한국태양에너지학회가 지난 10월28일 개최한 추계학술발표대회에서 한국에너지기술평가원의 열에너지과제 컨소시엄의 일환으로 ‘P2H·에너지전환 특별세션’이 열려 섹터커플링 P2H R&D 컨소시움의 진행상황이 공유돼 주목받았다.

 

열·전기에너지 수요관리기술, 섹터커플링 활성화

선다코리아는 섹터커플링 활성화를 위한 열·전기에너지 수요관리기술 실증을 진행하고 있으며 기술실증을 통해 전력연계형·열 연계형 실증대상 건물 8개소에 히트펌프를 활용해 흡수식냉동을 진행했다.

 

조장현 선다코리아 대표는 실증사례를 공유했다. GS파워와 삼성전자 기흥캠퍼스, 신규 신재생에너지시설을 설치했으며 지역난방공사 통합운영센터에 통합플랫폼을 구축했다.

 

조장현 팀장은 “기술구현방식은 양방향 열네트워크시스템”이라며 “출력제한과 심야전력 시나리오를 설정했다”고 말했다.

 

시나리오 검증목표는 다양한 소비패턴을 실증하는 것으로 고온 히트펌프를 통해 최대부하를 감소시켜 최대요금을 감소하며 히트펌프피크전력 감소를 통해 기본여금을 감소할 수 있는지를 검증했다.

또한 피크전력 시(DR) 시나리오를 통해 여름·겨울철 최대 난방수요 시나리오를 검증하기 위해 +/-DR 유연성평가를 진행했으며 폐열자원과 P2H 실증을 진행해 미래수요자원을 확보하며 해외출력제한 해결을 위한 교두보를 마련했다.

 

선다코리아는 고밀도축열조를 설계해 열에너지네트워크 통합플랫폼을 개발했다. 밀리스케일 PCM캡슐을 제조해 잠열평가와 PCM팩킹 속응성해석을 실시했으며 수축열조 비교해석도 진행했다.

 

모니터링시스템을 구축해 데이터를 수집하며 운영관리시스템을 개발하는 한편 축열조 성능시험을 실시해 데이터와 개선점 등을 분석했다.

 

조장현 팀장은 “열에너지 네트워크 통합플랫폼은 운영관리 최적화와 수요관리 원격제어·O&M시스템을 구축하는 것이 요점”이라며 “관련기관 전문가들이 열에너지를 활용할 수 있는 다양한 방안 고민할 것”이라고 말했다.

 

P2H활용 통합E시스템공정 

이가람 한국기계연구원 탄소중립기계연구소 연구원은 P2H기술을 활용한 통합에너지시스템 공정에 대한 발표를 이어갔다.

최근 열에너지부문 탈탄소화가 시급하며 변동성 재생에너지 확대로 인한 전력계통 운영의 어려움이 증가해 전력공급 불안전성이 높아졌으며 출력제한이 잦아졌다.

 

이에 따라 피크전력 완화 및 재생전력 기반 열에너지 활용을 위한 P2H·에너지저장시스템 등 도입이 필요한 상황이다.

 

기계연구원이 진행하는 P2H 통합에너지시스템공정 연구목표는 재생에너지시스템, 히트펌프, 열·전기 에너지저장시스템 등을 활용한 건물군 열네트워크를 최적화하는 통합에너지시스템개발이다.

 

연구진들은 지역난방공사 미래개발원에 에너지수요설비를 설치해 실증지 열부하 분석을 실시했다. 

 

그린허브에 지역난방을 배관 연결해 부하를 분석한 결과 약 1MW가량의 열부하가 나타났다. 숙소동, 연구·교육동 열부하의 경우 겨울철에 집중되며 여름철 열 사용량은 현저히 감소함을 확인했다.

 

열부하 분석결과를 바탕으로 잉여전력 유무·출력제한 및 경·중부하 등에 따른 열 및 전기 에너지시스템 공급설비의 공정설계 및 작동시나리오를 도출했다. 

 

시나리오에 따르면 히트펌프도입 경제성분석결과 히트펌프가 미래개발원에서 이득이 되려면 히트펌프 열생산단가가 지역난방 열생산단가보다 작아야 하며 허용 전력단가는 고온: 130~155원 이하, 저온 시 195~235원 이하여야 할 것으로 나타났다.

