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[HVAC KOREA] 차세대 지역난방 도입사례 및 방향

집단에너지분야 새로운 먹거리 개척



국내 지역난방 열사용량은 지속적으로 증가하고 새로운 먹거리 창출이라는 측면에서 신재생에너지를 활용하는 차세대 지역난방시스템 도입에 대한 필요성이 강조되고 있다.

이에 따라 지난 2월22~24일까지 개최된 ‘2018 HVAC KOREA’ 전시회 세미나인 ‘차세대 지역난방 도입사례 및 방향’ 섹션에서는 지역난방공사의 차세대 지역난방 도입계획을 듣고 해외 4세대 지역난방 도입사례 및 현재 추진되고 있는 연구개발 사례, 연관기업들의 기술개발 현황 등을 점검해봤다.

김희훈 지역난방공사 차장은 ‘신재생에너지 융복합 지역냉난방 공급방안(새로운 지역난방 공급시스템을 중심으로)’라는 주제로 발표를 진행했다.

정부의 신재생에너지 육성의에 힘입어 국내 발전사들도 신성장동력 확보를 위한 신재생사업을 추진하고 있지만 전기중심의 개발이 이뤄지고 있다. 이에 따라 냉난방분야에서도 신재생에너지를 활용한 신사업모델 발굴이 필요한 상황이다.

하지만 신재생에너지를 지역난방에 적용하기 위해서는 몇 가지 풀어야 할 과제가 남아있다. 지열·하수열 등의 열을 히트펌프로 활용할 시 60℃ 내외의 열이 생산, 115℃인 지역난방과 직접 연결이 어렵고 신재생에너지 특성 상 계절별 생산량과 사용량이 불일치한다는 점이다. 

이를 위해서는 기존 지역냉난방 방식을 개선할 필요가 있는데 이것이 차세대 지역난방의 형태로 볼 수 있다. 중온수를 사용하는 현재 시스템과 달리 30~70℃ 저온수를 사용하는 시스템은 4세대 지역난방으로 정립됐다.

특히 열수요 감소 및 가용 재생에너지원 증대에 따라 새로운 지역난방공급모델 개발 필요성이 대두되고 있다. 저온 지역난방으로 열수송관 열손실 저감, 회수온도 저하에 따른 열원시설의 전기생산 증가 등 지역난방 전체 시스템의 효율성이 증대되는 효과를 기대할 수 있다.

해외사례를 살펴보면 덴마크 Albertslund市에서는 2015년 총 2,000세대를 대상으로 4세대 지역난방을 공급하고 있다. 2019년까지 단계적 확대가 시행될 예정으로 기존대비 60%의 열손실을 저감했으며 추후 재생에너지도 도입할 계획이다.

국내에서도 여러 가지 형태의 4세대 지역난방 사업모델을 구상하고 있다. △지능형 양방향 열거래 시범사업 △미활용 잠재열 활용 시범사업 △신재생에너지 자립마을 시범사업 △한국형 4세대 지역난방사업(신재생에너지 융합형) 등이 있다.

특히 한국형 4세대 지역난방사업은 스마트히트그리드 개념을 도입한 양방향 열거래모델이다. 경제성 미확보 및 관리소홀로 인해 비효율적으로 운영되는 신재생에너지설비의 최적운전이 가능하고 양방향 열거래사업 기반 확보 및 정부의 신재생에너지 확대보급 정책에도 부응할 것으로 기대된다.

김희훈 차장은 “향후 서울시 및 세종시와 협력해 약 500세대 규모의 시범사업 대상지를 확보함으로써 신재생에너지 활용 스마트히트그리드 핵심기술 도출 및 한국형 4세대 지역난방 사업을 지속 추진할 방침”이라고 밝혔다.

이원호 GS파워주식회사 과장은 ‘미활용에너지회수에 의한 대규모 지역난방 공급 실증사례 분석’을 발표했다.

하·폐수열, 각종 냉각열, 발전소 온배수, 데이터센터 등에서 버려지고 있는 미활용에너지의 열을 흡수해 50℃의 지역난방수 환수를 80℃로 상승시켜 적은 에너지로 다시 승온시킨 후 수요처에 재공급하는 시스템이다.

