마그넷

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 도서지역 마이크로그리드 시스템 구축 시뮬레이션 및 환경경제성 분석

영문 : Microgrid System in Island Area Simulation and Environmental Economic Analysis

과제 팀명

마그넷

지도교수

이상철 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 이**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 백**

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 정**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 온실가스 배출 기여도가 가장 큰 에너지 부문의 온실가스 배출량을 줄이기 위해 신재생에너지 기술이 통합된 단독 운전이 가능한 소규모 전력망인 마이크로그리드를 도서산간 지역에 구축하여 탄소중립 실현에 기여하고자 함.

◇ 기존 하향식 전력 공급 시스템(화석연료)과 상향식 마이크로그리드 시스템을 적용했을 때의 차이를 시뮬레이션 하고 전력 사용량, 온실가스 별 배출계수, 지구온난화지수를 활용하여 온실가스 배출량을 산정하며 온실가스 저감효과, 경제성 등을 분석.

◇ 마이크로그리드 구성 및 경제성 분석이 가능한 HOMER Pro 응용 프로그램을 활용하여 풍속 및 기후 데이터 등을 입력하고 전라남도 완도군 생일도의 최적화 운전 시뮬레이션을 수행하여 시티즈 스카이라인을 통해 구현.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 정부는 지난 2020년 7월 14일에 전국 42개 도서지역에 친환경 발전시스템을 구축해 디젤엔진 발전기의 오염물질 배출량을 감축하겠다고 밝혔음. 정부의 한국판 뉴딜 정책에 따라 한국전력공사는 도서지역 친환경 전력공급을 확대하고 있음. 최근 2022년에는 산업통상자원부와 한국 에너지 기술 평가원이 주관하는 ‘에너지 기술 개발사업’에 군산시가 선정되어 에너지 자립 마을 구축을 위한 마이크로그리드 실증 사업을 추진함.

◇ 한국의 전기료는 다른 국가에 비해 가정용과 산업용 전기료 모두 저렴한 편임. 전기를 저렴하게 이용할 수 있다는 점은 큰 장점이 있어 국내 마이크로그리드의 상용화에서는 오히려 한계점으로 작용함. 이러한 한계점으로 일본이나 유럽 등보다 신재생에너지와 연계한 마이크로그리드의 실증이 부족한 상황임.

◇ 하지만 국내 시장이 아닌 동남아시아 등 섬이 많은 지역에 마이크로그리드 기술을 수출하기 위해 국내 실증 데이터가 필요함. 또한 도서지역의 경우 육지와의 고립성으로 인해 해저케이블이나 제주도와 같이 초고압 직류송전을 이용해야 하는데 모든 섬에 이와 같은 방법으로 송전하면 많은 비용이 필요함. 그러므로 장기적인 측면에서 해외 진출 가능성과 도서지역의 원활한 전기 공급, 탄소중립을 위해 마이크로그리드 개념을 도입한 에너지 자립섬을 설계함.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 기존 하향식 전력 공급 시스템에서 상향식 마이크로그리드 시스템을 적용했을 때의 차이를 시뮬레이션 하여 경제적으로 가장 효율적인 신재생에너지 조합을 선정하고 전력 사용량, 온실가스 별 배출계수, 지구온난화지수를 활용하여 온실가스 배출량을 산정하며 궁극적으로 온실가스 배출량을 줄이기 위해 신재생에너지 기술이 통합된 마이크로그리드를 구축하고자 함.

◇ HOMER 프로를 사용해 경제성과 온실가스 감축량 산정을 통해 체계적이며 효율적으로 마이크로그리드를 구축하고 시티즈 스카이라인을 통하여 구축된 마이크로그리드를 3D로 구현하여 신재생 에너지의 비율을 늘려 온실가스 저감에 기여하고 외부전력 사용량을 줄여 경제적 이득을 얻는 효과를 기대할 수 있음.

◇ 마이크로그리드 구성 및 경제성 분석이 가능한 HOMER Pro 응용 프로그램을 활용하여 내장된 풍속 및 조사량 데이터를 이용하여 해당지역의 최적화 운전 시뮬레이션을 수행.

