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최적운전모형을 이용한 주택용 1-kW 연료전지의 경제성평가

Economic evaluation for the household 1-kW fuel cell by using an optimal operation model

초록/요약

요약문 지난 수세기동안 인류가 편리하게 이용하여 왔던 화석에너지는 언젠가는 없어지는 고갈성 자원이며, 또한 화석에너지의 사용량이 증가함에 따라 환경오염과 지구온난화의 속도가 빨라지고 있으므로 인류는 에너지자원부족과 기후변화라는 풀어야할 두가지의 과제에 직면하고 있다. 이러한 문제 해결 방법으로 기존 화석에너지의 효율적인 이용기술과 더불어 재생에너지의 개발보급이 세계적으로 확대되고 있으며, 또한 미래의 신에너지로서 수소를 이용하는 수소경제(Hydrogen Economy)사회로의 전환에 대한 관심이 증대되고 있다. 수소경제는 수소를 제조하는 기술개발과 더불어 이를 사용하기 위한 기반조성이 필요한데 가장 주목을 받고 있는 것이 연료전지의 보급이다. 연료전지 관련 시장은 2010년 1.2조원에서 2025년 71.1조원 규모로 추정되어 60배의 성장을 예측하고 있으며, 연료전지 종류별로는 PEMFC(고분자 전해질 연료전지)의 시장이 2010년에 27.2%에서 2025년에는 65.0%로 증가하며, 부문별로는 주택용이 2010년 18.4%에서 2025년에는 25.2%로 증가하여 주택용 PEMFC 시장의 잠재량은 큰 것을 알 수 있다. 최근 국내에서도 정부의 보급지원 정책에 의해 1kW급 PEMFC가 주택을 대상으로 보급되고 있으며, 고가의 설비비(약 5천만원)에 의해 정부가 설비비의 대부분을 보조금으로 지원하고 있다. 전 세계적으로 주택용 연료전지가 보급 확대되고 있는 반면, 국내에서는 이제 보급 초기단계이며, 투자비의 대부분을 정부가 보조하는 바 국내 주택의 1kW급 PEMFC 도입에 대한 평가를 통해 효율적이고 합리적인 정책방향을 수립할 필요가 있다. 연료전지 도입의 평가는 국가적 차원에서는 에너지절감이 중요하나 사용자 측면에서는 이미 정부의 가스요금과 전기요금이 정해진 상황에서 연료전지 시스템 도입에 의한 에너지비용절감이 최우선이므로 열은 가스보일러에서 전기는 수전하는 기존방식과의 에너지비용 비교를 평가요소로 결정하였다. 연료전지 시스템은 열병합발전설비로서 열과 전력을 생산하며, 부족한 열은 보조보일러 가동으로 공급하고 부족한 전기는 수전해야 하는 복잡한 시스템이며 또한, 연료전지내의 온수저장조의 역할 및 계절별 가스요금 및 전기누진제 요금 등이 고려되어야 하므로 정략적인 분석을 위해 에너지비용 최적 운전 모형을 수립하였다. 분석은 전력사용량이 다른 10개의 주택을 대상으로 계절별 일일 에너지사용패턴을 조사 분석한 후, 그 에너지사용패턴을 만족하는 연료전지 시스템의 운전비용(에너지비용)이 최소가 되는 운전모드를 계산하는 프로그램을 활용하였다. 분석결과로 기존방식과의 에너지비용차이에 의한 투자회수기간을 계산하였는데 월평균 전력사용량 252kWh(76m2, 23평)이하의 소형주택에서는 투자효과가 없고 중형급의 표본인 월평균 377kWh(119m2, 36평) 전력사용주택에서는 정부보조금 지원율 90%일 경우에도 28.3년으로 도입 가능성이 희박한 것으로 분석되었다. 월평균 500kWh 전력사용주택에서는 정부보조금 지원율이 80%일 때 13.6년으로 나타나 정부의 최근의 보조금 지원율이 80~75%인 점과 향후의 지원율 하락 및 설치비 감소 등을 고려하면 현재 상황에서 월평균 500kWh 전력사용 주택이 연료전지 도입의 최소 기준이라고 볼 수 있다. 월평균 700kWh 전력사용 주택부터는 연료전지 도입에 의한 효과가 커서 월평균 900kWh 전력사용량 이상인 대형 주택에서는 정부의 보조금 지원이 없더라도 투자비 회수기간이 13.3~8.9년으로 경제성이 있다. 대형주택의 정부 적정 보조율은 1kW PEMFC의 설치비용 51,100천원과 투자회수기간을 10년으로 기준할 때, 월평균 전력사용량 700kWh~800kWh 이하는 50%, 900kWh ~1,000kWh 이하는 20%이고, 1,000kWh 이상은 보조금 지원이 필요없는 것으로 분석되었다. 가스요금 및 전기요금 변동에 따른 에너지비용도 분석하였는데, 분석결과 투자회수기간에 미치는 영향은 가스요금의 인하와 전기요금의 인상이 에너지비용 절감효과에 유리하게 작용하는 것으로 나타났다. 변동률이 같을 경우 가스요금의 인상(연료전지보급에-요인)율이 인하(+요인)율보다 연료전지 보급에 미치는 영향이 크고 전기요금의 인하(-요인)율이 인상(+요인)율 비해 미치는 영향이 큰 것으로 분석되었다. 또한 가스요금의 인하율(+요인)/인상율(-요인)과 전기요금의 인상율(+요인)/인하율(-요인)이 연료전지 투자회수기간에 미치는 영향을 살펴보면, 같은 인하/인상율일 경우에는 전기요금 변동률이 가스요금 변동률보다 연료전지 투자 경제성에 미치는 영향이 상대적으로 크게 나타났다. 월평균 700kWh 이상의 대규모 전력사용량 주택의 경우는 연료전지 투자 경제성이 있으므로 정부 보조금을 차등 지원하는 정책이 필요하고, 적정 보급대상으로 제시한 월평균 500kWh 이상 단독주택은 전국 전체 가구의 1.9%에 불과하여 현재 1kW급 연료전지의 도입 가능 시장이 절대적으로 작으므로 단독주택보다는 공동주택단지내의 적정 전력 및 열사용군에 대한 중규모 용량 이상의 도입이 바람직하며, 1kW급 이하의 초소형 연료전지 기술개발의 필요성을 제시하였다. 또한 에너지요금정책은 현재 연료전지 설치비용을 획기적으로 줄일 수 없는 상황에서 경제성에 미치는 가장 중요한 현실적인 요소이며, 주택의 연료전지 보급에 미치는 영향은 가스요금에 비해 전기요금이 크고 연료전지 보급 확대를 위해서는 전기요금 인상이 유리하나 주택의 연료전지 보급 확대와 사회에서 요구하는 전기요금 인하와는 상충관계에 있다. 따라서 국가적 차원에서 에너지절감 및 환경개선, 분산전원효과 및 연료전지 관련 산업육성 등 다양한 부문을 고려하여 연료전지의 경제성 확보를 위한 가스요금정책에 대한 연구가 필요하다고 판단된다.

