ANN을 활용한 식품공장의 에너지 소비 예측

이형아(Hyungah Lee),김동주(Dongju Kim),구재회(Jaehoi Gu) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.1

최근 데이터 분석 및 예측에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 또한 에너지 다소비 건물의 에너지 효율화에 대한 당위성이 확산되면서 건물 에너지 데이터를 활용한 에너지 소비 분석과 수요 예측에 대한 관심이 증대되고 있다. 이러한 배경 하에 본 연구에서는 식품공장의 에너지 사용량 예측을 위해 에너지 및 환경 예측의 차원에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 기계학습 알고리즘 중 하나인 ANN(Artificial Neural Network)을 이용하였다. Python의 머신러닝 라이브러리 중 하나인 Scikit-leam을 활용했으며, 다중 레이어 퍼셉트론(MLP, Multi Layer Perceptron) Regressor를 적용하였다. 전력사용량 예측에 있어서는 2017년 1월 1일부터 2020년 12월 31 일까지의 데이터가 활용되었으며, LNG사용량 예측에 있어서는 2021년 12 월 6 일부터 2022년 3월 19일까지의 데이터가 활용되었다. 사용된 데이터에는 품목별 생산량, 전력 사용량, 운영스케쥴, 외기온 및 습도 데이터 둥이 포함된다. 대상 식품공장의 에너지 수요 예측 검증은 ASHRAE Guideline 14 에 서 제 시 하는 CvRMSE(Coefficient of Variation of Root Mean Square Error) 및 결정계수 R갑을 기준으로 예측 정확도를 확인하였다. 현재의 에너지 예측 모델은 현 시점에서 확보 가능한 제한된 데이터만을 사용했다는 점에 한계가 있다. 추후 보다 다양한 범주의 데이터를 확보해 적용하고 파라미터 값의 조정을 통해 모델의 예측 정확도를 더욱 확보하고자 한다. 또한 ANN과 마찬가지로 에너지 및 환경 예측에 활용되고 있는 알고리즘인 SVR(Support Vector Regression)을 적용했을 때와 예측 정확도를 비교하고자 하며, 이는 식품공장을 포함한 건물의 에너지 소비 예측을 위한 다양한 연구에 기초자료로 활용될 것이다. 나아가 실제 식품공장에 적용함으로써 효율적인 에너지 절감 방안 마련이 가능할 것으로 기대한다.

에너지 절감을 포함한 에너지 관리 및 정보 연계 시스템에 관한 연구

임채영(Chae-Young Lim),여채은(Chae-Eun Yeo),조우진(Woojin Cho),구재희(Jae-Hoi Gu) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.1

지난해 총 에너지 수요는 3 억 500 만 TOE( 석유환산톤)이고, 올해 국내 총 에너지 수요 3 억 900 만 TOE로 에너지 수요는 지속적으로 증가하고 있으며, 산업부문에서는 제조업의 에너지 소비가 약 90% 에 이른다. 이에, 공장에너지관리시스템 (FEMS, Factory Energy management System) 대한 관심은 높아지고 있다. FEMS는 생산시설에서 사용하는 에너지 성능의 최적화를 위한 관리시스템으로, 효율적인 에너지 사용을 위해 EOS(Energy Optimization System) 라는 최적의 방식으로 생산시설을 운영하고 관리하는 기술이 필요하다. 본 논문에서는 이와 같은 최적 운영을 위해 필요한 정보 연계 시스템에 대하여 고찰한다. 제안하고자 하는 시스템은 다양한 서비스 형태 중에 IaaS (Infrastructure as a Service ) 형태의 오픈소스 형태인 오픈스택 (OpenStack) 을 활용하여 소규모 공장에도 적용가능한 정보연계 시스템을 제시하였다. 제안된 에너지 관리 및 정보 연계 시스템과 연계된 데이터는 에너지 절감을 포함한 생산 공정의 에너지 소비를 모니터링하고, 분석하여 효율적인 운영 방식을 제공한다. 이러한 연구를 통해 FEMS 의 최적 운영을 위한 기술적인 기반을 마련하고자 한다.

