폐자원에너지시설 지원 방법론에 관한 연구

이유민(Youmin Lee),박세인(Sein Park),문회성(Heesung Moon),손준익(Junik Son),강준구(Jungu Kang),전태완(Taewan Jeon) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.1

에너지 생산 및 사용에 따른 환경문제로 인해 신재생에너지의 중요성이 대두되고 있다. 이에 따라 신재생에너지에 대한 지원제도 등에 의하여 여러 신재생에너지가 지원받고 있다. 하지만 「신에너지 및 재생에너지 개발 · 이용 · 보급 촉진법」이 개정됨에 따라서 폐자원에너지에 대한 지원이 축소되었으며 비재생폐기물은 신재생에너지에서 제외되었다. 이에 따라 폐기물의 재활용이 필수적인 상황에서 폐자원에너지 관련 분야의 경쟁력 감소가 우려되고 있다. 이에 본 연구는 관련 시설의 활성화 및 촉진을 위해서 폐자원에너지시설에 대한 지원을 위한 방법론을 제시하고자 하였다. 폐자원에너지는 고체, 액체, 기체 둥 종류가 다양하며 그에 따른 시설의 공정이 다르기 때문에 시설을 비교 · 평가하기 위한 공통적인 인자가 필요하다. 따라서 폐자원에너지시설의 환경성 및 경제성을 인자를 설정하여 환경성 및 경제성을 지표로 하였다. 환경성지표는 시설의 주민수용성, 환경정의, 주민환경권, 지역사회 기여도와 같은 환경성을 기준으로 하였고 경제성지표는 폐자원에너지시설의 에너지생산량을 조사하여 생산된 에너지에 대한 판매수익 및 폐기물처리비용을 적용하여 산정하였다. 산정된 결과값은 수치를 간소화하여 상대적으로 비교할 수 있게 하고자 정규화를 진행하였고 점수화하여 각 지표의 점수를 산정하였다. 또한, 환경성 및 경제성지표의 점수를 반영비율에 따라 시설의 종합평가점수를 산정하였다.

탄소중립도시 전환을 위한 미활용 자원 및 에너지 지능형 순환 시스템 기술개발 기획사업

박영수,성호진,박성호,안성율,유영돈 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.2

인간이 생활을 영위하거나 산업체의 생산활동을 위해 사용한 에너지 및 자원 중 경제적 가치 , 이용 방법의 한계 등의 이유로 더 이상 사용하지 못하고 자연계로 최종 배출되는 미활용 에너지 및 자원의 활용은 2050 탄소중립을 위해 재생에너지 사용 확대, 화석에너지 사용축소, 에너지 효율 향상, 에너 지 수요 공급의 관리와 더불어 필수적인 요소이다. 우리나라는 1차 에너지 중 97%를 수입에 의존하고 있고, 1차 에너지 활용에 있어 전환 손실 둥을 고려 시 1차 에너지의 30~40%만 실제 활용되고 나머지는 활용되지 못하고 버려지고 있다. 도시는 전 세계 지표 면적의 2%에 불과하지만 에너지 사용량의 66%, 온실가스 배출량의 75%를 차지하지만, 지리적 · 사회적 여건으로 풍력발전, 태양광발전, 연료전지 발전 동 신재생에너지 적용에 한계를 가진다. 본 기획사업은 국토교통부에서 추진하는 탄소중립도시 전환을 위한 미활용 자원 및 에너지 지능형 순환 시스템 기술개발 기획사업으로, 2050 탄소중립 정책에 대응하여 도시 단위에서의 미활용 자원 및 에너지 대상 저탄소 · 고효율 순환 시스템 기술개발 및 실중을 목적으로 한다. 본 기획을 통해서 미활용 에너지 및 자원 활용을 위한 총 4개의 중점분야가 도출 되었다. ① 지하 미활용에너지의 복합 활용을 위한 저장 및 이송 인프라 간설 기술 개발 ②자원순환형 스마트그린산업단지 인프라 건설 및 운영 기술개발 ③ 탄소중립도시 도로발전 인프라 건설 기술개발 ④ 탄소중립도시 내 공간 활용 건물 온실가스 저감 기술개발

