내연기관엔진의 가스혼소발전 경제성 예측모델 개발

2.1 300 kW 급 디젤 발전기 성능 사양 분석

분석의 대상이 되는 300 kW 급 디젤 발전기는 국내 두산인프라코어사(Incheon) 엔진이다. 이 엔진은 Fig. 2와 같으며 모델명은 P126TI-II이다. 기종은 1,800 RPM/60 Hz 타입이며 두산인프라코어의 매뉴얼⁵⁾상 나와 있는 출력은 ISO 조건에서 상용 출력 시 307 kW, 비상 출력 시 342 kW이며, 자세한 사양은 Table 1에 나타내었다.

Fig. 2.

P126TI-II engine (Doosan Infracore, Incheon)5)

Table 1.

Main parameters of P126TI-II5)

두산인프라코어 매뉴얼⁵⁾ 상의 정격 출력은 상용 출력 시 307 kW, 비상 출력 시 342 kW이지만 실제 교류발전기를 설치하여 나오는 generator의 출력은 상용 출력 시 273 kW, 비상 출력 시 300 kW로 다소 감소하였다. 따라서 본 연구에서는 교류발전기를 포함하여 나오는 generator의 상용 출력을 기준으로 성능 및 경제성 분석을 진행하였다. 본 디젤엔진은 4행정, direct fuel injection 방식이며 bore 123 mm, stroke 155 mm이다. 또한 배기 규제는 Tier 1을 만족한다.

2.2 디젤 발전기 부하별 성능

분석 대상이 되는 디젤 엔진은 교류 발전기를 설치하게 되면 매뉴얼 상의 출력과 달리 상용 출력이 273 kW인 발전기가 된다. 따라서 본 연구에서는 100% 부하일 경우 발전 출력을 273 kW로 하였다. 매뉴얼 상의 디자인 성능은 ISO 조건을 만족한다. Table 2는 부하 별 연료 소모량을 나타내며 1,800 RPM, 상용 출력 시의 연료 소모량을 바탕으로 부분 부하 운전 시 효율을 구하였다. Fig. 3은 부분 부하 시 디젤엔진의 열효율을 나타내며 다음의 식 (1)과 같이 정의한다. 이때 출력은 발전기의 출력을 사용하였다.

Table 2.

Fuel consumption ratio of P126TI-II (partial loads)

Fig. 3.

Efficiency of 300 kW diesel engine depending on partial loads

디젤엔진의 부분 부하 운전 시 출력 및 효율데이터는 Table 3에 정리되어 있으며, 혼소 디젤엔진의 경제성 분석 시에도 동일한 효율을 낸다고 가정하였다. 분석 대상이 되는 엔진은 평균 부하율이 약 70-80%로 운전된다.

Table 3.

Performance parameters of P126TI-II (partial loads)

2.3 발전 플랜트 경제성 분석 방법

일반적으로 발전 플랜트 경제성 평가에 많이 쓰이는 방법은 순현가(net present value, NPV)법과 회수기간(payback period)법이다. NPV 방법은 대체안이 유효한 기간 동안 그때 안에 투입되는 각 시점의 지출액과 수입액을 적절한 할인율로 할인하여 현재가치를 구하는 것으로 NPV 값이 양수일 경우 프로젝트는 경제적 타당성이 있다고 판단할 수 있다. 회수기간법은 크게 할인율(이자율)을 고려하지 않는 회수기간법과 현금 흐름의 시간적 가치를 고려하여 할인율(이자율)이 고려된 할인 회수기간법(discounted payback period)으로 나뉜다. 본 연구에서는 이자율을 고려한 할인 회수기간법을 이용하였다. 할인 회수기간은 NPV가 0이 되는 시점을 의미하며 식 (3)에서 NPV가 0이 되는 n값이다. NPV를 구하기 위하여 발전플랜트의 연간 수익이 정의되어야 하며, 식 (2)와 같이 연간 전력 판매 수익과 연간 연료비용과 연간 유지보수 비용의 차로 표현한다. 내부수익률(internal rate of return, IRR)이란 현금유입의 현가와 현금유출의 현가를 일치시켜주는 할인율로 정의되며, 식 (4)처럼 투자안의 NPV가 0이 되도록 하는 할인율을 의미한다.

GM_t : t 년도 연간 수익
CF₀ : 초기 투자비용
R_electricity : 연간 전력 판매 수익
i : 할인율
C_Fuel : 연간 연료비용
C_OM : 연간 유지 보수비용

3.1 디젤엔진 각 연료별 연료소모량 분석

분석 대상이 되는 디젤엔진에 투입되는 연료가 바뀔 경우 Table 4와 같이 발열량 및 밀도가 변화한다. 즉, 엔진에 투입되는 에너지 밀도가 변하기 때문에 동일한 엔진 성능을 낼 경우 연료소모량이 변화한다. 특히 기존 경유나 부생유에 비하여 천연가스는 단위 질량 당 발열량이 약 경유 대비 16% 높고 부생유 대비 15% 높다⁶⁾. 본 연구에서는 제공된 효율 자료가 low heating value (LHV) 효율이기 때문에 HHV 대신 LHV를 기준으로 사용하였다.

Table 4.

Heating values and density of fuels6)

천연가스는 기체 상태이기 때문에 발열량 단위가 kcal/Nm³이고 경유나 부생유는 액체 연료이기 때문에 kcal/L이다. 따라서 같은 단위로 비교하기 위해서는 단위부피 당 저위발열량에 밀도를 곱하여 단위질량 당 저위발열량으로 비교해야 한다. 그 결과는 Table 4와 Fig. 4에 표시하였다. 이때 액체 연료의 경우 외기온 15℃ 상태의 밀도를 사용하였고 천연가스는 부피 단위인 Nm³이 0℃ 기준이므로 0℃의 밀도를 사용하였다.

