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[특별기고] 조희남 ㈜지앤지테크놀러지 대표

지열·연료전지 융합, 운용 경제성 확보 시급

새정부가 들어 원전신설을 중단하고 석탄화력발전소 신규 건설을 중단하면서 2030년까지 신재생에너지 사용비중을 20%까지 상향한 정책 목표를 발표했다. 2017년 6월 제주에서 있었던 AIIB 연차총회에서 문재인 대통령은 이러한 확실한 목표를 세계에 공식적으로 재천명한 바 있다.


기후변화에 대한 대처의 관점 외에 우리나라는 석유 한방울 생산되지 않는 에너지 환경 속에서도 세계 10위권 산업국가로서 발전을 유지해야 하는 상황과 함께 에너지안보 측면에서 안정적인 에너지 확보를 위한 다양한 접근 방안과 수단을 가져야 할 필연적 현실에 직면해 있다.


이에 따라 향후 2025년 제로에너지건축물 의무 적용제도와 2030년 신재생에너지 20% 달성 목표 등은 만시지탄이나마 국민 모두의 합력을 통해 반드시 이뤄내야 할 일임이 자명하다. 이를 위해 한국의 에너지분야 중 신재생에너지 활용 상황과 기술 여건에 대한 조사 분석을 바탕으로 다양한 옵션 마련이 필요하며 신재생에너지산업의 기술혁신과 R&D를 통한 신기술 개발 및 이를 적극적으로 수용하고자 하는 국가 에너지정책의 연계가 무엇보다도 필요하다.


국가 신재생에너지 목표 설정 과정에서 간과돼서는 안 될 부분은 분산전원 확대다. 잘 알려졌다시피 우리나라는 그동안 급격한 산업화 과정과 수출주도형 제조업 중시 정책으로 전력은 대규모 발전소에서 생산돼 송전선을 타고 멀리 떨어진 생산공장 단지나 대도시 소비자에게 공급되는 중앙집중화된 전력시스템 형태를 유지했다. 중앙집중화된 전력은 규모의 경제를 가능하게 했다. 이러한 규모의 경제 덕분에 저렴한 전기공급에 의한 고도의 산업화에 기여할 수 있는 효과를 가져온 바도 있다.


그러나 발전소에서 생산된 전기를 송전하기 위한 송전탑 건설에 따른 환경단체와 거주 주민들의 저항을 경험했다. 탈 원전의 기치아래 신설될 원전은 건설이 취소되고 화력발전소는 더 이상 건설할 수 없도록 정책방향이 움직여 가고 있는 중이다.


이러한 현실적 상황에서 발전소 건설과 송전선로 설치에 따른 부담을 없애고 친환경적인 발전이 가능한 방안의 모색이 필요하며 그 대처방안 중 하나가 분산형 전원장치라 할 수 있다. 분산형 전원장치는 건물 내에 설치돼 해당 건물의 전력부하를 감당할 수 있도록 설치됨으로써 별도의 송전선로 설치를 필요로 하지 않는다. 물론 분산형 전원장치가 부담하는 비율을 조정함으로써 직접 전력을 받는 계통부하를 경감시키거나 손전선로 설치비용의 부담을 경감시킬 수 있는 효과가 있는 것은 당연하다.


분산형 전원장치는 전력계통 부하 경감
분산형 전원장치는 종래 왕복동형 디젤엔진이나 천연가스를 이용한 엔진을 이용해 발전기를 가동함으로써 생산된 전기와 부생적으로 생산되는 열에너지를 활용하도록 열병합발전 형태로 설치됐다. 대체적으로 건물의 비상발전기 개념이 더 강하게 적용됐다 해도 과언이 아니었다. 실제로 설치이후 전기 생산을 위한 정기적이고 항시적인 발전을 실행하는 경우는 드물었던 것이 현실이다. 이후 현재 빠른 속도로 기술개발과 적용이 확대돼가고 있는 분산형 전원장치가 연료전지다.


연료전지는 수소를 이용해 발전하는 콤팩트한 미니발전소라 할 수 있다. 수소가스만 공급이 가능하다면 24시간 연속 발전이 가능하고 주택이나 건물은 물론 산업용으로 대규모 발전소 형태로의 설치도 가능한 단계까지 기술수준이 이르렀다. 현재 연료전지에 공급하는 수소는 대체적으로 천연가스를 연료전지의 개질기로 보내 천연가스 성분 중 수소가스만을 추출해 대기 중 산소와 결합시켜 전기와 물, 그리고 반응열이 형성되도록 한 것이다. 생산된 직류전기를 축적시켜 전력변화기를 통해 우리가 사용할 수 있는 교류전원을 공급하도록 한 것이다.


