<특집: 증기 유량 계측의 최신 동향> 증기 유량계가 가진 과제를 통해 생각해보는 에너지 관리 > 전체기사

과월호특집
Monthly Magazine of Automatic Control Instrumentation

기획특집 <특집: 증기 유량 계측의 최신 동향> 증기 유량계가 가진 과제를 통해 생각해보는 에너지 관리

페이지 정보

작성자 댓글 0건 조회 1,811회 작성일 22-11-07 13:44

본문

그림 1. 세 가지 ‘가시화’ 



서론: 탈탄소를 위한 사회의 움직임

1997년에 UN 기후변화협약 제3차 당사국총회(COP3)에서 채택된 ‘교토의정서’와 2015년 COP21에서 채택된 파리 협정 등의 이후에 CO2를 비롯한 온실가스 감축에 대한 중요성이 널리 알려지게 되었다. 유럽을 중심으로 친환경 경제 활동이 평가를 받게 되었으며 SDGs, ESG, RE100, EP100 등의 CO2 배출 규제와 관련된 KPI(Key Performace Indicator: 핵심 성과 지표)의 평가가 표준화되었다.


한편, 이들 CO2 배출 규제를 위한 노력이 유럽에 비해 10년 이상 늦다고 여겨지는 일본에서는 2021년에 정부가 온실가스를 2030년도에는 2013년 대비 46% 감축하겠다고 발표하면서 CO2 감축을 위한 노력에 속도를 높일 수밖에 없는 상황이다.


공장에서의 에너지 관리에 대한 의식 변화

일본의 산업에서 에너지 감축을 위한 노력은 제1차 오일쇼크에 따른 정책 변환에서 시작되었다고 할 수 있다. 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 정책을 내놓은 것으로, 이후 동일본 대지진으로 인한 전력 공급 부족에 대한 대응이나 리먼 사태를 비롯한 세계 경제 변화에 따른 가격 급등에 대한 대응 등이 있으며, 에너지 감축의 주요 목적은 에너지 “양”과 에너지 “비용”의 절감이었다.


한편, 현재는 앞서 설명한 바와 같이 기업으로서 CO2 감축, 탈탄소라는 사회적 책임을 달성했다는 평가를 받게 되었다. 그리고 기업 경영진의 에너지 관리에 대한 의식은 양과 비용적인 측면과 함께 탈탄소를 위한 사회 공헌의 측면도 중시하는 방향으로 변화를 보이고 있다. 기업 활동의 방침에 탈탄소 사회에 대한 공헌을 추가한 기업 경영진들은 대외적으로는 웹 등을 통해 활동 방침을 알리고 있다. 그러나 사내에서는 현재 담당자가 구체적인 활동을 위해 어떻게 대처하는 것이 좋을지 혼란스러워하면서 활동을 시작하지 못하고 있는 상황을 볼 수 있다.


그리고 여기에서는 증기를 중심으로 한 에너지 감축에 주목하여 요꼬가와에서 제안하는 FEMS(Factory Energy Management System: 공장 에너지 관리 시스템)를 이용한 CO2 감축을 위한 노력 방안들에 관한 소개한다.


증기 유량계의 실제 상황 및 과제

에너지 관리와 CO2 배출량을 파악하기 위해서는 증기 유량계를 비롯한 센서의 존재가 전제되어야 한다. 에너지양이 크고 관리가 필수인 증기의 경우 유량계 설치를 위한 과제와 CO2 배출량 산출 시의 과제를 정리하였다.


(1) 유량계의 적절한 설치에 대한 어려움

증기의 에너지 사용량을 파악하려면 유량계를 적절한 장소에 설치하여야 한다. 그러나 현실적으로 많은 과제에 직면하게 된다. 예를 들면 아래의 1)~4)를 들 수 있다.


1) 유량계 설치 비용과의 균형

제조라인이나 공정 등의 단위로 에너지 사용량을 파악하려면 말단 생산 설비에 공급하는 분기 등, 복잡한 분기를 포함하여 전체에 유량계를 설치해야 하기 때문에 유량계 개수는 많아지고 비용도 커진다. 유량계 설치 비용과 가시화로 인한 효과의 균형을 맞추기가 어려우며 실제로는 유량계가 필요한 수만큼 갖추어지지 않았다.


2) 공장 내 레이아웃 변경에 대한 대응

당초 설계가 적합하다고 해도 생산품의 변경 등에 의해 공장 내 레이아웃이 변경, 개조되면서 배관과 배선이 복잡해지며 측정 대상을 제대로 측정하지 못하는 경우에 정확한 측정을 위해 유량계 추가가 필요해지는 경우가 있다. 