Fig. 4.

Low heating value (LHV) of diesel engine fuels

본 연구에서는 분석 대상이 되는 엔진인 Man 28/32 H의 보일러 등유(test oil)를 사용한 성능 자료를 기준으로 동일한 출력과 부분부하효율을 가진다고 가정하였다. 밀도와 저위발열량을 이용하여 각 연료의 부하별 비연료소비율(g/kWh)을 Fig. 5와 같이 구하였다. Fig. 4처럼 단위질량 당 발열량이 천연가스가 높기 때문에 100% 부하에서 비연료소비율은 천연가스의 경우 경유, 부생유, 보일러 등유에 비해 약 15% 낮다.

Fig. 5.

Specific fuel consumption depending on diesel engine fuels

3.2 디젤/천연가스 혼소 엔진 연료소모량

혼소엔진에서 연간 소비하는 연료량은 평균 부하율과 연간 가동률에 따라 영향을 받는다^7,8). 본 연구에서는 기존 플랜트가 가동률이 약 70%로 알려져 있기 때문에 가동률은 70%로 일정하다고 가정하였다. 혼소엔진에 투입되는 연료의 열에너지가 디젤엔진에 투입되는 연료의 열에너지(100% 경유)와 동일하다고 가정한 후 부하와 혼소율을 변화시키면서 혼소엔진의 연료소모량(L/s, Nm³/s)을 도출하였다.

Fig. 6은 300 kW 급의 혼소 발전플랜트에서 디젤/천연가스를 연료로 사용 시 혼소율과 각 부하별 경유의 연료소모량을 나타낸 결과이고, Fig. 7은 300 kW 급의 혼소 발전플랜트에서 디젤/천연가스를 연료로 사용 시 혼소율과 각 부하별 천연가스의 연료소모량을 나타낸 결과이다. 두 플랜트 모두 부하가 증가하면 연료소모량이 증가하고 혼소율이 증가할수록 천연가스의 연료소모량이 증가한다.

Fig. 6.

Diesel consumption depending on loads for duel fuel diesel engine (300 kW), mixing ratio: % LNG

Fig. 7.

LNG consumption depending on loads for duel fuel diesel engine (300 kW), mixing ratio: % LNG

3.3 연료가격 변동에 따른 디젤/천연가스 혼소발전 경제성 분석

연료 가격이 2017년부터 셰일가스 도입으로 천연가스 가격이 5% 감소하고 경유는 연간 5%씩 가격이 상승한다고 가정하였다. 이때의 기존 디젤 발전에서 연료를 경유 100%로 사용할 경우와 혼소할 경우에 대해서 연료비용을 계산하여 매년마다 연료 절감액을 도출하였다. 그 결과 경유 가격 상승과 천연가스 가격 하락에 의한 2중 효과로 혼소 시 연료비 절감액이 상승함을 Fig. 8에서 확인할 수 있다. Table 5에서 보면 2015년도에는 혼소엔진 연료비용이 경유 100% 연료비용 대비 약 69% 정도이지만 2030년도에는 혼소엔진 연료비용이 경유 100% 연료비용 대비 약 53% 정도이다. 즉, 혼소엔진으로 교체 시 시간이 지날수록 상대적으로 연료비용 절감 효과가 예상된다.

Fig. 8.

Annual fuel costs considering fuel cost changes

Table 5.

Fuel costs for each engine considering fuel price changes (diesel & LNG)

Fig. 9에서 보듯이 혼소엔진의 연간 경유의 연료비용(a-1)은 매년 경유 가격 상승으로 인하여 2015년도에는 혼소엔진의 천연가스 연료비용(a-2) 대비 1.36배이고 2030년도에는 약 3배를 차지한다.

Fig. 9.

Annual fuel cost savings considering fuel cost changes

A : 혼소엔진의 경유 & LNG 사용 시 연간 연료비용

• a-1 : 혼소디젤엔진의 연간 경유 연료비용
• a-2 : 혼소디젤엔진의 연간 LNG 연료비용

B : 디젤엔진의 경유 100% 사용 시 연간 연료비용

C : 혼소율 60% 혼소엔진 사용 시 연간 연료 절감액(B-A=C)

추가적으로 경유 100%를 사용하는 기존 300 kW 급 디젤엔진 대비 혼소 디젤 발전의 경제성을 예측하였다. 기존 디젤엔진의 경우 부하 80%에서 연간 연료비용은 약 4억 8천만 원이다. 그러나 혼소엔진으로 교체한다면 Table 6에 나타내었듯이 부하 60-100% 구간에서 혼소율을 50-70%로 변동할 때 연간 연료 절감액은 약 9천 만-2억 원으로 예상되며, 회수기간은 약 1.7-4.4년으로 나타났다. 연구개발비의 경우 반드시 비례해서 감소하는 것은 아니므로 연구개발비가 증가하게 되면 회수기간은 늘어날 것이다.

Table 6.

Economic analysis depending on loads and mixing ratio

Fig. 10은 혼소엔진으로 기술 개발할 경우의 NPV의 곡선이다. 이때 NPV가 0이 되는 지점이 회수기간을 의미하며 혼소율이 높고 부하가 높을수록 연간 연료 절감액이 증가하여 회수기간이 짧아진다.

Fig. 10.

NPV curve for 300 kW duel fuel engine