ESCO사업사례
글 / (주) 에너지솔루션즈 목 충 부장
OCI 포항공장 스팀공급사업
1. 머리말
우리나라는 에너지의 97%를 수입에 의존하고 있으며, 에너지 소비의 83%가 화석연료를 사용하고 있 다. 에너지 소비량은 1981년 45,718,000TOE에서 2006년 233,372,000TOE로 늘어나 연평균 6.7%
증가 추이를 보이고 있으며, 1인당 에너지 소비는 1981년 1,18TOE에서 연평균 5.8%씩 증가하여 2006 년에는 4,83TOE로 보고되고 있다. 현재 에너지 사용현황에 따라 국가적 차원에서 에너지의 합리적 이용이 적극적으로 검토되고 있다.
에너지의 상당부분을 외국에서 수입하는 우리나라 실정에서는 신생에너지의 개발, 미활용 에너지의 활용, 에너지 절약 등은 필수 불가결한 요소이며, 이러한 상황에 가장 적합한 예가 ESCO사업이라 할 수 있다. ESCO사업이란 에너지절약전문기업(Energy Service Company)이 에너지사용자의 기존 설 비개체 및 공정개선 등을 통해 에너지를 절감시켜 주는 사업이며, 에너지절약전문기업이 설비개체, 공 정개선에 필요한 사업비를 선투자하기 때문에 에너지사용자 입장에서는 초기 투자비용이 전혀 없으 며, 에너지절감 보증 및 사후관리를 통해 지속적인 관리를 하기 때문에 사업 후에도 안정적으로 설비 운영을 할 수 있는 이점이 있다. 사업에 소요된 투자비는 준공 후에 에너지절감금액 내에서 분할상환 을 하게 되고, 상환이 종료되면 시설물은 에너지사용자에게 귀속되어 운영되어진다.
이러한 시대적 상황이나, 국제적 정세에 맞추어 본 ESCO사업 사례에서는 OCI 포항공장의 스팀공급 사업에 대해 소개하고자 한다.
2. 사업개요
OCI(구 동양제철화학)는 Renewable Energy, 무기화학, 석유석탄화학, 정밀화학, 단열재 등의 분야 에서 카본블랙, 핏치, TDI, 과산화수소, 과탄산소다, 소다회, 흄드실리카를 비롯하여 반도체 웨이퍼 및 태양전지의 핵심원료인 폴리실리콘 등을 생산, 판매하는 우리나라의 명실상부한 화공플랜트 기업 이며, OCI 본사는 서울, 국내 공장은 광양, 구미, 군산, 울산, 익산, 포항 등에 위치하여 있다.
경북 포항에 위치한 OCI 포항공장에 2010년 11월부터 2011년 7월까지 9개월여 동안 스팀공급배관을 구축하였다. OCI 포항공장에서 각 6개의 수용가(OCI포항공장 ~ 포항철강산업단지 구간)까지의 배 관길이는 총 6.8km이며, 배관라인은 다음 [그림 1]와 같다.
ESCO Case
3. 사업내용
본 사업은 OCI 포항공장의 대기중으로 Vent되던 증기를 회수하여 인근 수용가 측에 판매하는 사 업이었다. 화공플랜트인 OCI 포항공장 Process에서 발생되는 고온의 배기가스를 냉각시키기 위해 HRSG를 설치하였지만 잉여스팀을 아무런 회수없이 대기로 Vent함에 따라 에너지손실이 초래되었 다. 이렇게 대기로 Vent되던 잉여스팀을 회수하여 인근 수용가에 공급함으로써 에너지원단위 절감과 온실가스 감축, OCI 포항공장의 추가수익 창출 등의 효과를 얻을수 있었다. [그림 2]와 [그림 3]에 사 업전/후 계통도를 나타내었다.
[그림 2] 사업전 계통도
[그림 3] 사업후 계통도
기존에 대기중으로 Vent되는 스팀을 회수하여 인근 수용가에 판매함으로써 연간 126,480ton을 절감 할 수 있었으며, 이를 금액으로 환산하면, 연간 44억원 정도의 막대한 금액이다. HRSG로부터 나오 는 16.0kg/cm2.g 스팀 17t/h을 회수하여 ①T수용가 6.0kg/cm2.g, ②D수용가 5.5kg/cm2.g, ③S수용 가 5.0kg/cm2.g, ④P수용가 8.0kg/cm2.g , ⑤D수용가 8.0kg/cm2.g, ⑥D수용가 6.0kg/cm2.g로 감 압하여 각각의 공급계약에 따라 일정량의 스팀을 공급하여 상생관계를 구성하였다. OCI 포항공장에 서는 기존 Vent되고 있던 스팀을 판매하여 수익을 창출하고, 각 수용가에서는 저렴한 금액으로 스팀 을 구매함으로써 원가절감을 할 수 있는 것이다.
