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탄소중립 솔루션 ‘축열+히트펌프’ 기술 공유

설비공학회 축열전문委 강연회 개최


탄소중립시대의 측열에너지저장 및 히트펌프 적용기술을 공유하는 장이 마련됐다. 대한설비공학회 축열전문위원회(위원장 서정식 냉동공조인증센터 박사)는 11월2일 한국전력공사 서울본부 별관 8층 강당에서 '탄소중립시대의 축열에너지저장 및 히트펌프 적용기술 강연회'를 개최했다고 밝혔다. 

서정식 축열전문위원회 위원장은 인사말을 통해 “바쁘신 와중에 설비공학회가 주최하는 축열전문 강연회에 참석해주신 기술전문가, 업체 관계자, 유관기관 관계자들께 깊은 감사드린다”라며 “축열에너지부분이 실제 탄소중립에 기여하는바가 크고 전력수요 공급의 유연성과 건물에너지효율 향상에 기여하고 있음에도 불구하고 실제적으로 이러한 기술적인 부분에 대해서 엔지니어들이 같이 모여 이야기할 수 있는 자리가 많이 없었다”고 밝혔다.

이어 “올해부터는 설비공학회, 설비기술협회, 한국전력공사 등 여러 기관들의 협조를 통해 이러한 기술들에 대해 자주 논의하고 같이 고민할 수 있는 자리를 만들 수 있게 돼 매우 감사하게 생각한다”라며 “오늘 강연회에서 에너지기술연구원, 생산기술연구원, 전력연구원 등 다양한 연구소에서 발표를 맡아주셔서 감사드리며 이번 기회를 통해 탄소중립 솔루션을 찾는 데 같이 고민하고 기여했으면 하는 바람”이라고 덧붙였다. 

축열설비, 재생E 통합·활용 플랫폼

첫 순서는 유해성 한국축열설비발전협회 회장이 ‘건물에너지시스템 변화와 축열설비 발전방향’을 주제로 발표했다. 

우리나라 탄소 총배출량 중 건물부문 구성비(2018년 총배출대비)는 24.7%에 달하고 이외 부문은 △에너지 371.% △산업 35.8% △수송 13.7% △농축수산 3.4% △폐기물 2.4% △탈루 0.8% 순이다. 2018년 기준 건물부문 전체 배출량은 1억8,000만톤이며 이중 직접배출은 7.2%인 5,200만톤, 간접배출은은 17.5%인 1억2,700만톤이다. 

유 회장은 "탄소중립을 위한 주된 솔루션은 발전(에너지전환)부문에서 신재생에너지 비중 확대와 산업, 건물(냉난방, 온수) 열에너지의 전기화"라며 "에너지경제연구원도 2022년 연구성과 발표회를 통해 탄소중립 추진을 위한 공동주택 난바으이 전력화, 탄소세 도입 필요성, 기존 건물의 전력화-전기히트펌프 도입 필요, 지열, 수열, 공기열  등 미활용열원 신재생에너지 인정, 지열 등 신재생열에너지 보급지원 규모 확대, 재생열 전용 인센티브제도 도입, 그린리모델링과 연계 등을 강조했다"고 밝혔다. 

유 회장은 이어 "미국, 유럽 등엣는 이미 신축건물의 냉난방, 온수설비로 가스(화석연료)를 금지하는 규제가 시행되거나 도입을 논의하고 있다"라며 "우리나라의 아파트 난방을 전기화하면 지금 전력설비의 2배가 필요한 반면 지역냉난방은 다양한 에너지원을 적용할 수 있는 기술적 유연성이 강하고 규모의 경제를 누릴 수 있으며 대기오염을 저감하거나 탄소포집의 기회도 가질 수도 있으므로 다른 방식에 비해 탄소중립 달성에 훨씬 유리하다"고 강조했다. 

지역냉난방 활용을 통해 4세대 지역난방(저온) 네트워크, 재생에너지 중심 구역 열에너지 네트워크 등을 구성할 수 있으며 실제 국내에서는 진천 친환경에너지타운은 열에너지 네트워크를, 여주 푸르메 스마트팜은 신재생에너지 융복합 이용시스템을 활용한 축열산업의 대표 사례로 꼽히고 있다. 

유 회장은 축열설비의 미래 역할을 '탄소중립을 위한 재생에너지 통합 및 활용의 플랫폼'이라고 정의하고 "축열설비는 열생산과 소비의 시간차, 온도차를 해결해 에너지시스템의 밸런스 유지 및 경제성을 높이는 중심설비"라고 강조했다. 축열설비는 △전력-열 피크수요 삭감 △히트펌프 활용 대형건물 및 공동주택 등 건물배열 회수 및 재생 △산업폐열 및 배열 회수, 재생 플랫폼 △섹터커플링 필수요수 △발전부터 산업공정(700도)까지 활용 △저온물류(coldchain) 등 미개발 영역 개척 등을 가능하다. 

