온실 냉난방을 위한 연료전지 기반 열병합 발전 시스템

2.1 시스템 구성 및 운전 조건

열병합 발전 시스템의 구성 및 냉난방 모드에서의 열 흐름도는 Fig. 2와 같다. 25 kW급 연료전지는 Fig. 3과 같이 10 kW급 도시가스 연료전지 2기와 5 kW급 수소 연료전지로 구성된다. 연료전지는 주 히트펌프(main heat pump) 및 승온용 히트펌프(sub-heat pump)에 전력을 공급한다. 냉난방 설비의 필요 전력이 발전량보다 작을 경우, 온실 및 외부 전력망에 전력을 공급한다. 30톤 규모의 주 대형 축열조에는 온열 및 냉열이 축적되고 직접적으로 온실에서 필요로 하는 온열 및 냉열을 공급한다. 난방 모드에서 대형 축열조는 공기열원 히트펌프 및 연료전지 배열을 활용하여 약 40-50℃ 사이의 온도를 유지한다. 냉방 모드에서 대형 축열조는 공기열원 히트펌프 및 흡착식 냉방기로부터 냉열을 공급받아 8-10℃ 사이의 온도를 유지한다. 이때 50℃의 연료전지 배열은 승온용 히트펌프를 거쳐 70℃ 이상으로 승온되고, 0.5 톤급 부 축열조를 거쳐 온수가 축적된다. 흡착식 냉방기는 온열을 활용해 냉열을 생산한다.

Fig. 2.

Schematic diagram of cogeneration system

Fig. 3.

Schematic diagram of 25 kW PEMFC system

시스템 구성품에 대한 정보 및 운전 조건은 Table 1과 같다. 두 가지 타입 연료전지 모두 활성화 면적은 400 cm², 운전점은 0.4 A/cm², 셀 전압 0.7 V, 작동 온도는 65℃로 설정하였다. 이는 일반적으로 알려진 발전용 연료전지의 최대 출력 운전 범위와 유사하다. 수소 연료전지의 경우 별도의 개질이 필요하지 않은 점을 고려하여 50%의 발전 효율을 산정하였고, 도시가스 연료전지의 경우 개질기의 탑재를 고려하여 40% 효율을 산정하였다.

Table 1.

Component specification and working conditions

연료전지에서 발생한 전기는 공기열원 히트펌프 구동에 이용되며, 공기열원 히트펌프는 농업 시설에 공급될 온수 및 냉수를 직접적으로 생산하는 장치이다. 본 연구에서는 냉각 65 kW급, 가열 70 kW급 공랭식 인버터스크롤 타입의 공기열원 히트펌프(ACHH020LET; LG Electronics, Seoul, Korea) 2대 도입을 고려하였다. 제품의 냉난방 성능계수는 각각 3.2 및 3.1이다.

연료전지에서 발생하는 배열을 활용해 냉열을 생산하기 위해 17 kW급 흡착식 냉동기의 도입을 고려하였다. 흡착식 냉동기는 제올라이트 및 metal organic framework 흡착제를 이용하여 70℃의 저온 열원으로도 냉수를 생산할 수 있는 장치이며, 삼중테크에서 개발한 흡착식 냉동기(SAU-AD005P; Seoul, Korea)를 고려하였다. 제품의 성능계수는 0.51 수준이다³⁾.

2.2 승온용 히트펌프

상용 연료전지 제품의 배열 온도가 대부분 55℃ 미만이다. 이는 연료전지의 열화를 지연시키면서도 성능을 확보할 수 있는 운전 온도가 65℃ 수준이며, 열교환을 통해 회수할 수 있는 온도에 제약이 있기 때문이다. 다만, 70℃ 미만의 온수로는 흡착식 냉방기의 성능을 확보할 수 없는 점을 고려하여 저온 열원의 온도를 효과적으로 올릴 수 있도록 승온용 히트펌프(부 히트펌프)를 개발하였다. 관련 배경 사항은 선행 연구⁴⁾에서 자세히 다루었다. Fig. 4는 승온용 히트펌프의 성능 그래프이다. 저온 열원은 연료전지 배열과 동등한 50℃, 고온부는 2차 유체가 승온되어 약 70℃를 유지하도록 조작하며 투입된 전력 대비 성능(coefficient of performance, COP) 및 열량을 측정하였다.

Fig. 4.