공기를 이용한 장주기 에너지저장장치 개발

류주열(Ju-Yeol Ryu),박성호(Sungho Park),황성현(SeongHyeon Hwang),이창형(Changhyeong Lee),박혜민(Hyemin Park) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.2

탄소중립 및 재생에너지 확대 보급 정책에 따라 전력의 안정적인 공급을 위한 다양한 에너지저장장치 개발의 필요성이 강조되고 있다. 그중 장주기 에너지저장장치는 재생에너지의 간헐적 특성을 보완하는 동시에 화석 연료에 의존해왔던 국내 에너지 산업에 자립도를 개선할 수 있는 기술로 국내 에서도 확대 보급을 위한 노력을 이어 가고 있다. 대표적인 장주기 에너지저장장치로 양수발전이 있으나 지형적 제약과 오랜 공사 기간으로 확대 보급에 어려움을 겪고 있음에 따라 이를 대체할 수 있는 공기를 이용한 에너지저장장치 공정이 주목받고 있다. 먼저 압축공기 에너지 저장장치는 재생에너지 또는 심야 전기를 이용해 압축공기를 저장해 두었다가 첨두부하가 발생하는 낮 시간에 전력을 생산하는 방식으로 압축공기를 저장하기 위한 공간적 제약 극복이 필요하다. 스위스, 캐나다의 경우 지형적 제약을 극복하기 위해 다양한 공간에 압축공기를 저장하는 실증 과정을 진행하였으며, 영국의 경우 공기를 극저온의 액화 상태로 저장하여 압축공기 대비 부피를 800 배 줄여 설비의 도시 접근성을 향상 시켰다. 본 연구는 국내 지형 및 에너지 산업의 특성에 맞는 장주기 에너지 저장장치를 개발하기 위한 방안을 제시하고자 한다. 먼저 도로, 철도 노선 재편으로 발생한 미활용 터널 내 공기를 저장하는 압축공기 에너지저장장치 공정을 개발하여 국토의 효용성을 재고하는 동시에 60% 이상의 충/방전 효율을 가질 수 있음을 검증하였다. 또한 액화천연가스(LNG) 수입량 증가와 함께 늘어 나는 냉열을 액화 공기 생산에 활용하여 압축일량을 줄이는 동시에 충/방전 효율 개선이 가능한 액화공기 에너지저장장치 공정을 개발하였다.

식품가공공장의 열에너지 소비 모니터링을 위한 플랫폼 설계 연구

여채은(Chae-Eun Yeo),임채영(Chae-Young Lim),구재희(Jae-Hoi Gu) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.2

제조 공장은 높은 화석연료 소비로 인한 기후 변화와 에너지 비 용에 대한 우려로 인하여 탄소 발자국을 줄여야 하는 문제에 직면해 있다. 에너지 소비를 감소시키는 것은 생산 효율성 개선 및 생산 비 용 절감과 더불어 작업장에서 가장 중요한 생산 문제 중 하나로 볼 수 있다. 또한 에너지 소비 철감과 효율적인 관리를 위한 맞춤형 공장 에너지 관리 시스템 (FEMS, Factory Energy Management System)의 도입 이 증가하고 있다. 식품가공공장에서의 FEMS에서는 열을 공급하는 가열공정의 효율적 운영을 위해 열에너지 소비에 대한 수요를 보다 정확하게 예 측하고 이룰 효율적으로 생산 및 공급하는 것이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 각 공정별 이론에너지 분석(TCA, Theoretical Energy analysis)을 기반으로 식 품가공공장의 공정 특성에 따른 가이던스 제공을 위한 풀랫폼 설계를 진행하였다. 효율적인 에너지 소비 모니터링을 위한 공정 별 특성 에 따른 본 연구에서의 열에너지 소비 모니터링 플랫폼 설계 연구결과는 향후 열 에너지 소비 예측을 통한 에너지 효율 향상과 에너지 수요의 효과적 관리에 있어 도움이 될 것으로 기대 된다.

폐자원에너지시설 지원 방법론에 관한 연구

이유민(Youmin Lee),박세인(Sein Park),문회성(Heesung Moon),손준익(Junik Son),강준구(Jungu Kang),전태완(Taewan Jeon) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.1