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목차

<목 차>

제 1 장 서론 1
1.1. 연구배경 및 필요성 1
1.2. 연구방법 및 연구내용 4

제 2 장 연료전지 특징 및 종류 6
2.1. 연료전지 특징 및 시스템 6
2.2. 연료전지 종류 9

제 3 장 국내외 현황 및 환경분석 14
3.1. 세계 현황 및 환경분석 14
3.1.1. 세계시장동향 및 전망 14
3.1.2. 해외 주요국가 동향 21
3.2. 국내현황 및 환경분석 27
3.2.1. 국내 연료전지 보급 및 정책 27
3.2.2. 국내 기술 및 산업현황 33

제 4 장 주택용 PEMFC 시스템 최적 운전 모형 38
4.1. 1-kW PEMFC 시스템 38
4.2. 관련방정식 39
4.2.1. 시스템 구성기기 특성방정식 39
4.2.2. 에너지방정식 40
4.2.3. 비용방정식 40
4.3. 최적운전모드 및 분석방법 42
4.4. 분석을 위한 전제 46
4.4.1. 주택 에너지사용패턴 46
4.4.2. 에너지요금 및 시스템 성능기준 56

제 5 장 최적 운전 모형 시뮬레이션 60
5.1. 연료전지 시스템 최적운전 감당 부하 60
5.2. 연료전지 최적화 시스템의 이용률, 에너지사용량 및 생산량 72
5.3. 효과 분석 81
5.3.1. 에너지공급방식별 에너지 사용량 및 비용 비교 81
5.3.2. 투자회수기간 및 적정도입기준 86
5.3.3. 에너지절감량 87

제 6 장 경제성 변동요인 고려한 최적 운전 모형 시뮬레이션 90
6.1. 분석기준 90
6.2. 에너지비용비교 및 투자회수기간 90

제 7 장 정책설계의 시사점 102
7.1. 기술 수용 기준 102
7.2. 에너지비용의 영향도 106
7.2.1. 에너지비용구조화 106
7.2.2. 기술속성에 따른 에너지비용 영향도 107
7.3. 설비이용률 109
7.4. 에너지요금 111
7.5. 보급대상 및 정부 적정 보조율 113

제 8 장 결론 118

참고문헌 121

Abstract 124

부록 127

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