Sub-heat pump performance and COP

2.3 적정 냉난방 설계 용량

200평 규모의 반밀폐형 온실의 적정 설계 용량 산정 결과는 선행 연구에서 차용하였다^5,6). 기존의 연구에서는 2012-2021년 동안의 최대 냉난방 부하 평균값을 분석하고, 관류 열손실 등을 고려하였다. 결론적으로, 최근 5년 냉난방 최대 부하 평균값의 80% 수준인 난방 용량 449,578 kJ/h 및 냉방 용량 431,187 kJ/h를 제시하였으며, 이는 각각 124.88, 119.77 kW에 대응하는 난방 및 냉방 용량이다.

3.1 난방 모드

연료전지 열병합 시스템으로 대응할 수 있는 난방 부하 능력에 따른 성능 및 추가 전력 사용량을 Fig. 5에 나타내었다. 난방 부하가 35 kW 미만인 경우 연료전지 배열만으로도 대응 가능하며, 연료전지에서 발생하는 전력(25 kW)은 모두 온실 및 외부로 전송 가능하다. 난방 부하가 35 kW를 초과하는 순간부터는 주 히트펌프를 이용한 온수 생산이 필요하며, 열병합 시스템의 난방효율계수는 점차 감소한다.

Fig. 5.

Cogeneration system COP in heating mode

연료전지 시스템의 발전량이 모두 주 히트펌프에 쓰일 때, 즉 외부의 추가 전력 공급 없이 대응 가능한 난방 부하는 112.5 kW이며, 시스템 난방효율계수는 4.50이다. 이후 난방 부하가 증가함에 따라 필요한 주 히트펌프 전력은 외부에서 공급되어야 한다. 2.3절에 제시된 적정 최대 난방 용량(약125 kW)을 만족시키기 위해서는 4.03 kW의 추가 전력이 외부로부터 공급되어야 한다. 또한, 20.16 kW의 추가 전력을 공급받을 때 열병합 시스템은 최대 175 kW의 난방 부하를 제공할 수 있으며, 이때 난방효율계수는 3.88이다.

3.2 냉방 모드

연료전지 열병합 시스템으로 대응할 수 있는 냉방 부하 능력에 따른 성능 및 추가 전력 사용량을 Fig. 6에 나타내었다. 냉방 부하가 27.2 kW 미만인 경우 연료전지 배열을 승온하여 흡착식 냉방기에 투입하고 냉수를 생산하는 것이 계산상으로는 높을 효율을 보였다. 이는 흡착식 냉방기의 효율(0.51)과 승온용 히트펌프의 효율(6.41)을 곱하여 주 히트펌프의 효율(3.2)보다 높은 구간이 존재하기 때문이다. 냉방 부하가 27.2 kW 이후 구간부터 최대 냉방 부하인 130 kW까지는 주 히트펌프만을 사용하여 효율이 3.2로 동일한 수준을 유지한다.

Fig. 6.

Cogeneration system COP in cooling mode

130 kW 이후 구간에서는 흡착식 냉방기를 이용한 냉수 생산이 필요하며 외부 전력 20.16 kW를 투입하여 최대 145.76 kW의 냉열 생산이 가능하다. 흡착식 히트펌프에 공급되는 온수 열량은 승온용 히트펌프의 최대 용량(30.74 kW)에 따라 제한되기 때문에 최대 냉열 생산 능력(17 kW)보다 작은 냉동 능력을 발휘한다. 때문에 시스템 전체 COP는 승온용 히트펌프의 효율이 감소함에 따라 소폭 감소하는 경향을 띈다. Fig. 7은 EBSILON Professional 공정 해석 소프트웨어(Iqony, Essen, Germany)를 이용해 최대 냉방 부하에서 열병합 시스템을 해석한 결과이다. 승온용 히트펌프는 연료전지로부터 25.7 kW의 온수를 받고, 5.75 kW의 전력을 사용하여 0.5톤의 부 축열조에 70℃의 온수 30.74 kW를 공급한다. 흡착식 냉방기는 이를 이용해 냉수 15.76 kW를 생산한다.

Fig. 7.

System analysis at maximum cooling mode

연료전지 시스템의 발전량이 모두 주 히트펌프에 쓰일 때, 즉 외부의 추가 전력 공급 없이 대응 가능한 최대 냉방 부하는 80 kW이다. 2.3절의 적정 최대 냉난방 용량(약 120 kW)을 만족시키기 위해서는 외부로부터 12.5 kW의 추가 전력 공급이 필요하다.

냉방 및 난방 모드에서의 에너지 자립, 적정 용량 및 최대 용량에 대한 성능계수 및 외부 전력 필요량을 Table 2와 같이 정리할 수 있다.

Table 2.

Component specification and working conditions