에너지 생산 및 사용에 따른 환경문제로 인해 신재생에너지의 중요성이 대두되고 있다. 이에 따라 신재생에너지에 대한 지원제도 등에 의하여 여러 신재생에너지가 지원받고 있다. 하지만 「신에너지 및 재생에너지 개발 · 이용 · 보급 촉진법」이 개정됨에 따라서 폐자원에너지에 대한 지원이 축소되었으며 비재생폐기물은 신재생에너지에서 제외되었다. 이에 따라 폐기물의 재활용이 필수적인 상황에서 폐자원에너지 관련 분야의 경쟁력 감소가 우려되고 있다. 이에 본 연구는 관련 시설의 활성화 및 촉진을 위해서 폐자원에너지시설에 대한 지원을 위한 방법론을 제시하고자 하였다. 폐자원에너지는 고체, 액체, 기체 둥 종류가 다양하며 그에 따른 시설의 공정이 다르기 때문에 시설을 비교 · 평가하기 위한 공통적인 인자가 필요하다. 따라서 폐자원에너지시설의 환경성 및 경제성을 인자를 설정하여 환경성 및 경제성을 지표로 하였다. 환경성지표는 시설의 주민수용성, 환경정의, 주민환경권, 지역사회 기여도와 같은 환경성을 기준으로 하였고 경제성지표는 폐자원에너지시설의 에너지생산량을 조사하여 생산된 에너지에 대한 판매수익 및 폐기물처리비용을 적용하여 산정하였다. 산정된 결과값은 수치를 간소화하여 상대적으로 비교할 수 있게 하고자 정규화를 진행하였고 점수화하여 각 지표의 점수를 산정하였다. 또한, 환경성 및 경제성지표의 점수를 반영비율에 따라 시설의 종합평가점수를 산정하였다.

열기반의 복합에너지 저장 및 활용시스템 기술 개발

김상준(Sang-Jun Kim) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.2

국제 사회는 에너지 소비 및 온실가스 배출이 집중된 도시 공간의 탄소 중립 실현에 적극 동참하고 있다. 도시 는 산업, 수송, 에너지 등 탄소 배출원의 집합으로 재생 에너지 공급 및 에너지 효율 제고 부문의 공간 단위의 복합적 연계가 요구된다. 도시 에재생에너지를 공급하기 위해선 대용량 에너지저장시스템 (ESS)이 필수적이다. 재생에너지 특성상 기후 조건에 따라 안정적 전력 공급이 어렵기 때문이다. 기존 ESS 기술로는 양수발전, 압축공기저장, 리듐이온배터리, 공기액화저장 등이 있다. 그러나 지형적 제약, 폭발 가능성 둥으로 도시 내 설치가 불가능하며 , 일부는 개발 초기로 경제성 확보가 어렵다. 열에너지 저장은 도시 내에서 안전하고 경제적으로 도시 최종에너지의 대부분을 차지하는 열과 전기 공급이 모두 가능하다. 구글(Malta Project), 지멘스(Gamesa)등 해외 주요 기업들은 MW 규모의 재생에너지 연계 열에너지 복합 플랜트를 개발·운영 중이다. 열에너지를 활용한 발전 방식으로는 일반적으로 스팀터빈과 ORC 발전이 있다. 그러나 설치 면적, 로드타임, 설치운영비 부분에서 도시 적용에 제한적이다. 열전발전은 온도 차이를 활용하여 전기를 생산하는 기술로 좁은 면적에 경제적으로 운용 가능하며, 축각적인 전기 생산이 가능하다. 열기반의 복합 에너지 저장 및 활용시스템은 열에너지 저장 방식과 열전발전을 결합해 미활용 열변동 재생 전원을 중고온의 열과 전기의 형태로 공급하여 고품질화 한다. 축열 매체로는 기술성숙도와 충방전 효율 및 밀도 동이 우수한 용융염을 활용한다. 공간집약성, 안전성, 경제성을 확보한 상용급 기술 개발을 통해 국내 인구의 92%가 생활하는 도시의 탄소 중립 실현에 기여한다.

