9월27일 일산 킨텍스(KINTEX)에서 개최된 ‘한국국제냉난방공조전(HARFKO 2024)’에서 ‘에너지부문·미활용에너지 전문 학술강연회’가 열렸다. 

 

이번 강연은 ‘미활용에너지 정책·탄소중립 실현기술 동향’을 주제로 대한설비공학회 미활용열에너지 전문가들이 관련정책과 기술동향을 공유하는 자리로 마련됐다.

 

 

 

정운 설비공학회 미활용에너지 전문위원장은 개회사를 통해 “데이터센터(DC) 등에 미활용열 활용수요가 증가할 것으로 예상한다”라며 “냉동기, 냉각탑 등 공조부문에서 차지하는 비중이 크다”고 말했다.

 

축사를 진행한 최준영 설비공학회장은 “우리나라는 현재 한정된 에너지원만을 대상으로 미활용열을 활용해 아쉬움이 있다”라며 “이번 강연이 미활용에너지 기술개발을 위한 아이디어와 의견교환의 장이 되길 바란다”고 말했다.

 

고덕현장 유출지하수 이용 냉난방시스템 적용사례

정대규 신성엔지니어링 팀장은 올해 연말 준공을 목표로 하고 있는 고덕현장 유출지하수 이용시스템 적용사례를 발표했다.

 

터널, 지하철, 대형건물 등에서 발생하는 유출수는 약 1억4,000만톤가량 발생 후 버려지고 있다. 유출수를 활용하기 위해 도시공사 본사나 부산 등에서 유출수로 조경, 냉난방에 활용하고 있으나 제도적 기반이 미흡한 상황이다.

 

실증장소는 복합상업시설로 9만평(297520.66㎡) 이상 연면적을 나타낸다. 총 지열용량은 1,000RT 이상으로 밀폐, 개방형 지중열교환기와 유출수가 일부 적용되고 있으며 실질 유출수 수량은 대략 1,000톤으로 지열보조열원, 클린로드, 조경수 등에 활용될 예정이다.

 

정대규 팀장은 “초기시스템 설계 시 유출수를 집수정에서 집수해 저장탱크에 저장한 뒤 열교환기 통해 35RT 용량 수열히트펌프 2개를 활용해 냉난방한 뒤 남은 지하유출수를 함양공으로 함양할 예정”이라며 “지하유출수를 하수도로 버리면 요금이 부과되지만 함양공을 통할 때에는 별도 하수도요금이 부과되지 않기 때문에 이 방식을 채택했다”고 설명했다.

 

초기 설계단계에서 운전비를 비교한 결과 2,000만원가량 운전비를 절감해 유출수 투자비회수 가능할 것으로 나타났으며 시스템COP는 유출수 활용 시 5.5로 나타나 기존대비 7~22% 향상됐다.

 

정대규 팀장은 “최종 설계단계에서 유출수탱크를 통해 중수·우수와 같이 활용한 뒤 나머지 함양공에 배출하는 방식으로 수정했다”라며 “VE(Value Engineering)를 진행한 결과 냉난방 적용시 히트펌프열교환기 설비 등에 제어가 필요했기 때문”이라고 말했다.

 

기존 설계보다는 축소된 용량이지만 대략 70RT 열량을 냉난방할 수 있는 규모로 나타났으며 실증결과 중수와 우수만 활용해도 연간 하수도요금이 1,000톤 기준 1억4,000만원 절감됐으며 온도도 겨울철 9.5℃, 여름철 15~20℃로 기존 시스템과 유사하거나 더 좋은 결과가 나타났다.

 

한편 신성엔지니어링은 수열시스템 터보 수열원히트펌프 300~1,000RT 모델개발을 완료해 향후 대형건물 광역상수, 원수 등 이용해 냉난방하는 건물을 확대할 예정이다.

 

정대규 팀장은 “탄소중립 실현을 위한 방안 고민하고 있다”라며 “서울시에서도 재생에너지 보조금 등 정책을 추진 중인 것으로 알고 있는데 제도권에서 법이 제정된다면 미활용에너지 융복합열원을 통해 기술발전과 탄소절감을 실현할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

DC 고집적 AI하이브리드 에너지효율 냉각시스템    

명태운 한국공조엔지니어링 팀장은 DC에 적용한 냉각시스템을 소개했다. DC에서 중WJAWJR으로 냉각이 필요한 주체는 전자장치가 내장돼 있는 서버로 냉각방식에 따라 공기냉각과 액냉각 방식으로 나뉜다.