식품가공공장 에너지관리시스템 개발에 관한 연구

구재희(Jae-Hoi Gut),김동주(Dong-ju Kim),임채영(Chae-Young Lim),여채은(Chae-Eun Yeo),이형아(Hyung-Ah Lee),조우진(Woo-Jin Cho) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.2

국내 에너지소비량 중 산업부문이 137,444천toe(2019) 61 .9%로 대부분을 차지하고 있으며 제조업 이 127,431천 toe(2019)로 산업부문의 92 . 7%가 소비하고 있다. 제조업종 중 음식류 제조업이 1,929 천toe(2019)로 전체 제조업종의 1. 5%를 소비하고 있다. 제조업의 설비별 에너 지 사용은 보일러용 에너지 소비량이 29.5%와 열사용/열이송 설비가 19 . 4%로 48.9%를 사용하고 있다. 제조업의 열 에너 지 사용량 절감이 보일러용 및 열사용에 대한 에너지 관리물 통해 에너지 철감 및 온실가스 감축이 필요하다. 에너지 다소비 업종 중 매우 다양한 제품을 생산하는 식품가공업종의 공통적인 에너지 사용패턴 분석과 관리물 통해 공통적 인 에너지 절감 요소를 도출하여 업종 맞춤형 에너지 관리시스템의 개발이 필요하다. 이러한 식품가공업종의 열에너지의 소비패턴을 분석하여 에너지 절감을 위해 식품공장 맞춤형 에너지 소비 분석, 예측 및 절감 기술개발이 필요하다. 본 연구에서는 식품공장의 열에너지 생산/공급 공정인 보일러와 열에너지 사용공정인 식품가공공정의 에너지 소비구조 및 소비패턴 분석, 에너지 소비량 예측, 생산량 연계한 필수 인프라 선정. 에 너지 소비 베이스라인 산정방법 개발 및 데이터분석을 통한 에너지 소비 공정제어 기술을 포함한 식품공장 맞춤형 에너지관리시스템 개발을 수행하고 있으며 이에 대한 연구내 용을 정리하였다. 식품공장 맞춤형 에너지관리시스템은 유사한 식품공장 또는 유사한 에너지 소비패턴의 제조업에 확대보급이 가능한 기술을 개발·보급하여 제조업의 에너지 소비량 절감과 이에 따른 온실가스몰 감축하여 탄소중립 목표 달성에 기여하고자 한다.

바이오수소 생산 최적화를 위한 실증플랜트 운영 현황

박수남(Soo-nam Park),이협(Hyup-hee Lee) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.2

세계적으로 기후변화와 에너지 고갈에 대웅하기 위해 신재생에너지와 수소에너지에 대한 투자와 시장이 확대되고 있다. 수소는 활용과정에서 오염물질을 배출하지 않고 효율이 높아 성장 잠재력이 풍부하며, 수소차 보급 확대 및 산업에너지 등의 사용으로 수요가 증가할 전망이다. 현재는 대부분 화석연료 기반으로 수소를 생산하고 있으나, 환경성을 고려하여 신재생에너지 자원을 활용한 친환경 수소생산 기술의 필요성이 부각되고 있다. 미래 청정에너지인 수소에너지의 활용도를 높이고, 새로운 산업을 육성하기 위해서 는 국내 원천기술을 바랑으로 수소생산 방식의 다양화와 국내 상용기술개발이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 친환경 수소 생산기술 중 고세균을 활용한 해양바이오수소 생산기술을 개발하고 있다. 상용화를 위해 기 구축된 바이오수소 실증플랜트 운전을 진행 하였으며, 운전 결과에 대하여 평가하고자 한다.