[표 1] 및 [그림 4]는 사업전/후 에너지절감량 및 절감금액을 나타낸 것이며, 총 56.7%의 에너지 절감 률을 달성하였다.
[표 1] 사업전/후 에너지절감량 및 절감금액
구분 단위 사업전 사업후 절감효과 비고
에너지(LNG)사용량 TOE/년 15,025 6,511 8,514
절감률 56.7%
탄소배출량 T-C/년 8,664 3,754 4,910
에너지(LNG)사용금액 백만원/년 7,812 3,385 4,427
[그림 4] 사업전/후 에너지절감량 및 절감금액 그래프 ESCO Case
수한 제품으로 선정/적용하였으며, 주요 자재별로 간략하게 설명하면 다음과 같다.
(1) SIS 직매배관
• SIS(Steel In Steel) System은 콘크리트 구조물 없이도 직접매설이 가능한 열배관 시스템
• 콘크리트 구조물에 비하여 자재비가 저렴하고 안정성이 뛰어나며 공사기간이 짧음
• 넓은 온도범위에서 사용이 가능함(-60℃~600℃)
• 완벽한 밀폐구조가 가능하므로 진공처리가 가능
• Slip Joint, Bellows, Non-Com방식 등 다양한 설계가 가능함 (2) Slip Joint
• 열 팽창시 신축량이 크기 때문에 사용이 유리하다.
• Water Hammering의 순간 충격에 강하다. (내구성 우수)
• 누설시에 증기 공급을 중단하지 않고 패킹을 주입(Injection)하여 간단하 게 누설에 대한 보수가 되기 때문에 증기 공급중단으로 인한 생산중단, 파열로 인한 인명피해의 우려가 전혀 없다.
• 일반 STS 재질 Expansion Joint에 비하여 고가이나 내구성 및 안전성 이 뛰어나다.
(3) 유량계 검침시스템
• M&V(Measuring & Verification) 용이
• OCI 포항공장 메인배관 1개소, 수용가 6개소 설치
• 신뢰성 있는 Spirax-Sarco 제품사용
산업체에서 미활용 에너지를 이용하는 사업은 본 OCI 포항공장 스팀공급과 같이 잉여스팀을 회수하 여 판매라인을 구축할 수도 있고, 온수로 만들어 지역난방으로도 공급할 수 있다.
본 사업과 같이 공정상에서 발생되는 미활용 에너지를 회수하여 재사용하는 것은 에너지 절감효과 가 상당히 크며, 인근 산업체 등에 에너지 네트워크 사업으로 추진할 경우 대규모 사업으로도 발전 될 가능성도 매우 높아 향후 상호 네트워크를 이용한 에너지 공유사업으로 확대될 수 있는 매우 유 망한 사업이다.
다음 [표 2]에서 OCI 포항공장 외에 에너지솔루션즈에서 수행하여 왔던 사업 몇 가지를 더 소개하 고자 한다.
[표 2] 열공급 사업사례
사업명
소각여열공급 열배관 설치
신평공단 증기공급사업
시화공단 미활용
에너지회수 증기공급 신규수요처 개발사업
사업처
진흥중공업 GM모비스 한국환경에너지 두산건설사업시기
2008년 2007년 2006년 2004년[그림 5] SIS 직매배관
[그림 6] Slip Joint
참고적으로 스팀배관 및 열배관설치 시공절차는 다음과 같다.
