사업장 배출시설별 적용가능한 온실가스 감축 기술
글 / 홍성호(경기도환경보전협회 연구소장)
감축기술 1
보일러 공기비 조정으로 인한 온실가스 에너지 감축기술
가. 감축기술
공기비는 연료 연소에 필요한 이론공기량에 대한 실제 공기투입량의 비율로서 가동중인 보일러와 같이 공기 비가 커지면 연소가스량 증가에 따른 배가스 손실열 증대로 보일러 열효율 저하의 원인이 된다. 따라서 완 전연소가 가능한 범위내에서 공기비를 최소화하여 운전하도록 지속적인 관리가 필요하다. 기체연료를 연료 로 사용하는 보일러의 일반적인 기준공기비는 1.2로서 배가스로 손실되는 열을 최소화 하면서 최적의 연소 조건을 유지하기 위해서는 배가스 중의 공기비를 1.2이하로 유지하여야 한다. 따라서 가스분석기를 비치하 고 보일러의 배가스 중 산소농도를 수시로 분석하여 배가스 중 산소농도가 2.0~3.0% 이하가 되도록 공기 투입량을 조절한다.
나. 계산 예시 _ 계산기준
• 개선 전 공기비 : 1.31 • 개선 후 공기비 : 1.2 • 이론연소공기량 : 10.685 N㎥/kg
• 배기가스 온도 : 180 ℃ • 연소용 공기온도 : 20 ℃ • 공기 평균 비열 : 0.31 kcal/ N㎥℃
• 저위발열량 : 9,550 kcal/ N㎥ • 연간 연료 사용량: 110,169 N㎥/년 • LNG 단가 : 679 원/ N㎥
절감열량
= (개선 전 공기비 – 개선 후 공기비) × 이론연소 공기량 × 평균비열 ×(배기가스 온도 - 연소용 공기온도)
= (1.31 – 1.2)× 10.685 × 0.31 × (180 – 20) = 58.30 kcal/ N㎥
연료 절감률
= 절감열량 ÷ 저위발열량(연료별 발열량 에너지기본법 참조) ⅹ 100
= 58.30 ÷ 9550 ⅹ 100 = 0.61%
연간 연료절감량
= 연료사용량(N㎥/년) × 절감율
= 110,169 × 0.0061 = 672 (N㎥/년) = 0.71(toe/년) 연간 연료절감액
= 연료절감량(N㎥/년) × 연료단가(원/N㎥)
= 672(N㎥/년) × 679(원/N㎥) = 456천원/년
ESCO Issue
2
감축기술 2 최대수요전력(Peak) 관리
가. 감축기술
계약 전력의 기준치인 Peak치는 하절기인 7, 8, 9월과 당월의 최대 전력중 가장 높은 Peak치를 계약전력으 로 하여 이에 kW당 기본요금을 적용하여 기본요금을 부과하는 것으로 하절기인 7, 8, 9월에 발생되는 Peak 전력은 향후 1년간 전기요금 중 기본요금의 기준이 되고 있으며, 최대전력은 15분간의 평균전력이 측정되어 나타나는 것이므로 하절기에는 특별히 이 시간 내에 영업에 영향을 주지 않는 설비 (조명, 공조, 에어컨, 오 수처리설비 등)를 차단하여 최대Peak치를 관리하여 년간의 한전 기본요금을 절감하도록 하여야 하며 기타 계절에서도 당월의 기본요금을 절감하기 위해 최대 수요 전력을 관리하여야 할 필요가 있다.
- 예를 들어 7, 8, 9월중 발생한 최대 전력이 692(kW)이고, 1월 Peak가 680(kW), 2월 760(kW)일 경우 기본요금 6,610(원/kW)(산업 용(병)고압 A 선택Ⅱ 기준)을 적용, 1월은 기본요금이 요금적용 계약전력이 692(kW)로 기본요금이 6,610X692= 4,574,120(원), 2월 은 기본요금 요금적용 계약전력이 760(kW)로 기본요금이 6,610X760= 5,023,600(원)으로 2월의 경우 760-692=68(kW)분의 기 본요금 449,480원의 지출이 증가하게 된다.
나. 적용방법
일반적으로 Peak 억제를 위한 방안으로 다음과 같은 수요관리기법이 소개되고 있다.
