연료전지 시스템

덧붙여 급탕 부하 및 전력부하의 변동에 따른 부분부하 운전이 예상되므로 부분 부하 운전에 따른 효율 저하를 고려하기 위하여 TRNSYS 모델에서 제공하는 PLR control을 사용하였으며, 부분부하에 따른 효율저하 곡선은 그림 4-41과 같 다. (PLR=1.0, PLR=0.75, PLR=0.5)

[그림 4-41] 부분부하 운전에 따른 효율변화 곡선

한편, 연료전지 시스템의 설치에 따른 시뮬레이션 조건은 다음과 같이 3가지 조 건을 전제하여 가동방법, 잉여열 처리 방안 등을 설정하여 효율 검토를 실시하 였다.

① Fuel Cell은 24시간 동안 쉬지 않고 부하운전을 한다.

② 태양광 발전과 마찬가지로 연료전지에서의 전력 생산량 중 전력 요구량을 넘 어선 초과 전력량은 시스템과 연결된 그리드로 보낸다. 초과 전력량 역시 1차에 너지 자급률에서 에너지 생산량에 합산되어 계산된다.

③ 연료전지에서 나오는 열은 급탕에 사용하며, 급탕요구량을 충족하고 남은 폐 열은 다른 용도로 사용하지 않고 버려진다고 가정한다. 즉, 1차에너지 자급률 계산에 있어서 열 생산량은 급탕요구량을 초과할 수 없다.

(1) 표준형 단지

1차적으로 조명전력 요구량은 태양광 발전을 이용해 충족시키고, 충족시키지 못 한 전력 요구량에 대한 시간당 프로파일을 재생성하여 연료전지 설계 및 운영에 대입할 전력 요구량으로 설정하였다. 구체적으로 표준형 단지의 연료전지 시스 템에 사용되는 전력과 급탕 요구량은 각각 188,106kWh, 678,039kWh이며, 태 양광발전 시스템을 통하여 약 50%의 조명전력 요구량을 충족시키기 때문에 급 탕 요구량이 남은 전력요구량보다 3.6배 정도 더 크다. 또한, 1년 동안의 그래프 를 보면 전력부하는 계절에 상관없이 어느정도 일정한 수준을 유지하지만, 급탕 부하는 여름보다 겨울에 더 많이 발생한다는 것을 알 수 있다.

[그림 4-42] 연료전지 시스템에 사용되는 전력 및 급탕 부하 변화

열추종/전력추종 방식으로 제어하는 두 경우 모두 TRNSYS모델은 동일하게 컴 포넌트로 구성되며 두 모델 모두 1) 시간별 전력 및 급탕 프로필, 2) simplified

fuel cell model, 3) 연료전지에 물을 공급하고, 온수를 저장탱크로 순환시키는 순환펌프, 4) 부하운전 제어 모델로 구성된다. 두 모델의 차이는 열추종은 급탕 부하 대비 부하운전을 시행하고, 전력추종은 전력부하 대비 부하운전을 한다는 것이다. 추가적인 PLR Control은 type166 컨트롤러를 사용하여 모델링하였고, 순환펌프의 전력사용까지 고려하기 위해 순환펌프 컴포넌트도 모델에 포함하였 다.

[그림 4-43] 열추종 연료전지 시스템

[그림 4-44] 전력추종 연료전지 시스템

연료전지는 Fuel Cell의 용량을 10kW, 30kW, 50kW, 100kW로 증가시킨 4가지 case에 열추종과 전력추종 부하운전 방식을 적용하는 총 8가지 케이스의 시뮬레 이션을 수행하였으며, 각 모델의 결과는 표 4-20,21과 같다. 전력의 경우 요구 량을 넘어선 초과 생산량을 그리드로 보내는 게 가능하기 때문에 1차 에너지 자 립률 계산 시 생산된 전력량 모두(초과 전력생산량 포함)를 그대로 사용하였다.