◇ Homer Pro는 전력 데이터, 데이터 및 기후 최근 문헌자료를 바탕으로 신재생에너지 및 ESS 설비 발전원가, 유지비, 수명 등의 경제성 평가를 위한 데이터등의 입력을 통해 해당 지역의 신재생에너지 종류와 비율의 최적 조합 산출할 수 있음. 이를 바탕으로 화력발전원가 및 탄소배출권 가격을 고려하여 경제성 분석을 진행.

◇시티즈 스카이라인에서 위성 데이터를 입력하여 실제 대상 지역을 불러오고 고도등의 지형을 고려하여 환경분석을 실시하여 적합한 신재생에너지 발전기 위치 설정. Homer Pro로 구한 최적 에너지 설비 구성이 생일도 내에 실제로 실현 가능한지 확인하기 위해 생일도 환경 분석 진행

◇에너지 자립 시뮬레이션 대상 지역으로는 면적은 13.81km2이며, 2020년 기준 414가구 701명이 거주하는 전라남도 완도군의 생일도를 선정함

◇본 프로젝트를 통해 탄소배출을 최소화할 수 있는 방안을 모색하고, 특히 도서지역과 같은 전력소외지역이 화석연료에 의존하는 방식이 아닌, 자체적으로 에너지를 생산하고 공급하여 온실가스 감축에 기여할 수 있는 자립형 발전시스템을 구성하고자 한다. 추후 에너지 자립이 필요한 국내외 지역에도 적용될 수 있는 기반을 마련하고자 함.

◇다도해라는 남해의 특성상 각 섬의 기후와 자연환경에 알맞은 신재생 에너지 시설을 설치함으로서 남해의 다양한 섬들 간의 상호 계통 연계로 에너지를 자립적으로 생산, 판매, 보급을 실현하여 탄소중립에 기여할 수 있음.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

○ QFD(Quality Function Deployment)

개념설계안

◇ 생일도 전기사용량 계산

생일도 섬 자체의 전력사용량을 계산할 수 없어, 생일도가 속한 완도 전체의 가구별 전기사용량을 한국전력공사 전력데이터 개방 포털에서 받아 사용하였음.

완도의 월별 가구당 전력사용량에 생일도의 2020년 가구수(414가구)를 곱해 생일도 전체의 월별 전력사용량을 계산하였고, 이를 바탕으로 월별 평균전력부하량을 계산하였음. 
시간별 부하는 한국전력거래소의 2021년 1월 1일부터 12월 31년까지 가구당 1년치 시간별 전력사용량 데이터를 받아, 시간별 평균을 전체 데이터의 평균으로 나눠서 부하량을 계산하였음.

주어진 자료를 바탕으로 월별&시간별 생일도 전체의 전력사용량을 계산하였고, 결과는 아래와 같음.

[fig 3.2.1]시간당 전기 사용량

[fig 3.2.2]월별 전기 사용량

◇ 현재 전기 발전 단가

 도서지역 전력공급사업은 현재 적용되는 요구수준으로는 사업의 변동비도 회수할 수 없는 고비용 구조로써 일반 민간사업자의 상업적 투자를 유도하거나 수혜자인 도서주민이 결손액을 전액 회수하기 곤란한 사업임.

2007년 계산된 도서지역 발전원가는 588.56\/kWh에 달했음. 이를 바탕으로 생일도의 현재 연간 발전원가를 추정함(인플레이션율 = 2%로 설정).

약 7억 3천만원 정도가 생일도의 연간 발전 및 송전원가로 추정됨.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 온실가스 배출량 산정 - 현재 생일도 연료 공급은 무연탄으로 확인됨 - 온실가스 배출량(tCO2eq) = ∑[연료 사용량(㎏) × 순발열량(MJ/㎏) × 배출계수(kgGHG(CO2/CH4/ N2O)/TJ) × 10-9 × 지구온난화지수] - 무연탄 순발열량(MJ/kg) : 24.4 - 배출계수(kgGHG/TJ) : CO2 (98,300), CH4 (에너지 산업 : 1), N2O (에너지 산업 : 1.5)

- IPCC 국가 인벤토리 가이드라인 연료별 배출계수

- 지구온난화지수 : CO2 = 1, CH4 = 21, N2O = 310 - 생일도 일간 전력 사용량 : 2525.7kwh/d - 무연탄 연간 사용량