유 회장은 "건물의 단열, 기밀 강화로 냉방 및 온수(급탕)부하는 증가하고 난방부하는 감소하는 추세이며 냉방설비 보급 확대로 여름철 전력소비량이 지속적으로 증가하는데 난방부하에 비해 냉방부하가 크기 때문에 전력피크수요 증가속도도 가파르고 있어 선제적이며 적극적인 전력피크 수요관리가 필요하다"라며 "대부분의 에너지를 수입에 의존하고 있는 우리나라의 현실과 세계적인 탄소중립 압박을 헤쳐나가기위해서는 발전부문의 재생에너지 확대와 축열설비 기반 히트펌프 보급이 가장 우선 적으로 시행돼야 할 정책"이라고 강조했다.

최종E 74% 열E, 축열 역할 중요

두번째 발표는 위원장인 서정식 한국냉동공조인증센터 박사가 '탄소중립시대의 축열에너지 저장기술 동향'에 대해 발표했다. 서 박사는 "탄소중립을 위한 에너지절감 방법은 탄소를 줄이기 위해 전력화(히트펌프 활용), 화석화 연료사용을 줄이고 신재생에너지를 활용하는 것"이라며 "또한 열, 전기 저장을 통한 공급시간에 대한 유연성과 에너지저장 시 저장 및 사용에 대한 효율에 대한 유연성이 필요하며 저장된 에너지의 사용에 대한 효과성을 확보해야 한다"고 강조했다. 

열에너지저장(TES: Thermal Energy Storage)은 열에너지를 현열, 잠열(상변화), 화학반응열 등의 형태로 저장하는 것으로 기상상태에 따라 불규칙적으로 발생하고 생산과 수요 사이에 시간적 격차가 있는 태양열시스템에서의 필수기기다. 또한 열병합발전시스템에서 전력과 함께 발생하는 열에너지를 저장했다가 지역난방 네트워크를 통해 공급할 수 있으며 주간시간대 냉난방공조에 필요한 전력부하 이전을 위해 심야시간대 냉온열을 생산, 저장했다가 수요에 대응해 공급할 수 있다. 생산되는 에너지가 수요보다 많을 때 잉여에너지를 저장, 필요한 시간에 필요한 양의 에너지를 공급하는 설비가 TES다. 

서 박사는 "1차 에너지의 약 38%를 이용해 최종 에너지의 19%를 차지하는 전력을 생산하고 있는 반면 에너지로서의 이용 부분만 감안하면 1차 에너지의 약 47%를 이용해 최종 에너지의 26%를 생산하고 있어 우리가 사용하는 최종에너지의 74%는 열에너지"라며 "주거용 건물에 공급되는 에너지원은 도시가스 53%, 전력 37%, 지역난방 10%이며 업무용 및 상업용 건물에 공급되는 에너지원은 전력 72%, 도시가스 25%로 각 건물에 공급되는 전력 중 일부는 최종 열에너지로 변환돼 활용되고 있어 건물에서 활용되는 최종 에너지가 전력 자체인지 또는 열에너지인지에 대한 조사가 필요하다"고 지적했다. 

이어 "업무용 건물에 공급되는 에너지원의 72%는 전력이지만 최종 에너지이용형태는 약 50%가 열에너지로 업무용 건물에 공급된 전력의 약 30%는 열에너지로 변환되는 것으로 추정된다"라며 "여름철 주간시간대 발생하는 최대 전력부하의 25~30%는 냉방용 전력부하로 추정(한국전력)되며 여름철 및 겨울철 최대 전력부하일의 전력수요 중 19.6∼33.6%, 특히 피크시간의 경우 25.8∼37.7%가 냉난방용 전력수요로 분석되므로 전력공급의 비효율과 전력시스템 운영상의 문제를 야기하는 핵심 원인은 냉난방용 전력수요”라고 강조했다. 즉 전력저장의 일부를 열에너지저장으로 대체가 가능하다고 보고 있다. 

서 박사는 "에너지저장은 에너지수요관리 및 신재생에너지 이용에 긴요하며 신재생에너지 기반 분산자원시스템의 확산 추세에 따라 에너지저장은 더욱 필요하다"라며 "경제성, 안전성 등의 문제로 전력저장 확대는 한계에 부딛혔으며 최종에너지의 74%가 열에너지인 점 등을 감안할 때 열에너지 저장(축열)시스템 역할이 중요하며 재생발전시스템의 출력 제한에 대한 대응에도 축열시스템의 역할을 기대할 수 있다"고 강조했다.

