국내 최초 300RT규모 분산형 집단냉난방시스템 실증이 본격 추진된다. 

 

최근 기후변화에 따른 에너지패러다임 전환으로 분산형시스템이 확산되며 세계적으로 저엑서지 집단냉난방시스템 필요성 증가하고 있다.

 

특히 분산형 신재생에너지증가에 따른 30℃ 이하 저온냉난방배관망을 활용한 집단냉난방시스템 필요성이 더욱 커지며 에너지패러다임의 전환에 대응가능한 저엑서지 집단냉난방시스템이 필요하다.

 

이에 따라 한국에너지기술평가원은 국내 최초로 5세대 지역냉난방 구축을 위한 ‘분산형 차세대 집단냉난방’ R&D과제를 발표했으며 앱트뉴로사이언스 컨소시엄이 이번 과제를 수주했다.

 

앱트뉴로사이언스 컨소시엄은 △한국과학기술연구원(KIST) △한양대학교 △누리플렉스 △한국전자기술연구원(KETI) △라온프렌즈 △가천대학교 △한국EMS협회 △서울연구원 △서울에너지공사 △한국산업기술시험원(KTL) △한국건설생활환경시험연구원(KCL) △에너클 △GS파워 등이 참여하고 있다. 

 

지난 6월27일 앱트뉴로사이언스 컨소시엄은 킥오프회의를 열어 14개 참여기관 모여 Smart iTEN 추진방향에 대한 공유 진행했다.

 

 

Smart iTEN 기술개발 박차…LCOH 95원 목표

컨소시엄은 균등화열생산비용(LCOH) 95원이라는 도전적 목표를 설정하며 재생에너지 미활용에너지 사용률 70% 향상, 탄소배출저감률 50% 향상, 단위면적당 연간 에너지사용량절감률 40% 향상을 목표로 하고 있다. 또한 종합시스템 COP 3.0과 실증누적운전시간 6,000시간을 목표로 기술개발을 추진할 방침이다.

 

이번에 개발될 Smart iTEN는 탄소중립과 국가위상제고에 기여할 것을 목표로 진행되며 실증 시 모듈적용해 스마트도시단위로 확장가능한 기술이다.

 

실증은 서울클러스터와 나주스포츠파크 등에서 이뤄진다. 또한 향후 서울시 모아주택 등에 적용을 통해 조기사업화를 진행할 방침이다.

 

 

Smart iTEN 기술은 △플랫폼 △인프라 △서비스 등을 중심으로 10대 핵심기술로 구성된다. 플랫폼 기술개발을 통해 △분산형·수요주도형기술 △열공급설비공유기술 △지역열원분석기술 등이 구축될 예정이다.

 

또한 인프라로 △순환형 에너지네트워크기술 △최적설계기술 △열회복기술 등이 개발될 예정이며 서비스측면에서는 △에너지통합플랫폼기술 △열에너지등급최적화기술 △저온열배관 유지관리기술 등이 활용될 예정이며 정책제도, 요금개선안 등도 도출된다.

 

박시삼 CTO는 “열손실최소화를 통한 COP 향상기술을 접목해 필요없는 열손실을 줄일 것”이라며 “향후 탄소배출권거래제 참여에 참여해 부가수익 5,000만원을 창출하는 것이 목표”라고 말했다.

 

컨소시엄은 1~2차연도에 기술협력 실증단지 등에 대한 사전분석이 완료될 예정이며 메인실증단지를 2~3차연도에 걸쳐 구축완료한 뒤 4차연도에 본격적인 실증을 진행할 예정이다.

 

PoC 실증단지인 나주 스포츠파크에는 히트펌프를 설치할 예정으로 P2H와 동시냉난방기술 등이 적용될 예정이다. 메인실증단지인 서울연구원에는 △인클라이너 열교환기 30RT △공기열 70RT △폐열회수열교환기 50RT △배수지튜브형열교환기120RT △하수관거형 열교환기 30RT 등이 설치될 예정이다.

 

박시삼 앱트뉴로사이언스 CTO는 “지속적인 운영을 위해 SPC를 구축할 것”이라며 “올해 600세대 규모 모아타운에 적용하는 것을 검토할 예정”이라고 강조했다.

