'수열에너지 활용을 통합 탄소중립실현 심포지엄’이 10월18일 충주세계무술박물관에서 ‘2024 친환경에너지페스티벌’ 학술대회 부대행사 열렸다. 이번 심포지엄은 ‘신재생에너지·수열에너지, 수열에너지 기술경쟁력 강화방안’을 주제로 충청북도와 충주시가 추진하는 수열특화단지 조성사업의 성공적인 완수를 위해 마련됐다.

 

개회사를 맡은 이종의 충청북도 에너지과 에너지정책팀장은 “수열전문가들과 세미나를 개최하게 돼 뜻깊다”라며 “충청북도의 수열에너지 특화단지조성사업 등을 추진하며 친환경에너지정책을 적극 추진할 것”이라고 말했다.

 

수열E 보급 활성화 방안 제안
한병주 한국수자원공사 수열에너부장은 충북지역 수열에너지 보급 확대를 위한 활성화방안에 대해 발표했다. 수열에너지는 공기보다 열회수능력이 큰 물을 이용하는 냉난방시스템으로 하천수, 해수, 표층수 등을 활용하는 방식이다. 실외기가 필요없어 도심지 열섬효과를 방지하며 에너지절감률을 기존보다 25% 높일 수 있는 시스템으로 평가받고 있다.

 

한병주 부장은 “제한된 공간 내 태양광, 지열, 수열간 의무량 달성 용이성을 분석한 결과 건축물 신재생의무비율 달성도 중 34% 달성도를 보였다”라며 “균등화 열생산비용(LCOH) 분석결과 수열 단위생산비용이 타 열원대비 경제성측면에서도 유리한 것으로 나타났다”고 강조했다.

 

지자체 등에서는 저탄소 녹색사회 전환에 기여하기 위해 수열에너지활성화 위한 제도정비를 위한 기틀이 마련되고 있으며 정부차원에서도 국고지원사업 등이 추진 중이다.

 

수열보급사업은 현재 2차까지 진행됐으며 코엑스, 판교 등에 수열에너지를 적용해 관로공사비 50% 지원 등의 사업을 진행하고 있다.

 

최근 데이터센터(DC) 수요가 급증하며 수도권에 치중된 DC를 분산하기 위한 정책도 이어지고 있다. 충주·대청댐과 지방도수관로 활용 위해 대청 수열특화단지 조성사업 타당성조사 용역이 진행 중이다.

 

수열특화단지 조성사업은 수열에너지를 활용해 충청권 중심 국가 AI사업기반을 구축하기 위한 것으로 온실가스 감축과 RE100 달성에 기여해 친환경단지를 조성하며 미래형 분산에너지시스템을 도입해 AI 선도중심 스마트기업을 유치하는 것을 비전으로 두고 있다.

 

이에 따라 DC와 스마트팜, 공동주택 등 단지배치를 통한 수열에너지 효율성을 제고하고 있으며 용도별 건축물간 시너지를 통해 DC 냉각후 온도가 높아진 물을 스마트팜이나 공동주택에 온수로 공급하거나 냉수를 직접 공급하는 방식 등을 적용할 예정이다.

 

한병주 부장은 “향후 다열원 다부처 수열공급모델 개발이 필요하다”라며 “미활용에너지나 분산에너지 활용 등 다양한 열공급모델을 활용할 예정이며 에너지스테이션(ES) 하천수 외 하수, 지하유출수 등을 활용해 다양한 수요처와 지역난방 배관망과 연계해 도시단위 열공급이 가능할 것으로 예측된다”고 말했다.

 

이어 “수열에너지를 더욱 활성화하기 위해서는 제도적 보완도 중요하다”라며 “1차에너지만 인정되고 있는 신재생에너지 범위를 미활용에너지까지 확대하는 등 수열을 적극 보급하기 위해 노력할 것”이라고 말했다.

 

탄소중립 실현, 수열E 경제성·효율성 충분

윤린 한밭대학교 기계공학과 교수는 수열에너지 경제성·효율성 평가결과에 대해 발표했다. 수열은 히트펌프를 활용한 냉난방에 가장 효율적인 열원으로 500RT급 히트펌프시스템 R&D가 진행 중이며 환경부도 R&D를 통해 수열에너지 기술개발을 활성화하고 있다.

 

수열히트펌프시스템은 전국 정수장, 수직형 정수장, 제2롯데월드 등에 설치돼 있으며 한강물환경연구소, 에코델타시티 등에서는 하천수를 활용하고 있다.

 

윤린 교수는 “수열시스템을 도심 전체로 확대하는 방식이 도입되는 것이 이상적”이라며 “이를 위한 열네트워크 기반 수열시스템 연구와 하천수 활용시스템, 수열시스템 시공·설계인력 양성, 친환경냉매 적용 등이 필요하다”고 강조했다.