◇ 탄소세 계산 탄소의 사회적 비용 : 55,400원/ton

◇ B/C 분석 (Cost-Benefit, 비용편익분석, 25yr 기준) (1) 화력발전소 (무연탄) 100% 이용 – Benefit - 온실가스 배출량 탄소세 : 20,519,650원/yr X 25yr=512,991,250원 - 초기 설치 비용 및 유지 보수비 : 7,474,781,000 (HOMER Pro 경제성 분석 이용) Total Benefit = 7,987,772,250원 => 약 79억 8800만 원 (2) 신재생 에너지 100% 이용 - Cost 태양광 발전 1653kW, 풍력 발전 10Kw Total Cost = 9,659,646,000원=> 약 96억 6천만 원 (3) B/C ratio 79억 8800만 원 / 96억 6천만 원 = 0.8269 < 1

상세설계 내용

1)Homer pro 설계

◇ 무연탄 및 화력발전소 데이터

  무연탄의 발열량은 24.4 MJ/kg이며, 밀도는 1,300 kg/m3, 95%의 탄소, 1%의 황으로 구성된 값을 입력. 무연탄의 가격은 전력통계정보시스템에 따르면 2022년 1ton 당 201,385.22원으로 1kg 당 약 202원이라 하였음.
  2020년 산업통상자원중소벤처기업위원회 국정감사에서 공개된 자료에 따르면 석탄 화력발전소 1000MW 당 평균공사비는 2조 5100억원으로 이번 설계에서 무연탄 화력발전소의 초기 건설비용은 1kW 당 2,500,000원이라 가정함. 국제 에너지 기구(IEA)에 따르면 석탄 화력소의 유지보수 비용은 1kW 당 43$로 57,620원임.

◇ 화력발전소 분석 결과

 생일도에 화력발전소를 통한 전력만을 공급한다 가정하였고, 이를 Homer Pro를 사용하여 분석한 결과 270kW의 발전소가 필요하며, 총 NPC는 7,474,781,000원임. 화력발전소에 발생하는 오염물질 배출량은 다음 표와 같음.

[table 3.4.1]화력갈전소 총 NPC 및 오염물질 배출량

◇ 기후 데이터

 Homer Pro 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였으며, 태양광 패널과 풍력 발전의 효율을 계산하기 위해 생일도의 위성좌표계(34o19.5’N, 126o59.3’E)를 입력하여 위성 자료를 통해 기온, 일사량과 청명도, 풍속 데이터를 내려받았음.

[fig 3.4.1] 생일도 월별 평균기온

[fig 3.4.2] 생일도 월별 일사량과 청명도

[fig 3.4.3]생일도 월별 풍속

◇구성요소별 단가 계산

 각 구성요소의 초기비용, 연간 유지비, 수명 등의 자료는 공개되어 있지 않은 경우가 더 많아 정확한 파악이 어려워 접근이 가능한 타 논문의 자료를 사용하였음. 1€ = 1$ = 1200\으로 계산하였으며, 구성요소별 가격은 다음과 같음. ESS는 리튬 이온 배터리로 가정하여 계산하였음.

[table 3.4.2] 패널, 디젤 발전기, 컨버터, ESS설비의 초기비용, 교체비용, 연간유지비, 수명, 효율

[table 3.4.3] 패널, 디젤 발전기, 컨버터, ESS설비의 초기비용, 교체비용, 연간유지비, 수명, 효율

◇계통도

[fig 3.4.4]계통도

◇ 신재생 에너지 분석 결과

 위의 데이터를 모두 입력한 후 Homer Pro를 통해 계산하면 아래 표와 같은 결과가 나왔음. 4개의 결과 중에서 가장 적합하다고 나온 값은 태양광 1,657kW, 10kW 풍력터빈 57개, 컨버터 273 kW, ESS설비 3,756kW를 설치한 것임. 이 경우의 총 NPC는 9,659,646,000원. Cash Flow Chart를 통해 25년 이후부터 293,633,000원의 경제적 이득을 얻을 수 있음.