탄소중립도시 전환을 위한 미활용 자원 및 에너지 지능형 순환 시스템 기술개발 기획사업

박영수,성호진,박성호,안성율,유영돈 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.2

인간이 생활을 영위하거나 산업체의 생산활동을 위해 사용한 에너지 및 자원 중 경제적 가치 , 이용 방법의 한계 등의 이유로 더 이상 사용하지 못하고 자연계로 최종 배출되는 미활용 에너지 및 자원의 활용은 2050 탄소중립을 위해 재생에너지 사용 확대, 화석에너지 사용축소, 에너지 효율 향상, 에너 지 수요 공급의 관리와 더불어 필수적인 요소이다. 우리나라는 1차 에너지 중 97%를 수입에 의존하고 있고, 1차 에너지 활용에 있어 전환 손실 둥을 고려 시 1차 에너지의 30~40%만 실제 활용되고 나머지는 활용되지 못하고 버려지고 있다. 도시는 전 세계 지표 면적의 2%에 불과하지만 에너지 사용량의 66%, 온실가스 배출량의 75%를 차지하지만, 지리적 · 사회적 여건으로 풍력발전, 태양광발전, 연료전지 발전 동 신재생에너지 적용에 한계를 가진다. 본 기획사업은 국토교통부에서 추진하는 탄소중립도시 전환을 위한 미활용 자원 및 에너지 지능형 순환 시스템 기술개발 기획사업으로, 2050 탄소중립 정책에 대응하여 도시 단위에서의 미활용 자원 및 에너지 대상 저탄소 · 고효율 순환 시스템 기술개발 및 실중을 목적으로 한다. 본 기획을 통해서 미활용 에너지 및 자원 활용을 위한 총 4개의 중점분야가 도출 되었다. ① 지하 미활용에너지의 복합 활용을 위한 저장 및 이송 인프라 간설 기술 개발 ②자원순환형 스마트그린산업단지 인프라 건설 및 운영 기술개발 ③ 탄소중립도시 도로발전 인프라 건설 기술개발 ④ 탄소중립도시 내 공간 활용 건물 온실가스 저감 기술개발

LSTM 기반의 식품공장 전력 소비 예측을 위한 최적 변수조합 도출

이형아(Hyungah Lee),김동주(Dongju Kim),조우진(Woojin Cho),구재회(Jae-Hoi Gu) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.1

공장에너지관리시스템 (FEMS)은 정보통신기술 (ICT) 을 기반으로 공장의 에너지 사용을 실시간으로 모니터링, 분석, 제어하며 에너지를 효율화하는 시스템으로, 국내 에너지 소비의 큰 비중을 차지하는 산업부문의 에너지 소비 절감 기술로서 주목받고 있다. 공장에너지관리시스템에 적용되는 다양한 기능들 중 에너지 소비 예측은 에너지 소비 현황 모니터링과 더불어 공장의 에너지 공급량과 비용을 적절하게 설계하기 위한 중요한 첫 단계이다. 인공지능을 활용하여 여러 유형의 건물을 대상으로 에너지 분석과 예측에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이며, 머신러닝 기반의 에너지 예측 기능을 에너지관리시스템에 적용함으로써 보다 효율적인 공장 운영과 에너지 관리에 기여할 것으로 기대된다. 하지만 다른 유형의 건물과 달리 공장, 특히 식품공장 대상의 에너지 분석 및 예측에 대한 연구는 매우 미흡한 상황이다. 이러한 배경 하에 본 연구에서는 식품공장을 대상으로 LSTM을 활용하여 전력 사용량 예측을 수행하였다. 연구의 목적은 대상 식품공장에서 수집된 데이터들을 활용하여 전력 사용량 예측을 위한 최적의 변수 조합을 도출하고, 활용 변수를 최소화함에 있다. 활용 변수를 최소화함은 계측 인프라 구축의 단순화를 의미한다. 구축하는 계측 인프라 종류의 단순화를 통해 제반 비용을 줄임으로써 사업자의 공장에너지관리시스템 적용 부담을 낮추고 접근성을 높일 수 있다. 테스트 대상인 변수에는 전일 전력 사용량, 제품 생산량, 인력 투입시간, 투입인원 수, 온도, 습도가 포함되며, 31 가지의 변수 조합에 대해 5 번씩 모델 테스트를 시행하여 예측 성능을 확인하였다. 연구 결과, 6가지의 모든 변수를 사용하였을 때 예측 성능이 가장 우수하였으나, 전 일 전력 사용량만을 사용하였을 때에도 두 번째로 높은 예측 성능이 확보됨을 확인하였다(avg.CvRMSE 18.33%, avg.R² 0.797). 이에 해당 모델을 기반으로 하이퍼파라미터 튜닝 동의 모델 고도화 작업을 통해 보다 높은 예측 성능을 확보할 수 있을 것으로 예상한다.