 

건물유형별 하천수 에너지의 효율성을 분석한 결과 냉방을 많이 활용하는 DC나 백화점 등에 에너지효율이 30% 정도 높게 나타났으며 1차 에너지사용량 절감효과도 DC와 아파트에서 크게 발생했다.

 

연구결과를 실제 운전결과와 비교분석한 결과 수열원히트펌프의 효율이 3.9로 나타나 연구와 일치하는 결과로 연구 신뢰성을 확보했다.

 

환경부는 수열히트펌프시스템 활용도를 높이기 위해 과업을 진행해 수열시스템 통합설계 플랫폼을 제작했다. 통합설계 플랫폼은 수열히트펌프의 경제성과 COP분석 등을 손쉽게 확인하도록 하는 것을 목표로 제작됐다.

 

플랫폼을 기반으로 생애주기비용(LCC)을 분석한 결과 주택·사무실·DC가 각각 3년, 7년, 2.8년 이후 초기투자비 회수가 가능할 것이라고 분석됐다. 생애주기 환경성능(LCCP)을 분석한 결과 수열히트펌프시스템이 CO₂를 15~20% 적게 배출하는 것으로 나타났다.

 

하천수 이용에 있어서는 수온상승정도도 중요한 문제다. 플랫폼 내 모델링을 통해 하천수 온수회복률을 분석한 결과 1.7km가 흘러가면 원래 수온을 회복가능한 것으로 나타났다.

 

윤린 교수는 “현재 하천수 이용사례 낮음가 낮은 이유는 환경적 문제와 복잡한 물관리주체로 인한 것”이라며 “하천은 수온변화하면 생태계에 큰 영향을 미치기 때문에 모니터링을 통해 환경적문제 해결하며 물관리주체를 단일화해 수월성을 제공하면 하천이 충분히 이용가능할 것”이라고 예측했다.

 

DC 내 수열E 활용방안

분산에너지법은 전력시스템의 어려움 해소를 위해 도입된 법으로 탈탄소·디지털화·분산화 등으로 필요성이 증가하고 있다.
 

김형중 한국에너지공단 분산에너지실장은 DC 내 수열에너지 활용방안을 발표했다.

 

DC전력을 적기에 공급하기 위해서는 분산입지가 필요함에 따라 국내에서는 세계 최대규모 반도체 메가클러스터도 조성 중이다. 

 

국내에서는 동해안 전력 수도권 공급을 위한 전력망 확충이 필요한 상황으로 동해안에 수도권 HVDC사업이 진행 중이며 서해안 HVDC를 통한 전력망확충 필요성이 강조되고 있다.

 

분산에너지법은 지난해 법제화됐다. △대규모 발전소, 송전망 건설회피 △지역내 생산·소비 △에너지공급체계 저탄소화 등을 주요 키워드로 하고 있다. 

 

지역 안에서 전력을 직접 거래 할 수 있는 매커니즘과 ICT기술을 활용하는 가상발전소(VPP) 등을 활용해 계통안정화를 도모해 지역별 에너지수급편차를 해소하고 있으며 에너지공급체계 저탄소화를 통해 탄소중립에 박차를 가하고 있다.

 

2023년말 기준 DC는 우리나라 발전용량 2%를 소비 중이며 2027년까지 4.7GW 설치될 것으로 전망된다. 이중 수도권 수요가 약 3.9GW로 국내 5%가 DC전력으로 사용될 것이며 2030년까지 4.4GW 추가될 예정으로 수요가 급격히 증가하고 있는 상황이다.

 

이에 따라 데이터안전·보완, 전력계통, 지역균형 발전 등으로 향후 DC가 수도권밀집 시 계통문제로 입지가 어려울 것으로 예상돼 충북·강원권 등 수계보유지역이 입지측면에서 매우 유리한 대안으로 떠오르고 있다.

 

DC와 수열에너지를 활용한 사업모델은 지역기반 에너지시스템을 목표로 하는 분산에너지활성화 특별법 취지와 부합해 향후 제도 내에서 효과적인 활용이 예상된다.

 

김형중 실장은 “분산에너지로서 수열에너지와 DC활용방안에 대한 논의가 이어지고 있다”라며 “DC에서 소요되는 전력을 수열에너지에 활용하며 문제해소가 가능해 수열에너지를 활용한 신규 DC는 전력계통에 미치는 영향을 완화시킬 수 있으므로 전력계통평가제도에도 긍정적 효과가 예상된다”고 분석했다.

 

AI DC 산업동향 공유

류기훈 데우스 대표는 AI DC 산업동향을 공유했다. DC는 물류센터 이후 부상하는 시스템으로 글로벌 클라우드기업 투자가 확대되고 있는 상황이다.