최대수요 억제 (Peak Clipping)
피크시 최대수요를 억제하여 전력공급설비의 축소와 발전원가가 높은 설비의 가동을 줄임 - 휴가 보수기간 조정요금제, 자율절전 요금제, 계절별 차등요금제도, 신재생에너지 도입, 발전
설비 도입
최대부하 이전 (Peak Shifting)
Peak시 전력수요를 경부하대로 이동시켜 최대수요를 억제함과 동시에 경부하 시간대의 부하 를 증대시킴
- 빙축열 시스템, 시간대별 차등 요금제도, 전력저장, 부하이전 요금제 가변부하 조정
(Flexible Load Shape)
불필요한 부하에 전력공급을 중단시켜 전력수요를 조정 - 냉방부하의 원격제어
전략적 소비절약 (Strategic Conservation)
전기의 이용효율 향상 및 전력 사용방법 개선으로 전력 수요만 감소 - 고효율기기 개발보급, 에너지 진단, 절전정보
• 간접적인 방법
- 에너지 이용효율 향상, 고효율기기 채용 등 운전 합리화 - 수축열 설비를 도입하여 주간부하의 야간이전 - 전력회사의 부하관리 지원제도를 활용
• 직접적인 억제
- Demand Controller를 도입
사업장의 전력 사용현황을 상시 감시하여 Peak를 경감시킬 수 있는 Demand Controller를 설치하여 사업 장 내의 전력을 절감시키며 아울러 전력 기본요금을 절감하도록 한다.
<그림> Demand Controller
Demand Controller의 관리 우선순위는 영업에 영향을 주지 않는 설비를 선정하여 수요시한 내에서 연결된 전력부하를 차단하여 예측전력이 목표전력 이하로 유지될 것으로 예상될 때에는 목표전력을 유지하는 범위 에서 전력부하의 자동투입이 이루어지게 전력부하의 차단, 투입이 자동적으로 수행된다. 본 사업장의 경우 최대수요전력감시제어장치를 설치하여 차단, 투입되는 부하는 예측 전력이 목표전력 초과시 잠시 가동 중단 되어도 무관한 설비에 적용하여 순차제어방식과 우선순위 제어방식이 가능한 기기로 선정함이 바람직하겠 으며 부하특성에 알맞은 제어방식을 선정 운영하여야 하겠다. 목표치는 1차 경보 목표치를 설정하고 2차 부 하 제어시는 단속운전이 가능한 설비를 설정하여 운영토록 한다. 부하제한 설비를 부하제한 시간대에 순차 및 교차 정지하므로 Peak치를 최대한 제한하여 전력요금을 경감시키도록 한다.
다. 계산예시
Demand Controller를 설치하여 자동으로 최대전력 수요관리 우선순위에 따라 현재의 기준 Peak 전력 692(kW)에서 타월 최대치 평균전력 546(kW) 가 넘지 않도록 효과적으로 운영할 경우 기본요금 절감이 가 능하다.
( 1 ) 예상 PEAK 전력감소 : 1,752kW = (692kW - 546kW) × 12개월 = 1,752[kW]
( 2 ) 기본요금 절감액 : 5,559[천원/년]
= 절감전력(kW) × 기본요금 단가(원/kW) = 1,752(kW) × 6,610(원/kWh)
= 11,581(천원/년) (기본 요금 단가 : 당 공장 전기요금에 사중인 산업용(병) 고압 A 선택 Ⅱ 기준)
라. Peak부하제어 대상설비
통상적으로 Peak제어 설비는 조명, 공조, 에어콘 등 생산에 지장이 없는 설비를 대상설비로 선정하며 당 건물의 경우 조명설비, 냉방설비, 전기히팅설비 등 기타 영업에 지장이 없는 설비년 평균을 Peak부하 제어 대상 설비로 선정하면 된다.
Demand Controller의 기본동작 최대 수요 전력 관리장치 설치 구성도
ESCO Issue위험 및 지속적 보수가 요구되는 곳에는 고효율 전동기를 적극 채용토록 한다.
- 소손, 노후화로 교체가 필요하고 가동시간이 긴 전동기를 우선 교체대상으로 선정토록 한다.
- 고효율 전동기는 철심 및 권선의 최적설계 및 고급자재를 사용하여 손실을 표준대비 20~30(%) 저감시켜 수전 설비 및 전력소비량의 절감이 가능.
- 절감효과는 공조설비의 급기Fan(S/F) 및 환기Fan(R/F)의 전동기 용량을 참조로 평균부하율 70(%), 공조기별 연 간가동시간을 적용시의 산출결과임.
- 전동기 가격은 공장도가 적용.
- 투자비는 교체시기가 도래한 전동기를 교체하는 것으로 하여 고효율전동기와 일반전동기의 차액을 적용하였으 며 설치지원금을 감하여 계산하였음.
- 전동기의 평균수명이 10~15년 정도임을 감안하면 설치지원금 없이도 투자비 회수기간이 6년 이내이면 경제성이 있을 것으로 판단되며 대상 전동기는 “고효율 전동기 도입시 절감효과 계산표”를 참조하기 바람.
