한국설비기술협회(회장 김철영) 축열기술전문위원회(위원장 서정식)가 주최하고 한국전력공사가 후원하며 신성엔지니어링, 아이스맥스, 엠에이산업 및 장한기술 등이 협찬한 가운데 ‘축열시스템 기술 강연회’가 5월12일 서울 삼성 코엑스 A홀 세미나장 1에서 대한민국 기계설비전시회(HVAC KOREA) 부대행사로 관련 업계 관계자 약 50여명이 참석한 가운데 성황리에 개최됐다.
이날 기술 강연회는 ‘탄소중립을 위한 축열시스템의 역할’을 주제로 진행됐다.
서정식 축열기술전문위원회 위원장은 “이번 강연회는 탄소중립시대를 맞이해 축열시스템이 어떠한 역할을 할 것인지에 대해 방향성을 제시할 수 있는 7편의 논문 발표를 준비했다”라며 “그동안 코로나 등으로 인해 축열기술위원회 활동이 침체된 측면도 있었지만 올해부터는 대면 만남의 기회를 많이 만들어 축열분야가 활성화되도록 노력하겠다”고 말했다.
유해성 축열설비발전협회 신임 회장은 축사를 통해 “지금까지 여러 기술이 설비분야 많이 도입됐지만 세상이 급속하게 변화하는 만큼 앞으로 축열과 히트펌프를 모르고는 설비기술을 제대로 도입하기 어려워진다”라며 “축열분야 발전을 위해 많은 전문가 및 업계 종사자들이 한국설비기술협회 축열기술전문위원회에 적극 참여하길 기대한다”고 밝혔다.
ESS, 인식전환 필요
정재동 세종대 교수는 ‘탄소중립시대 축열시스템 기술 동향’ 주제발표를 통해 “정부의 탄소중립 관련 산업 및 에너지 관련 R&D 추진 전략의 에너지분야 감축수단에서 에너지저장이 큰 비중을 차지하고 있는 것은 ESS(에너지저장시스템)에 치중된 것 같다”라며 “에너지는 전기와 열로 이뤄져 있으며 ESS는 전기에너지를 저장하는 배터리 정도로 받아들여지고 있어 이 용어가 적합한지 설비분야의 적극적인 활동과 홍보가 필요한 것 같다”고 주장했다.
이어 “국내 가정부문 에너지사용량 중 열에너지는 70%, 전기에너지는 30%로 개별세대의 연간 열요금은 전기요금대비 2배 이상”이라며 “일반 국민들은 전기 사용량에 민감해 많이 사용한다고 생각하지만 대부분 월 사용량은 200~400kWh 정도”라고 말했다.
또한 “국내 1차에너지와 최종 에너지소비비중을 살펴보면 열에너지가 55.1%, 공업원료 25.5%, 전력 19.4%로 열에너지의 중요성이 적지 않아 정부 차원의 정책적 배려가 필요한 상황”이라며 “열에너지 중 축열 및 축냉은 여름철 첨두부하 절감에 기여해 왔으나 겨울철 전력피크부하가 발생하는 등 변화된 전력수요체계와 함께 소비자와 업계의 미스매치 등 부정적 요인이 부각되므로 축열은 심야전력이라는 편견 극복을 위해 생산된 신재생전력을 열에너지로 변화, 저장, 활용하는 섹터커플링 등 유연자원으로서 축열 및 축냉 포지셔닝 부각도 필요할 것”이라고 강조했다.
이어 국가별 냉방에너지 증가 추세와 섹터별 냉방에너지증가 추이 및 일반적인 열에너지저장(TES)보다 더 많은 열에너지저장이 가능한 가역화학 물질을 통해 열을 저장하는 TCES(Thermochemical Energy Storage) 등에 대해 소개했다.
전력수요관리, 국가 차원 E절약 가능
김준우 한국전력공사 차장은 ‘축냉설비 보급 및 지원제도 현황’ 주제발표를 통해 △전력수요관리 개요 △축냉설비 개요 △축냉설비 보급 지원제도 △사외전문가 입회제도 △관련 규정 △인정기업 현황 등에 대해 소개했다.