GS파워는 히트펌프를 이용해 전기와 스팀을 구동력으로 미활용에너지를 회수, 지역난방 생산공정에 활용하고 있다. 이러한 원리로 열병합발전소 내 △설비기기 냉각열 △LNG연소 잠열  △변전압 방열손실 등 미활용에너지를 회수하고 있다.

또한 염색산업단지의 하수처리시설로부터 19.8Gcal/h의 열을 회수해 지역난방에 공급하고 있으며 GS타워의 데이터센터 항온항습에 냉수를 공급하는 동시에 회수되는 냉각열을 건물난방에 공급하고 있다.

추진되고 있는 미활용에너지 개발로는 연소설비의 배기가스 수분제거 및 재가열을 통한 가시 백연제거 기술이 있다. 이를 통해 얻을 수 있는 추가 열출력은 △LNG보일러 7~8% △LNG열병합 7~8% △소각로 20% △연료전지(MCFC) 80%로 예상된다.

이원호 과장은 “발전소온배수, 지열, 태양열, 연료전지(PAFC, MCFC) 등 신재생에너지를 통한 열회수 기술을 실증하고 있다”라며 “또한 사업자 간 대규모 열거래네트워크에 있어 초대온도차(115℃→25℃) 실현을 통한 열거래량 증대 및 열생산 단가감축도 기대된다”고 말했다.

허재혁 한국에너지기술연구원 선임연구원은 ‘진천 친환경에너지타운의 마이크로 열그리드 현황’에 대해 발표했다.

진천 친환경에너지타운은 충북 혁신도시 내 수질복원센터(하수처리장) 및 인근 공공건물 지역을 대상으로 신재생에너지 융복합 이용을 통한 단위지역 에너지자립을 이루는 것이다. 생산된 전기에너지는 매전해 주민복지 및 시설운영비로 활용하고 열에너지는 연중 안정적 이용을 위한 계간축열식 블록히팅 시스템 도입으로 에너지자립을 꾀한다.

진천 친환경에너지타운은 태양광, 연료전지, 태양열, 지열, 하수열 등 다양한 신재생에너지를 융봅합해 전기 및 열에너지 100% 자립타운을 구현하는 것이 특징이며 계간축열을 이용해 봄~가을 잉여 열에너지를 저장, 동절기 난방 및 급탕용으로 이용한다.

주요 설비의 제원으로는 △지열히트펌프 175kW×1 △수열히트펌프 181kW×2 △태양열 설비 평판형 399매, 진공관형 198매 △계간축열조 △블럭히팅시스템 △연료전지 5kW×2 △심야축열조 등이 있다.

진천 친환경에너지타운으로 얻을 수 있는 경제사회적 기대효과는 연 300toe 및 주택 100~110가구 열공급을 담당할 수 있는 신재생에너지 보급에 기여하고 소나무 11만그루에 해당되는 온실가스를 감축할 수 있다.

특히 현재 기준으로 투자회수시간은 23년이지만 설계 개선 후 정부보조 50% 시 약 8년으로 단축될 수 있다. 이번 기술을 통해 추후 에너지자립타운, 에너지자립도시 등 신도시 구축 또는 도시환경개선을 기획중인 지자체와 신재생융복합형 중대규모 단지 시공건설사 등이 크게 활용할 것으로 기대된다.

김시헌 (주)센도리 부사장은 ‘공공시설(지하철, 지하상가) 내 미활용에너지를 이용한 냉난방시스템 개발’을 주제발표했다.

이번 사업은 한국에너지기술평가원의 에너지수요관리핵심기술개발분야 연구과제로 센도리가 주관으로 지역난방공사, 서울교통공사, 에너지기술연구원, 한양대, 과학기술원 등이 참여해 2020년까지 총 36개월에 걸쳐 수행된다.

우리가 살고 있는 도시지역은 높은 에너지사용밀도를 지니고 있으며 특히 지하철 역사는 미활용에너지의 부존량이 높음에도 불구하고 이를 이용하지 않고 있다. 또한 지하철이나 터널 같은 지하구조물 시설에는 다량의 유출지하수가 발생하고 공기유동으로 인한 열적 불쾌감도 느낄 수 있다.