고효율 전동기 도입시 절감효과
<표> 고효율 전동기 도입시 절감효과
전동기용량(kW)
표준 절감율
절전용량 (kW)
전동기용량 (kW)
표준 절감율
절전용량 (kW)
전동기용량 (kW)
표준 절감율
절전용량 (kW)
0.4 0.142 0.06 11 0.04 0.44 55 0.037 2.04
0.75 0.11 0.08 15 0.03 0.45 75 0.037 2.78
1.5 0.063 0.09 18.5 0.036 0.67 90 0.034 3.06
2.2 0.063 0.14 22 0.033 0.73 110 0.036 3.96
3.7 0.046 0.17 30 0.035 1.05 132 0.033 4.36
5.5 0.042 0.23 37 0.03 1.11 160 0.03 4.80
7.5 0.036 0.27 45 0.032 1.44 200 0.026 5.20
고효율전동기 ( 1 ) 정의
- 전동기는 전원으로부터 공급된 전기 에너지의 일부가 열 에너지로서 전동기 내부에서 소비된다.
- 이 전동기 출력측에서 동력으로서 사용할 수 없는 에너지를 손실(Loss) 이라 하고 손실이 크면 전동기의 온도 상승이 커지고 절연 수명도 짧아질 뿐 아니라 전력손실이 증가한다.
- 이 입력과 출력의 비를 전동기의 효율이라 하며 이것은 전동기가 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 유효성을 표시한다.
효율 = x 100 입력
출력 x 100 (%)
출력 + 손실
= 출력
- 따라서 전동기의 사용전력량을 감소시키기 위해서는 전동기효율을 시켜야 하며 고효율전동기는 이러한
손실을 최소화 함으로서 효율을 향상했다.
( 2 ) 전동기의 손실종류 및 저감방법
- 전동기의 손실에는 크게 철손, 풍손 및 마찰손, 고정자 손실, 회전자 손실, 표류부하손의 5개 주요 요인 이 있으며, 각 요인은 전동기 제작자의 설계와 제조과정에 의해서 영향을 받는다.
- 가령 설계시의 고려사항으로 회전자와 고정자 사이의 공극 크기가 있는데, 큰 공극은 역율을 희생시키 는 대신 효율을 극대화하는 경향이 있는 반면 작은 공극은 역율을 상당히 향상시키지만 효율을 약간 떨어뜨린다.
- 전동기 손실은 고정손실과 가변손실로 분류될 수 있으며 고정손실은 전동기에 전원이 공급되기만 하면 발생하며 주어진 전압과 속도에 대해 일정하다.
- 가변손실은 보통 전동부하에 따라 증가한다. (철손, 풍손 및 마찰손은 고정손실이고 나머지는 가변손실 로 분류할 수 있다.)
<그림> 5HP급 전동기의 전부하 운전시 열손실
Stray Load Loss63W Factor Loss20W Stator Teeth Iron Loss
40W
Stator Teeth Iron Loss77W Rotor Power Loss
156W Stator Power Loss
223W
Heat generation and transmission of induclion molor
( 100% Load ) 25 50 75 100 125
손실 동손 - 1차 동손 - 2차 동손
포유부하손
철손
부하율 (%) 손실
<표> 전동기 손실 저감방안
손실의 종류 손실 저감방안
전손실
동손 1차 동손 도체단면적의 증가, 1차 전류의 저감, 코일단길이의 단축, 코일 점적률의 향상 2차 동손 도체 단면적의 증가, 2차 전류의 저감, 박전기 철판의 채택
철 손 자속밀도의 감소, 저손실철심재료의 채택, 박전기 철판의 채택
표유부하손 회전자 슬롯수, 스큐의 최적화, 공극 자속밀도의 감소, 공극길이의 최적화, 회전자 홈절연처리
기계손 냉각용 팬의 저손실화, 저손실 그리스의 채택
<표> 고효율 전동기의 설계 단계별 효율향상 효과(사례)
3상 유도전동기 5HP급 4극기준(H중공업) 효율[%]
초기 모델(일반 전동기)
81.5
고정자슬롯의 코일충진율(Fill Factor)을 54.4[%]에서 64.4[%]로 개선시
82.3
철심코어를 S60 에서 S18로 바꾸면(고급 무방향성 강판 이용)
85.1
축 방향 길이(코어의 적층길이)를 100에서 100[mm]로 개선시
84.5
턴(Turn)수를 32회에서 26회로 바꾸면
87.0
Endring을 (8×18.5) 에서 (25×30)[mm2]로 개선시
88.5
최적화기법(Evolution Strategy)을 사용한 회전자 슬롯의 설계 이용
88.9
기계손과 표류부하손(Stray Loss)을 30[%]줄이면
89.5
기계손
ESCO Issue
0 25 50 75 100 125 1.5 2.2 3.7 5.5 7.5 11 15 표준모터
표준모터
부하율 [%] 출력 [kW]
50
0
효율 [%] 역율 [%]
고효율전동기 채용시 부대효과 및 적용처 (가) 부대효과
• 낮은 온도상승 및 긴 수명
- 손실 저감으로 온도상승이 낮으면서도 절연계급을 B종에서 F종으로 높인 열처리를 하여 모터의 수 명이 표준형에 비해 약 2배정도 연장된다.
