2005년 태양열집열기 중 ‘단일진공관형 히트파이프식 태양열집열기’ 제조 및 설계, 시공 전문기업으로 성장한 선다코리아는 태양광, 태양열 등 신재생에너지 보급 및 R&D에 앞장서는 태양에너지 전문기업으로 성장하고 있다. 2006년 태양열 신재생설비인증(현 KS인증) 집열기 및 국내 최초 태양열 냉난방시스템(80RT)을 2개소에 공급하며 태양열시스템의 신시장을 개척하며 안정적인 태양열시스템 보급에 앞장서 왔다. 또한 한국에너지공단에서 인증된 태양광, 태양열 참여기업 중 국내 최다 실적을 보유하고 있는 신재생전문기업이다.

특히 2006년부터 에너지공단의 주택·건물 보급사업을 통해 600여개소에 보급했으며 태양열시스템은 약 350개소, 총설치면적은 약 5만6,000㎡에 이른다. 현재까지 연간 약 1,500개소 이상 신재생에너지설비를 구축, 운영하고 있으며 한국에너지공단 A/S전담기업, 태양열 KS인증 보유, 태양열 PTC발전, 흡수판 코팅기술, 산업공정열 집광시스템 등 기술개발 실적을 보유하고 있다. ‘열·전기 저장시스템 기반 건물군 열에너지 수요관리 기술개발 및 실증’ 총괄을 맡은 조장현 선다코리아 대표를 만나 기술개발 계획에 대해 들어봤다.

 

■ 이번 과제에 참여하게 된 배경은 
정부는 2027년까지 건물부문에 대해 370만TOE 절감을 목표로 제로에너지 신축건물 확산 가속화정책과 분산에너지 활성화 정책을 추진하고 건물단위 재생에너지활용 확대에 따라 수요와 공급 밸런스를 고려한 열에너지저장(TES: Thermal Energy Storage) 중심의 섹터커플링(P2H)설계와 사용자 수요패턴 예측결과에 대응하는 공급제어 운영기술이 필요하기 때문에 이번 과제에서 이를 위한 기술개발 및 실증을 진행한다. 

열·전기 저장시스템 기반 건물군 열에너지 수요관리 기술개발 및 실증사업은 건물 내 에너지 수급 밸런스와 히트펌프를 이용한 열에너지 전기화 추세를 고려해 TES 기반 열네트워크를 구축하며 1년 이상 실증연구를 통해 분산에너지 활성화 및 출력제어에 대응할 수 있는 수요관리 핵심기술을 개발하고 실증하는 것으로 2027년 12월까지 진행된다. 총사업비는 204억원이다.

구체적으로는 분산에너지 활성화를 위한 양방향 열네트워크 최적화 기술개발과 실증, 출력제어 대응 잉여전력 활용 열에너지 생산·저장·운용기술 개발과 실증, 분산에너지 활성화 특별법 발효 및 VPP시장 개설에 따른 유연성 자원으로서 가용용량 평가와 향후 시장 시나리오에 따른 편익 분석을 수행한다. 실증대상지는 한국지역난방공사의 미래개발원(용인)과 화성지사, GS파워의 안양발전소다. 

 

■ 전기에너지 열저장 추세를 대응하기 위한 방안은
열에너지 수요관리를 위해 △재생에너지설비와 TES 기반(B_ESS 포함) 열네트워크 설계·구축 기술 △출력제어 대응이 가능한 지능형 양방향 열네트워크 실시간 제어기술 △원격제어 기반 건물군 열네트워크용 수요관리 플랫폼 및 auto-DR 관제기술 △부하관리 외 출력제어 대응 기능을 포함하는 기존 건물용 TES 운용기술 및 유연성 자원으로서 가용용량 평가기술 △고밀도 축열을 위한 축열재·축열조 설계와 축열시스템 운영관리기술 등이 필요하며 이번 연구개발에서 핵심 개발 목표다.

 

■ ESS와 축열, 히트펌프가 주요 키워드 같다. 구축방안은 
건물(군) 내 에너지수급 밸런스와 히트펌프를 이용한 열에너지의 전기화 추세를 고려해 TES 기반(ESS 포함) 열 네트워크를 구축하고 구축 모델은 △프로슈머 P2H 구축 및 운영 실증 △집단에너지 P2H 구축 및 운영 실증 △VPP+P2H 통합운영시스템 구축 및 운영 실증 등 3가지 모델로 구축해 미래개발원(한국지역난방공사), 한국지역난방공사 화성지사, GS파워 안양발전소(GS파워)에 각 모델을 실증한다.

 

■ 선다코리아 담당 역할 및 개발방향은
선다코리아는 이번 과제에서 주관기관의 역할을 수행하며 양방향 열네트워크 구성을 위한 실증사이트별 실증설비 구축을 담당하며 실증사이트 내 건물군의 에너지진단, 장기운전 네트워크 환경영향 분석, 양방향 열 네트워크 최적 운영기술 성능평가를 수행한다.

