한국토지주택공사(LH)가 공동주택에 적용할 수 있는 재생에너지 후보를 물색해 온 결과를 발표했다. LH는 지난 6월20일 강원도 평창에서 열린 대한설비공학회 하계학술발표대회에서 특별세션을 열고 공기열원 히트펌프, 수소연료전지 등의 적용가능성, 제한사항 및 극복방안 등에 대한 내용을 공유했다.
공기열HP, 공동주택 가성비 양호이상준 LH 주택기술처 차장은 ‘공기열시스템 공동주택 적용연구’ 발표에서 “미국, 유럽, 중국, 일본 등 전 세계적으로 공기열원을 재생에너지원으로 채택하는 국가가 증가하고 있으며 특히 유럽은 정책지원을 통해 설치된 약 2,000만대의 히트펌프가 연간 5,400만톤의 탄소배출량을 감축하고 있는 가운데 공기 대 물 히트펌프 비중이 상당히 높다”라며 “미국은 2020년 공기열원 히트펌프 판매량이 가스보일러 판매량을 추월했으며 중국은 2021년 약 100만개의 공기열원 히트펌프가 설치돼 지금까지 총 1,200만대가 설치됐다”고 설명했다.
전 세계적으로 공기열원을 신재생에너지로 인정해 공기열원 히트펌프를 통한 냉난방에너지 효율화를 이루고 있지만 우리나라는 지열과 수열원만 히트펌프 신재생에너지로 인정하고 있다. 최근 공기열원을 신재생에너지로 지정하는 법안이 발의되는 등 탈탄소 및 제로에너지빌딩(ZEB) 구현을 위한 액티브 신재생요소로 공기열 히트펌프에 대한 관심이 증가하고 있다.
특히 건물부문 온실가스 배출 중 34% 비중을 차지하는 공동주택은 탄소저감 노력이 절실한 상황이므로 공기열원 히트펌프 적용가능성에 대한 검토가 필요한 실정이다.
공기열원의 재생에너지 법제화는 2010년 추진됐지만 지열수준의 COP에 도달하지 못해 인정되지 않았다. 이어 2022년 21대 국회에서 법률개정이 추진됐지만 처리되지 못한채 지속되다 2023년 국회에서 열린 간담회에서 한랭지 조건에서 성능저하, 전력수요 증가 우려 등으로 통과되지 못했다.
그럼에도 불구하고 재생에너지 선진국 추세와 같이 공기열원을 신재생에너지원으로 지정해야 한다는 의견이 지속되고 있으며 건물부문 탄소중립을 위해 기축, 신축을 불문하고 적용이 용이한 다양한 신재생에너지원을 마련해야 한다는 필요성이 증가하고 있는 상황이다.
히트펌프를 위한 재생에너지 열원을 고려할 때 성능을 중점으로 판단한다면 지열, 수열을 적용하는 것이 우수하지만 주로 도심에 위치하는 공동주택의 경우 지열, 수열을 취득할 수 있는 환경조성이 어려우며 공사기간, 공사비, 유지보수비, 설치공간 등을 고려한 신재생에너지 선택이 필요하다. 공기열 히트펌프는 공동주택 적용을 고려 시 COP는 낮지만 가격, 공간제약, 공사기간이 모두 낮다.
LH는 공기열원 히트펌프의 공동주택 적용가능성을 평가하기 위해 세종시 행복도시 6-3생활권에 위치한 60세대를 모델로 부하를 산정해 여러 가지 시스템 구성으로 타당성을 평가했다. 시뮬레이션 해석으로 난방, 급탕, 열부하량을 산출한 결과 기온이 낮은 12월, 1월에서 난방부하가 60~70GJ로 높게 나타났으며 겨울철 급탕부하는 약 30GJ, 여름철 급탕부하는 약 10GJ 정도로 나타났다. 총 열부하량은 동절기 90~100GJ이며 하절기는 급탕부하 10GJ 정도 수준이다.
공기열원 히트펌프 시스템구성은 공기열 히트펌프, 열교환기, 버퍼탱크 등으로 구성했다. 공기열 히트펌프는 공기 대 물 방식을 적용했는데 이는 공기에서 얻은 에너지를 축열조 또는 버퍼탱크 내부에 저장해 바닥난방, 급탕공급이 가능하기 때문이다. 또한 배관을 통해 중앙집중식으로 각 세대에 열공급도 가능하다. 이에 비해 공기 대 공기방식은 공기에서 얻은 에너지를 실내공기로 전달하므로 바닥난방, 급탕공급이 불가하며 덕트를 통해 열이 공급되므로 중앙집중형 공동주택에는 적합하지 않다.