섹터커플링, 잉여재생E 해결방안 

허재혁 에너지기술연구원 박사는 '축열시스템 기반 섹터커플링 필요성 및 기술동향'에 대해 발표했다. 

재생에너지 기반 섹터커플링(P2x) 개념은 독일 에너지전환정책에서 처음 제시됐다. 전력을 다른 형태의 에너지로 변환해 사용 및 저장하는 시스템이 바로 '섹터커플링'이다. 가변성이 있는 재생에너지 전력을 다른 형태의 에너지로 변환해 사용, 저장하고 발전, 난방 및 수용부문을 연결하는 시스템을 의미하며 현재는 에너지공급부문간 결합까지 포함시키는 의미로 확장되고 있다. 이중 P2H(power to heat)는 전기분야에 치중된 신재생에너지보급의 열분햐 확대를 위해 필요한 개념이다. 

허 박사는 "최종에너지 기준 열에너지는 58.3%, 산업연료 사용분을 제외하면 열에너지사용은 약 74%에 해당하며 주거용 건물은 열에너지공급비율이 63%, 업무용 및 상업용 등 일반용 건물은 전력공급비율이 73%에 달한다"라며 "그러나 일반용 건물에 공급되는 전력의 1/3은 열에너지로 변환돼 이용되며 일반용 건물의 최종에너지 소비형태의 50% 이상은 열에너지"라고 강조했다.

현재 P2H개념이 가장 필요한 곳은 제주도다. 2020년 제주지역 변동성 신재생에너지 발전량점유율은 18%(설비용량은 36%)로 유연성 문제가 발생하는 3단계에 해당돼 계통안정운영을 위해 출력제어가 시행 중이다. 2022년 기준 출력제어량은 132회 2만8,853MWh에 이른다. 이에 따라 제주에서는 플러스DR 개념이 적용되고 있다. 플러스DR은 제주지역 전기소비자가 자발적으로 전기사용량을 늘리고 신재생사업자는 증가된 전기사용량을 구입해 신재생 출력제어량을 줄이는 수요반응제도다. 

신재생발전에 따른 계절별 수요패턴을 보면 출력제한은 봄, 가을에 발생하고 있으며 가을과 겨울은 최대부하 19시, 경부하 10~17시, 봄은 최대부하 21시, 경부하 09~17시, 여름은 최대부하 20시, 경부하 01~07시로 분석됐다. 이에 따라 제주도에서는 재생에너지 출력제한을 이용한 P2H 기술개발이 진행되고 있다. 이번 기술개발의 전담기관은 한국에너지기술평가원, 주관기관은 제주에너지공사이며 연구기관은 제주대 산학협력단, 한국에너지기술연구원, 생산기술연구원, 한화에너지, 인터텍, ECO브레인, 한국냉동공조인증센터 등이 참여하고 있다. 

허 박사는 "신재생에너지 확대보급에 따른 섹터커플링 기술도입은 필수이며 신재생에너지 잉여전력해결방은 다양하지만 즉각적 해결방법보다는 여유를 갖고 장기적 해결방법 모색이 필요하다"라며 "P2H시스템은 플러스DR 등 수요반응제도 확립을 통해 활성화가 가능하며 기존 축냉시스템제도 및 규정을 활용해 무분별한 도입을 방지해야 한다"고 지적했다. 이어 "향후 출력제한 증가에 대비해 대용량 고온 출력 히트펌프 국산화 기술뱅이 필요하다"라며 "P2M, P2G대비 기술적 측면, 경제성 측면에서의 경쟁력을 강화해야 한다"고 강조했다. 

일·독, 고온 히트펌프 개발 주도

이길봉 에너지기술연구원 박사는 '고온 히트펌프 기술개발 동향 및 전망'에 대해 발표했다. 

산업용 히트펌프는 다양한 제조공정에서 에너지효율성을 향상시키고 온실가스 배출을 줄이는 데 중요한 역할을 하고 있다. 100°C 미만 작동온도를 갖는 히트펌프는 상대적으로 구현하기 쉽지만 더 높은 온도의 응용분야는 추가적인 연구와 개발이 필요한 상황이다. 고온 히트펌프와 환경친화적인 냉매의 발전은 산업공정에서 사용범위를 확대하는 데 필수적이다. 고온수 히트펌프는 크게 △100℃ 미만의 중온도 히트펌프(MTHP) △100~150℃ 고온도 히트펌프(HTHP) △150℃ 이상 초고온도 히트펌프(VHTHP)로 구분된다. 현재 다양한 국가의 기업들이 다양한 냉매(R290, R600, R718, R744 등)를 이용해 다양한 온도대의 히트펌프를 개발하고 있다. 