 

공기냉각 방식은 서버룸에 냉각된 공기를 주입하며 상부에서 환기해 재순환 하는 구조로 코일월은 상부에 팬이, 하부에 코일이 있어 공간활용도가 높다.

 

한국공조엔지니어링의 ‘KC EC팬’은 팬휠, 모터, 제어드라이브로 구성됐다. EC팬은 멀티팬을 사용해 필요량 충족하는 구조로 DC에 필요한 용량을 모두 적용할 수 있다.

 

명태운 팀장은 “모터효율은 DC에 매우 중요하다”라며 “EC팬모터는 IE5등급보다 고효율 모터로 팬 형태와 상관없이 결합해 연결할 수 있는 제품”이라고 강조했다.

 

또한 고조파 드라이브에서 장비에 대한 모터발열이나 고장을 발생시킬 수 있는 요소를 최소화했으며 왜곡률을 줄여 효율을 높였다. 

 

한편 한국공조엔지니어링 IDC팀은 2022년부터 액냉각 방식을 채택했다. 액냉각은 실제 필요한 장비를 직·간접적으로 액체를 사용해 냉각하는 시스템이다.

 

명태운 팀장은 “기존 사용하던 랙베이스에 액침을 구성해 전체 액을 사용하는 것이 아닌 분배시스템을 구성해 CPU나 DPU 등에 직접적으로 용액이 순환되도록 하는 구조”라며 “데드존을 없애 재순환되는 것을 막았다”고 말했다.

 

액냉각시스템의 가장 큰 이점은 절연율 최소화로 공랭식 서버에 적용되는 팬을 제거하고 새시를 구성해 각 서버가 갖춘 크기나 모양에 따라 모양이 달라진다는 것이다. 또한 랙 설치 이후 용량이 커짐에 따라 요구되는 랙 구성, 확장을 용이하게 수행할 수 있으며 공기냉각방식 랙 그대로 사용해 유지관리가 수월하다.

 

자체적으로 에너지절감률을 측정한 결과 지역특정, 시설에 따라 차이가 있으나 20%에서 최대 35%까지 절약될 것으로 예상했다.

 

명태운 팀장은 “운영비용도 기존 냉각방식에 비해 줄었다”라며 “쿨링타워, 칠러를 사용해 낮은 온도에 운영 시 운영비가 더욱 절감됐다”라며 “테스트를 진행한 결과 탱크타입대비 열 저항값도 11.4까지 향상됐다”고 말했다.

 

미활용E 전환, 탄소중립·E안보 실현     

김시헌 안양대학교 교수는 미활용에너지 활용사례를 소개하며 탄소중립·에너지안보 실현을 위한 대책을 제언했다.

 

최근 정부는 △제로에너지건축물(ZEB)인증 △수열에너지클러스터 등을 통해 에너지공급체계의 지속가능한 전환을 성공적으로 달성하고자 노력하고 있으며 지역난방에 히트펌프를 활용해 에너지소모를 최소화하고 있다.

 

정부가 선정한 탄소중립 100대 기술에 포함된 미활용에너지 활용기술은 에너지전환에 중요한 역할을 할 것으로 보인다. 

 

김시헌 교수는 “청라, 검단 등에서 다양한 폐열회수 실증을 진행하고 있다”라며 “굴뚝 배기가스 폐열회수, 연료전지 폐열회수, 기기냉각수 공정열 회수 등 작업이 진행 중”이라고 말했다.

 

또한 가스, 수소산업 등에서 섹터커플링을 통한 에너지통합이 이뤄지고 있으며 P2G(Power To Gas)시스템 또한 차세대 에너지저장기술로 부각됐다.

 

김시헌 교수는 “최근에는 수열에너지에 주목하고 있다”라며 “하수열에너지는 열수요가 많은 도심부에 많이 존재하며 온도변동폭이 적은 안정적 열원으로 활발한 활용이 이뤄진다면 탄소중립 달성에 도움될 것”이라고 예상했다. 

 

수열히트펌프를 이용하는 경우 스크류압축기를 적용해 높은 압축비에 대응할 수 있어 가스보일러와 비교했을 때 운전비를 58% 절감하며 CO₂를 76% 감축시킬 수 있다.

 

해외 트렌드에 발맞춰 국내에서도 물에너지 전환을 위한 실증이 활발하다. 하수, 상수, 해수 등 다양한 수열원이 활용되고 있는 상황으로 서울 롯데월드타워는 원수열 3,000RT를 활용하고 있으며 KT 방학지사에서도 지하유출수를 활용해 냉난방시스템을 운영하고 있다. 