연료전지는 콤팩트한 미니 발전소
연료전지에 사용되는 천연가스는 국내 4개의 인수기지를 포함해 약 4,000km 이상의 주 배관망과 도시 각 가구들에게까지도 미세 배관망이 갖춰져 있으며 안정적인 공급 성향을 가지고 있는 에너지원이다. 더욱이 미국에서 시작된 셰일가스 개발은 천연가스 단가를 획기적으로 낮추는 역할을 하면서 천연가스의 안정적인 공급에 기여한 바가 크다.


또한 우리나라가 미국산 셰일가스 도입을 추진하고 있어 더욱 천연가스 수급에는 어려움이 없을 것으로 전망되며 가격 역시 하향 안정성을 유지할 것으로 예측되고 있다. 이러한 천연가스를 주 원료로 한 소규모 연료전지가 2011년 6월 시범적으로 우리나라 아파트단지에 분산형 전원장치로 적용된 사례가 있었다. 성남시 판교에 위치한 00마을이다.


하지만 운용결과는 경제성이 없어 실패라 할 수 있다. 아파트 관계자의 말을 인용하면 단 한차례 가동 후 계속 휴지 중이다. 주민들이 운용 경제성이 없는 연료전지의 가동을 중지시키도록 한 것이다. 이를 해결할 수 있도록 하는 기술적인 해결방안을 찾아 조속히 적용함으로써 분산형 전원장치로써 장점은 살리고 경제성이 없다는 현실적인 문제점을 없앨 수 있도록 해야 한다.


지열과 연료전지 융합, 운용 경제성 확보
지열은 현존하는 신재생에너지원 중에서 가장 효율이 높고 친환경적인 에너지(미국 환경보호국 EPA)이며 태양광이나 풍력에너지와는 다르게 지상부 또는 건축물의 외부에 노출되는 시설이 없는 특징을 가지고 있다. 지열에너지는 히트펌프를 사용해 지중의 열을 이동시켜 사용하게 되는데 보통 성능계수(COP)가 4.0 이상으로 운전되고 있다.


지열은 이러한 높은 열효율을 가지고 있음에도 불구하고 1차적으로 전기에너지를 사용해야 하는 한계로 인해 발전이 직접 가능한 태양광이나 풍력에 비해 정책적인 지원이 상대적으로 크지 않은 한계도 있다. 최대 전력소비가 발생되는 하절기 냉방 시 전기소모성 시설로 오히려 전력 피크부하를 상승시키는 요인으로 간주되고 있기도 하다.


이와 다르게 연료전지는 천연가스를 소모해 전기를 생산하는 것이 가능하고 반응열을 통해 일정 부분 높은 열원 에너지 생산도 가능한 시스템이다. 단지 전기에너지의 경우 40%, 열원 에너지를 포함하면 80%의 비경제적인 효율이 문제다.


그런데 연료전지가 설치되는 분산형 전원장치가 설치된 건물에서 연료전지에서 생산된 전기를 지열히트펌프와 열매체 순환펌프 등 부속기기에 우선적으로 공급해 운용하게 될 경우 통합 운용에너지효율은 경제성을 충분히 충족시킬 수 있는 수준까지 크게 상승하는 기술적 시스템 구성이 가능하게 된다.



물론 지열과 연료전지의 융합을 통한 운용 경제성에 대해서는 이론적인 접근에 이어 실질적인 시설과 운용데이터를 수집해 그 성과를 분석해 나가는 과정을 거쳐야 한다.


그러나 현재 지열시스템과 연료전지를 한 건물 내에 각각 설계에 반영해 시공을 압두고 있는 건축물들에 대해 정부가 지원방안을 마련, 두 시스템이 융합돼 운용될 수 있는 시설이 되도록 함으로써 더욱 빠르고 효과적인 성능 확인과 설계 기술확보 및 시설기준의 제시가 가능해 질 수 있고 필요한 제도정비가 이뤄질 수 있다.


이러한 과정에서 자연스럽게 기술 적용 확대로 이어짐으로써 신재생에너지 적용비율 제고에도 크게 기여하게 될 것이다.