 

이가람 연구원은 “에너지시스템 공정설계를 통해 작동시나리오를 도출했다”라며 “부하정도와 출력제한 여부 등 통해 도출했으며 경부하는 PV, 연료전지, 재생에너지설비 상시 동작을 가정해 실험을 진행했다”고 강조했다.

 

연구진들은 향후 전기부하에 대한 상세분석을 수행할 예정이며 에너지원별 경제성분석을 통해 열·전기공급설비 중 우선활용설비를 파악해 출력제어에 효과적으로 대응할 수 있는 작동시나리오를 강화할 예정이다.

 

이가람 연구원은 “후속연구로 공정해석 소프트웨어를 활용한 시뮬레이션 모델을 개발할 예정”이라며 “시스템 성능과 경제성평가를 통한 히트펌프와 열에너지저장시스템 최적용량 선정도 진행할 계획”이라고 말했다.

 

지역에너지 연계 플랫폼 실증

김경민 지역난방공사 미래사업처 수석연구원은 지역난방공사 미래사업 추진전략을 공유했다.

 

히트펌프는 수소연료 공급 4세대 지역난방 등으로 확장할 예정으로 지역난방공사는 지역에너지 연계플랫폼을 통해 지역에너지를 지역난방과 연계하는 방안을 찾기 위해 실증플랫폼을 설치한 뒤 실증을 진행했다. 

 

지역난방공사는 지역에너지 연계플랫폼과 열에너지 네트워크 전망을 분석하기 위해 미래개발원 그린허브에 지역에너지 연계플랫폼 실증을 통해 △그린허브 △스마트열그리드 △디지털전환 △미활용열 활용방안 등을 구축했다.

 

실증부지는 인근 한국지역난방공사 용인지사로 열수송관과 연계해 그린허브 이후는 저온 열수송망으로 다단 열공급 및 사용자간 발생하는 잉여열 거래 모사실증을 진행했다.
 
지역난방공사는 미활용열 활용을 위해 지역난방 연계실증을 진행했으며 양방향 열거래는 그린허브 이후에서 이뤄지는 시스템으로 추진했다.

 

다단 열공급을 적용해 온도차도 증대했다. 일반적으로는 병렬연결을 통해 60℃내 물을 보내면 30℃씩 나눠쓰는 방식으로 열수송관이 커지는 문제가 발생했다. 이에 따라 다단방식으로 전환해  업무용 건물에서 발생한 폐열을 공급하는 실증을 진행했다.

 

한편 지역난방공사는 플렉서블 배관 실증을 국내 최초로 실시했으며 지역난방 기준에 맞춰 배관설계도 실시했다. 

 

모니터링시스템도 구축해 실시간으로 열누수를 확인할 수 있으며 현재 난방·급탕 간접식 통합배관시스템을 통해 열공급시스템 운전 및 급탕·난방 열공급량 모니터링도 진행 중이다.

 

한편 지역난방공사는 삼성과 MOU를 체결해 히트펌프와 지역에너지를 연계하는 플랫폼을 구축했다. 이 때 흡수식과 전기압축식 하이브리드 히트펌프를 활용했다.

 

김경민 연구원은 “기존·신도시 개발을 진행할 때 지역난방공사 기술을 접목한 확대가능성 확인했다”라며 “개발 시 지역에너지를 활용할 예정”이라고 밝혔다.

 

집단E연계형 P2H시스템

박태룡 GS파워 사원은 집단에너지 연계형 P2H시스템 콘셉트와 실증지 구축계획을 설명했다.

 

P2H사업은 단기적으로 그린에너지사업추진을 위해 진행되며 중장기적으로는 국책과제 수행을 통해 P2H연계 기술실증과 사업화 기반을 마련하기 위해 추진된다.

 

P2H는 중앙집중형과 분산형으로 구분할 수 있다. 중앙집중형은 잉여신재생 전력을 활용하는 것이며 열생산정책 제안을 통한 그린에너지사업으로 확대됐다. 분산형시스템은 제로에너지건물, 분산에너지 정책변화에 따라 등장했으며 P2H 신사업모델 개발의 토대가 됐다.