 

국내는 2016년 춘천수열에너지클러스러가 240MW 규모로 조성돼 최대 10조원 가량 투자규모를 형성할 것으로 예측되고 있다.

 

최근 AI DC 트렌드는 기술고도화·규모화·친환경화이며 DC의 비수도권과 지방분산화 트렌드가 가시화될 것으로 예측되고 있다. 

 

류기훈 대표는 “한국에서도 수도권탈피를 통한 대형화와 비용최적화 설계, 글로벌 유치경쟁 등 움직임이 진행 중”이라며 “DC사업도 규모있게 가야 하며 200MW 이상 확장성을 담보해야 유리할 것”이라고 강조했다.

 

춘천은 냉방전력 80MW, IT전력 160MW를 사용할 것으로 예상되며 냉방전력에서 소양강댐 25만톤 가량 에너지가 전환되면 전력으로 변환시 나오는 용량 약 45MW로 예상돼 AI DC에 효과적인 지역으로 예측되고 있다.

 

류기훈 대표는 “전국 주요 AI DC 국내유망후보지 발굴과 클러스터 단위 DC사업기획이 진행 중”이라며 “현재 춘천, 강원도, 전남, 경남 등 대규모단지 구축이 진행되고 있는 상황으로 향후 글로벌 경쟁력 확보를 위한 핵심전략 설정이 필요하다”고 말했다.

 

수열 핵심기술 R&D·국산화 필요

송덕종 한국환경산업기술원 전문위원은 국내 수열에너지 R&D 현황을 소개했다.

 

국내는 수열냉난방·재생열하이브리드 기술개발을 통해 하천수 대상 시스템을 적용하고 있으며 수열적용을 통한 막여과 수처리공정개선 복합기술 개발과 하천수 냉난방·재생열하이브리드시스템 기술개발을 통해 500RT급 터보히트펌프를 개발하고 있다.

 

최근에는 미활용에너지를 활용해 열교환성능을 최적화해 50RT급 냉난방시스템 개발하는 공공시설 미활용에너지를 이용한 냉난방시스템사업도 진행하고 있다.

 

송덕종 위원은 “타열원·원수재활용 등 시스템적 연구의 필요성을 느껴 수열에너지 평가프로그램 개발을 위해 에너지·환경영향·경제성 평가프로그램을 개발했다”라며 “수열에너지원 활용 기반 공조시스템도 개발 중”이라고 말했다.

 

신규로 추진 중인 R&D는 국내 수열에너지시스템이 가진 기술적 이슈를 해결하는 △펌프·관망기술 △여름·겨울철 수열에너지 고온 편차 대응기술 △하이브리드 에너지믹스기술 △유해인자 방지기술 등의 기술개발이 진행 중이다. 추진예정인 R&D는 대규모 중앙집중형 수열에너지 기술개발과 분산클러스터형 수열에너지 발전기술 등이다.

 

송덕종 위원은 “하천수는 제한적 온도와 탁도만 활용하고 있어 더 많은 온도범위와 탁도를 가진 수열시스템이 필요한 상황”이라며 “수열에너지를 활용을 통한 탄소중립 실천을 위해서는 다열원 하이브리드시스템에 대한 연구개발 지속, 히트펌프 등 수열에너지 핵심설비 국산화·인증마련, 대규모 R&D 실증이 필요하다”고 말했다.

 

수열E 활성화를 위한 법제도

이영재 환경부 물산업협력과 사무관은 수열에너지 활성화를 위한 법제도에 대해 발표를 이어갔다.

 

환경부는 수열에너지 활성화방안 마련을 위한 사업을 진행 중이며 현재 강원수열클러스터 등을 추진하고 있다.

 

정부는 수열에너지 설비기준을 개정했으며 물이용 부담금 면제, 하천수 사용료 감면 등 제도와 ZEB에 수열기준 추가 등을 통한 제도적 보완이 이어지고 있다.

 

탄소중립 달성을 위해 ZEB·GR·에너지효율 향상 등이 필요한 상황 속에서 수열이 건축물 에너지절감 주요요인으로 작용할 것으로 예측되고 있다.

 

신재생에너지 보급지원을 위해 수열보급시범사업·양식어장 히트펌프지원사업 등을 진행하고 있어 수열에너지 확대기회가 마련되고 있다.

 

이영재 사무관은 “보급지원 사업은 초창기단계로 롯데월드타업 처음 도입됐다”라며 “정수장 등에 도입된 총 용량은 약 140MW급으로 보급초기단계”라고 말했다.

 

환경부는 수열설비 설계시공 매뉴얼을 통해 수열설비설계, 시공에 대한 이해부족으로 사업 지연되는 일을 방지하기 위해 설계, 시공단계별로 절차·고려사항 등에 대한 지침서를 만들었다. 