3)추후 설치가 어려운 증기 유량계

나중에 유량계를 설치하는 경우에는 배관을 절단해야 하기 때문에 조업을 완전히 정지해야 하며 추가 설치를 하기가 쉽지 않다.


(4) 판단하는 사람과 숙지한 사람의 불일치

에너지 공급 설비(유틸리티, 원동력 설비)의 관리 부서와 생산 설비의 관리 부서가 다르기 때문에 에너지가 낭비되는지를 발견하는데 필요한 유량계의 개수 및 위치 등, 도입을 위한 판단이 어렵다.


(2) CO2 배출량 파악의 어려움

CO2 배출량은 탈탄소 사회를 실현하기 위한 중요한 지표이다. 보일러나 코제너레이션(이하 열병합 발전 시스템)에서 증기를 생성할 때의 CO2 배출량 산출을 고려한다. 중유나 가스의 CO2 배출량 계수를 통해 계산한 값을 바탕으로 증기 유량 단위당 CO2 배출량 계수를 산출한다. 그러나 산출한 CO2 배출량 계수를 단순하게 단말에서 계측한 유량에 곱하게 되면 정확한 CO2 배출량을 얻을 수 없다. 그 이유는 산출한 CO2 배출량 계수는 평균값(월 단위 또는 연 단위)이며 가동 중 증기 발생 효율의 변동이나 배관 손실, 방열 손실 등 도중에 발생하는 손실의 영향이 고려되지 않았기 때문이다. 

CO2 배출량 산출에 영향으로 주는 예를 들어 보면 아래의 1)~3)을 들 수 있다.


1) 보일러의 효율 변동

최근 소형 관류 보일러를 통한 대수 제어가 주류를 이루면서 수요측 변동으로 인해 보일러 효율이 크게 바뀌었다. 또한, 제조 라인별 수요 부하 균형도 변하기 때문에 단말 설비에서 사용한 증기량을 통해 산출하는 CO2 배출량의 오차가 한층 더 커졌다.


2)열병합 발전 시스템 도입으로 인한 CO2 배출량 균형 변동(발전/구입, 증기/전력)

단말에서 사용하는 전력의 CO2 배출량은 열병합 발전 시스템에서 급전된 전력과 구입 전력의 비율에 좌우된다. 그리고 열병합 발전 시스템의 가동 효율이 크게 바뀐다. 또한, 열병합 발전 시스템에서는 증기도 동시에 발생되기 때문에 소비한 중유나 가스 등의 화석 연료가 배출하는 CO2 중에서 어느 정도가 증기를 만들어내기 위한 배출량으로 배분되는지도 살펴봐야 하며, 이 배분도 가동 효율에 따라 변한다.


3) 녹색에너지의 도입으로 인해 한층 더 복잡화

상기 2)에서 설명한 바와 같은 발전 전력과 구입 전력의 CO2 배출량 차이나 발전 효율에 따른 변화와 함께 앞으로는 태양광 발전, 풍력 발전을 비롯한 녹색 에너지 구입을 통해 CO2 배출량이 없거나 적은 전력이 혼합됨으로써 CO2 배출량 산출은 한층 더 복잡해질 것이다.


(3) 에너지 관리 전반에서의 과제와의 공통성

지금까지 증기 유량계를 중심으로 과제가 제기되었으며, 이들 과제 중에는 증기뿐만 아니라 전력과 가스, 압축 공기 등을 포함한 에너지 전반을 관리하는데 있어서 생겨나는 과제와 공통된 것이 많다.

‘에너지를 공급하는 길에 많은 가지들이 있으며 그 중에서 적절한 장소를 측정하여 집계하고 싶다.’, ‘각 공정, 품종, 제품에서의 CO2 배출량을 정확하게 파악하고 싶다.’는 과제를 해결할 필요가 있다.


탈탄소 사회 실현에 기여하는 YOKOGAWA의 FEMS

(1) 세 가지 ‘가시화’

위에서 설명한 공통 과제를 해결하는 축은 ‘가시화’이며, 여기에는 다음의 1)~3)의 세 가지 관점이 있다. YOKOGAWA가 제공하는 FEMS: Enerize E3은 간단한 연산 정의를 통해 에너지, 비용, CO2를 자동으로 계산할 수 있는 ‘에너지 흐름 모델’을 갖추었다. 그 특허 기술의 에너지 흐름에서 ‘세 가지 가시화’를 실현한다. (그림 1)


1) 에너지 흐름의 ‘가시화’

다양한 형태로 구입한 에너지를 용도에 맞게 변환하여 공장에 공급하는 원동력 설비에서부터 제조의 각 공정, 설비에서 사용되는 에너지까지 공장 내 에너지 흐름을 ‘가시화’한다. 기존 에너지 관리에서는 중유, 증기, 전력, 압축 공기 등 각종 에너지를 각각 관리하는 것이 일반적이었다. 한편, YOKOGAWA의 FEMS는 각종 에너지를 열량으로 환산하는 연산이 자동으로 이루어짐으로써 각 기기에 들어가는 에너지와 나오는 에너지를 포괄적으로 관리할 수 있다.