전력의 경우 Unmet Power는 시간별 조명전력 요구량 중 전력생산량이 충족하 지 못하는 전력량을 나타내지만 1차에너지 자급률은 잉여전력도 포함하여 계산 하였다. 한편 급탕의 경우 초과 온수 생산량이 버려진다고 가정하기 때문에 1차 에너지 자립률 계산시 시간별 연료전지 열 생산량은 급탕 요구량을 초과하는 부 분은 제하여 분석을 실시하였다. 따라서 급탕요구량에서 Recovered Heat(열생 산량)을 뺀 값이 양수라면 충족되지 못한 열에너지(Unmet Heat)가 있고, 초과 온수 생산량이 존재하면 Unmet Heat은 0이다. 이렇게 Unmet Heat을 고려하고 시간별 열공급량을 산정하여 1차에너지 자급률을 계산하였다.

(kWh) 급탕 소비량

전력 소비량

Generated Power

Pump Energy

Unmet Power

Recovered Heat

Unmet Heat

Fuel Consumption

1차 에너지 자립률 10 677985.18 188089.25 87088.13 10.36 123703.73 131374.57 546637.44 264919.10 17.1 30 677985.18 188089.25 255083.20 86.54 49373.42 376875.02 325568.93 765283.43 19.08 50 677985.18 188089.25 396524.10 190.84 10472.67 548275.85 200699.27 1139029.31 20.91 100 677985.18 188089.25 692603.70 485.68 0.00 816260.45 40287.62 1799108.24 24.57

[표 4-20] 표준형 단지 열추종 방식 시뮬레이션 결과

(kWh) 급탕

소비량

전력 소비량

Generated Power

Pump Energy

Unmet Power

Recovered Heat

Unmet Heat

Fuel Consumption

1차 에너지 자립률 10 677985.18 188089.25 77030.43 7.47 123732.68 103308.45 574682.54 216960.85 17.1 30 677985.18 188089.25 201594.23 41.78 49395.04 227613.59 450422.31 510231.51 19.28 50 677985.18 188089.25 313435.82 81.95 10531.91 316417.28 362681.60 742838.73 23.17 100 677985.18 188089.25 545572.95 103.96 18.11 405969.85 311360.83 1098020.22 33.01

[표 4-21] 표준형 단지 전력추종 방식 시뮬레이션 결과

표준형 단지의 경우 50kW의 연료전지 시스템까지는 열추종 방식의 1차에너지 자립률이 전력추종 방식보다 높은 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 전력요구량 이 급탕요구량보다 작아서 두 방식 모두 전력부하에 대한 대응은 비슷하게 나타 나기 때문으로 결과적으로 소형 시스템에서는 소규모 시스템의 열추종방식이 유 리함을 의미한다. 그러나 열추종 방식은 급탕부하에 대응해 운전하기 때문에 용 량이 커질수록 열생산량이 많아지며 이때 공급에 필요한 연료량과 펌프의 전기사 용량이 열 생산량의 증가량보다 커진다. 이는 연료소비량과 펌프의 전력사용량을 보면 확인해볼 수 있다. 열추종/전력추종 두 경우 모두 시스템 용량이 커질수록 전력부하의 대부분이 연료전지 시스템의 전력 발전량으로 해결되지만, 여전히 연 료전지 시스템의 열 생산량으로는 충족하지 못한 상당량의 급탕부하가 존재하는 것을 볼 수 있다.

(2) 고밀형 단지

고밀형 단지의 연료전지 시스템은 표준형 단지에 적용한 TRNSYS 모델과 동일 한 제어방식과 전제조건을 가진다. 표 4-22~23은 고밀형 단지의 열추종 방식과 전력추종 방식의 결과를 나타내고 있다. 전술한 바와 같이 표준형 단지와 동일하 게 태양광 발전 시스템이 충족시키지 못한 조명전력 요구량과 급탕요구량에 대응 한 연료전지의 에너지 생산량을 바탕으로 연료전지 시스템의 적용성을 검토하였 다. 표준형과 비교할 때 상대적으로 고밀형의 경우 급탕 부하와 조명부하가 작기 때문에 표준형과 동일한 패턴을 확인할 수 있었다. 구체적으로 발생되는 열의 처 리를 위하여 열추종 방식의 경우 펌프 소비량이 용량에 비례하여 증가하게 되며, 전력추종 방식의 경우에는 잉여전력의 처리에 따른 경제적인 메리트가 발생하는 것으로 확인되었다.

