열병합 발전 시스템의 구성 및 냉난방 모드에서의 열 흐름도는 Fig. 2와 같다. 냉온수를 생산하는 주요 장치는 공기열원 전기 히트펌프(electrical heat pump, EHP)이며 본 연구에서는 냉각 65 kW급, 가열 70 kW급 공랭식 인버터스크롤 타입의 EHP (ACHH020LET; LG Electronics, Seoul, Korea) 2대 사용을 가정하였다. 다만 실제 운용에서는 외기온에 따른 EHP의 냉난방 열효율계수(coefficient of performance, COP)의 차이가 있음을 감안하여 외기온 T (℃)를 변수로 하는 COP를 다음의 식 (1) 및 식 (2)와 같이 가정하였다⁵⁾.

Fig. 2. 
Schematic diagram of tri-gernation system for horticulture

25 kW급 연료전지(fuel cell, FC)는 설비실 및 온실에 필요한 전력을 생산 및 공급하며 45-50℃의 배열을 생산한다. 그림상에서 배터리는 온실 보광 및 제어를 위하여 시간당 평균 3 kWh의 전력이 소비되는 것을 표현하였다. 연료전지는 50%, 75%, 100% 전력 부하 조건에서 각각 56.4%, 53.85, 51.9%의 전기 효율을 가지며 on/off 운전만을 고려하였다. 흡착식 냉방기(adsorption chiller)는 70-75℃의 저온 열원으로 냉수를 생산하는 장치이며 본 연구에서는 17 kW급 냉열 생산 능력을 가정하였다. 승온용 맞춤 히트펌프(designed heat pump)는 연료전지 배열을 COP 5 이상의 조건에서 효과적으로 승온시켜 흡착식 냉방기를 운전하기 위하여 도입하였으며 관련 내용은 선행 연구에서 자세히 다루었다¹⁾.

겨울철에는 EHP를 효율이 좋은 낮 시간대에 운전하여 축열 및 소비하고 추가적으로 연료전지의 배열을 활용하여 200평 온실에 난방수를 공급한다. 여름철에는 EHP 효율이 좋은 밤 시간대에 운전하여 축열 및 소비하고 흡착식 냉방기를 활용하여 200평 온실에 냉방수를 공급한다. 이때 흡착식 냉방기는 연료전지 배열은 열원으로 하되 연료전지 배열은 낮은 온도를 높이기 위하여 COP 5 이상의 승온용 맞춤 히트펌프로 승온시켜 사용한다.

본 논문에서는 선행 연구과 같이 Ebsilon 공정해석 프로그램(Iqony, Essen, Germany)을 이용하여 시스템을 모델링하고 분석하였다¹⁾. 개별 컴포넌트의 성능은 연료전지의 경우 KGS 인증이 끝난 개발품의 성능 결과값을 차용하였으며 승온용 히트펌프와 흡착식 냉방기는 선행 연구에서 제시된 실험 결과를을 사용하였다. 공기열원 히트펌프는 식 (1)과 식 (2)의 값을 차용하였다.

실증처의 일간 기온, 온실 제어 온도 및 대응 냉난방 용량을 Fig. 3에 나타내었다. 여름철과 겨울철 일간 대표 온도(normal hot/cold day temperature)는 최근 5년 전주 지역 날씨 데이터를 바탕으로 산출하였다. 일간 온실 온도 제어(normal hot/cold control temperature)는 토마토의 재배 실증 온도에 맞추어 설정하였다. 일간 냉난방 수요 peak를 분산시키고자 냉온수용 30톤 축열조를 각각 구비하였으며 내부 온도는 각각 10-15℃ 및 40-50℃를 유지하며 축열/방열 운전된다. 이때 필요한 냉방 및 난방 에너지는 TRYNSYS 프로그램(Thermal Energy System Specialists, LLC, Madison, WI, USA)을 이용하여 산출하였으며 열에너지 생산 및 공급 과정에서 외기온과의 열온도차를 감안하여 손실분 5-10%를 반영하였다.