[table 3.4.4] Homer Pro Optimization Results

[fig 3.4.5] Cash Flow Chart

2)환경 분석 및 설계

◇ 발전기의 섬 내 실제 설치가 가능한지 확인하기 위해 환경 분석을 시행하였음. 태양광패널 1653kw, 10kw 풍력 터빈 57개에 대한 설치가 필요함.

◇ 태양광 패널

 일반적으로 가정용 태양광 패널의 발전량은 3kW. 생일도의 주택 대부분이 단층 주택이기 때문에 태양광 패널을 설치할 만한 지붕이 가구마다 있고, 채광에 대한 방해물이 적음. 그러므로 대부분의 가구에 태양광 패널 설치가 가능할 것으로 예상됨. 만약 생일도 전체 가구 중 80%에 가정용 태양광 패널을 보급 가능하다면, 생일도의 가구 수가 414가구이므로 대략 993kW(414×0.8×3kW=993.6kW)의 태양광 패널을 설치할 수 있다. 총 1653kW의 태양광 패널 설치가 필요하므로, 660kW정도의 패널만 추가로 설치하면 됨

[fig 3.4.6] 생일도의 주 거주구역 위성지도.

주거용 주택 외에도, 주차장이나 동사무소, 학교 등의 시설에 태양광 패널 설치가 가능함. 예시로 생일면사무소의 태양광 패널 설치 모델을 만듦. Fig 5.2는 생일면사무소의 카카오 로드맵이며, fig 5.3은 Cities-Skylines를 이용해 이 로드맵을 바탕으로 주차장용 태양광 패널을 설치한 모델임. 주차구역 네 칸 규모의 태양광 패널의 발전용량이 19kW이므로, fig 5.3과 와 같이 설치할 경우 38kW의 발전량을 확보 가능. 이외에도 생영초등학교, 생일면 복지회관, 생일보건지소 등의 공공건물 옥상에 패널을 설치하고, 주민시설과 그리드로 연결하여 전력을 공급할 수 있음.

[fig 3.4.7] 생일면사무소 로드뷰 & 생일면사무소 태양광 패널 설치모델

조금 더 자세히 살펴보면, 태양광 발전은 1MW 규모의 시설을 만들 때 13,200m2의 부지가 필요함. 주거지역을 제외하면 660kW의 태양광 패널을 설치해야 하므로, 필요 부지는 대략 8712m2정도임. 위성 지도를 통해 확인한 결과, 8500m2 이상의 부지가 확보 가능한 것을 확인할 수 있었으며([fig 2.5.4]), 충분한 패널 설치가 가능함. 또한 지역 산업구조 특성상 농산물이나 해산물, 각종 설비 보관을 위한 단층 창고가 많아 이러한 시설에도 패널 설치를 고려할 수 있음.

[fig 3.4.8] 생일도 미사용 부지

[fig 3.4.9] 빈 부지 넓이 계산

◇풍력 터빈

풍력 터빈은 30kW이하를 소형, 30kW~750kW를 중형, 그 이상의 발전 규모를 가진 터빈은 대형으로 분류함. 본 과제에서 선택한 풍력 터빈은 10kW 터빈으로, 일반적인 풍력 발전단지에서 사용하는 터빈보다 발전 규모와 크기가 작은 소형 터빈임. 소형 풍력 발전기는 대형 발전기에 비해 적은 삼림 파괴, 낮은 유지비용의 이점을 가지며, 무엇보다 저주파 방출이 적어 소음으로 인한 주민 피해가 덜함. 많은 지자체에서 풍력 발전 단지와 정온시설(주택, 학교 등)의 이격거리를 1.5km이상이 되도록 권장하고 있으나 현재 사용하고 있는 일반적인 소형풍력발전기의 소음은 약 53~55db정도로, 공동주택 내 소음기준과 비슷한 수준을 나타내고 있어 주변지역에 큰 소음장해를 일으키지 않음. 그러므로 주거구역에서 어느 정도 거리를 두고 배치하되, 대형 풍력 발전기에 적용하는 수준의 이격거리는 필요하지 않다고 판단함.

풍속은 고도가 올라갈수록 증가하고, 풍력 터빈 발전량은 풍속의 세제곱에 비례하므로 비교적 높이가 높은 산지에 풍력 발전기를 설치하였으며, 유지 관리를 위해 도로에서 너무 멀지 않게 배치함. 지형에 대한 정확한 파악을 위해 생일도 고도 데이터를 내려받아 Cities-Skylines 프로그램으로 3d 모델화함.