 

올해 하반기 수열 설계·시공 가이드라인을 반영할 예정으로 이를 통해 수열사업 기반을 탄탄히 할 것으로 예측된다. 매뉴얼에는 스트레이너, 펌프, 히트펌프 등 수열시스템 구성장치별 시공확인사항, 공사발주 등 전반에 대한 내용 제시예정이다.

 

최근에는 에너지공단과 함께 대용량 수열히트펌프 인증기준 제정을 위한 노력을 진행하고 있다.

 

이영재 사무관은 “최근 대용량 히트펌프는 개발됐으나 KS인증은 150RT 이하 용량만 대상으로 하고 있어 대용량 KS인증기준 제정 필요성을 느꼈다”라며 “이를 통해 해외수출 기반을 마련할 것”이라고 말했다. 

 

한편 환경부는 수열에너지 보급지원 예산을 확대해 건축물 탄소중립 핵심사업으로 추진하고 있으며 수열클러스터 전국확대하며 보급지원사업 본사업 추진·예산확대할 예정이다.

 

이영재 사무관은 “수열클러스터가 미래 먹거리 될 것”이라며 “대청댐, 충주댐 등 사업추진계획, 수자원공사 등과 수열클러스터 등 대규모 댐 대상으로 늘릴 수 있도록 정책·예산지원이 나가며 열공급 의무화 관련 사안은 산업부와 함께 이야기해 나갈 예정”이라고 말했다.

 

댐을 활용한 수열E 선진화방안

김용찬 고려대학교 교수는 댐 활용 수열에너지 선진화 방안과 수열에너지가 당면한 기술적 과제를  발표했다. 댐은 큰 규모 물 저장고로서 안정적 열원공급과 인프라를 활용한 초기투자비 절감효과를 갖추고 있다.

 

댐 호소수는 온도조건이 다른 표층수대비 우수하며 심층수는 프리쿨링 열원으로 연중 사용이 가능해 에너지클러스터 최적 입지요건을 갖추고 있다. 특히 충주 대청댐은 주요 다목적댐 용량 중 35%를 차지하며 온도조건이 유리하다.

 

댐을 적극적으로 활용하기 위해서는 적절한 실증지가 필요한 상황으로 DC를 댐 근처에 건설한 뒤 프리쿨링과 히트펌프 운영을 통해 전력사용효율(PUE)을 낮추는 방안이 대두되고 있다.

 

김용찬 교수는 “DC와 스마트팜 수요증가로 전자장비와 적정온습도 유지 위한 HVAC시스템에 많은 에너지 소비될 것”이라며 “신재생에너지 등을 활용한다면 탄소중립 달성이 가능할 것”이라고 강조했다. 

 

한편 수열에너지 활성화를 위해서는 현재 당면한 기술적 과제의 해결이 시급하다. 인프라, 취수배관 설치, 배관계통공사 등에서 높은 초기투자비용으로 대형배관공사가 어려워 기존 배관과 연계가 필요한 상황으로 이에 따라 춘천클러스터는 기존 수차발전용 방류수를 이용하고 있으며 롯데월드타워는 기존 원수관로를 이용하고 있다.

 

겨울철 수온저하로 인한 동파문제는 축열조를 이용한 열원보상운전으로 가능한데 축열조에 열 저장해둔 뒤 수온저하시 열원보상운전하는 구조로 전략 잘 세워야 효율적 운전 가능할 것이라고 예측된다. 또한 이물질에 의한 파울링을 방지하기 위해 기존여과기 주기적 세척이 필요하며 해외에서는 자동여과기 등을 적극 활용하고 있다.

 

김용찬 교수는 “수온변화에 의한 생태계 영향에 대한 문제도 해결해야 한다”라며 “수온변화 최소화하기 위해 1차적 사용유량 제한을 두어 방류온도 조절하며 적정한 방류위치를 선정해야 한다”고 강조했다.

 

기술적 문제를 해결해 댐을 활용한 수열에너지 보급이 확산된다면 표준원전 약 24기를 대체가능할 것으로 예측되고 있으며 충주·대청댐 수열클러스터는 수열기반 DC, 스마트팜, 산업시설을 조성하는 것을 목표로 하며 2050년까지 에너지자립률 80% 달성 목표에 기여할 것으로 예측된다.

 

김용찬 교수는 “댐을 활용해 수열시스템을 적용할 때 열원하이브리드 운전과 축열조 활용운전을 통한 시스템 방식 등을 고려해야 한다”라며 “GWP를 고려한 대체냉매 적용 등을 통해 향후 DC, 스마트팜 등 다양한 수요처에 활용가능할 것”이라고 말했다.