Fig. 3. 
Typical hot and cold day temperature and corresponding heating and cooling load in green house

겨울철 일간 기온은 일출 전 최저이며(영하 4.1℃) 오후 2시경 제일 높다(영상 5.5℃). 이때 온실 내부 온도는 15-20℃ 범위 내에서 제어되도록 열병합 발전 시스템이 온열을 생성한다. 온열은 일출 전 6-8시경 시간당 49.4 kWh 수준으로 필요하며 오후 2-3시경에는 수요가 37.5 kWh 수준으로 제일 낮다. 이러한 에너지 수요 패턴은 재배 작물과 지역별 날씨에 따라 다르게 산출될 수 있다.

여름철 일간 기온 역시 일출 전 제일 낮고(23.5℃) 오후 2시경 제일 높다(32℃). 이때 온실 내부 온도는 20-25℃ 범위 내에서 제어되도록 열병합 발전 시스템이 냉열을 생성한다. 냉열은 온열과 반대로 오후 2시경 시간당 18.1 kWh 수준으로 가장 많이 필요하며 새벽 4시경 9.1 kWh 수준으로 가장 적게 필요하다.

실제 시설원예 운전에 있어 가장 큰 관심사는 운영비용이다. 따라서 1차적으로는 온실 냉난방 수요에 대응하는 주 기기인 EHP의 COP가 극대화되는 시간대에 주로 EHP를 운전하며 일간 총 전력 사용량을 줄이는 운전 전략을 수립하였다. 2차적으로는 무탄소 연료로부터 얻은 전기에너지, 즉 연료전지 일간 발전량이 일간 전력 사용량을 상쇄하는 조건에서 연료전지를 운전하였다. 이때 연료전지 발전 용량에 따른 효과를 관찰하기 위하여 각각 100%, 75%, 50%의 발전 조건에서 수요에 따라 on/off하는 조건에서 운전 전략을 비교하였다. 일간 필요 에너지 수요 및 조건별 각 기기의 냉열/온열에너지 생산량은 Table 1과 같이 정리하여 나타내었다.

겨울철 온열 생산 조건에서 EHP의 성능은 외기온이 높을수록 유리하다. 식 (1)을 참고하여 외기온이 높은 주간에 EHP를 주로 운전하며 축열하고 반대로 외기온의 영향을 거의 받지 않는 연료전지는 야간에 운전하며 배열을 생산하는 것이 경제적인 관점에서 유리하다. 그 결과 Fig. 4에서 외기온과 EHP에서 생산하는 온열의 일간 그래프 양상이 유사한 것을 확인할 수 있다. 주간 13-18시경에 초과 생산한 온열을 축열 후 야간에 사용한다. Fig. 4에서 FC heat와 EHP heat의 일간 총합은 heat load와 일치한다.

Fig. 4. 
Normal cold day tri-generation system operating strategy with fuel cell 100% capacity

연료전지 발전 용량에 따른 EHP 및 연료전지 운전 전략 변화는 Fig. 5에 나타내었다. EHP는 주요 온열 생산 기기로써 운전 양상에 큰 변화는 없으나 연료전지의 경우 발전 용량이 줄어들수록 운전 시간이 늘어났다. 특히 연료전지 발전 용량 50% (12.5 kW)의 경우 상시 발전에도 불구하고 일간 온열 생산 필요량(1,048 kWh/day)을 충족하지 못하였다(995 kWh/day).