이번 과제는 총 4년(3년 9개월)에 걸쳐 진행되며 연차별 목표는 △(1차년도)실증사이트 자원 분석 및 기초설계 △(2차년도)히트펌프, TES, ESS 등을 통합한 통합 에너지시스템 구축과 열 네트워크 최적 운전기술 개발 △(3차년도) 양방향 열네트워크 설비 구축 및 실증과 생산·수요 예측기술 기반의 원격제어 수요관리 플랫폼 개발 △(4차년도)양방향 열네트워크 최적 운영기술 성능 분석과 실증결과 분석을 통한 개선사항 도출 등이다. 이와 같은 목표에 따라 PCM 기반 TES 개발, 가용용량평가와 편익분석 및 M&V기법 개발 등 세부적인 개발을 진행한다.

 

 

■ 실증진행 계획은
실증대상지는 한국지역난방공사 미래개발원과 화성지사, GS파워의 GS파워 안양발전소 등이다. 미래개발원은 경기도 용인에 위치하고 있으며 이번 과제에서 기술실증 대상지다. 기축설비로는 연료전지(105kW), 태양광(216kW), ORC(온도차)발전시설, 흡수식냉동기(80RT), 500kg 화학축열조 등을 보유하고 있다.

미래개발원에서는 출력제한(잉여전력) & 심야전력 시나리오(춘추절기), 피크전력 시(DR) 시나리오(동절기 최대 난방 수요), 피크전력 시(DR) 시나리오(하절기 최대 냉방 수요)를 실증한다.

지역난방공사의 화성지사는 산업폐열 자원과 연계한 P2H기술에 대한 실증을 진행하고 이를 통해 미래수요자원 확보를 목적으로 한다.

GS파워 안양발전소는 경기도 안양시에 위치하고 있으며 이번 과제에서 성능시험 대상지다. 기축설비로는 4.7MWe 연료전지, 중온수 축열조(20,000㎥) 2기, CHP, 히트펌프, ESS를 보유하고 있다. GS파워 안양발전소에서는 대형건물 열 네트워크 및 고압배관 적용을 위한 고밀도 축열조 성능시험을 진행한다.

 

■ 이번 과제를 통한 기대효과는
연구개발 결과물인 고도화된 수요관리 알고리즘 및 데이터수집 체계를 열네트워크에 직접 적용해 건물군 에너지관리 및 에너지 최적화를 구현함으로써 에너지 활용 효율성 증대를 실현할 수 있을 것이다.

열과 전기는 다른 특성을 가진 에너지로 수요관리에서 전기그리드는 공급측으로 열그리드는 수요측으로 모델링해 열·전기 통합 수요관리기술에 활용할 수 있다. 특히 최근 문제가 되는 잉여전력과 출력제한 문제를 열그리드의 TES, 히트펌프, ESS를 활용해 수요관리를 수행함으로써 문제 해결이 가능할 것이다.

이외에도 △변동성 재생에너지 출력제한 및 과전압 해소 등 전력계통 유연성 제고로 전력 공급의 신뢰성, 안정성 향상 등 전기 품질 유지 가능 △열에너지 중심의 전환-저장-활용 시스템 구축 등 섹터커플링 기술개발 고도화를 통해 건물군뿐만 아니라 상업, 농수산업부문 섹터커플링기술 도입 기반 마련 △재생에너지 발전의 비중이 높은 저탄소 에너지 시스템으로의 비용 효율적인 전환 촉진 기대 등의 효과를 기대해 볼 수 있다.

 

 

■ 마지막으로 하고 싶은 말이 있다면
전력부문과 수송부문에서는 재생에너지 확대를 위해 인센티브나 의무화를 부여하는 정책들이 꾸준히 증가되고 있는 반면 열부문에서 재생에너지 보급정책은 묘연하다. 

히트펌프를 활용하는 P2H는 단순히 재생에너지 잉여전력을 열로 변환해 활용하는데 그치는 기술이 아니다. P2H기술은 전력계통의 주파수 유지, 실시간 수급균형 확보 등 단주기 유연성과 출력제어 완화, 부하평준화 등 공급과잉에 대응하는 장주기 유연성을 제공해 열그리드와 전력그리드간 연계 시너지 효과를 최적화하는 기술이다.

전력그리드는 경직성 전원인 원전과 재생에너지 등을 통합해 공급 안정성을 확보할 수 있는 유연성의 이점을 누리게 될 것이다. 열그리드의 경우 친환경 열생산 공급으로 전환과 동시에 기존 열공급 및 저장장치 등의 인프라를 백분 활용할 수 있어 범국가적인 비용효율 개선과 에너지자립도 향상, 에너지안보 강화 등 원전과 재생에너지 기반 카본프리 전력시스템으로 변화하는 초석이 되는 기술이 될 것이다.

실시간시장, 보조서비스시장 도입, 분산에너지 활성화라는 시대적인 흐름 속에 집단에너지를 활용한 P2H기술은 대규모 인프라 투자없이 빠르게 도입 가능한 가장 현실적인 섹터커플링기술이다.

탄소중립 달성, 안정적인 전력수급 등 에너지 안보강화를 위해 열부문을 포함한 다양한 부문에서의 보급정책이 필요하다. 특히 P2H기술이 전력계통에 제공해주는 유연성의 가치는 전통적인 발전원과는 다른 보상체계 및 지원책이 있어야 한다. 

선다코리아는 이번 연구개발사업을 통해 무탄소 전원을 균형있게 활용하고 전력과 열부문이 조화롭게 운영돼 실현가능한 균형잡힌 에너지믹스 및 도전적인 탄소중립이라는 정부정책에 기여하고자 한다.