① 아스콘컷팅(절단) 후 파쇄하여 아스콘 제거
② 아스콘이 제거된 구간을 지장물에 유의하여 터파기 실시
③ 터파기가 된 바닥을 고르게 하여 배관설치
④ 배관 연결용접 후 비파괴 검사(사용전 검사)
⑤ 되메우기(물다짐, 경고테이프 포함)
⑥ 아스콘 포장 후 준공검사
[그림 7] 스팀배관설치 시공절차
① 아스콘 파쇄 ② 터파기
③ 배관설치 ④ 배관용접
⑤ 되메우기 ⑥ 도로포장
4. 맺음말
지금까지 ESCO사업으로 진행하였던 OCI 포항공장 스팀공급사업에 관련하여 소개하였다. 기존의 노 후설비를 고효율 설비로 개체하거나, 공정개선을 통하여 에너지를 절감할 수 있는 방안은 무수히 많 다고 볼수 있다. 본 사업 사례가 한 예이다. 에너지 사용자가 에너지사용시설을 개체 또는 보완하고 자 하는 의사는 있지만, 기술적 또는 경제적 부담으로 사업을 시행하지 못하고 있는 경우에 ESCO사
ESCO Case
우리가 사는 지구는 유한한 자원을 가지고 있고, 우리나라는 사용 가능한 에너지원을 외국에서 대부 분 수입하고 있는 실정에서 ESCO사업은 더욱 빛을 발할 것이며, 이는 에너지사용자, 에너지절약전문 기업 모두에게 수익창출을 가져다 줄 것이다. 더 나아가 국제적 기후변화협약 및 국가 에너지정책, 목 표관리제 추진 등 탄소시장에 적극 대응할 수 있을 것이다.
STx에너지 반월발전소 축열조 설치 공사
1. 사업 개요
stx에너지 반월발전소는 안산시의 반월공단 내에 소재하고 있으며, 5대의 보일러를 이용하여 증기를 생산한 후, 1대의 메인터빈과 2대의 보조터빈을 이용하여 전기를 생산하고, 터빈에서 나온 배압증기를 인근에 위치한 200여개 수용가에 8kg/cm2 압력의 공정용 또는 난방용으로 공급하고 있다.
반월공단 내에 소재한 수용가는 야간 시간대에는 운전을 중지하는 운영 형태를 보이고 있었으며, 수 용가 중 영세한 염색업체는 염색산업의 사양에 따라 폐업이 늘어남으로써 전체적인 증기 수요 측면 에서 야간뿐만 아니라 주간의 증기 수요량이 줄어드는 추세를 보이고 있었다. 따라서 stx에너지 반 월발전소에서도 증기 생산량이 줄어듬에 따라 전기 생산량이 줄어들어 수익성이 저하되는 악순환이 발생하게 되었다.
따라서 본 사업은 stx에너지 반월발전소 내에 축열조를 설치함으로써 증기 수요량이 줄어드는 야간 시간대에 추가로 증기를 생산하여 발전을 하고 배압 증기는 복수하여 축열조에 저장하였다가 증기 수 요량이 증가하는 주간 시간대에 보급수로 공급함으로써 보일러 연료 사용량을 줄이고 결과적으로 안 정적인 전기 생산 및 에너지이용효율의 극대화를 이루어 stx에너지 반월발전소의 수익성 향상을 목 적에 둔 사업이다.
2. 사업 내용
본 사업은 stx에너지 반월발전소 내에 축열조를 설치하는 사업이다. 축열조를 설치하기에 앞서 축열/
방열량의 산출에 따라 합리적인 축열조의 용량을 산정하는 것이 중요하며, 또한 효율적인 운전 mode 를 설정하는 것이 에너지 절감의 관건이므로 축열조의 용량 산정부터 설치 공사 과정에 관한 내용을 간략하게 살펴보고자 한다.
2.1 축열/방열량 산정
축열조 용량 선정에 앞서 검토해야 할 부분은 야간 시간대의 축열량을 검토 및 산출하는 것이었다. 축 열량을 산출하기 위해서는 야간 시간대의 발전소의 기존 증기생산량 및 수용가의 증기수요량, 터빈의
부하를 종합적으로 고려하여 산출하였으며, 이 결과에 따라 축열조 용량을 산정하였다.
<축열/방열 Concept>
본 사업에서는 축열조의 용량이 6,000m3 용량으로 산정되었다.
2.2 축열/방열 운전 mode 설정
축열조 건설 후에는 기존의 공정 계통과 연계하여 발전소 운전 mode를 축열 mode와 방열 mode 로 나누어 수용가의 증기 부하가 감소하는 야간 시간대에는 축열 mode로 운전하여 증기를 생산하 고 나온 배압증기는 축열조에 저장하고 수용가의 증기 부하가 증가하는 주간 시간대에는 방열 mode 로 운전하여 보일러의 보급수로 사용한다. 축열 mode와 방열 mode의 개략도는 [그림 1]과 [그림 2]
와 같다.