전력수요관리는 공급관리와 대응되는 개념으로 소비자의 전기사용 패턴을 변화시켜 최소 비용으로 전기에너지수요를 충족시키기 위한 모든 활동을 뜻한다. 전력수요관리기법은 최대 수요와 최저 수요 차이를 축소시켜 부하 평준화 도모 및 공급설비 이용효율을 향상시키기 위한 ‘부하관리’와 고효율기기 보급으로 전기이용 효율을 향상시켜 에너지절감을 달성하는 ‘효율향상’으로 구분한다.
김준우 차장은 “전력수요관리를 통해 국가는 전력수급 안정, 신뢰도 향상, 온실가스 저감 등 환경 보존, 전력회사는 설비이용률 향상, 안정적 전력 공급, 설비투자 억제, 고객은 에너지비용효율 향상, 비용 절감 효과 등을 거둘 수 있다”고 말했다.
이어 “전력수요관리 기법 중 부하관리사업은 동‧하절기 등 불안정한 전력수급 발생 시 안정성 확보와 전력설비 투자 억제를 통해 국가적 차원의 에너지자원 절약을 도모하기 위해 축냉설비, 최대전력관리장치, 건물냉난방기기 원격관리시스템(KAMS) 등 3가지 부하관리기기에 대해 당해연도 지원금 예산범위 내에서 지원하고 있다”고 밝혔다.
축냉설비는 심야시간대 열원기기(냉동기 또는 히트펌프)를 가동(22시부터 8시까지)해 얼음이나 냉온수를 생산, 저장했다가 전기 사용이 집중된 낮시간 냉난방에 사용하는 시스템으로 축열조와 열원기기(냉동기‧히트펌프)가 해당된다.
건물E효율, 열E효율화 선행돼야
강혜진 서울기술연구원 박사는 ‘건물 에너지효율화를 위한 PCM 축열시스템 활용’ 주제 발표를 통해 △서울시 온실가스 감축목표 및 사업현황 △서울시 특성을 방영한 건물에너지효율화 전략 △상변화 물질을 사용한 건물에너지효율화 기술분석 △상변화 물질을 사용한 건물에너지효율화 기술제안 등을 발표했다.
강혜진 박사는 “서울시는 2050년까지 100% 탄소중립을 목표로 탄소배출량 중 건물부문이 약 68%를 차지하고 있는 만큼 건물부문사업 추진을 탄소배출량 감소에 우선 순위를 두고 있다”라며 “이를 위해 신축건물뿐만 아니라 노후건물의 에너지소비량 감축을 위한 정책 추진과 수열이나 지열 등 다양한 신재생에너지 보급을 촉진하고 있지만 탄소감축 목표에 어려움이 예상돼 보다 적극적인 방안을 찾고 있는 상황”이라고 말했다.
이어 “서울시 전체 에너지사용량의 34%가 건물 난방소비로 추정되므로 2050년까지 탄소중립 시나리오 달성을 위해서는 천연가스 등 화석연료의 단계적 중단과 전기에너지로 전환이 요구된다”라며 “난방이 전기에너지로 사용되면 난방부하로 인한 전력망 수요 증가가 예상되므로 전기난방으로 전환에 앞서 열에너지효율화가 선행돼야 한다”고 밝혔다.
유럽과 미국은 현재 탄소중립 실현을 위한 난방에너지 효율화 중요성이 부상하며 전기난방으로 전환하기 전 난방수요 감축을 위한 화력발전 잉여열, 지역난방 폐열 활용, 열에너지 저장기술(TES) 개발 등 다각적인 방안을 접목하기 위해 서두르고 있다.
강 박사는 “서울시가 건물에너지효율화 일환으로 서울시 특성을 반영해 잠열을 활용, 열에너지저장(TES) PCM 축열시스템 기술검토 및 모델실험을 진행 중”이라고 소개했다.
상변화물질(PCM)은 열에너지를 저장할 수 있는 물질로 물에 비해 약 2~7배 열에너지 저장능력이 크다. 잠열을 저장하므로 큰 온도 변화없이 활용하기에 보다 용이하다는 것이 특징이다.
강 박사는 “상변화물질은 이미 오래전에 나왔으며 건축물 적용 시 패시브, 액티브, 신재생에너지기술 등 여러 가지 방법으로 저장할 수 있지만 상용화, 경제성 관점에서 현재 열을 저장했다가 다시 사용하는 열저장시스템 활용이 가장 많다”라며 유럽의 소규모 주거건물의 태양열 온수난방 및 급탕과 중‧대규모 비주거건물의 냉방장치 냉각 활용 등 적용사례를 소개했다.