에너지 절감을 포함한 에너지 관리 및 정보 연계 시스템에 관한 연구

임채영(Chae-Young Lim),여채은(Chae-Eun Yeo),조우진(Woojin Cho),구재희(Jae-Hoi Gu) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.1

지난해 총 에너지 수요는 3 억 500 만 TOE( 석유환산톤)이고, 올해 국내 총 에너지 수요 3 억 900 만 TOE로 에너지 수요는 지속적으로 증가하고 있으며, 산업부문에서는 제조업의 에너지 소비가 약 90% 에 이른다. 이에, 공장에너지관리시스템 (FEMS, Factory Energy management System) 대한 관심은 높아지고 있다. FEMS는 생산시설에서 사용하는 에너지 성능의 최적화를 위한 관리시스템으로, 효율적인 에너지 사용을 위해 EOS(Energy Optimization System) 라는 최적의 방식으로 생산시설을 운영하고 관리하는 기술이 필요하다. 본 논문에서는 이와 같은 최적 운영을 위해 필요한 정보 연계 시스템에 대하여 고찰한다. 제안하고자 하는 시스템은 다양한 서비스 형태 중에 IaaS (Infrastructure as a Service ) 형태의 오픈소스 형태인 오픈스택 (OpenStack) 을 활용하여 소규모 공장에도 적용가능한 정보연계 시스템을 제시하였다. 제안된 에너지 관리 및 정보 연계 시스템과 연계된 데이터는 에너지 절감을 포함한 생산 공정의 에너지 소비를 모니터링하고, 분석하여 효율적인 운영 방식을 제공한다. 이러한 연구를 통해 FEMS 의 최적 운영을 위한 기술적인 기반을 마련하고자 한다.

한국형 식품 FEMS 실증을 통한 식품공정 에너지 절감율 평가

김동주(Dongju Kim),임채영(ChaeYoung Lim),여채은(ChaeEun Yeo),이형아(Hyungah Lee),조우진(Woojin Cho),구재희(Jae-hoi Gu) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.1

본 연구는 대상 식품공장에 한국형 식품 FEMS을 구축하고 이를 기반으로 식품 생산 핵심 공정(열에너지 공급공정, 살균공정)의 에너지원 공급 제어를 통한 에너지 절감율을 실증하였다. 식품공장에서 식품생산을 위해 요구되는 열에너지(스팀)을 생산, 공급하기 위한 열에너지 공급공정에 적용한 1 차 에너지 공급 미세비례제어 시스템을 통해 식품공장의 열에너지(스팀) 수요에 맞춰 1 차 에너지의 공급량을 제어하는 기술을 적용하였다. 또한, 살균공정에 공급되는 스팀의 공급량을 제어할 수 있는 PID 컨트롤 시스템을 통해 살균공정의 요구온도예 따라 열에너지 공급량을 최적화하는 기술을 적용하여 각 공정별 에너지 절감율을 도출하였다. 에너지 절감율 평가를 위한 기준 에너지 소비량을 산출하기 위해 IPMVP M&V 프로토콜에 따라 수집된 데이터 기반 에너지 소비 Baseline 모델을 도출하였으며, 이를 바탕으로 에너지 절감율을 평가하였다. 각 공정별 에너지 소비 Baseline 모델을 통해 산출된 에너지 소비 예측값 대비 에너지 절감기술 적용 후 수집된 에너지 소비 데이터를 기반으로 평가된 에너지 절감율은 열에너지 공급공정 6.81 % 및 살균공정 4.71 %로 확인되어 FEMS 실증을 통한 식품공정에서의 유의미한 에너지 절감 효과를 도출하였다. 추후 지속적인 공정데이터 모니터링을 통해 에너지 절감율의 평가를 진행 예정이며, 추가적으로 공정배출 에너지(응축수)의 회수를 통한 공정 에너지절감 연구를 수행하고 있어 이를 통한 에너지 절감율 증대효과를 기대한다.