[그림 1] 축열 Mode
[그림 2] 방열 Mode
방열 Mode에서는 축열조에 저장된 Hot water를 정량 방출하도록 운전한다. 축열 Mode와 방열 Mode의 운전 조건은 다음과 같이 간략하게 나타낼 수 있다.
ESCO Case
- 터빈의 인입 증기 유량이 기준 부하 이상일 경우에는 축열하지 않음 - 터빈의 인입 증기 유량이 기준 부하 미만일 경우에는 축열 시작 - 축열조의 Level이 High가 되면 축열 정지
(2) 방열 조건
- 평일 주간 시간대에서 기준 시간 내에 방열 - 방열 mode하에서 정량 방출
- 축열조의 Level이 Low가 되면 방열 정지하고 기존의 Demi-Water system을 이용
2.3 년간 시뮬레이션 분석
stx에너지 반월발전소의 경우, 수용가의 증기 수요량이 일정하지 않고 이에 따른 보일러의 증기 생산 량이 계절 및 시간대별로 변동의 폭이 크므로 산출된 축열 및 방열량을 일괄 적용할 수 없다. 따라 서 기존 보일러 증기 생산량의 변동에 따른 축열 및 방열량을 case별로 Heat balance 하여 분석하 고, 산출된 결과는 회귀분석을 실시하였다. 아래의 [그림 3]과 [그림 4]는 회귀분석 결과를 그래프화 하여 나타낸 것이다.
[그림 3] 축열량에 따른 추가증기생산량
90 80 70 60 50 40 30 20 10
0 0 100 200 300 400 500
y= 0.1563x + 0.026 추가 증기 생산량
축열량
[그림 4] 방열량에 따른 예열증기 감소량
60 50 40 30 20 10
0 0 100 200 300 400
y= 0.1231x -0.0237 예열증가 감소량
방열량
2.4 축열조 설치 과정
축열조의 설치 과정은 아래 사진으로 대신 설명한다.
① 축열조 위치 파일 천공 작업 ② 축열조 기초철근 배근 작업
③ 축열조 SHEEL 설치 작업 ④ 축열조 보온재 설치 작업
⑤ 도색 및 준공 ESCO Case
본 사업에서는 축열 Mode에서 추가적으로 전기를 생산하고 방열 Mode에서 축열조의 온수를 보일 러의 보급수로 사용함으로써 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다. 그리고 축열 Mode에서 추가로 투입 된 연료 사용량을 분석하여 축열 Mode에서 절감된 에너지와 차감함으로써 최종적인 에너지 절감효 과를 분석할 수 있다.
분석된 에너지 절감량은 아래 표와 같다.
<년간 에너지 절감량>
구분 사업전 사업후 절감량 비고
전기 사용량
(MWh/year) 12,071 2,595 TOE 0 0 TOE 2,595 TOE 보일러
연료 사용량 (ton/year)
0 0 TOE 3,759 2,330 TOE -2,330 TOE
합계 2,595 TOE 2,330 TOE 265 TOE
4. 맺음말
본 사업은 stx에너지 반월발전소에 축열조를 설치하여 부하가 낮아지는 야간시간대에 축열을 함으로 써 안정적인 전기 생산이 가능하고, 부하가 높아지는 주간시간대에는 축열조에 저장된 온수를 이용하 여 보일러의 보급수로 공급함으로써 보일러의 연료사용량을 절감할 수 있는 사업이다.
다수의 열병합발전소가 수용가의 증기사용량 변동과 같은 외부 요인에 의해 증기생산량이 감소하고 이에 따라 전기생산량이 감소함으로써 에너지 생산 원가가 증가되는 악순환을 겪고 있다.
따라서 당사가 수행한 축열조 설치사업은 위와 같은 문제를 겪고 있는 발전소에 좋은 해결책이 될 수 있을 것이다. 나아가서는 에너지 전량을 수입하고 있는 우리나라에 에너지 수입 비용의 절감을 이룰 수 있고 환경 차원에서는 사용 에너지를 절감함으로써 환경오염의 억제를 가져다주는 1석 3조 이상 의 효과를 창출하는 사업이다.
그리고 예산 문제로 선뜻 사업을 수행하지 못하는 발전소에서는 ESCO사업을 통해 초기 투자 비용 없이 사업이 진행할 수 있으므로 발전소와 ESCO가 서로 Win-Win 할 수 있는 사업임을 다시 한번 강조하며 이만 ESCO사례 발표를 마치고자 한다.