(kWh) 급탕 소비량

전력 소비량

Generated Power

Pump Energy

Unmet Power

Recovered Heat

Unmet Heat

Fuel Consumption

1차 에너지 자립률 10 637196.13 134857.22 87088.13 10.36 77997.67 131374.57 505835.12 264919.10 21.55 30 637196.13 134857.22 254537.80 85.94 18842.03 375353.08 290110.89 762682.79 23.15 50 637196.13 134857.22 393437.29 184.83 899.39 539662.07 170923.16 1124310.44 24.11 100 637196.13 134857.22 680635.20 455.47 0.00 782862.24 24781.38 1742038.73 27.7

[표 4-22] 고밀형 단지 열추종 방식 시뮬레이션 결과

(kWh) 급탕

소비량

전력 소비량

Generated Power

Pump Energy

Unmet Power

Recovered Heat

Unmet Heat

Fuel Consumption

1차 에너지 자립률 10 637196.13 134857.22 74951.09 6.82 78060.10 97506.05 539690.09 207045.93 21.55 30 637196.13 134857.22 194157.47 35.04 18889.46 206861.25 430339.58 474770.76 25.38 50 637196.13 134857.22 292907.57 52.20 963.75 259133.01 378870.14 644953.70 27.60 100 637196.13 134857.22 539304.64 90.72 1.18 388478.07 293090.56 1068130.97 37.33

[표 4-23] 고밀형 단지 전력추종 방식 시뮬레이션 결과

(3) 저밀형 단지

저밀형 단지도 표준형, 고밀형 단지에 적용한 TRNSYS 모델과 동일한 제어방식 과 전제조건으로 시뮬레이션을 수행하였으며 표 4-24~25는 고밀형 단지의 열 추종 방식과 전력추종 방식의 결과이다. 저밀형 단지의 경우 다른 두 개 단지와 가장 차이는 연료전지 시스템의 적용효과가 상대적으로 크지 않은 특징을 제시 할 수 있다. 이러한 배경에는 이미 저밀형 단지의 경우 태양광 발전 시스템을 적용하여 상당부분의 조명용 부하를 처리하였기 때문이다. 또한 다른 단지에 비 하여 세대수가 많고 규모가 크기 때문에 연료전지 시스템의 용량이 미치는 영향 정도가 상대적으로 작기 때문에 열추종 및 전력추종 모두 현저한 변화를 보이지 않는 것으로 해석할 수 있다.

(kWh) 급탕 소비량

전력 소비량

Generated Power

Pump Energy

Unmet Power

Recovered Heat

Unmet Heat

Fuel Consumption

1차 에너지 자립률 10 1462551.53 324825.46 87088.13 10.36 264623.44 131374.57 1331176.95 264919.10 29.02 30 1462551.53 324825.46 261241.67 93.23 167938.35 394060.30 1069763.04 794648.94 29.34 50 1462551.53 324825.46 432088.73 252.96 102990.67 647519.25 836012.22 1308612.43 29.25 100 1462551.53 324825.46 802289.70 793.69 13692.19 1122340.19 473701.75 2322124.95 28.82

[표 4-24] 저밀형 단지 열추종 방식 시뮬레이션 결과

(kWh) 급탕

소비량

전력 소비량

Generated Power

Pump Energy

Unmet Power

Recovered Heat

Unmet Heat

Fuel Consumption

1차 에너지 자립률 10 1462551.53 324825.46 76532.37 7.34 264639.00 101918.62 1360632.90 214585.96 29.28 30 1462551.53 324825.46 215922.34 53.21 167991.36 267596.31 1194955.21 578552.38 30.41 50 1462551.53 324825.46 334342.82 113.78 103008.65 374758.44 1087794.30 842529.76 31.82 100 1462551.53 324825.46 612895.76 288.53 13718.08 593834.75 869890.95 1419036.18 35.08

[표 4-25] 저밀형 단지 전력추종 방식 시뮬레이션 결과