 

Smart iTEN 인프라·플랫폼·시스템 종합설계

 

 

Smart iTEN 인프라 개발은 △앱트뉴로사이언스 △한국과학기술연구원(KIST) △한양대학교 등이 담당한다. 앱트뉴로사이언스는 복합열원히트펌프 융합운전기술을 개발한다. LCOH 95원을 달성하기 위한 에너지이용률향상 및 에너지네트워크 운전기술 개발을 진행할 예정이다.

 

주요 개발항목은 인클라인드 지중열교환기와 냉난방 동시부하저리를 위핸 히트펌프 및 폐열회수시스템을 개발할 예정이다.

 

나주 POC에는 100KW 공기열원히트펌프 설계·시공할 예정이며 설계·시공·운영 유지관리가능한 통합시스템을 구축할 예정이다.

 

1차연도에는 복합열원기반 운전시나리오 및 프로파일 구성할 예정이며 2차연도에는 열원부설계, 열전도도측정 등을 통한 운영시나리오 적용방안을 수립한다. 3차연도에는 서울클러스터 대상 실증연구를 진행할 예정이며 4차연도에는 실증지 운영을 기반으로 개선방안이나 고도화방안을 도출할 예정이다.

 

한국과학기술연구원(KIST)은 잠열축열조설계와 밀리스케일 PCM 캡슐화기술을 개발할 예정이다. 잠열축열조는 원통형 구조로 1,000L급 축열조가 제작될 것으로 예상된다.

 

1차연도에는 상변화물질 후보군을 조사·선정하며 CFD를 수행한다. 2차연도에는 캡슐을 제작하며 성능시험을 실시할 예정이다.

 

3차연도에는 내구성테스트와 실증용시스템을 구축할 예정이다. 4차연도에는 캡슐화기술을 개발완료할 예정이며 실증시스템을 보완할 계획이다.

 

한양대학교는 재생에너지 미활용에너지회수 및 재활용 최적기술을 개발한다 이를 통해 시스템종합COP 향상을 위한 최적운영기술이 개발될 예정이다.

 

1차연도에는 개념설계와 기초연구를 수행하며 2차연도에는 차세대 집단냉난방을 위한 양방향열교환기술을 연구하며 COP향상을 위한 운영모델을 개발한다. 3차연도에는 운영모델을 고도화하며 4차연도에는 열교환 최적화기술을 개발해 COP효율향상효과를 얻을 예정이다.

 

배지웅 한양대 조교수는 “최적열교환기술개발을 통한 재생에너지와 미활용열에너지회수·재활용향상방안을 마련할 것”이라며 “히트펌프와 에너지저장장치 최적운영알고리즘개발을 통한 시스템 및 열네트워크효율향상방안이 마련될 예정”이라고 말했다.

 

 

Smart iTEN 플랫폼개발은 △누리플렉스 △한국전자기술연구원(KETI) △라온프렌즈 △가천대학교 △한국EMS협회 등이 담당한다.

 

누리플렉스는 열네트워크 효율최적화를 위한 AI기반 자동화·원격관리시스템을 구현한다. 스마트아이템에이전트를 개발해 건물을 단일로 볼 수 있는 기기 만들어 한 건물 관리하도록 할 예정이다. 이를 통해 커뮤니티별 개별관리, 데이터수집 등이 가능할 것으로 예상된다.

 

스마트아이템에이전트는 다수건물을 커뮤니티화하고 건물별 데이터수집을 개별관리하는 Smart iTEN-agent 기술 확보할 수 있는 기술이다.

 

1차연도에는 Smart iTEN플랫폼과 모델설계가 진행되며 2차연도에는 에이전트 하드웨어를 설계하며 본격적인 플랫폼환경을 구현할 예정이다.

 

3차연도에는 Smart iTEN 통합운영플랫폼의 데이터연동모델을 구현하며 네트워크를 구축할 예정이다. 4차연도에는 Smart iTEN 통합운영플랫폼실증이 진행된다. 이 때 에이전트와 통합운영플랫폼 연계실증도 진행될 예정이다.

 

플랫폼 실증 시 구축된 플랫폼 활용해 알고리즘, 아웃풋제어신호 등을 분석할 예정이며 열네트워크효율 최적화를 위한 ai기반 자동화·원격관리시스템 구현을 통해 분산형 차세대 집단냉난방시스템 통합운영플랫폼을 확보할 예정이다.

