물의 에너지 소비 조건과 연료전지시스템의 설치 조건을 나타낸다. 구체적으로, 연료전지 용량은 대상 건물의 시간 최대 급탕 부하 22 kW의 50% 수준이고, 일반적으로 설치 보급이 많은 10 kW로 가정하였으며, 축열조 용량은 제조사가 권장하는 1.2 ton(120 L/kW)으로 설정되었다. 연료전지의 해석은 국내 에서 판매 중인 S사의 10 kW 모델 KS 인증시험 자료를 바탕으로 예열시간, 예열 및 운전에 사용되는 연료량, 전력 및 열 생산량의 계산식을 유도하여 계산하였다.

경제성 분석을 위한 전력비용은 매시간별 변동비용을 추정하고, 이를 누적하여 계절에 따른 경제성평가를 수행하였다. LNG 요금은 연료전지의 가동 및 예열에서 사용된 운전비용과 연료전지 및 축열조를 이용하여 공급 가능한 급탕량을 초과하는 경우 일반 보일러 가동으로 추가 소모되는 비용의 합으로 계산하였다.

Table 4와 Table 5는 7가지 운영시나리오의 급탕 부하 처리 상태를 계절별로 나타낸 것이다. 연료전지시스템을 통해 발전되는 전력량은 100% 이용되기 때문에, 폐열의 이용률이 연료전지시스템의 운영효율을 좌우하게 된다. 이 조건에 따라 운영된 7가지 운영시나리오로, 연간 시간 단위 비용을 분석한 결과, Table 6과 같이 운영시나리오 7번이 가장 가동이익이 높고, 그 이익 단가는 10만 원/kW 정도로 확인되었다. 또한, 시나리오 7번과 같은 운영 조건이고 축열조가 없는 시나리오 6번과 비교해보면, 축열조가 가동이익률을 21.6% 상승시킬 수 있다는 것도 확인할 수 있다.

이상, 업무시설을 대상으로, 연료전지의 운영시나리오 7가지를 에너지비용으로 분석해 본 결과, 축열조가 설치된 연료전지시스템을, 가스 소비비용보다 전기 및 열 생산에 따른 에너지 소비비용 절감효과가 높은 조건에서 가동할 경우, 가동이익이 가장 크며, 축열조의 효과도 가동이익률의 21.6%를 차지하는 것이 확인 되었다.

Table 5. Daily hot water energy analysis

Fig. 2 Profit from equipment capacity of target building.

4. 건축물의 급탕 부하에 대응한 연료전지 설계용량

연료전지시스템은 최상의 운영시나리오에 따른 가동이익이 발생하더라도, 초기투자비가 3,500만 원/kW 정도로 여전히 고가의 시스템이다. 이 때문에, 투자비에 대한 경제성 기반으로 설치되는 시스템이 아니라, 신재생에너지 이용의 의무비율과 설치면적의 한계 등에 대해 대응할 목적으로 설치되는 시스템이다. 이를 인정하는 상황 에서도, 설계자는 항상 설계단계에서 적정 설계용량에 대한 의사결정을 할 수밖에 없다.

본 절은 앞서 확인된 시나리오 7의 조건에서, Table 3과 같은 업무시설을 대상으로, 연료전지 용량과 축열조 용량을 변수로 하여, 초기투자비에 대한 가동이익비용의 효과(이하, 운영 효과)를 분석하였다. 연료전지 설계 용량은 5 kW~30 kW를 5 kW 단위로 8단계 구분하고, 축열조 용량은 0.1 ton~2.2 ton의 범위를 0.3 ton 단위로 7단계 구분하여, 56가지 조합으로, 운영 효과를 확인하였다(Fig. 2 참조).

그 결과, 대상 건물의 시간 최대 급탕 부하인 22 kW의 약 50%에 해당하는 10 kW 이하로 연료전지를 설치할 경우, 운영 효과가 가장 높은 것으로 확인되었으며, 축열조는 연료전지 용량에 대한 30~60 L/kW의 축열조 용량 설계가 운영 효과 측면에서 가장 유리한 것으로 확인되었다.

5. 결 론

본 연구는 업무시설을 대상으로 연료전지의 가동 손익을 분석하여, 전기부하 및 열부하 특성에 유리한 운영시나리오를 도출하고, 연료전지의 초기투자비에 대한 가동이익 효과를 근거로 연료전지 용량 및 축열조 용량에 대한 설계기준을 제시하였다. 그 결과는 다음과 같다.

(1) 최근 건축물에 적용된 연료전지의 설계사례를 분석한 결과, 고분자전해질(PEMFC) 방식의 연료전지가 사용되었으며, 발전 시 발생하는 폐열을 급탕 부하 처리 용도로 사용하는 시스템 구성이 대부분이었다.

(2) 연료전지의 운영시나리오를 7가지로 정의하고, 연간 가동이익을 분석한 결과, 전기부하 및 열부하 처리 시 비용이익이 발생할 때만 가동하는 방법(시나리오 7)이 가장 유리하며, 연료전지 용량 당 10만 원/kW 정도의 연간 가동이익이 발생하는 것으로 확인되었다.

(3) 업무시설에서 연료전지 용량은 시간 최대 급탕 부하의 50% 이하가 유리하며, 축열조 용량은 연료전지 용량에 대해 30~60 L/kW로 설계하는 것이 가장 경제성이 있는 것으로 분석되었다.

이상, 업무시설에 대한 연료전지 및 축열조 용량 설정 방향과 운영시나리오에 대해 제시하였다. 다만, 이 결과는 연료전지의 가동에 따른 비용 손익만을 주목하여 분석한 것이기 때문에, 실제 운영현장의 여건과는 분명히 차이가 있을 수 있지만, 설계단계에서는 설계 기초자료로 충분히 활용될 수 있을 것이다.