시뮬레이션 결과 동절기 낮은 기온으로 평균 COP 2.7을 기록했으나 하절기는 4.3의 운전성능을 보였다. 운전비용의 경우 공기열원 히트펌프를 활용한 중앙난방은 누진세가 적용된 주택용 전력요금의 중위값을 적용한 결과 60세대 총 연간 876만원의 운전비용이 발생할 것으로 예상됐다. 이에 비해 개별난방은 1,358만원, 지역난방은 1,285만원으로 계산됐다.
이는 공기열 히트펌프 적용 시 개별난방대비 평균 35%, 지역난방대비 평균 32% 연간 운전비용이 감소됨을 의미한다. 다만 동절기의 낮은 외기온도에 따른 성능저하 문제를 감안해 지역, 외기온도에 따른 성능분석을 통해 공동주택 최적 설계안 도출이 필요할 전망이다.
이상준 차장은 “공기열원시스템의 공동주택 적용은 경제성, 시공성, 탄소중립 기여도가 우수해 새로운 열원설비로 가능성이 확인됐다”라며 “공기열 신재생에너지 지정법안은 국회만료로 폐기됐지만 해외에서 탄소중립 기술요소로 활발히 사용하고 있어 국내에서도 이슈가 지속될 것”이라고 예상했다.
이어 “공기열 히트펌프의 공동주택 적용을 통해 탄소중립을 앞당기기 위해서는 공기열 재생에너지 인정, 전기 1차에너지 환산계수 조정, 히트펌프 설비로의 단계적 연료전환, 공동주택 실증연구 등이 실현 및 시행돼야 한다”고 밝혔다.
건물용 연료전지, 제도적 활로 열어줘야박영호 LH 도시기반처 도시환경에너지팀 차장은 ‘연료전지 보급확대를 위한 관련제도 고찰’ 발표에서 남양주 수소도시 조성사업 사례를 중심으로 연료전지 보급확산을 가로막는 요인을 도출하고 해소방안을 제시했다.
박용호 차장은 “연료전지는 연료가 되는 가스가격이 204.4원/kWh인 것에 비해 전기가격은 105.6원/kWh여서 운영할수록 손해”라며 “건물용 연료전지를 실질적으로 운영해 건물에서 재생에너지를 사용하게 하려면 가스가격, 전기가격, 열활용, 용도전환 등 4가지 측면에서 체계를 정비할 필요가 있다”고 밝혔다.
즉 건물용, 발전용 연료전지 가스가격을 분리해 건물용 연료전지의 가스가격을 인하해야 하며 전기 소매가격 인상을 통한 상대적 경제성 확보도 필요하다. 열활용과 관련해서는 전기 외 발생하는 열의 활용을 통해 경제성을 확보할 방안을 마련할 필요가 있다. 또한 용도전환을 통해 건물에 설치하는 연료전지를 발전용으로 운영함으로써 한전에 매전하고 발생열은 자체소비하는 방안을 활용할 수 있다면 경제성을 높일 수 있다.
LH는 당초 남양주 수소도시를 추진하면서 100억원을 들여 건물용 수소연료전지 1.32GW를 설치할 계획이었지만 현실적 장애물에 부딪혀 설치규모를 200kW로 낮춰 사업비를 47억원으로 축소했다.
이는 대규모 연료전지 설비를 공동주택 내 설치할 수 없다는 점, 주거지격에 발전시설 설치가 불가능하다는 점 등 인허가 한계에 더해 발전사업으로 추진이 가능하다고 하더라도 위탁이 불가하며 안전관리자를 반드시 선임해야 한다는 점 등이 작용했다. LH는 법령상 발전사업이 불가능하므로 안전관리자를 선임해 직접 발전사업을 할 수 없다.
박용호 차장은 “건물부문 탄소중립이 추진되는 가운데 공동주택에 활용할 신재생에너지원의 다양화가 필요하지만 현재 공동주택에 손쉽게 적용해 재생에너지비율을 맞출 수 있는 연료전지는 실제 활용성이 떨어진다”라며 “건물용 연료전지 운용경제성을 확보하기 위한 다양한 방안을 모색하고 있지만 관련제도적으로 가로막고 있는 장애물이 많아 학회, 학계, 업계 등 이를 해결하기 위한 연구와 집단지성이 필요한 시점”이라고 강조했다.