Fig. 5. 
Normal cold day tri-generation system operating strategy with fuel cell 50%, 70%, and 100% capacity

여름철 냉열 생산 조건에서 EHP의 성능은 외기온이 낮을수록 유리하다. 식 (2)를 참고하여 난방 모드와는 반대로 EHP는 야간에 운전하며 축열하고 연료전지는 주간에 발전하며 배열을 발생시키며 승온 히트펌프를 사용하여 흡착식 냉방기를 운전한다. 그 결과 Fig. 6과 같이 외기온과 EHP에서 생산하는 냉열의 일간 그래프 양상이 반대로 나타난다. 흡착식 냉방기는 냉방 peak에 대응하기 위하여 12-17시에 주로 운전되며 흡착식 냉방기에 열원을 공급하기 위하여 연료전지 역시 이 시간대에 함께 운전된다. Fig. 6에서 EHP cooling power와 adsorption chiller cooling power의 일간 총합은 cooling power load와 일치한다.

Fig. 6. 
Normal hot day tri-generation system operating strategy with fuel cell 100% capacity

연료전지 발전 용량에 따른 EHP 및 흡착식 냉방기 운전 전략 변화는 Fig. 7에 나타내었다. 온열 생산과는 달리 냉열 생산은 수요량 자체가 적어 연료전지 50% 발전 시 전력 및 냉열 생산 부족은 나타나지 않았다.

Fig. 7. 
Normal hot day tri-generation system operating strategy with fuel cell 50%, 70%, and 100% capacity

다만 연료전지 출력의 경우 낮은 구간(저전류 구간)에서 운전할수록 전기 효율이 증가하고 대신 배열 생산 효율이 감소하면서 연계된 흡착식 냉방기를 가동할 수 있는 시간이 짧아졌다. 이 때문에 연료전지 50% 출력 운전 시 냉방 COP가 높은 새벽 시간에 사전 냉열 축열이 필요하여 Fig. 7의 EHP 냉열 생산량 peak 값에 차이가 발생하였다.

연료전지 시스템은 사용에 따라 열화가 일어나며 전기 효율이 감소하고 배열 효율이 상승한다. 그러나 대부분의 연료전지 시스템의 농업 분야 적용 연구는 이러한 열화 효과를 감안하지 않았다. 본 연구에서는 연료전지 열화가 30% 진행된 상황을 가정하여 시스템 운전 전략 변화를 추가적으로 분석하였다. 본 논문에서는 대부분의 발전용 연료전지 시스템이 고정 온도를 가지고 운용되는 점을 감안하여 효율 감소분이 모두 배열로 배출된다고 가정하였다. 즉 열화에 따른 성능 감소분은 모두 배열 생산 증가로 반영된다.

Fig. 8은 연료전지 Fig. 4 조건에서 연료전지의 전기 효율이 30% 감소된 경우 일간 연료전지 배열 및 EHP 온열 생산량 변화를 나타낸다. 이를 보면 연료전지 열화로 출력이 감소함에 따라 EHP 사용 전력 보상을 위한 연료전지 운전 시간이 증가한다. 다만 배열 발생량은 증가하여 EHP가 부담하는 온열 생산량 자체는 전반적으로 감소하는 추세를 보인다. 결론적으로 난방 모드에서 연료전지 열화는 전기 효율 및 에너지 효율을 감소시키지만 배열이 늘어남에 따라 효율 감소분을 일부 보상하는 효과가 있다.

Fig. 8. 
Normal cold day system operating strategy comparison between fuel cell 100% and 30% degraded state

Fig. 9는 연료전지 Fig. 6 조건에서 연료전지의 전기 효율이 30% 감소된 경우 일간 EHP 및 흡착식 냉방기 냉열 생산량 변화를 나타낸다. 연료전지 열화로 운전 시간과 배열이 증가하면서 흡착식 냉방기의 운전 시간 및 냉열 생산이 증가한다. 이로 인하여 야간 시간대의 EHP 냉열 생산 필요성이 줄어든다. 결론적으로 냉방 모드에서 역시 연료전지 열화는 전기 효율을 감소시켜 전반적인 에너지 효율을 감소시킬 것으로 예상되지만 배열을 활용하는 흡착식 냉방기의 사용으로 효율 감소분을 일부 보상하는 효과가 있다.

Fig. 9. 
Normal hot day system operating strategy comparison between fuel cell 100% and 30% degraded state