연료전지 지역냉난방사업의 탄소중립 효과 연구 :Carbon Neutral Effects of Fuel Cell District Heating and Cooling Project

안건우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 안건우 (세종대학교, 세종대학교 대학원)

지도교수: 전의찬

발행연도: 2023

저작권: 세종대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수32

초록· 키워드

정부는 전 지구적인 기후변화 대응 노력에 동참하기 위해 2020년 12월 「2050 탄소중립」 추진전략을 발표하면서 대표적인 저탄소 에너지원인 수소 사용을 확대하겠다고 하였다. 수소는 산소와 화학반응으로 에너지를 생산하고 물만 부산물로 발생하는 탄소중립 에너지원으로, 정부는 수소경제로의 전환을 위해 「수소경제 활성화 로드맵」을 발표하고 「수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률」을 제정하는 등 수소에너지 분야에 대한 정책적 역량을 집중하고 있다.
수소를 연료로 사용하는 발전용 연료전지는 전기와 열을 생산하는 열병합발전의 특성을 갖고 있으므로, 집단에너지 지역냉난방사업에 적용 시 분산형 전원 도입에 따른 전력 수급 다양화와 송전손실 저감이 가능하다. 또, 높은 에너지 이용 효율과 수소 활용에 따라 온실가스 감축 효과를 가져온다.
본 연구에서는 연료전지 지역냉난방사업의 탄소중립 효과를 알아보기 위하여 연료전지의 에너지원으로 천연가스 개질수소, 블루수소, 그린수소가 각각 투입되어 지역냉난방 LNG 열병합발전설비를 대체할 때, 온실가스 감축효과와 경제성을 분석하였다. 온실가스 감축효과는 LNG 열병합발전설비와 연료전지가 같은 양의 열을 공급할 때 온실가스 배출량의 차이를 통해 분석하였고, 경제성은 연료전지 지역냉난방사업의 균등화 에너지비용을 산정하여 분석하였다.
연간 약 29.5만Gcal의 연료전지 지역냉난방사업을 기준으로, 연간 온실가스 감축량은 천연가스 연료전지 –26,658tCO2eq.~175,934tCO2eq., 블루수소 연료전지 76,687tCO2eq.~542,425tCO2eq., 그린수소 연료전지 252,803tCO2eq.~980,451tCO2eq.로 산정되었다. 연간 온실가스 감축량에 따른 편익을 2020년 할당배출권(KAU20) 거래가격으로 환산 시, 천연가스 연료전지 –5.9억원~38.8억원, 블루수소 연료전지 16.9억원~119.6억원, 그린수소 연료전지 55.7억원~216.1억원 수준으로 나타났다. 온실가스 감축효과를 높이기 위해서는 그린수소, 블루수소 사용을 확대하여야 한다.
연료전지 지역냉난방사업의 균등화 에너지비용은, 천연가스 연료전지 203,964원/Gcal~394,848원/Gcal, 블루수소 연료전지 223,386원/Gcal~495,696원/Gcal, 그린수소 연료전지 290,087원/Gcal~1,240,325원/Gcal로 산정되었다. 에너지(전기 및 열) 판매 수익은 천연가스 연료전지 213,456원/Gcal~277,685원/Gcal, 블루수소 및 그린수소 연료전지 238,679원/Gcal~296,786원/Gcal으로 산정되어, 수소 생산단가가 저렴한 경우에는 재무적 경제성이 확보되었다. 경제성을 확보하기 위해서는 연료전지 지역냉난방사업에서 열 활용률을 높이고 초기 투자비, 운영비, 연료비에서 비용절감이 필요하다.
수소 및 연료전지와 관련된 정책적 지원으로 블루수소 및 그린수소 등 청정수소 인증제도 시행, 청정수소 생산·활용 인센티브제도가 도입된다면 연료전지는 탄소중립 달성에 큰 역할을 담당할 것이다.