- 고온 다습한 환경에서도 사용이 용이하다.
• 저소음으로 정숙운전
- 자속밀도가 낮게 설치되어 자기소음이 낮다.
- 효과적인 냉각/통풍 구조로 설계되어 FAN 소음이 낮다.
- 표준형 대비소음이 약5~13 dB정도 낮다.
• 내식성 구성
- 외장품은 주로 주물로 구성되어 있으며, 방청 프라임 도장후 내수/내 화확성이 우수한 특수 폴리우 레탄 도료로 도장.
• 표준형 전동기와 동일치수
- 표준형 전동기와 동일치수이기 때문에 호환성이 있어 개체가 용이함.
(나) 고효율 전동기 사용이 적합한 부하설비
- 부하율이 높고 정속운전으로 연간 가동시간이 많은 부하(펌프, 블로워) - 주위온도가 높은 곳(주위온도 65℃에서 과부하율 1.0으로 사용가능)
- 주위환경이 가혹하거나 장기간 가동하는 곳(석유/화학업종, 제지, 섬유, 시멘트, 금속업종) - 부하변동, 전압변동이 크거나 주파수가 일정치 않은 곳
- 전원용량, 수전용량이 적어 증설이 제한되는 곳 - 공조 부하등 계절적인 Peak전력소비가 발생되는 곳 - 정숙운전이 필요한 곳(저진동, 저소음)
⇨ 특히, 현재 저부하로 운전중인 전동기를 적정 용량화하여 교체가 필요한 곳이나 소손 또는 신규설치가
필요한 곳은 고효율전동기로 교체시 투자 경제성이 뛰어남으로 전량 고효율전동기 채용함이 바람직함.
감축기술 4 냉난방기(실외기 차광막 설치)
가. 감축기술 개요
하절기 냉방 공조시 실외기가 직사광선에 노출될 경우 실외기 응축계통의 온도 상승으로 냉방시스템의 효 율이 저하된다. 응축기의 온도 상승은 냉매 응축압력, 곧 압축기의 토출압력의 상승을 의미하며 이는 냉방 시스템 중 전력설비인 압축기의 압축비 상승 및 소비전력 증대를 초래하기 때문이다. 실외기는 옥상이나 지 상에 설치되어 있으나 차광막이 없이 직사광선에 노출되어 있다.
특히 지상의 실외기는 옥상 주변에 설치되어 있는데다, 한쪽은 경계벽에 면하여 있으므로, 응축기 냉각용 공기가 원활하게 소통되지 못하고 있을 뿐 아니라 실외기가 대부분의 냉방공조 시간에 직사광선에 노출되 어 있어 냉방시스템의 성능 저하 및 소비전력 증대를 초래하고 있는 실정이다.
나. 개선방안
냉방시스템의 성능저하 및 소비전력을 감소시키기 위해 실외기에 직사광선을 차단하고 공기는 원활하게 소 통될 수 있도록 차광막을 설치함으로써 냉매의 응축 온도 및 압력을 저하시키면 성능(COP) 개선에 의하여 실외기의 압축기 소비전력을 절감할 수 있다.
<그림 > 개선 전·후 개략도
차광막을 설치하여 직사광선의 노출을 차단할 경우 절감효과(절감율)를 계산해 보면 다음과 같다.
( 1 ) 산정기준
- 음지 온도 : 23.3℃ / 양지 온도 : 28.3℃
- 28.3℃에서 R22 포화압력 : 11.6kg/cm
2·g (실제 포화온도는 주변온도보다 5℃이상 높으므로 28.6℃ 적용) - 33.3℃에서 R22 포화압력 : 13.3kg/cm
2·g (실제 포화온도는 주변온도보다 5℃이상 높으므로 33.6℃ 적용)
<그림> R22 P-H선도(개선 전·후 비교)
개선 전 개선 후
ESCO Issue
