國內 住居團地 建設計劃時 地區單位計劃에서 活用可能한 에너지믹스 最適化 알고리즘 開發에 關한 硏究

주거단지 지구단위계획에 활용할 에너지믹스 최적화 알고리즘을 개발했다.

2015년 파리 기후협약 이후, 온실가스 감축에 관한 관심이 전 세계적으로 높아지면서, 온실가스 감축에 이바지할 수 있는 신재생에너지와 ESS 기반의 마이크로 그리드 관련 정책들이 가속화되기 시작했다. 그러한 정책과 발맞춰 다양한 분산전원을 기반으로 효율적인 마이크로 그리드를 구성, 설계하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재에는 도서 지역 등과 같은 소규모 지역에 독립형 마이크로 그리드 실증 단지를 구축, 운영하는 단계에 이르렀다. 따라서 앞으로도 소규모 실증 단지의 결과를 활용하여 지역 지구 및 산업 단지 등과 같은 대규모 전력 수요 지역에 마이크로 그리드를 적용하는 연구가 활발히 진행될 것으로 전망할 수 있다. 마이크로 그리드는 독립적인 전력망으로 마이크로 그리드 범위 내의 분산자원으로 수용가의 수요를 맞추는 시스템으로 동작 방법에 따라 계통 연계형과 독립형으로 구분된다. 마이크로 그리드는 전력의 크기, 용도에 따라 분류할 수도 있으며, 미국의 에너지국은 마이크로 그리드의 소유자에 따라 유틸리티 모델(Utility model), 임대주 모델(landlord model), 협업 모델(co-op model), 고객 발전 모델(customer-generator model), 지역 난방 모델(district heating model)로 분류하여 정의하기도 했다.

그 중 지역 난방 모델은 하나의 회사가 마이크로 그리드를 소유하고 관리하여 그 지역 내의 고객의 전력 및 열 수요를 충족시키는 것으로 우리나라의 집단에너지 사업과 유사한 개념이다. 집단에너지 사업이란 특정 지역 내의 주거, 상업 또는 산업단지 내의 사용자에게 열병합발전, 보일러 등의 에너지 생산시설에서 생산된 열 및 전기 에너지를 공급 및 판매하는 사업으로 집단에너지 공급 기본계획의 최대 열부하(Gcal/h), 열사용량(Gcal/y), 열 밀도(Gcal/㎢·h) 등의 공급 기준에 부합하여야 한다. 집단에너지로 공급할 경우, 타 난방방식보다 에너지를 효율적으로 이용할 가능성이 커지고, 온실가스를 감축할 수 있으며, 수용가 입장에서는 열 요금 및 전력 요금을 절감할 수 있다. 하지만 대규모 주거 도시를 계획할 지구단위계획을 실행하지만, 에너지 기반 시설의 구체적인 계획은 건설 계획 단계까지 확립되지 않아, 도시 특성 및 부하 크기에 맞는 적절한 에너지 공급시설의 구축이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 우리나라에서 대규모 주거 도시 건설을 위한 지구단위 계획 시 에너지 사용계획의 절차 및 단계별 특성을 상세히 살펴보고, 에너지 사용계획 단계에서 적용할 수 있는 전기 및 열 수요를 만족시킬 수 있는 최적 에너지 공급시설 용량 산정 방법을 제안한다. 에너지 공급시설로는 열병합발전, 열전용 보일러, 축열조 및 ESS 등을 사용한다.

실제 에너지 사용 계획 단계에서 산정한 수요 데이터를 적용하여, HOMER의 결과와 비교함으로써 본 연구를 통해 제안하는 알고리즘의 실현 가능성을 검토하고자 한다. 하지만 HOMER에서는 축열조 모델이 제공되지 않아 정확한 모의가 불가능하다. 실제 열에너지를 효율적으로 사용하고 환경조화를 기하기 위해서는 축열조를 반드시 포함하여야 한다. 따라서 우선 개발 알고리즘에서 축열조를 제외하고 해당 결과와 HOMER의 결과를 비교함으로써 개발 알고리즘의 신뢰성을 확인한 후, 개발 알고리즘에 축열조를 포함하여 최종 용량 산정을 진행하였다. Since Paris Climate Change Conference in 2015, many policies to reduce the emission of greenhouse gas have been accelerating, which are mainly related to renewable energy resources and micro-grid.

Presently, the technology development and demonstration projects are mostly focused on diversifying the power resources by adding wind turbine, photo-voltaic and battery storage system in the island-type small micro-grid. It is expected that the large-scaled micro-grid projects based on the regional district and town/complex city, e.g. the block type micro-grid project in Daegu national industrial complex will proceed in the near future.

In this case, the economic cost or the carbon emission can be optimized by the efficient operation of energy mix and the appropriate construction of electric and heat supplying facilities such as cogeneration, renewable energy resources, BESS, thermal storage and the existing heat and electricity supplying networks. However, when planning a large residential town or city, the concrete plan of the energy infrastructure has not been established until the construction plan stage and provided by the individual energy suppliers of water, heat, electricity and gas. So, it is difficult to build the efficient energy portfolio considering the characteristics of town or city.

This paper introduces an energy mix optimization(EMO) method to determine the optimal capacity of thermal and electric resources which can be applied in the design stage of the real large-scaled residential town or city, and examines the feasibility of the proposed method by applying the real heat and electricity demand data of large-scale residential towns with thousands of households and by comparing the result of HOMER simulation.