P2H 시행 앞서 열분야 확대 필요
허재혁 한국에너지기술연구원 박사는 ‘섹터커플링(P2H) 기반 축열시스템 필요성 및 기술 동향’ 주제 발표에서 △P2H 기술 개요 및 필요성 △P2H 기술 동향 △P2H 연구 동향 △시사점 등을 역설했다.
재생에너지 기반 섹터커플링은 전력을 다른 형태의 에너지로 변환해 사용 및 저장하는 시스템으로 가변성이 있는 재생에너지 전력을 다른 형태의 에너지로 변환해 사용저장하고 발전, 난방 및 수송부문을 연결하는 시스템으로 현재 에너지공급부문간 결합까지 포함한다.
허재혁 박사는 “전기분야에 치중된 신재생에너지 보급에 있어 열분야 확대가 필요하다”라며 제주 신재생에너지 발전 비율 및 출력제약 현황, 해결 방법 등을 말했다.
발전출력 제약 해결방안으로 △에너지저장 △에너지전환 △에너지관리 △에너지제어 △에너지전송 △에너지시장 등 6가지 방법과 P2H, P2G 등 섹터커플링과 전전화(히트펌프 보급) 등 11가지 솔루션을 마련하고 있다. 특히 P2H시스템은 플러스DR 등 수요반응제도 확립을 통해 활성화가 가능하다.
허재혁 박사는 “P2H는 축냉기술과 거의 흡사하다”라며 “기존 축냉시스템 제도 및 규정을 활용해 무분별한 도입을 방지하며 추후 육지에 발생할 수 있는 출력제한에 대비해 대용량 히트펌프 국산화 기술 배양도 필요하다”고 강조했다.
축열시스템, 다기능 수행 ESS로 발전해야
임효묵 엠에이산업 CTO는 ‘탄소중립을 위한 축열시스템 특성’을 주제 강연을 통해 “축열시스템은 이제 심야전기를 이용하는 에너지이용합리화시스템에서 다양한 기능을 수행하는 에너지저장시스템으로 발전해야 한다”고 강조했다.
에너지 저장시스템은 에너지를 통합(Integrating)하며 시간적으로 이월시켜 부하 또는 피크를 이전(Load Shift, Peak Shift)한다. 또한 모은 에너지를 일시 사용해 용량을 키울 수 있으며(Capacity Enlargement) 생산량과 소비량 불일치 해소 및 일정한 운전조건(Load Levelling)이 되도록 할 수 있다. 특히 다양한 용도로 사용할 수 있도록 유용성을 증가(Expanding Availability)시키는 등 에너지은행의 역할을 수행할 수 있다.
임효묵 CTO는 “신재생에너지의 한계를 축열시스템으로 보완하면 신재생에너지를 시스템화해 에너지절약시스템 역할도 가능하다”고 밝혔다.
신재생에너지의 주요 단점은 △에너지 취득시간 제약 △에너지용량 불균형 △Back Up 설비 필요 △저에너지 밀도 △높은 초기 투자비용 등이다. 축열시스템을 도입하면 에너지저장으로 △Load Shift △Capacity Balancing △에너지 Integrating 등으로 복합화해 극복 △저장으로 양 확대, 복합화로 보완 △장비 축소 및 Integrating 효과로 비용 감축 등의 효과를 볼 수 있다.
특히 탄소중립을 위한 에너지저장설비는 △축열, 사이클 및 재생사이클 간 간섭 현상 제거 △축열조 방냉 능력 향상 필요 △빙축열 설비에 난방 기능 추가 방식 도입 △고효율 설비 및 유지관리 편의성 확보 등의 특성을 띤다.
임효묵 CTO는 “최근 가스 복합화력발전설비 전력생산효율이 크게 상승(최고 63% 이상)하며 축열설비는 가스냉방설비대비 효율적인 수요관리설비로 평가받고 있다”라며 “350RT 규모 가스냉방설비와 빙축열설비의 1차 에너지기준 COP 비교 결과 54% 가량 빙축열설비가 높게 측정됐다”고 밝혔다.
수축열 공사, 수행역량 뒷받침돼야
박동선 신성엔지니어링 팀장은 ‘탄소중립에 적합한 수축열시스템 적용사례’ 주제 발표를 통해 세종시 집현동 수축열 설비공사 현장 장비성능과 기술제안, 기술지원 등을 소개했다.