 

KETI는 분산에너지기반 양방향 차세대 집단냉난방열네트워크최적운영기술을 개발한다. 차세대 집단냉난방 열네트워크 최적운영알고리즘기술은 저온, 양방향, 냉난방열네트워크의 에너지효율 향상을 위한 최적운영기술로 이 때 에너지허브 역할이 중요할 것으로 예상된다.

 

1차연도에는 운영관련기술분석, 기술적용연구, 시스템요구사항 분석 등이 진행되며 2차연도에는 기본운영시나리오를 구성하고 냉난방시뮬레이션기술을 제작할 예정이다.

 

3차연도는 에너지허브와 수요건물을 연계해 실증을 진행하며 운영알고리즘을 구축할 예정이다. 4차연도에는 최적화기술을 적용해 실증을 수행한다.

 

라온프렌즈는 온열네트워크 온도유지알고리즘 기술과 엣지형 에이전트를 활용한 실시간 보정제어기술을 개발한다.

 

온도유지알고리즘은 냉온열 네트워크의 개별기기에 엣지형 에이전트를 적용해 플랫폼과 실시간으로 연동돼 분석하고 보정된 제어값 생성기술 개발하는 것이다. AI를 활용해 개별기기 실시간데이터를 분석하고 보정된 제어값을 플랫폼과 연계하는 실시간 보정제어기술을 개발할 예정이다.

 

1차연도에는 주요설비 동적모델링, 알고리즘 데이터 확인과 AI로직 개발이 진행되며 2차연도에는 시뮬레이션 구축환경을 구축할 예저이다. 3차연도에는 실증지데이터를 수집하며 실제데이터와 연동해 AI가 학습할 수 있도록 할 예정이다. 4차연도에는 온도유지 잘 되도록 고도화할 예정이다.

 

가천대는 AI기반 실시간 열·전기공급의 수요예측기술을 개발한다. 이를 통해 전력·열에너지사용패턴을 분석해 정확한 수요예측모델을 구축하고 신재생에너지 변동성을 고려한 에너지공급예측모델 개발을 개발할 예정이다.

 

1차연도에는 AI기반 에너지수요공급예측을 위한 데이터베이스가 구축되며 2차연도에는 AI기반 에너지수요 공급 예측모델을 개발할 예정이다.

 

3차연도에는 에너지수요·공급을 실시간으로 예측하는 AI예측통합시스템 구축·평가가 진행되며 4차연도에는 에너지수요·공급예측 실시간 AI모델성능검증·최적화가 진행될 예정이다.

 

한국EMS협회는 차세대 집단냉난방 열네트워크 운영을 위한 EMS 참조모델(단체표준)을 연구·개발한다. 이를 통해 차세대 집단냉난방 열네트워크모델 사업화 및 보급확산기반이 마련될 것으로 예상된다.

 

표준연구란 컨소시엄들이 표준에 어떤 내용 넣을지 고민, 연구하는 단계이며 표준개발은 내용기반 협회가 표준화에 대한 용어 패키징, 에디팅하는 과정이다.

 

1차연도에는 열네트워크 에너지관리시스템 표준화연구를 위한 기능 및 운영요구사항을 분석하며 2차연도에는 표준제안단계가 진행된다.

 

3차연도에는 단체표준제정을 위한 표준안개발과 표준적합성검증이 진행될 예정이다. 4차연도에는 표준제정시기를 기다리며 EMS 참조모델의 단체표준 제정 및 표준확산전략 수립할 예정이다

 

 

Smart iTEN 서비스를 담당하는 △서울에너지공사 △서울연구원 △KCL △에너클 △한국산업기술시험원 GS파워 등은 비즈니스모델 확대를 위한 제도와 법령개선방안을 도출할 예정이다.

 

서울연구원은 법제도 분석·기반조성을 위한 차세대 집단냉난방비즈니스모델 확대를 위한 정책및 장기로드맵을 제안할 예정으로 차세대 지역냉난방시스템 확대를 위한 이해관계자 협력모델과 정책이 개발될 것으로 예상된다.

 

또한 규제특례연계 분산형 프로슈머중심 에너지거래모델과 요금개선방안도 도출되며 단체표준과 국가표준안 제안과 핵심목표 평가산정방안과 가이드라인 개발도 이뤄진다. 차세대집단냉난방 열네트워크기반 DR적용방안기술과 DT기반 열배관 열유동시뮬레이션 기술도 개발될 예정이다.