특히 냉매의 경우 FHC, FHO, NH₃, CO₂ 등 널리 알려진 냉매를 이용한 히트펌프시스템 상업화는 150℃ 부근 온대 대역에서 진행되고 있으며 일본의 Kobelco, Mayekawa, Mitsubisi, 독일의 Siemens Energy, Man 등이 제품 라인업을 구비하고 있다. 일본의 경우 MW급 이하, 유럽은 MW급 이상 대용량 제품군이 많으며 200℃ 이상 히트펌프기술은 현재 실험실 검토 단계가 대부분으로 알려지고 있다. 

독일의 BASF와 Siemens Energy는 화학공장 Carbon-free를 위해 히트펌프를 도입했다. BASF Verbund에 200℃ 스팀생산이 가능한 50MW급 히트펌프 설치를 계획하고 있다. 이를 통해 연간 16만톤의 CO2 배출저감을 예상하고 있으며 2024년 2분기 운전이 목표다. 

이길봉 박사는 "인류가 100여년간 전기를 대량으로 만든 기술은 열-전력 변환기술이었으며 앞으론 축열발전, 카르노배터리는 전력을 열변환장치(전기히터, 히트펌프)로 고온 열저장 후 필요할 때 발전하는 기술"이라며 "수백MW급 10시간 이상 방전이 가능해 열에너지 기반 섹터커플링(P2H, H2P, P2H2P)은 요수기술 완성도, 구현 가능성 및 기술 경제성 측면에서 우수한 잠재력을 가진으로 것으로 평가받고 있다"고 강조했다. 

PCM 활용 냉동창고·공동주택 실증
 
백종현 한국생산기술연구원 박사는 'PCM을 적용한 축열기술 동향'에 대해 발표했다. 백 박사는 "열에너지저장은 열공급 및 수요의 불균형을 해소할 수 있다"라며 "열에너지저장기술은 시간적, 공간적 불균일한 열부하에 대응하기 위해 필요하다"고 밝혔다. 이어 "열수요가 낮은 시간에 온열 또는 냉열 형태로 열에너지를 저장하고 열수요가 높은 시간에 열에너지를 공급해 피크부하를 감소시킬 수 있다"라며 "전력요금 차등화에 따른 전력요금 절감 효과와 열수요, 열공급을 위한 필요 적정열량 설계 및 운영조건 확립이 필요하다"고 지적했다.

열에너지저장은 현열저장과 잠열저장으로 크게 구분하며 현열저장은 가장 일반적인 축열방법으로 전통적으로 돌이나 물 등 축열매체의 온도차를 이용한다. 잠열저장은 상변화물질이 일정한 온도에서 상변화하는 과정(액체↔고체) 중 발생하는 잠열을 이용한다. PCM은 잠열소재 이용 중고온 열저장시스템으로 태양열발전의 고온용 열저장시스템, 열저장 운송, 산업폐열 저장 연구 등이 진행 중이다. 

이중 축열식 냉동창고 실증시험 결과 축냉식의 경우 주로 야간에 냉동기가 운전돼 축열하고 주간에 이를 방열하는 방식이다. 방열운전과 냉동기운전제어를 통한 전력피크 회피가 무려 48.2%에 달한다. 제상운전은 일 1회 30분간 이뤄지며 내부온도 -20℃에서 최대 +5℃까지 상승한다. 

백 박사는 "냉동기 야간운전에 따른 운전효율 향상 및 부하이전으로 전력피크가 감소된다"라며 "제상주기 제어에 따른 전력사용량 감소는 물론 시간별 전력요금 차등에 따른 인센티브도 받을 수 있다"고 밝혔다. 

또한 생산기술연구원은 경기도 수원시에 위한 공동주택 저층부를 대상으로 지역난방 수요측 열저장 시험을 진행했따. 기존 지역난방계통에 열에너지 저장시스템을 추가한 것으로 주요 측정부에서 온도 및 유량을 측정해 축열 및 방열운전 특성을 분석했다. 월별 급탕부하 사용량 분석을 위해 12개월(2019년 4월~2020년 3월)간 연간 전체사용량을 확보해 분석한 결과 월별 급탕부하 사용량의 최소, 최대, 평균값은 계절에 따라 변화추세를 보였다. 