생산된 전기에너지 계통 및 구성 요소
생산된 전기에너지의 계통구성을 위해 지열히트펌프와 연료전지 시스템간 별도의 동력변환장치의 설치가 필요하다. 연료전지에서 생산된 전기를 저장해 히트펌프의 최대부하 운전 시 함께 필요전력을 분산해 공급할 수 있는 에너지저장장치(ESS) 구성이 이뤄지도록 할 수도 있다.


ESS설치 구성은 필요 이상으로 연료전지 규모가 커지는 것을 예방할 수 있는 효과가 있다. 또한 연료전지의 스택에서 생산된 직류전기를 전력변환장치를 거치기 전 직류전원으로 히트펌프의 동력을 사용할 수 있도록 구성함으로써 직류와 교류 변환과정에서 필연적으로 발생하는 효율저하를 어느 정도 감소시킬 수도 있다.


물론 히트펌프의 부하율 변동에 따라 연료전지에서 생산된 전기 중 잉여전력은 한전계통으로 연결되도록 하거나 ESS에 저장돼 히트펌프의 부하량이 커질 경우 사용할 수 있다.


다수개의 수량으로 히트펌프의 규격이 설정된 경우 히트펌프 별로 부하용량에 맞춰 동력공급이 시행되도록 콘트롤함으로써 잉여전력의 저장과 한전 계통으로의 연결 송전에 지장이 없도록 한다.



열에너지의 계통 및 구성요소-난방 시

연료전지는 스택에서 고온의 반응열이 발생한다. 이 열에 의한 효율은 약 40%에 달하며 대체적으로 난방이나 급탕 보조 열원으로 활용이 가능하다. 지열에너지를 연료전지와 융합해 적용할 경우 별도의 축열 열교환기를 설치하고 이 축열열교환기에 연료전지에서 열교환된 열매체를 순환시켜 열교환되도록 한다.


물론 고온의 열매체를 우선적으로 급탕용 시수와 일차 열교환하도록 해 열회수율을 높일 수도 있다. 또한 축열열교환기에서 열교환된 후 나오는 열매체를 지열공 보조열교환기를 통과시킴으로써 난방 시 지열공의 열교환 부하를 경감, 결과적으로 히트펌프의 운전효율을 상승시키거나 지열공 수량을 감소시킬 수 있다.


열에너지의 계통 및 구성요소-냉방 시
지열과 연료전지를 연결해 운용하게 될 경우 풍부한 열원을 갖는 지열과 연료전지 융합시스템의 특성상 난방 시 열원 활용에 의한 시스템효율 상승에 큰 도움이 될 수 있다.


그러나 냉방 시 연료전지에서 발생되는 열원에 대해 급탕부하가 클 경우 전량 급탕용 열교환 용도로 사용할 수 있으나 그렇지 못할 경우 연료전지의 효율저하로 운용될 수밖에 없다.


 더욱이 지열시스템 역시 냉방 시 지열공 내부로 높은 온도의 순환지하수 또는 열매체가 순환돼 지중 온도를 상승시키게 된다. 난방을 기준으로 연료전지의 열원 에너지를 감안해 지열공 수량을 감소시켜 운용하게 될 경우 냉방 가동 시 당연히 지열 지중열교환기의 열용량 부하를 증가시키게 돼 지중온도가 급상승하게 되고 결과적으로 지열시스템의 운용 불능 사태를 초래할 수도 있게 될 가능성도 있다.


이러한 문제를 해결하기 위해서는 지열공 순환지하수 또는 열매체 냉각을 위한 별도의 증발식 냉각탑을 구성해 냉각을 시키거나 급탕용 시수를 공급전 지열공과 히트펌프 사이에 구성한 열교환기를 통해 예비 냉각을 시도하는 방안도 모색이 가능하다.


한편 흡수식 냉온수기를 설치해 지열시스템과 결합시켜 냉방부하의 일정부분을 담당하게 하는 구성 방안도 실현성이 있다. 즉 축열 열교환기 내에 지열시스템의 열교환기에서 생산되는 냉열원과 흡수식냉온수기에서 생산된 냉열원을 함께 축열 혼합해 사용되도록 함으로써 지열 지중열교환기의 용량을 축소시켜 초기에 경제적인 시설이 가능하도록 할 수 있다 .