대한설비공학회 축열전문위원회(위원장 서정식 냉동공조인증센터 박사)는 6월20일 용평리조트 타워콘도에서 열린 설비공학회 2024년 하계학술대회에서 특별세션을 진행했다. 

혼합축열조, 5:5 비율 충전 PCM축열조 적합

권민지 한밭대 친환경연구시스템연구실 석사과정은 '혼합수축열조 내 축열재 구성비율에 따른 축열 성능평가'에 대해 발표했다. 지구의 평균온도가 상승하며 극심한 폭염, 강한 폭우, 장기 가뭄, 그리고 극지방의 해빙 등 이상기후현상이 발생하고 있다. 이에 따라 많은 연구진이 지구온도 상승을 막고 이상기후를 관리하기 위해 신재생에너지 개발 등의 연구를 진행하고 있다. 

우리나라도 남는 전력을 난방에 사용하는 P2H(Power-to-Heat) 기술 등 다양한 에너지절감 기술을 개발하며 연구를 진행하고 있다. P2H 기술에서 중심 장치 중 하나는 축열조다. 축열조를 사용해 에너지를 저장하는데 이를 더욱더 효율적으로 에너지를 저장하기 위해 PCM(Phase Change Material)을 사용하며 이에 관한 연구가 많이 진행되고 있다. 

냉방 및 난방용 PCM이 충전된 혼합 축열조는 여름에는 축냉·방냉모드로 운전이 되며 겨울철에는 축열 및 방열 모드로 운전이 돼 설치면적 등을 줄일 수 있다는 장점이 존재한다.

축냉과 방냉의 경우 냉방전용 PCM과 물의 유입온도 등의 영향으로 축열 및 방열에 비해 에너지저장량과 방출되는 양이 적고 소요시간이 길어진다. 축냉의 경우, 냉방 에너지를 가장 많이 저장할 수 있는 축열조의 PCM 비율은 7:3으로, 총 1,100.31MJ을 저장할 수 있다. 그러나 이는 322분, 즉 약 5시간이 소요되는 단점이 있다. 이번 시뮬레이션에서 사용된 축열조가 현장에서 사용되는 것보다 작다는 점을 고려할 때 현장에서 더 많은 시간이 소요될 것으로 예상된다.

또한 냉방에너지를 방출할 때는 저장할 때와는 반대로 소요시간이 더 짧다. 이러한 이유는 냉방전용 PCM의 상변화 온도가 기존 저장된 물의 온도인 3.5℃와 차이가 작으므로 축냉 과정보다 상변화가 빨리 일어나기 때문이라고 판단된다. 이러한 결과를 토대로 축냉을 진행할 때, 충전된 PCM의 비율에 따라 저장되는 냉방 에너지의 양이 크게 변동하므로 사용지역에 맞는 적합한 비율을 고려해야 함을 알 수 있다.

권 석사과정은 “축열은 저장되는 열에너지의 양이 7:3으로 충전된 경우를 제외하고는 비율에 따라 큰 차이가 없었으나 축냉은 비율에 따라 저장되는 냉방 에너지의 양의 차이가 뚜렷했다”라며 “PCM의 상변화 온도, 잠열량, 그리고 유입되는 물의 온도 등의 영향으로 축열보다는 축냉이 더 오랜 시간이 소요되며 열에너지보다 훨씬 적은 냉방에너지가 저장되는 것을 확인했다”고 말했다.

이어 “열에너지 위주로 사용하는 지역의 경우에는 냉방전용 PCM과 난방전용 PCM의 비율이 4:6으로 충전된 PCM 축열조를 추천하며 냉방에너지 위주로 사용하는 지역의 경우에는 반대로 7:3 비율로 PCM이 충전된 축열조를 사용하는 것이 적합하다고 판단된다”라며 “축열과 축냉을 모두 고려할 때 5:5의 비율로 충전된 PCM 축열조가 적합하다”고 밝혔다.

카르노배터리, 대용량 전력 열형태 저장⋯발전사이클 활용

조준현 한국에너지기술연구원(KIER) 연구원은 ‘카르노배터리 IEA 국제공동연구 현황 및 KIER 고온 열저장 연구 현황’에 대해 발표했다. 

제10차 전력수급계획에 따르면 국내 재생 발전원 증가에 따라 2036년에는 20.85GW/124.97GWh 용량의 양수발전 이외의 장주기 ESS 기술이 필요하다. 현재 국내 발전설비가 약 100GW임을 생각한다 20%에 해당하는 신규 설비가 필요하다는 뜻이며 이에 상용 양수발전 수준의 경제성(균등화전력저장비용, LCOS ~ 0.1$/kWh)을 가지는 대용량, 장주기 ESS 기술이 필요하나 현재 마땅한 기술이 없는 상황이다. 

한편 탄소중립 달성을 위한 산업 공정열 탈탄소화를 위해, 열공급 기기의 전기화 기술이 새롭게 필요한 상황이 도래했으나 전기히터 이외의 기술은 기술 개발 초기단계로 경제성 확보가 어렵다. 이에 따라 대용량의 전력을 열 형태로 저장하며 발전사이클을 활용해 전력을 다시 생산하거나 저장된 열을 공정열로 직접 이용이 가능한 카르노배터리(Carnot Battery) 기술이 그 대안으로 주목받고 있으며 독일을 포함한 유럽 및 미국을 중심으로 2020년을 기점으로 기술개발이 가속화되고 있다.