고형연료제품 제조 • 사용시설 에너지회수효율 산정방법 마련 연구

박세인(Sein Park),이유민(Youmin Lee),문회성(HeeSeung Moon),손준익(Junik Son),강준구(Jungu Kang),전태완(Taewan Jeon) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.1

에너지 소비 및 온실가스 배출량 증가 둥의 문제로 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지의 필요성이 높아지고 있다. 하지만 2019 년 「신재생에너지법」이 개정됨에 따라 폐자원에너지 관련 공급인증서 가중치가 감소하였다. 폐자원에너지란 '고형연료제품, 폐기물합성가스 등 폐기물로부터 회수된 에너지 또는 에너지를 회수할 수 있도록 전환된 물질' 을 의미하며, 향후 폐자원에너지 활성화를 위해 폐자원에너지 생산 및 사용시설의 에너지 회수효율을 산정할 필요가 있다. 국내 에너지회수효율 산정은 「에너지 회수효율 측정 · 산정 방법 및 절차 둥에 관한 고시(환경부고시 제 2021-146 호)」 에 따라 에너지회수효율 산정 인자(Ep, 타, Ei, Ew)를 적용한다. 고시에서 규정하는 에너지회수효율 산정 방법은 생산된 에너지 중 유효하게 이용된 에너지를 투입에너지로 나누어 산정한다. 산정인자 중 均는 생산된 에너지 중 유효하게 이용한 에너지, 巳는 에너지 생산에 기여하며 외부에서 공급받은 에너지, E는 에너지 생산에 기여하지 않으나 외부에서 공급받은 에너지, Ew는 처리되는 모든 폐기물이 보유한 에너지를 의미한다. 고형연료제품 제조 · 사용시설은 일반 고형연료제품과 바이오 고형연료제품 시설로 나뉘고, 투입되는 폐기물의 원료, 생산 형태, 사용 형태 둥에 따라 구분된다. 현행 에너지회수효율 산정식을 적용하기 위해 시설별 공정도 분석을 통한 에너지회수효율 산정 범위를 검토할 필요가 있으며, 이에 따른 산정 인자를 마련해야 한다. 또한 고형연료제품의 품질 기준에 따른 분기별 저위발열량 결과와 에너지 회수효율 산정 (NCV) 에 따른 저위발열량 결과를 비교 검토하여 투입되는 고형연료제품의 열량을 산정할 필요가 있다.

공장 에너지 관리 시스템 운용을 위한 데이터 수집 시스템 백업 스토리지 엔진 평가

조우진(Woojin Cho),임채영(Chae-young Lim),김동주(Dongju Kim),여채은(Chae-eun Yeo),이형아(Hyungah Lee),구재희(Jae-hoi Gu) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.1

지구 온난화와 지속적 난개발로 인한 이상 기후 현상은 심각한 미래 위기로 다가오고 있다. 또한 에너지 비용의 지속적 상승으로 인해 에너지 절감과 에너지 효율 향상에 대한 관심이 증대되고 있다. 이러한 추세에 의해 에너지 절감을 위한 에너지 관리 시스템의 관심 또한 증대되고 있다. 적용되는 곳에 따라 빌딩에너지 관리 시스템 (BEMS), 주택 에너지 관리 시스템 (HEMS), 공장 에너지 관리 시스템 (FEMS) 등으로 분류한다. 이 중, 가장 큰 비중을 차지하는 공장에너지 관리 시스템의 경우 제 3 차 에너지 기본 계획을 통해 2025 년부터 10 만 TOE 이상의 에너지 다소비 사업장을 대상으로 의무화가 된다. 에너지 관리 시스템의 경우 데이터 기반으로 동작하므로 에너지 효율 향상 및 절감을 위해서 데이터 수집이 무엇보다 중요하다. 에너지 관리 시스템의 데이터 수집 시스템에서 수집되는 데이터의 대부분인 시계열 데이터의 특성상 일정 기간 이전의 데이터의 접근 확률이 떨어진다. 따라서 이러한 데이터들을 주기적으로 백업하는 백업 스토리지가 존재하여 주 데이터베이스의 용량 및 성능, 사용성 등을 개선하여야 한다. 본 연구에서는 시계열 데이터를 저장하는 공장 에너지 관리 시스템의 데이터베이스를 이원화 하여 주 스토리지 엔진이 아닌 백업 스토리지 엔진을 사용할 때 보다 효율이 높은 스토리지 엔진에 대해 연구하여 공장 에너지 관리 시스템의 데이터 수집 시스템의 발전에 기여할 것으로 기대한다.