 

중앙집중형 P2H 실증방법은 열원인근에 수열히트펌프를 설치해 심야전력 등 저부하전력과 히트펌프를 가동하는 것이다.

 

히트펌프는 빙축열(TES) 활용이 중요하기 때문에 하절기에는 냉온열전환운영 통해 히트펌프를 냉방용으로 사용했다. 이에 따라 사업자는 열생산단가보다 낮은 저부하전력을 활용한 열생산 가능해 경제적으로 열배관망을 운영할 수 있다.

 

분산형 실증지는 안양발전소다. 분산형은 시나리오 개발이 중요했는데 사용자와 사업자들이 모두 경제성을 가질 수 있는 최적운영시나리오를 만들어야 한다.

 

이에 따라 GS파워는 여름·겨울철 운영시나리오를 구축했다.  히트펌프를 활용할 예정이며 동절기에는 지역난방으로 난방부하를 공급할 예정다. 하절기에는 전기식냉동기를 통해 냉방부하를 감당하고 방전 시 TES를 이용해 방전을 진행할 계획이다.

 

박태룡 사원은 “향후 중앙집중형 실증을 통해 부천발전소 하수열을 사용할 예정”이라며 “기존그린에너지 사업장 활용 실증지를 구축하는 방식도 예정돼 있다”고 말했다.

 

P2H사업화를 위해서는 적극적인 정책개발과 규제개선 제안을 통한 합리적 인센티브가 필요하다. 

 

박태룡 사원은 “전력망 운영·온실가스 배출·에너지효율·재생에너지 보급 등 관점에서 섹터커플링 파급효과 분석이 필요하다”라며 “계통기여에 대한 인센티브와 온실가스 배출에 대한 인센티브 및 신재생·폐열원 활용에 대한 인센티브가 고려돼야 한다”고 강조했다.

 

고흡수성 상변화 마이크로 캡슐 성능검토 수행

강상우 한국과학기술연구원 지속가능미래연구본부장실 책임연구원은 PCM을 이용한 10RT 축열실증과제에 대해 설명했다.

과제목표는 축열조 부피 1㎥ 부피의 250L 모듈형축열 4개로 축열온도를 고려한 PCM물질을 선정하는 것이다.

 

현재는 일부 소재의 산재된 물성데이터만 보유되는 실정이며 경제성 문제와 환경노출시 물성저하 문제에 대한 검증이 필요하다.

 

과학기술연구원은 온도대별 소재물성 데이터베이스(DB)를 확보했으며 물리·화학적으로 안정적인 비파라핀계 PCM소재를 선정하고자 했다.

PCM물질은 파라핀과 알코올계 등으로 구분할 수 있는데 온도범위 내 확인 결과 순수파라핀: 낮은 경제성을 보여 알코올계 PCM이 순수파라핀보다 경제성 있으며 보다 넓은 선택범위인 50~60℃로 분포됐다.

 

열안정성·빛 안정성 확인을 통해 100시간 자외선 노출전 후 시차주사열량계(DSC)를 측정했으며 △경제성 △축열특성 △열·빛 안정성을 최종적으로 고려한 결과 헥사데카놀로 선정했다.

 

강상우 연구원은 “헥사데카놀이 목표를 만족할 수 있는가를 알아보며 1,000L급 잠열축열조 설계 과제목표치인 10RT에 해당하는 크기인 33,200kcal/㎥를 충족할 수 있는지 계산했다”라며 “그 결과 동절기에는 4만5,750으로 충분했으나 여름철에는 3만3,130으로 미달되는 것으로 보였다”고 말했다.

 

또한 1,000L급 잠열축열조 실험과정에서 캡슐화를 진행하면 코팅으로 인해 기존 PCL잠열인 246에서 150KJ/kg으로 줄어들 것으로 나타났다.

 

상변화캡슐의 PCM 유출안정성을 검토하기 위해 내구신뢰성 평가를 위한 캡슐을 제조해 내구수명 가속화테스트도 진행했다. 현미경을 통해 육안으로 파손도를 확인했다.

 

강상우 연구원은 “1,000L 잠열축열조 실증을 진행했다”라며 “모듈형시스템을 적용해 순차적 방열운전과 직·병렬 선택적 운전 및 축·방열 동시운전이 가능하다”고 강조했다.