The Korean government announced the「2050 Carbon Neutral Strategy」in December 2020 to contribute the global GHG (Greenhouse Gas) reduction target. Through this strategy, the government expects to reduce GHG emissions and fine dust by energy efficiency improvement and low-carbon energy use. Unlike fossil fuel, hydrogen energy does not emit GHGs, so it is emerging as a key driver in achieving carbon neutrality. For the successful transition to a hydrogen economy, the government is concentrating its policy capabilities on the hydrogen energy field, such as announcing the「Hydrogen Economy Roadmap」and enacting the「Hydrogen Economy Promotion and Hydrogen Safety Management Act」.
Fuel cells for power generation, which use hydrogen as fuel and play an important role in implementing a hydrogen economy, are cogeneration plants that produce electricity and heat. When fuel cells are used in district heating and cooling (DHC) projects, advantages such as of high energy efficiency, diversification of power supply, reduction in transmission loss, and reduction in GHG emissions could be expected.
This study aims to analyze carbon neutral effects of DHC project by fuel cells. The GHG reduction effect and economic feasibility were analyzed when natural gas reformed hydrogen, blue hydrogen, and green hydrogen were used in fuel cells to replace LNG CHP (Combined Heat and Power). As for the GHG reduction effect, when LNG CHP facilities and fuel cells produce the same amount of heat, the gap in GHG emissions and the substitution effect of the national power grid generator were investigated. Economic feasibility was analyzed by calculating the levelized cost of energy (LCOE) of fuel cells.
Based on the fuel cell DHC project, which produces about 295 thousand Gcal/year of heat, the amount of annual GHG reduction was derived as natural gas fuel cells –26,658tCO2eq. to 175,934tCO2eq., blue hydrogen fuel cells 76,687tCO2eq. to 542,425tCO2eq., and green hydrogen fuel cells 252,803tCO2eq. to 980,451tCO2eq.. According to the carbon price of 2020 (emission allowance price, KAU20), the annual cost benefits of GHG reduction were derived as natural gas fuel cells KRW –588 million to 3,878 million, blue hydrogen fuel cell KRW 1,690 million to 11,957 million, and green hydrogen fuel cell KRW 5,573 million to 21,613 million. In order to increase the GHG reduction effect, green hydrogen and blue hydrogen must be used.
The LCOE of fuel cell DHC project was KRW 203,964/Gcal to 394,848/Gcal for natural gas fuel cells, KRW 223,386/Gcal to 495,696/Gcal for blue hydrogen fuel cells, and KRW 290,087/Gcal to 1,240,325/Gcal for green hydrogen fuel cells. Energy sales revenues were KRW 213,456/Gcal to 277,685/Gcal for natural gas fuel cells and KRW 238,679/Gcal to 296,786/Gcal for blue/green hydrogen fuel cells. When hydrogen was affordable, the fuel cell DHC project was economically feasible. In order to increase economic feasibility, it is necessary to increase the heat utilization rate and reduce costs in initial investment, operating, and fuel.
If policy support related to hydrogen and fuel cells is implemented, such as the clean hydrogen certification scheme and incentives for producing and using clean hydrogen, fuel cells will play a major role in achieving carbon neutrality in Korea.

#수소 #연료전지 #집단에너지 지역냉난방사업 #탄소중립 #온실가스 감축효과 #균등화 에너지비용

제1장 서 론
제1절 연구의 배경 및 목적 1
제2절 연구의 내용 및 범위 3
제2장 이론적 고찰
제1절 지역냉난방사업과 수소 및 연료전지
1. 집단에너지 지역냉난방사업 5
2. 수소경제와 수소 제법 9
3. 연료전지 12
제2절 선행연구 분석
1. 지역냉난방사업 및 연료전지의 온실가스 감축효과 연구 19
2. 연료전지 균등화 에너지비용(LCOE) 연구 23
제3장 연구 방법
제1절 연구 방법 개요 25
제2절 온실가스 감축효과 및 경제성 분석방법
1. 온실가스 감축효과 30
2. 연료전지 균등화 에너지비용(LCOE) 36
제4장 연료전지 지역냉난방사업 탄소중립 효과
제1절 연구 대상 및 연료전지 시나리오
1. 연구 대상 지역냉난방 설비 40
2. 연료전지 설비 및 수소연료 시나리오 구성 43
제2절 온실가스 감축효과 분석 49
제3절 연료전지 균등화 에너지비용(LCOE) 분석 55
제5장 결 론
제1절 연구 요약 62
제2절 연구의 한계 및 시사점 65
참고문헌 67
부 록 70
Abstract 81

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