식품가공공장 FEMS 적용을 위한 데이터 스케일링 방법에 따른 에너지 소비 예측 모델의 성능 비교 연구

김동주(Dongju Kim),이형아(Hyungah Lee),여채은(Chae Eun Yeo),임채영(Chae Young Lim),구재회(Jae-Hoi Gu) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.1

2050년 탄소중립 목표 달성을 위한 우리 정부의 기후기술 혁신에 대한 지원과 투자가 적극적으로 이루어지고 있으며, 이로 인해 에너지 절약 및 효율 향상의 필요성에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 대한 대안으로 공장 에너지 관리시스템 (FEMS)를 도임함으로서 일부 부분적인 시스템 개선만으로 에너지 절감을 달성할 수 있는 다양한 솔루션이 제안되어지고 있다. 전 세계적인 인구의 급격한 증가로 야기된 식품 소비의 중대로 인해 식품산업의 에너지 소비 규모가 급격하게 증가되고 있는 추세로 식품산업에서의 에너지 절감에 대한 이슈가 부각되었으나, FEMS를 적용한 에너지 절감 실증 사례는 전무하며, 심지어 일부 소규모 공장의 경우는 실제 생산에 소비되는 에너지의 양 조차 파악이 어려운 실정이다. 본 연구에서는 데이터마이닝 도구인 ECminer를 사용하여 식품공정의 FEMS에 적용할 수 있는 에너지 수요 예측모델을 개발하였으며, 데이터의 전처리 과정에서의 정규화 방법에 따른 모델의 성능을 비교하였다. 수요 예측 모델을 생성하는 과정에서 데이터의 스케일링하는 과정은 모델의 학습에 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 스케일링 방법에는 최대-최소 정규화방법, z-score 변환 둥이 있으며, 이들 방법론을 적용한 수요 예측 모델의 예측 성능을 비교하였다.

폐기물소각시설의 에너지회수효율 및 유효이용에너지 분포 분석

배지수(Jisu Bae),김규연(Kyuyeon Kim),이수영(Suyoung Lee),문희성(Heesung Moon),이영진(Youngjin Lee),강준구(Jungu Kang),전테완(Taewan Jeon) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.1

에너지 에너지회수효율 산정방법(환경부고시 제 2015-200호)은 폐기물 소각 시 발생되는 열원 즉, 생산된 에너지를 기준으로 회수효율을 산정하여 4R 정책(발생 억 제 (Reduce), 재이용(Reuse), 재 활용(Recycle), 회 수(Recovery)) 흐름에 부합하는 기준을 따라왔다. 그러나 2017년 「에너지회수효율 측정 • 산정방법 및 절차 등에 관한 고시」 를 제정하며, 열원으로 국한되었던 소각열에너지를 증기, 전기, 온수등으로 확대하고 에너지의 회수 · 이용에 초점을 맞추어 다양한 형태의 소각열에너지로 활용될 수 있는 정책적 기반을 마련하였다. 본 연구는 정책 시행 이후, 생활 및 사업장폐기물 소각시설의 에너지회수효율 산정결과를 비교하고, 소각열 회수 · 이용 분포를 분석하였다. 폐기물처분부담금 기준, 에너지회수효율 50% 이상인 시설(처분부담금 감면 대상) 비율은 정책 반영 이후로 83.8% 에서 86.5%로 연도별 증가하는 경향을 보였다. 소각열에너지의 유효이용에너지 분포의 경우, 생활폐기물 소각시설은 외부 판매에 주력된 경향을 보였으며, 그 중 증기 41.8%, 온수 42.7% 의 공급 비율을 보였다. 사업장폐기물 소각시설은 생활폐기물 소각시설과는 달리 증기의 내부 활용이 91.8%로, 부지 내 제조공정 둥으로 대부분의 소각열을 자체 소모하고 있는 것으로 분석되었다.