 

열·전기E기반 실시간 감시·제어 수요관리플랫폼 

오성문 한국전자기술연구원 연구원은 수요관리플랫폼 기술개발에 대해 발표를 이어갔다. 열전기수요관리기술은 중앙형·하이브리드형·분산형으로 나눌 수 있다.

 

오성문 연구원은 “열·전기수요패턴을 분석한 결과 여름을 제외하면 유사형태로 열을 사용하고잇었으며 전력은 겨울을 제외하면 비슷하게 나타났다”라며 “월별로 데이터를 분석한 결과 서로 비슷한 패턴을 보여 사용량 절댓값은 다르지만 패턴유사성이 있어 배터리를 통해 열을 조절할 수 있을 것”이라고 예측했다.

 

원활한 수요관리를 위해서는 전기요금 시간대별 가격차이를 활용해야 하기 때문에 시간기반 자가소비용 수요관리를 실시하고 있다.

 

연구진들은 전력수요예측 데이터수집을 통해 전력수요예측기술 개발을 위한 건축물전력데이터를 확보하며 전력수요예측기술개발을 위한 사전보유 데이터를 바탕으로 예측모델을 만들었다.

 

오성문 연구원은 “시계열데이터는 시간에 따른 연속적인 관측치로 이뤄졌다”라며 “K-NN 알고리즘을 활용한 결측지 보상기술을 활용해 누락값을 보완했으며 머신러닝기법으로 1시간단위 에너지사용량예측모델을 통해 전기요금을 1시간단위로 결정했다”고 말했다.

 

이어 “이상치, 결측치 계산을 통해 발전량을 예측했으며 머신러닝기법으로 발전량 예측모델도 생성했다”고 말했다.

 

국제기준 열수요관리 M&V적용방안 모색

정대영 베리워즈  대표는 넷제로에너지 국제표준을 소개하며 열수요관리 에너지절감량산출(M&V) 적용방안에 대해 발표했다.

 

IEA 넷제로에너지로드맵에 따르면 에너지중심 넷제로 시나리오를 제시해 50년까지 신재생에너지 90%를 달성하겠다고 밝혔다. 이에 따라 그리드, 원자력, 화석연료퇴출시기가 앞당겨졌으며 신재생에너지 간헐성문제 해결을 위한 섹터커플링, 피크치 부하감소, DR 등 변화된 로드맵이 필요한 상황이다.

 

ISO는 탄소중립의 시급성과 중요성을 고려해 넷제로에너지(NZE) 국제표준을 개발했다. 우리나라도 탄소중립 추진전략을 통해 신재생 등 에너지전환가속화를 통한 탄소중립이행목표 및 계획을 국제사회 제시했다.

 

정대영 대표는 “NZE 계획 및 실현을 위해서는 에너지사용량 최소화, 에너지효율 극대화, 에너지자립률 최적화 등을 통해 구현 방안을 제시해야 할 것”이라며 “도시지역경계까지 고려한 M&V 시나리오를 구축해 결과를 도출해야한다”고 말했다.

 

국제기준 열수요관리 M&V 적용방안은 에너지관리절감을 우선적으로 실시한 후 신재생에너지 활성화를 추진하는 방안으로 총 5가지로 구성된다.

 

이를 위해 운영관리, 섹터커플링, 저장, 히트펌프사용 등이 우선적으로 모니터링이 진행되며 기업과 제품전과정 에너지·탄소제로화를 추진할 예정이다.

 

또한 열수요관리 측정 및 검증설비용량을 파악하며 필요한 데이터를 수집해 기존 TES 피크 및 출력 등을 진행할 계획이다.

 

정대영 대표는 “열수요관리 M&V기법 개발활용전략으로는 TES 피크·출력제어 대응 등 에너지절감과 경제·환경적 효과를 산정하며 이에 맞는 기준을 수립할 예정”이라며 “신재생 기반 ZEB 공장 ·탄소중립도시 연계확산을 통해 넷제로에너지·온실가스산업·건물·수송 등을 기반으로 한 탄소중립도시 및 탄소중립국가 실현방안 구상이 필요할 것”이라고 말했다.