 

서울에너지공사는 규제특례연계 분산형 프로슈머 중심 에너지거래모델과 요금개선방안 도출을 담당한다. 1차연도에는 국내외 연구자료와 실증사례 분석을 진행하며 관련사례 주요기술조사를 실시할 예정이다. 2차연도에는 분산형 프로슈머시장에서의 주요 이해관계자 역할정리를 수행하며 에너지거래모델설계를 실시할 방침이다.

 

3차연도에는 실증사이트 구축내역 분석과 이를 통한 시사점을 도출하고 4차연도에는 사업모델 분석을 통한 요금제개편안과 규제완화정책 제언을 진행할 예정이다.

 

한국산업기술시험원(KTL)은 차세대 집단냉난방 열네트워크시스템 설계표준화와 핵심목표 평가산정방안·가이드라인 개발을 실시한다.

 

1차연도에는 열네트워크 설계표준화 초안개발과 경제성·환경적 평가요소 정의와 분석체계 마련을 실시한다. 2차연도에는 올해 개발될 초안을 완성할 예정이며 경제성분석과 환경적 효과검토툴을 개발할 예정이다.

 

3차연도에는 실증운영을 통한 설계표준화와 성능평가기준 검증을 실시할 예정이며 4차연도에는 최종 설계표준화와 성능평가기준을 확립하고 경제·환경적 성과를 분석할 방침이다.

 

한국건설생활환경시험연구원(KCL)은 차세대 집단냉난방 열네트워크기반 커뮤니티 집단에너지설계와 운영단계 인증방안·ZEB 정책 등 연계방안을 도출한다.

 

1차연도에는 집단에너지사업 관련정책과 제도현황을 조사할 예정이며 2차연도에는 분산형 차세대 집단냉난방시스템 설계-운영단계의 평가기법이 연구된다.

 

3차연도에는 분산형 차세대 집단냉난방시스템 설계-운영단계 인증방안을 마련하며 4차연도에는 분산형 차세대 집단냉난방시스템 인증방안 고도화와 정책·제도화방안 수립이 진행될 예정이다.

 

에너클은 차세대 집단냉난방시스템활용 수요관리기술을 개발한다. 이를 통해 열설비와 축열조를 활용한 수요관리가 이뤄질 것으로 기대된다.

 

1차연도에는 기존 건물의 냉난방 부하데이터를 분석하며 냉난방데이터기반 부하변동관련 분석과 기존 수요반응 참여건물의 전력사용량 데이터 분석이 실시된다.

 

2차연도에는 평일·휴일 DR운전관련 제도분석 및 전력사용량 데이터분석이 진행된다. 또한 냉난방데이터기반 수요반응거래시장 참여용량 분석도 진행할 계획이다.

 

3차연도에는 운전시나리오 개발과 시나리오기반 DR참여 편익분석이 진행될 예정이며 축열조 활용 DR참여 추가용량산정·분석이 진행된다. 마지막 4차연도에는 양방향 차세대 집단냉난방 열네트워크와 축열조를 활용한 수요관리 운전이 개발될 예정이며 수요관리 편익분석도 병행된다.

 

에너클은 분산형 차세대 집단냉난방을 위한 DT기반 열수송관 열유동시뮬레이션 기술개발을 실시한다.

 

1차연도에는 차세대 집단냉난방 파이프라인 구축을 통해 실증지 IoT데이터와 히트펌프 운영데이터, 열공급망 운영데이터 등을 클라우드환경에서 통합하는 파이프라인 설계가 이뤄질 전망이다. 또한 지리정보시스템(GIS)기반 지하 열수송관망 모델링도 진행된다.

 

2차연도에는 가상데이터에 기반한 열수송관 모니터링시스템 구축이 이뤄지며 샘플데이터기반 열수송관 시뮬레이션 테스트를 진행할 방침이다.

 

3차연도에는 IoT 실제데이터기반 모니터링테스트가 진행돼 IoT 기기를 통해 실증지 운영데이터를 수집하며 전처리를 수행한다. 마지막 4차연도에는 사용자 편의성을 높이기 위한 인터페이스 개선과 사업화 전략이 수립될 예정이다.