급탕사용량 분석을 통해 1일 축열 및 방열량을 산출해 열에너지 저장시스템의 운전시간 및 공급온도 최적제어를 위한 시험조건 기본 데이터로 활용했다. 현장시험결과 축열량 149.05Mcal, 방열량 144.46Mcal로 열에너지 이용효율은 약 97%로 분석됐다. 

백 박사는 "열에너지 저장시스템 적용으로 간절기, 동절기 몯 약30~40% 정도 급탕부하를 열에너지 저장시스템에서 공급해 피크부하를 감소시켰다"라며 "또한 축열, 방열운전을 통해 급탕피크부하를 이전해 부하 균등화에 효과적임을 확인했다"고 밝혔다. 

한전, 수요관리형 HP 개발 

조종영 한국전력 전력연구원 선임연구원은 '수요관리형 주택용 일체형 히트펌프 개발'에 대해 발표했다. 

조 선임은 "미국 뉴욕은 신축건물 천연가스화석연료 사용금지, 워싱턴은 신축건물 히트펌프 설치 의무화를, 영국은 2035년부터 가스보일러 신규 설치 금지 및 2028년까지 연간 60만대 히트펌프 설치를 목표로 하고 있다"라며 "독일은 2026년부터 화석연료 난방시설 금지를, 독일은 신규 석유보일러 설치 금지 및 히트펀프사업 지속으로 태양열 지열설비 설치보조, 일본은 2050 탄소중립을 위한 녹색성장전략 구체화 및 상업 및 산업부문 천연냉매 설치 지원에 70억원을 투자하는 등 전 세계적으로 탄소중립을 위해 냉난방부문 전기화를 추진하고 있다"고 밝혔다.

조 선임은 "재생에너지 증가에 따른 출력제어 발생 비율이 증가하고 있으며 분산에너지 중심 전력먕 전환을 위한 규제해소, 시장제도 및 기반 조성 등 확산정책 이행 및 시장창출 법적 근거가 마련됐다"라며 "지역전력 자립화를 위한 분산에너지 실치 의무화, 분산에너지의 능동적 급전제어를 통한 배관망관리 감독, 전력 수요분산 유도를 위한 전력계통 영향평가제도, VPP, 전력거래 특례, 자립형 MG실증 및 확산되고 있어 P2H 유연 자원화 실증으로 계통 수요 자원화 활용이 늘어날 것"이라고 전망했다.

이에 따라 한전 전력연구원은 '수요관리형 히트펌프'를 개발하고 있다. 이중 제로에너지정책에 부합한 공동주택 내 냉난방 솔루션이 필요해 개발한 공동주택 가정용 히트펌프는 주택용 냉난방급탕 일체형 히트펌프로 실증 및 표준화를 통한 수요관리형 히트펌프 확대 보급 기준을 수립하고 있다. 

이를 위해 한전 전력연구원 내 전기에너지주택 히트펌프(5.9kW)-수축열조(200L) 난방시험을 진행했으며 히트펌프 설계-시험데이터(출수 온도, COP, 실 소비 전력 등) 비교분석 및 신뢰성 확보를 위해 운전하고 있다. 특히 공동주택 적재하중을 고려해 물대비 열에너지 저장효율 극대화가 필요해 상변화물질, 상변화 잠열을 이용해 현열대비 에너지저장을 극대화할 수 있는 물질인 PCM를 축열조를 고려하고 있다. 

이와 함께 P2H 히트펌프 실증 및 표준화도 진행하고 있다. 이를 위해 전기에너지주택 초도시험으로  히트펌프-축열조 난방시험을 완료했으며 ESS+TES 에너지 저장시험을 위해 전기저장 및 열저장 성능시험을 진행했다. △한랭 평균 온난지 등 실증시험을 위해 제로에너지건축물 연계 성능시험을 진행하고 있으며 성능시험 및 규격화를 위해 공인성적서 발급 및 사내표준을 제정할 계획이다.  

한전은 신규 부하관리 자원화를 위한 신규 전력공급제도(안)를 마련할 예정이다. 이는 고객이 냉난방부하를 원격으로 제어할 수 있는 제어시스템 및 에너지저장장치가 포함된 표준화된 제품을 설치하고 전력수급상 필요 시 한전에서 원격제어를 할 수 있도록 약정을 체결하면 설치지원금 및 제어 시 제어지원금을 지원하는 제도다. 대상기기는 에너지저장장치를 포함한 냉난방기능이 포함된 히트펌프로 평상시, 비상시로 나눠 설치지원금, 제어지원금은 국내외 유사사업 분석 용역을 통해 적정수준을 도출할 계획이다.