산업 분야 탄소 중립을 위한 태양열 히트펌프의 공정 성능 해석 및 경제성 분석 = Performance simulation and economic assessment of solar thermal heat pump for carbon neutrality in industrial sector

국문 초록 (Abstract)

전 세계 총에너지의 절반 이상이 산업 분야에서 소비되며, 이 중 열에너지가 과반수를 차지한다. 대부분의 열에너지는 화석 연료로부터 얻어지고 있으며, 이로 인해 발생하는 다량의 온실가스는 지구온난화를 촉진하여 기후 위기를 가속화한다. 따라서 산업 분야의 화석 연료 기반 열에너지를 재생 열에너지로 전환하는 것은 필수적이다.
산업 공정에 증기를 친환경적으로 공급할 수 있는 고온히트펌프는 고온의 증발 열원을 필요로 한다. 이러한 고온 열원으로 주로 고려되는 산업 폐열은 산업 공정에서 필요한 열량의 통상 약 17%에 불과함으로, 충분한 증발 열량을 제공하는 산업 현장은 매우 드물다. 태양열에너지는 이러한 고온 열 수요에 대응할 수 있는 거의 유일한 재생 열에너지원이다. 태양열 시스템과 고온히트펌프의 융합을 통해 산업의 증기 열 수요에 광범위하게 대응할 수 있다. 그러나 현재까지 건물의 난방 및 급탕 수요에 대응하는 태양열 히트펌프에 대한 연구는 많이 이루어졌으나, 산업의 증기 공급을 목적으로 하는 연구는 거의 전무하다.
따라서 본 연구는 산업 공정에 120°C의 증기를 공급하는 태양열 히트펌프 시스템의 최적 공정 및 시뮬레이션 모델을 개발하고자 한다. 이를 통해 기술·경제적 실현 가능성을 평가하여, 기존 화석연료기반 열공급시스템을 대체할 수 있는지 확인하고자 한다.
본 연구에서는 태양열 히트펌프의 최적 공정을 선정하는 방법론이 수립되었으며, 이를 바탕으로 최적 공정 모델을 개발하였다. 최적 공정 모델에 대한 시뮬레이션 모델이 개발되었으며, 연간 성능 및 경제성 분석을 수행하여 기존의 열원인 보일러와 비교하였다. 그 결과, 태양열 히트펌프는 최대 3.24의 연간성능지수를 보였으며, 최대 159만 달러의 순현재가치와 1.99의 비용편익비를 갖는다. 변수별 분석 결과를 토대로 1 t/h의 증기를 생산하기 위한 최적 설계점(집열기 면적 1,500 m2, 축열조 부피 200 m3, 히트펌프 용량 627 kW)을 도출하였다. 이 때, 태양열 의존율은 94.9%, 자본 회수 기간은 3.17년이며, 연간 4,107 tCO2를 저감할 수 있다. 한편, 화석에너지 기반 고온히트펌프 및 단독 고온히트펌프와의 폐열 비율에 따른 경제성을 비교·분석하였다. 그 결과, 무료 폐열이 고온히트펌프의 증발 열원을 100% 제공해 주지 못하는 경우, 폐열 비율과 관계없이 태양열을 열원으로 사용하는 본 시스템이 다른 열원을 이용한 고온히트펌프보다 항상 경제성이 우수하였다.
본 연구를 통해 태양열 히트펌프가 LPG 보일러를 효율적일 뿐만 아니라 친환경적이고 경제적으로 대체할 수 있음을 입증하였다. 본 시스템은 화석연료 기반 보일러를 대체함으로써 산업 및 열 부문 탈탄소화에 기여할 수 있을 것이다.