식품가공 공장에서의 FEMS 개발 및 에너지 절감 실증

구재회(Jae-Hoi Gu),김동주(Dongju Kim),여채은(Chae-Eun Yeo),이형아(Hyungah Lee),조우진(Woojin Cho),박종혁(Jong-hyeok Park) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.2

2023 KEA 에너지편람에서 제시된 국내 산업부문 에너지 소비량은 2021년 기준 133,981천toe에 달하며, 제조업 용도별 에너지사용현황은 2020년 기준으로 원료용 80.306천toe(50.3%), 설비용 62,218천toe(42.2%), 수송용 4,838천t여{3.wlo), 기타 7,159천tm4.s%)으로 나타났다. 제조공장에서는 원료용과 설비용으로 92.5%를 소비하고 있다. 제조업의 설비별 에너지 사용현황은 보일러용 19,587천toe(26.4%), 요 · 로 21,712천toe(29.2%), 동력용 13,066천toe(17.6%), 열사용/열이용 설비 12,809천toe(l7.2%), 기타 7,148천toe(9.6%)로 총 74,321천toe를 소비하고 있다. 제조업 업종중 식품 · 담배 업종은 2021년 기준 2,121천toe의 에너지를 소비하고 있다. 식품가공 업종의 경우는 대부분 많은 종류의 제품을 생산하고 있으며, 중소규모 공장들이 많은 업종이다. 식품업종도 에너지 다소비업종으로 분류되어 있지만 제품의 다양성과 중소규모에 적합한 에너지 절감기술이 반영된 FEMS 기술이 개발되지 못하여 식품분야에의 에너지관리시스템 개발과 도입이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 식품가공 공장에서의 에너지 공급공정과 배치식 가열 • 살균공정, 연속식 살균공정에 대한 공학적인 계산 기반인 열 · 물질수지와 공정별 에너지 소비구조분석, 에너지 사용량의 인공지증(AD 예측을 통하여 공정별 제어기술이 반영된 공장에너지관리시스템 (FEMS)을 개발하여 실증하였다. 본 연구에서 개발한 FEMS는 기존의 FEMS와는 달리 공정을 제어하는 에너지절감 제어기능이 포함된 upgrade된 FEMS기술이다. 상업 시설인 식품 가공공장에 서 FEMS 개발 및 실증을 통하여 공장 전체 열에너지 사용량 대비 에너지 절감율은 7.8%를 달성하였다.

식품가공공장 에너지관리시스템 개발에 관한 연구

구재희(Jae-Hoi Gu),김동주(Dong-ju Kim),임채영(Chae-Young Lim),여채은(Chae-Eun Yeo),이형아(Hyung-Ah Lee),조우진(Woo-Jin Cho) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.2

국내 에너지소비량 중 산업부문이 137,444천toe(2019) 61 .9%로 대부분을 차지하고 있으며 제조업 이 127,431천 toe(2019)로 산업부문의 92 . 7%가 소비하고 있다. 제조업종 중 음식류 제조업이 1,929 천toe(2019)로 전체 제조업종의 1. 5%를 소비하고 있다. 제조업의 설비별 에너지 사용은 보일러용 에너지 소비량이 29.5%와 열사용/열이송 설비가 19 . 4%로 48.9%를 사용하고 있다. 제조업의 열 에너지 사용량 절감이 보일러용 및 열사용에 대한 에너지 관리물 통해 에너지 철감 및 온실가스 감축이 필요하다. 에너지 다소비 업종 중 매우 다양한 제품을 생산하는 식품가공업종의 공통적인 에너지 사용패턴 분석과 관리물 통해 공통적 인 에너지 절감 요소를 도출하여 업종 맞춤형 에너지 관리시스템의 개발이 필요하다. 이러한 식품가공업종의 열에너지의 소비패턴을 분석하여 에너지 절감을 위해 식품공장 맞춤형 에너지 소비 분석, 예측 및 절감 기술개발이 필요하다. 본 연구에서는 식품공장의 열에너지 생산/공급 공정인 보일러와 열에너지 사용공정인 식품가공공정의 에너지 소비구조 및 소비패턴 분석, 에너지 소비량 예측, 생산량 연계한 필수 인프라 선정. 에너지 소비 베이스라인 산정방법 개발 및 데이터분석을 통한 에너지 소비 공정제어 기술을 포함한 식품공장 맞춤형 에너지관리시스템 개발을 수행하고 있으며 이에 대한 연구내용을 정리하였다. 식품공장 맞춤형 에너지관리시스템은 유사한 식품공장 또는 유사한 에너지 소비패턴의 제조업에 확대보급이 가능한 기술을 개발·보급하여 제조업의 에너지 소비량 절감과 이에 따른 온실가스몰 감축하여 탄소중립 목표 달성에 기여하고자 한다.