IEA의 Net Zero 2050 Report에 따르면 2030년까지 26%의 온실가스 감축기여도를 갖는 효율향상과 수요관리를 탄소중립의 주요 수단으로 제시하면서 주요 수단으로는 디지털화에 기반한 수요관리기술과 에너지설비가 전기화되면서 가능해지는 최적 제어기술을 제시하고 있다. 

한국에너지기술평가원 수요관리PD는 에너지수요부문에서 디지털화를 통해 수요자원을 확대하고 에너지신시장 창출을 위해 에너지 네트워크 솔루션, 표준모델 개발 및 수요유연화 기술개발 방향으로 신규 과제를 기획하는 것이 주요 역할이다.
에너지수요관리핵심 과제 중 ‘열·전기저장시스템 기반 건물군 열에너지 수요관리 기술 개발 및 실증’ R&D를 기획한 김지효 에너지기술평가원 수요관리PD를 만나 기획 배경 등을 들어봤다.

 

■ 수요관리부문 주요 R&D 방향은
새정부 에너지정책 이행을 위한 에너지수요관리 R&D 미래전략을 수립 및 도출된 전략 프로젝트 중점 지원과 에너지수요관리핵심사업을 통해 산업·건물·수송분야 계속과제들에 대한 성과관리가 함께 주어진 역할이다. 

세부적으로 산업분야에서는 데이터 기반 산업군별 에너지원단위 개선 기술, 최적 에너지응용을 위한 전기-열-가스 다중 네트워크 확대 및 에너지 커뮤니티 최적 운영 솔루션부문을, 건물분야에서는 국민에너지 소비형태 변화 유도, 데이터 기반 운영 효율 개선을 위한 벤치마킹 플랫폼, 스마트 디바이스(조명, 가전, 냉난방 등)를 활용한 자동수요관리(Auto-DR)기술부문을, 수송부문에서는 전기차 충전인프라 통합 관제기술, 마이크로그리드 기반 충전스테이션기술, 공동주택 스마트충전기술, 양방향 수요관리 유도를 위한 소비자 행동 패턴 및 동기 유발 방안 연구를 중점 지원 방향으로 추진하고 있다. 

 

■ ‘열·전기저장시스템 기반 건물군 열에너지 수요관리 기술 개발 및 실증’ R&D 기획 배경은
한전의 수요반응자원 프로그램 일환으로 진행된 축냉설비 지원이 에너지신시장, 신산업 육성 등을 고려한 전력거래소 주관 수요자원거래시장 도입 이후 한전의 관리 및 운영에 대한 규모 및 역할이 지속적으로 감소하고 있다. 이러한 상황에서 탄소중립정책에 따라 신재생에너지 발전비중이 증가하면서 전력계통에서 전력수요를 초과하는 재생에너지 발전량 차단을 방지하기 위해서는 대규모 ESS나 양수발전 등 비용이 많이 드는 전력 기반 저장장치설치 대신 잉여전력을 다른 형태의 에너지로 저장한 후 필요 시 냉난방부문에서 활용할 수 있는 방법으로 섹터커플링(Sector Coupling)기술이 도입됐다. 

섹터커플링은 재생에너지 전력의 공급과 수요가 시·공간적인 불균형이 발생하는 잉여전력을 타에너지로 전환·저장·활용하는 기술이다. 가장 일반적인 섹터커플링 사례로 재생에너지 잉여전력을 건물의 냉난방, 산업공정 등에 이용하거나 지역난방 출열조와 열배관 네트워크를 이용해 에너지이용을 합리화할 수 있는 P2H(Power to Heat & Cooling)기술이 될 수 있다. 

기존 TES는 건물 냉난방공조로 야기된 피크전력을 감소시키는 전력부하 평준화에는 효과적이나 재생에너지 변동성으로 인한 출력제어 대응 기능이 부재한 상황에서 기존 축냉설비가 구축된 호텔, 병원, 공장 등 에너지다소비 사업장을 대상으로 실시간 부하제어가 가능한 열네트워크 구축을 통해 2024년 6월 발효된 분산에너지 활성화법에 따른 새로운 비즈니스 모델 발굴로 TES 및 열네트워크 활용도가 급증할 것이 예상돼 기획을 추진하게 됐다.

 

■ 건물군 열에너지 수요관리의 중요성은
건물 내 열에너지사용 비중이 50% 이상을 차지하고 전기압축식 히트펌프를 이용한 열에너지의 전기화 추세가 가속되는 상황에서 전력을 이용한 열에너지생산 및 저장과 열·전기 복합 네트워크화로 건물단위 재생에너지 활용에 따른 수요와 공급의 밸런스를 고려한 섹터커플링(P2H)과 사용자의 수요예측에 대응하는 공급제어 운영을 통해 전력계통 전력망 변동성에 대응하고 전력피크를 절감할 수 있는 핵심 수요관리 자원이다. 