 

김시헌 교수는 “다양한 물을 활용해 에너지를 절감하면 탁월한 효과를 얻을 수 있을 것”이라며 “수열을 활용한 복합열원시스템, 프리쿨링시스템, 대수층 축열시스템 등 기술개발이 활성화되길 바란다”고 제언했다.

 

미활용에너지 확대를 위한 이슈와 핵심기술

이윤빈 한국에너지기술평가원 PD는 미활용에너지 확대를 위한 이슈와 핵심기술에 대한 발표를 이어갔다.

 

미활용되는 에너지는 주로 열에너지로 최근 공정과정이 발전됨에 따라 더욱 안정적인 운영이 필요하며 최종 사용단계에서 배출된 에너지를 어떻게 사용할 것인가에 대한 논의와 기술개발 움직임이 활발히 이뤄지고 있다.

 

에너지효율을 높이는 것이 중요한 DC는 칩냉각 후 발생하는 폐열을 활용하기 위한 연구를 진행하고 있으며 열전(TEG)을 이용하는 기술을 통해 소자에서 모듈시스템까지 전주기적 기술을 개발하고 있으며 향후 금속가공공정, 선박 등에 활용될 예정이다.

 

미활용에너지는 고부가가치 산업에도 활용할 수 있는데 최근 버려진 열을 활용해 실내에서 작물을 재배하는 식물공장 R&D도 주목받고 있다.

 

한편 미활용에너지는 기존 기술보다 높은 수준의 기술이 필요해 관련한 연구지원활성화를 위한 노력이 필요하다.

 

R&D에 대한 지원이 중요할 것으로 보이는데 우리나라도 충분한 기술력을 갖춰 선진국과 격차 줄이고 있지만 지원이 없다면 중국과 경쟁에서도 위험하다는 의견도 있다.

 

이윤빈 PD는 “미활용열은 온도, 공간, 시간적 조건을 모두 충족해야 하는 까다로운 시스템”이라며 “물리적 거리를 좁히는 등 활용을 최대한 효율적으로 진행할 방안을 찾아야 할 것으로 보이며 시장참여자들이 서로 정보를 교환하며 데이터를 잘 확보해 성공사례를 만들어 가야할 것”이라고 강조했다.

 

서울시 미활용에너지 정책동향    
서울시는 연료전지 폐열, 하수열 등 에너지신산업 개발을 활성화하고 있다. 이경택 서울시 녹색에너지과 팀장은 서울시 미활용에너지 활용사례를 발표했다.

 

탄소중립에 대한 국내·외 상황으로는 국가온실가스감축목표(NDC)를 5년 주기로 제출해야 하며 EU는 탄소국경조정제도를 통해 제품공정에서 사용되는 탄소량을 명시하도록 했다. 2026년에는 ESG 공시기준이 확정돼 공시에 따라 탄소배출량을 측정해야 한다.

 

서울시는 국제상황에 발맞춰 온실가스 총량제를 시범운영하고 있으며 녹색건축물, ZEB 추진 등 저탄소 에너지원에 대한 개발을 확대하고 있으며 건물부분 탄소배출량이 70%인 서울시 에너지효율향상을 위한 방안으로 미활용에너지를 주목하고 있다

 

이경택 팀장은 “서울시 정책기조는 에너지소비량을 자체적으로 절약하는 것”이라며 “내년 시행되는 분산에너지법 따른 전력차등 요금제도 고려하고 있으며 전력자립 에너지효율화에 앞장서고자 한다”고 강조했다.

 

서울시는 국내 최초로 연료전지 폐열을 활용한 수소연료전지 발전소를 준공했으며 기후변화 대응을 위한 혁신기술사업 등을 추진하고 있다.

 

향후에는 유출지하수 활용해 공공시설을 냉난방하는 정책을 내년부터 시범운영 할 예정이며 연료전지 폐열, 하수열 등 에너지신산업을 신설할 계획이다. 

 

이경택 팀장은 “방류되는 물을 활용하는 사업을 신설할 예정이며 상수도시설을 이용해 수열을 공급할 방침”이라며 “수력발전과 홍제천 등 하천 유지용수, 지하유출수를 이용하는 등 건물부문 온실가스 감축을 위한 다양한 신사업을 개발하고 있다”고 말했다.