국제에너지기구(IEA) 내 에너지저장분과에서 카르노배터리에 대한 공식적인 국제공동연구프로그램(Annex 또는 Task로 표시)이 2020년 Task 36 on Carnot Battery로 시작했다. 

독일 DLR 주도로 13개국, 16개 기업을 포함한 40개 이상의 기관이 참여해 각국의 기술개발 개념을 공유, 카르노배터리분야 활성화를 위한 토론을 진행하며 카르노 배터리기술 정의 및 분류, 개발방향에 대한 국제적 공통의견을 마련했다.

2024년 후속 프로그램으로 Task 44가 발족됐으며 독일 DLR 주도로 14개국, 30개 이상의 기관이 참여해 카르노배터리 실증 및 사업, 정책적 결정을 위한 글로벌 R&D 방향 및 기술의 효과에 대한 논의를 시작했다. 한국에서는 KIER에서 대표로 참여중이다.

조 연구원은 “국내 전력수급계획에 따라 석탄발전소는 모두 폐지 예정이며 가스화력 또한 2050년까지 대부분 폐지 예정이다”라며 “국내 산업단지 내 열공급용 화력 기반 열병합 플랜트들 또한 순차적으로 폐지 또는 전환될 것으로 예상된다”고 말했다.

이어 “이로 인해 막대한 좌초자산 발생, 발전소 기반 일자리 감소, 관련 중소기업 및 지역 경제 침체 등이 예산된다”라며 “KIER에서는 기존 화력 플랜트의 보일러를 전력-열저장 시스템으로 대체하고 기존 증기터빈계통, 송배전설비 등을 그대로 활용해 ESS 기능 및 그린 열공급이 동시에 가능한 카르노배터리로 레트로핏 할 수 있는 개념에 대해 연구중이며 핵심기술로 기존 터빈구동을 위한 고온·고압 증기를 생산할 수 있는 열저장시스템에 집중하고 있다”고 밝혔다.

지열히트펌프, 운영비용 18.5%절감

김득원 한국에너지기술연구원(KIER) 연구원은 ‘다중 축열시스템을 이용한 양방향열거래 실증운전결과 분석’에 대해 발표했다. 

축열식 히트펌프시스템은 열에너지시스템의 전기화를 위해 가장 효과적인 에너지설비 중 하나이다. 고효율설비인 히트펌프시스템은 다양한 재생에너지열원과 연계가 가능하며 축열조를 통한 열저장은 재생에너지의 간헐성을 완화할 수 있다. 최근에는 재생에너지 발전시스템의 잉여전력을 열에너지로 변환할 때 적용되고 있어 축열조는 에너지시스템을 효율적으로 구성하기 위한 필수적인 설비 중 하나이다.  

KIER은 다양한 축열조와 결합된 히트펌프시스템에 대한 실증연구를 진행, 기존 축열식 히트펌프시스템의 열공급 방식인 중앙공급방식의 단방향 열공급방식을 개선한 양방향열거래를 지원하는 축열식 히트펌프시스템을 도입했다. 이를 통해 다양한 신재생에너지원과 결합된 축열식 히트펌프시스템의 기술적 가능성을 확인했으며 양방향열거래 운전을 통한 운영비용 감축효과를 확인했다. 

실증대상지는 부산 강서구 명지국제도시에 위치한 에코델타시티에 위치하며 대수층을 이용한 지중축열조(ATES), 보어홀을 활용한 지중축열조(BTES), 탱크타입의 수축열조(TTES)등 3종의 축열시스템이 설치됐다. 

ATES와 BTES는 히트펌프와 연계돼 열에너지를 생산해 탱크타입의 수축열조인 허브축열조에 열에너지를 저장한다. 또한 실증단지에는 태양열, 지열, 수열, 연료전지 등 4종 신재생열에너지를 활용하는 시스템이 구축됐는데 이중 태양열은 태양열집열기를 통해 생산된 열을 냉방기간에는 BTES에 저장하고 난방기간에는 허브축열조에 저장한다. 

실증 운전기간은 자동제어시스템이 구축완료된 2023년 7월20일부터 2024년 2월29일까지며 실증 운전기간 중 냉방기간은 2023년 7월20일부터 10월25일 까지며 난방기간은 2023년 10월26일부터 2024년 2월29일까지다. 냉방기간의 경우 양방향열거래 운전의 기술적 가능성을 확인하기 위한 운전을 진행했으며 난방기간의 경우 하나의 프로슈머에서 열공급이 이루어지는 에너지설비의 공유모드, 고효율 에너지설비기동에 따른 온실가스 발생최소를 위한모드, 시간별 차등 전력요금에 따른 운영비용최소를 위한 모드 등에 대한 운전을 진행했다. 

김 연구원은 “연구 결과 신재생에너지원을 통한 냉열 총 생산량은 234MWh이며 온열 총 생산량은 512MWh로 대부분의 열생산은 지열 히트펌프를 통해 이뤄졌다”라며 “양방향열거래 운전을 통해 실증 운전기간 중 23년12월18일부터 26일까지의 기간동안 기존 자체 운전방식대비 운영비용을 약 18.5% 절감했다”고 밝혔다.