[fig 3.4.10] 생일도 지형 모델 & 주거지역 오버레이

 위성지도를 이용해 최대한 실제에 가깝게 도로를 설치하고, fig 5.3의 주거지역을 고려해 10kW 풍력 터빈을 배치하였음([fig 5.4]. 프로그램 내에 적합한 모형이 없어 큰 풍력발전기가 사용되었으나, 실제로 10kW 풍력발전기는 이보다 더 작으므로 공간 차지가 적을 것으로 예상됨.

[fig 3.4.11] 풍력발전기 배치 모델

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

◇실물 모델

◇Cities : Skylines 모델

포스터

완료작품의 평가

향후계획

◇ 본 설계의 목표는 전력소외지역에 마이크로그리드를 통한 에너지 자립 달성이므로, 생일도뿐만 아니라 자연환경 및 인문환경이 다른 다른 지역에 적용하기 위한 고려사항 조사.

◇ 신재생에너지 특성상 현재 본 설계의 B/C가 1에 조금 못 미치는 상황. 경제성 개선을 위해 B/C 개선에 대한 추가 연구 진행

◇ 생일도의 인구 변화 추이를 고려하여, 생일도 인근 다른 섬(약산도, 평일도 등)으로의 케이블을 통한 그리드 구축에 대한 현실성과 경제성에 대한 추가조사 진행

◇ 대상 지역의 날씨가 발전 효율뿐만 아니라 발전 설비 수명, 적합한 발전 설비 형태 등의 다른 인자에 어떤 영향을 미치는지에 대한 추가조사 진행

부록

A-1 참고문헌 및 참고사이트

안선주, 심관식, 최준호, 원동준, 2020, “해외 캠퍼스 마이크로그리드 구축 현황”, Kepco Journal on Electric Power and energy, vol 2. No 1. pp 10.

제2차 지능형전력망 기본계획(2018~2022), 산업통상자원부

산업테마보고서(2019), “스마트그리드/마이크로그리드”, 한국IR협의회

스마트그리드 국가로드맵, 2010, 지식경제부

HOMER 프로그램을 이용한 도서지역 마이크로그리드 최적용량 설계, 이숙희, 2015

HOMER를 이용한 도서지역 에너지시스템 최적화 설계와 경제성 분석, 정민지, 2016

HOMER를 이용한 도서형 마이크로그리드 구성에 관한 연구, 안정운 외 3명, 2014

HOMER를 이용한 산업단지 계통연계 마이크로그리드 경제성 분석, 나정승 외 3명, 2019

국내 도서지역의 전력부문 온실가스 배출계수 산정, 박민혁 외 3명, 2006

Munir Husein 외 4명(2017), Design and Dynamic Performance Analysis of a Stand-alone Microgrid – A Case Study of Gasa Island, South Korea, “J Electr Eng Technol”.12(5), pp.1777-1788

Anastasios Oulis Rousis 외 4명(2018), Design of a Hybrid AC/DC Microgrid Using HOMER Pro: Case Study on an Islanded Residential Application. 한국전력거래소

한국전력공사 전력데이터 개방 포털

통계청

노성호 외 3명, 2011, 도서지역의 최적 전력 방안 연구, 2011 한국산업기술원

Homer Pro, https://www.homerenergy.com/products/pro/docs/latest/index.html

특허정보검색서비스 키프리스, ‘마이크로그리드’, http://kportal.kipris.or.kr/kportal/search/total_search.do

비츠로시스, 스마트그리드, http://www.vitzrosys.com/business/business1_1_1_list.jsp

한라일보, 김명선, http://www.ihalla.com/read.php3?aid=1378652400441531320

한국스마트그리드사업단, https://www.smartgrid.or.kr/bbs/content.php?co_id=sub3_3_a

산업일보, 조해진, https://www.kidd.co.kr/news/221780

Power Technology, https://www.power-technology.com/analysis/featurepower-plant-om-how-does-the-industry-stack-up-on-cost-4417756/

김세훈(2022), 경향신문, https://m.khan.co.kr/national/national-general/article/202210111124001#c2b