주요단어(Keyword) : 태양열 히트펌프, 산업공정열, 증기 생산, 고온히트펌프

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

More than half of the world's total energy is consumed in the industrial sector, with thermal energy constituting the predominant portion. However, the majority of thermal energy is derived from fossil fuels. The substantial greenhouse gas emissions resulting from them exacerbate global warming and accelerate climate crises. Therefore, transitioning fossil fuel-based thermal energy to renewable thermal energy in the industrial sector is imperative.
High-temperature heat pumps, which can produce steam for industrial processes in an environmentally friendly manner, require a high-temperature heat source. However, industrial waste heat, which is primarily considered as the heat source, accounts for only about 17% of the heat amount required in industrial processes. Therefore, industrial sites that provide sufficient heat are rare. Solar energy is nearly the sole renewable thermal energy source to meet this high- temperature heat demand even in the sites without the waste heat. The integration of solar thermal systems and high-temperature heat pumps can extensively meet the steam heat demand in industries. However, these integration systems have not been studied especially for the industrial application, although solar thermal heat pumps for space heating and hot water demands have widely investigated.
This study aims to design a solar thermal heat pump system capable of supplying steam at 120°C to various industrial processes, and evaluate its performance and economic feasibility to determine whether it can replace existing fossil fuel-based heat supply systems. Annual performance and economic analyses were conducted to compare the system with traditional heat sources such as boilers, and an optimal design point was determined based on the results of variable analyses. Furthermore, the economic feasibility was compared and analyzed on the integrated energy-based / boiler-based high-temperature heat pumps and standalone high-temperature heat pumps according to the waste heat ratio.
Based on the performance and economic analyses, it was confirmed that the solar thermal heat pump can successfully supply the steam required for industrial processes. Additionally, the optimal design point for producing 1 t/h of steam was determined to be a collector area of 1,500 m2, a storage tank volume of 200 m3, and a heat pump capacity of 627 kW. At this point, the solar fraction was found to be 94.9%, with a payback period of 3.17 years and an annual reduction of 4,107 tCO2 emissions. On the other hand, standalone high-temperature heat pumps were found to be applicable only to industrial sites where can secure more than 25% waste heat compared to heat source amount of the heat pumps. Furthermore, in sites unable to secure more than 35% waste heat, high-temperature heat pumps using other sources except solar thermal energy resulted in increased carbon emissions compared to using an LPG steam boiler. In cases of the waste heat amount less than 100 %, regardless of its ratio, the solar thermal heat pump was always more economically viable than high-temperature heat pumps using other heat sources.
This study confirmed that solar thermal heat pumps can economically and environmentally replace LPG steam boilers. By replacing fossil fuel-based boilers, they can contribute to decarbonization in the industrial and thermal energy sectors. Additionally, they can dramatically expand the heat pump market even to the sites without waste heat.

Key words : Solar thermal heat pump, Industrial process heat, Steam production, high-temperature heat pump

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 1.1. 탄소 중립 1
• 1.2. 열 및 산업 부문의 탈탄소화 5
• 1.3. 고온히트펌프의 특징 8
• 1.3.1. 산업 폐열 현황 11
• 1.3.2. 고온히트펌프의 증발 열원 15
• 2. 선행 문헌 조사 17
• 3. 연구 목표 28
• II. 증기 생산 태양열 히트펌프의 공정 모델 개발 30
• 1. 증기 부하의 선정 30
• 2. 태양열 히트펌프 공정 선정 방법론 31
• 2.1. 증기 생산 태양열 히트펌프의 가능 공정 31
• 2.2. 태양열 히트펌프 공정 선정 알고리즘 33
• 2.3. 태양열 히트펌프 최적 공정 선정 36
• 3. 태양열 히트펌프 공정 설계 43
• III. 증기 생산 태양열 히트펌프의 성능 시뮬레이션 모델 개발· 45
• 1. 성능 시뮬레이션 모델 개발 45
• 1.1. 구성요소별 방정식 45
• 1.1.1. 태양열 집열기 45
• 1.1.2. 열교환기 48
• 1.1.3. 축열조 48
• 1.1.4. 고온히트펌프 51
• 1.1.5. 플래쉬 탱크 52
• 1.2. Simulink 를 이용한 공정 모델링 52
• 2. 성능 시뮬레이션 조건 54
• 3. 시뮬레이션 모델 검증 56
• IV. 증기 생산 태양열 히트펌프의 성능 분석 59
• 1. 시스템 운전 데이터 분석 59
• 2. 성능 평가 지표 65
• 3. 변수별 성능 평가 67
• 4. 소결론 73
• V. 증기 생산 태양열 히트펌프의 경제성 분석 74
• 1. 경제성 평가 지표 74
• 2. 비용과 편익 분석 75
• 3. 변수별 경제성 평가 79
• 3.1. 비용편익비 79
• 3.2. 순현재가치 82
• 3.3. 균등화열생산비용 83
• 3.4. 할인자본회수기간 84
• 4. 소결론 88
• VI. 폐열 비율에 따른 태양열 히트펌프의 유용성 89
• 1. 단독 고온히트펌프 시스템 90
• 1.1. 단독 고온히트펌프 공정 설계 90
• 1.2. 폐열 비율에 따른 단독 고온히트펌프의 열역학적 모델 ·· 91
• 2. 보일러열 고온히트펌프 94
• 3. 집단에너지 고온히트펌프 95
• 3.1. 집단에너지 고온히트펌프 공정 설계 95
• 3.2. 폐열 비율에 따른 집단에너지 고온히트펌프의 열역학적 모델 98
• 4. 태양열 히트펌프 102
• 4.1. 폐열 및 태양열 히트펌프 공정 설계 102
• 4.2. 폐열 비율에 따른 최적 설계점 102
• 5. 열원 및 폐열 비율에 따른 경제성 분석 104
• 5.1. 경제성 분석 조건 104
• 5.2. 경제성 분석 결과 105
• 5.2.1. 비용 및 편익 비교 105
• 5.2.2. 경제성 비교 109
• 6. 소결론 117
• VII. 결론 119
• 1. 요약 및 결론 119
• 2. 맺음말 121
• 참고문헌 124