적용현장은 신성엔지니어링에서 설비 제안한 데이터센터로 공사범위는 수축열 장비, 방수 및 단열, 내부 배관, 자동제어 공사 등이다. 수축열설비는 한국전력 축냉설비 인정기업만 참여가능하다.
박동선 팀장은 “수축열공사는 특성상 수행역량이 필요하다”라며 “A/S조직도, 전담인력 설계/구축 역할, 시공사 협력방안 등 제시와 세부적인 공사 출력인원 및 일정, 자재 수급 일정과 반입, 공사안전 및 품질확보 등의 계획을 수립해야 한다”고 강조했다.
이어 수축열조 품질확보 측면에서 제안한 단열재와 내부배관 가대 고정기술을 소개했다.
수축열조 단열재로 제안한 고비중 우레탄폼은 압축 강도가 높아 냉수를 겸용으로 저장하는 수축열조 시공에 적합하다. 일반 우레탄폼보다 단위체적당 밀도가 높아 열손실을 최소화할 수 있으며 내습성이 뛰어나고 콘크리트 면이 좀 거칠어도 면처리가 가능하다.
축열조 내부배관 가대 고정방식으로 제안한 상부배관 가대는 장시간 운전 시에도 축열조 하부 도장면 손상에 따른 누수 위험없이 시스템 안전성 확보로 기존 하부 배관가대 적용대비 품질, 안정성을 추가 확보할 수 있다.
기술적 측면 외에도 △축열조 성층화 검토 △축열조 내부 슬리브 시공방법 △수축열조 점검구 및 반입용 개구 등 설계 개선안도 제시됐다.
축열조 성층화는 미국 냉동공조협회 설계기준을 적용해 ‘푸라우드 수’ 및 ‘레이놀즈 수’를 통한 적합성을 검토했다. 그 결과 프로우드 수(Fr)는 ‘1 이하’로 설계했으며 레이놀즈수(Re)는 ‘2100 이하’로 층류를 형성해 온도성층화를 충족했다.
축열시스템, 히트펌프와 신재생E 연계 필요
서정식 한국냉동공조인증센터 박사는 ‘냉난방분야의 히트펌프 국외 기술동향’을 주제로 발표했는데 기후변화에 따른 냉난방설비로 부상하고 있는 히트펌프와 관련 건물 및 산업 적용 기술에 대해 연설했다.
서정식 박사는 “최근 발간된 IEA 보고서 ‘The future of Heat pumps’에 따르면 유럽은 향후 건물 냉난방 중 난방에 초점을 맞추며 에너지전환 핵심기기로 히트펌프를 활용할 준비를 하고 있다”라며 “히트펌프는 외기조건 등의 영향을 받지만 COP 3~5로 열생산을 위해 가장 효율적인 기기로 유럽은 리파워EU 정책에 따라 히트펌프 보급대수를 2021년 200만대 수준에서 2030년 약 700만대 보급이 목표”라고 밝혔다.
서 박사는 히트펌프 적용을 위해 △초기비용 지원금 등 지원제도 △보급활성화를 위한 제품가격 경제성 확보 △히트펌프를 위한 설치 및 보급을 위한 인력 체계 전환 △신재생에너지 등을 활용하기 위한 에너지그리드와 히트펌프 연계기술 확보 등을 제안했다.
서 박사는 “우리나라는 아파트라는 주거공간 특수성으로 아직 쉽지 않으나 전력 사정이나 에너지효율 등 탄소중립 관련 다양한 이슈들이 제도권 내 들어오면 시장 확대가 기대되며 히트펌프와 신재생에너지를 연계하는 분야가 축열시스템”이라며 “전 세계 히트펌프시장은 2021년 10%에서 2030년까지 3배로 증가하지만 2050년까지 2배 증가로 다소 주춤할 것으로 예상돼 2030년 이후 계획대비 보다 강력한 정책 시행이 이뤄질 가능성이 있다”고 예측했다.
서 박사는 “향후 히트펌프기술은 △연료 대체를 위한 정책 대안으로 가격의 경제성 확보를 위한 기술 △한랭지와 같은 열원에 대한 기술 △고온 등 사용온도를 위한 기술 △기존 미활용된 사이클에 대한 기술적용 △폐열 활용 열원기술 등으로 확장될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
목록