2) 사용 방법과 책임 소재의 ‘가시화’

에너지 흐름의 출력을 할당하여 조직이나 설비 별로 재집계함으로써 조직 및 설비별 관리를 용이하게 해주고 각 에너지의 소비 책임 소재를 분명히 한다.


3) 생산과의 관계의 ‘가시화’

에너지 흐름과 생산 정보를 연관시켜 각 품목의 로트별 에너지 원단위를 계산한다. 로트 차분, 공정간 차분 등이 분명해지고 문제점의 조기 발견이 가능해진다. 그리고 개선의 여지가 있는 부분을 발견할 수 있을 뿐만 아니라 개선 활동에서의 우선 순위를 정하는 지표를 얻을 수도 있다.


(2) ‘가시화’ 실현 지원

앞서 설명한 바와 같이 YOKOGAWA는 세 가지 ‘가시화’를 제창하였다. 이 ‘가시화’ 실현을 위해서는 에너지 공급 설비에서부터 단말의 생산 설비까지를 대상으로 하며, 센서 설치 부분을 검토할 필요가 있다. 따라서 기존과는 다른 관점에서 검토할 필요가 있으며 일반적으로는 고객이 적절한 센서 설치 위치를 판단하기가 어렵다. YOKOGAWA는 고객이 보고 싶어 하는 범위를 바탕으로 어디에 얼마만큼의 센서를 설치해야 하는지를 실제 배관이나 센서 설치 여부를 고려하면서 생산 프로세스를 이해한 다음 제안하는 컨설팅을 제공한다. 또한, 센서 설치가 물리적으로 어려운 경우나 비용이 맞지 않는 경우에는 기존 미터의 다운스트림 분기 수만큼 가상으로 할당하는 고정 할당이나 생산 설비의 가동 상태 등을 통해 기존 미터의 다운스트림에 마치 센서가 있는 것처럼 계산하는 동적 할당 등을 활용함으로써 센서를 필요최소한으로 축소하는 방법도 제안한다.


(3) 서플라이체인 전체에서의 평가를 위한 대처

위에서 설명한 바와 같이 탈탄소에 대한 의식이 높아짐에 따라 사업 활동과 관련된 모든 온실가스 배출량을 평가하는 ‘서플라이체인 배출량’ 산정이 탈탄소 사회 실현을 위해 필수적이다. ‘이 제품을 만드는 데까지 얼마만큼의 CO2가 배출되었는가?’하는 질문이 당연한 사회가 될 것이다.


기존 FEMS는 공장 안에서 소비하는 증기와 전력 등을 대상으로 관리하고 있으며, 이들은 서플라이체인의 배출량에서 Scope 1과 2에 해당한다. (“공장에서의 직접 배출”과 “구입 전력 등에 의한 간접 배출” 자세한 내용은 주석 1 참조) 이 Scope 1과 2의 배출량을 억제할뿐만 아니라 원재료와 자재와 관련된 배출량에 대한 고려도 요구된다. 원재료 및 자재 조달 시에 CO2 배출량이 작은 제품 및 서비스를 선택함으로써 원재료 및 자재를 제공하는 제조사가 기업 가치를 높이는 요소로 CO2 감축의 중요성이 늘어난다. 결과적으로 각 회사가 Scope 1과 2의 배출량을 억제하여 서플라이체인 전체에서의 CO2 감축을 위한 속도를 높이게 될 것이다.


YOKOGAWA의 FEMS는 원재료 및 자재의 CO2에 대해서도 증기나 전력 등의 에너지 (Scope 1, 2)와 동일하게 관리함으로써 추가적인 관리가 가능해진다.(그림 2)


33832b978ae701570e3353276b22bf0c_1667796259_4436.jpg
그림 2. YOKOGAWA의 FEMS: Enerize의 관리 범위 



..(후략) 


宮脇 瑠美佳 山田 忠弘 / 요꼬가와솔루션

본 기사는 2022년 11월호에 게재되었습니다. 

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

전체 기사를 보기 원하시는 분께서는 아래 메일 주소로 문의 주시기 바랍니. 

autocontrol5@autocontrol5.co.kr / 031-873-5686

제어계측사     대표자  이윤성     사업자등록번호  107-19-58315     TEL  031-873-5686     FAX  031-873-5685
ADD  경기도 의정부시 신흥로258번길 25 해태프라자 1501호      E-mail  autocontrol5@autocontrol5.co.kr
Copyrights ⓒ 2020 제어계측사 All rights reserved.