 

■ 열에너지 전기화 글로벌 트렌드에서 히트펌프의 중요성은
탄소중립 실현을 위한 전기화는 열에너지 공급수요를 전력 기반 기기로 대체하는 것이다. 전기 가열방식과 전기 압축기 구동을 이용한 히트펌프는 기존 보일러, 공업로 등 화석연료 사용기기와 대비해 에너지 효율성과 탄소배출 감소 효과가 크다. 유럽 및 미주지역에서 전기압축식 히트펌프 지원 프로그램이 성장 중으로 미국 뉴욕에서는 2023년 3월 신축건물에 화석연료 사용이 금지됐다. 워싱턴에서는 2023년 7월 신축건물에서 히트펌프 사용이 의무화됐으며 영국에서는 2028년까지 연간 60만대 이상 히트펌프 설치를 목표로 하고 있다. 

독일에서는 2026년부터 화석연료 난방시설 금지를 추진하고 있다. 일본은 급탕용 축열식 히트펌프(에코큐트)가 50만대/연 이상 보급을 추진 중이며 유럽에서는 재생에너지 출력제한 문제를 해결하기 위해 P2H를 대규모로 공급하기 시작했다. 
또한 수요관리측면에서 전기 기반으로 작동하기 때문에 재생에너지와 호환성과 난방뿐만 아니라 냉방기능도 함께 제공할 수 있으며 전체 에너지시스템을 단순화하고 운영비용을 절감할 수 있다. 특히 TES와 연계해 수요부문에서 양방향으로 부하량을 실시간으로 조정해 줄 수 있다. 

 

■ TES의 역할은 
전기를 열로 변환하는 히트펌프와 연계해 TES는 비피크시간대 충전하고 피크시간대 열을 활용함으로써 전력피크 저감에 기여할 수 있다. 전력공급이 수요를 초과해 발전량 출력제어가 필요한 상황에서는 충전함으로써 전력공급과 수요간 균형을 유지하는 데 도움을 준다. 또한 피크시간대 수요를 줄여 전력망 과부하를 방지하고 수용가에서는 요금 절감에도 기여할 수 있다. 

현재 안전문제로 산업이 정체된 전력저장을 위한 ESS의 대안으로 국내 일반용 건물에 공급되는 전력의 30% 이상이 열에너지로 변환돼 활용되므로 ESS의 상당 부분은 TES로 대체가 가능하다. 이에 따라 경제적이며 안전하게 건물에너지 수요관리가 가능하다. 

특히 제로에너지건물 구축을 위해 설치됐으나 대부분 이용되지 못하고 있는 건물용 연료전지의 주요 이유 중 하나는 전력과 함께 생산된 열에너지관리가 미흡하기 때문으로 적절할 TES를 이용해 관리하는 경우 효과적인 이용이 가능하다.

 

 

■ 분산에너지 활성화와 R&D연계성은
분산에너지 활성화 전략에서 분산에너지를 통한 계통 불안 해소를 위한 신규 유연성 자원 개발 일환으로 재생에너지 잉여전력을 전기보일러, 히트펌프 등을 활용해 열에너지로 전환하는 P2H 시범사업 추진계획을 발표했다. 이에 부합해 여름철, 겨울철 피크전력 감소를 위해 활용 중인 기존 TES가 변동성 재생에너지 증가에 따른 봄철, 가을철 출력제어에도 대응할 수 있도록 TES와 열원설비측, 부하측 사이에서 실시간 반응할 수 있도록 시스템 개선과 최적 운영기술 개발을 통해 분산에너지 활성화에 따른 VPP시장에 대응할 수 있다. 유연성 자원으로서 기존 TES의 가용용량과 향후 시장 시나리오에 따른 편익분석을 통해 에너지 신산업 활성화에 기여할 수 있다.

 

■ 이번 R&D를 통한 기대효과는
1990년대부터 기존 심야전력을 활용한 단순 시간대별 요금제에 반응하는 TES가 전국에 약 3,500여기의 보급돼 있다. 하지만 지원 감소와 심야전력요금 상승 등으로 운영비용이 부담되고 있는 상황이다. 이에 따라 실시간 출력제어 운전방식 전환을 통해 신재생에너지 확대를 저해하고 있는 전력망 변동성에 반응해 안정화에 기여하는 자원으로 활용해 산업 재도약과 탄소중립 실현에도 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

■ 컨소시엄에 조언한다면
국내에 기 구축된 에너지설비들을 활용하므로써 설비구성에 따른 기술적인 어려움을 해소하고 연구결과를 극대화할 수 있는 적합한 실증사이트가 확보된 것으로 보인다. 실증 시 실사용자의 불편과 민원에 대한 철저한 준비와 대응으로 실증 운용범위를 최대한으로 확장해 사업성을 확보하고 다양한 환경에서도 운영할 수 있는 확장성도 확보해 향후 본격 사업화로 발전할 수 있기를 기대한다. 

특히 단순한 연구개발로 끝나지 않고 참여기관의 매출에 기여하고 국가에는 전력망 안정화의 소중한 자원으로 자리매김해 신산업 활성화의 대표적인 성공모델이 되기를 희망한다.