이에 따라 도심지역에서 미활용되고 있는 각종 에너지를 회수해 인근 지역에 공급함으로써 경제성 확보와 공공시설의 쾌적성 향상을 충족할 수 있는 기술개발이 필요한 실정이다.

이번 기술개발의 최종목표는 공공시설 미활용에너지를 이용한 냉난방시스템 개발과 비즈니스 모델 및 사업화 전략 수립으로 △환기열, 터널내부열, 지하유출수 등 다양한 미활용열원과 연계된 냉난방시스템 구축 △지하철 역사내 미 활용 열원 환경에 대응 가능한 최적 열회수시스템 개발 △지하철 역사 환경 특성 대응 공조시스템 개발 △미활용에너지를 이용한 냉난방시스템 경제성 극대화 전략 등이 포함됐다.

미활용에너지를 활용한 냉난방시스템 개발로 △IoT 기술융합 고효율 히트펌프시스템 △복사냉난방 시스템 △축열 및 ESS시스템 △폐열회수 시스템 △고효율 수열원 회수 열교환기 개발 △복사냉난방 기술개발 △미활용에너지와 지역난방시설 연계 냉난방 비즈니스 모델 등이 포함됐다.

김시헌 부사장은 “해외의 지하철 지하유출수 및 환기열 이용 사례를 살펴보면 영국 Glasgow시 및 런던 Islinton에서는 지역난방 연계공급을 하고 있고 프랑스 Paris시 역사 인근 건물 및 공동주택에 열을 공급하고 있다”라며 “일본 Sapporo시에서도 지역난방 연계 및 도로 융설에 지하철 역사 미활용에너지를, 국내에서도 제2 롯데월드타워에 원수열을 이용해 3,000RT급 미활용에너지를 사용한 사례가 있다”고 설명했다.

황동곤 우원엠앤이 본부장은 ‘차세대 지역난방시스템 소개’를 주제로 발표했다. 지역난방은 지금까지 3세대를 거쳐 발전돼왔으며 2020년경 저온수를 이용한 4세대 지역난방을 지향하고 있다.

대표적인 해외 4세대 지역난방 적용지역으로는 △덴마크 Albertslund시 △덴마크 Lystrup시 △캐나다 Okotos시 △터키 Kirshehir시 △영국 Chalvey시 △독일 Ludwigsburg시 등이 있다. 이중 캐나다 Okotos시는 태양열 △터키 Kirshehir시는 지열 △영국 Chalvey시는 태양광, 태양열, 바이오매스, 공기열, 지열 등 재생에너지만으로 지역난방을 운영하고 있어 차세대 지역난방모델로 주목받고 있다.

이는 국내·외적으로 건축물에너지 절약정책에 따른 열수요의 지속적인 감소와 신재생에너지 활용 증가에 따른 새로운 지역난방시스템으로 효율성 증대 필요, 저온 열공급에 따른 가용 재생에너지 열원범위 확대 등에 기인한다.

4세대 지역난방은 열공급과 열분배 측면에서 장점을 보유하고 있다. 

열공급 측면에서는 기존 지역난방보다 낮은 온도공급으로 인해 보다 많은 전기생산이 가능해지고 더 낮은 회수온도에 따라 직접적인 배기가스 응축이 가능하다. 낮은 열공급 온도는 히트펌프 응축기에서의 온도, 압력을 낮추며 적은 전기사용으로 히트펌프의 COP 향상이 가능해진다. 또한 저온열원 및 열저장시설 활용증대와 지열이나 태양열과 같은 신재생에너지의 활용성도 증대된다.

열분배 측면에서는 지역난방 네트워크에서의 열손실이 감소되고 줄어든 열수요와 열손실로 인해 낮아진 공급온도로 배관 열응력(Thermal Stress) 감소, 저온 열공급으로 강관 이외의 배관 재질사용 가능 등이 있다.

황동곤 부사장은 “향후 사업화 가능 지역 조사, 다수의 시범사업 후보단지 선정 및 사업타당성 분석과 지자체, 사업자, 사용자의 비용편익분석을 통한 사업화 모델 검토가 남은 과제”라며 “회수수를 이용한 저온 열공급을 위해 적용 가능한 신재생에너지원 연계시 최적 조합 설계 및 최적제어, 운영방안 연구 등도 필요하다”고 설명했다.