한국환경산업기술원은 지속가능한 사회를 위한 환경솔루션 전문기관으로 환경분야 R&D와 기획평가관리를 수행한다. 환경산업기술원 물토양기술실은 △수처리 △수자원 △수생태 △지하수토양 등 물과 토양관련 R&D를 담당하고 있다.

 

이번 수열에너지 활용기술 및 에너지믹스 R&D 과제 수행기관을 선정하고 연구목표 달성을 위한 관리업무를 담당한 송덕종 환경산업기술원 전문위원을 만나 과제 기획배경과 기대효과 등을 들었다.

 

 ■ 국내·외 수열시스템 동향을 평가한다면
전 세계적으로 탄소중립 온실가스 감축목표를 달성하기 위해 신재생에너지 사용비중을 증가시키고 있다. 태양광과 풍력 등 기존 에너지원 외에도 수열 등 활용가능한 에너지원을 총동원해야 한다.

 

최근 선진국에서는 그린딜, 청정에너지로의 전환 등 다양한 정책을 추진 중이며 이를 기반으로 중장기 산업구조 전환과 경제활성화를 위한 노력을 지속하고 있다.

 

앞으로도 세계적인 추세에 맞춰 수열 등 재생에너지에 대한 수요와 기술개발은 더 가속화될 것으로 예상되는 만큼 국내도 선진국 수준 수열개발·활용을 위한 적극적인 투자와 연구를 진행 중이다.

 

최근에는 수열시스템, 설비, 품목 등에 대한 국내기준을 마련해 시장조성을 위해 힘쓰고 있으며 수열관련 R&D를 추진하며 후속사업 기획도 준비 중이다.

 

■ 수열부문 국내·외 기술개발 동향은
다양한 수열원을 활용하기 위해 해외에서는 △하천수 △하수 △상수 등을 수열원으로 하는 수열에너지시스템을 개발하고 있다. 국내에서는 소양강을 대표로 하는 하천수를 대상으로 연구개발에 적용한 사례가 있으며 롯데월드타워는 광역상수를 수열시스템에 적용하고 있다.

 

그러나 기존 하천 수열시스템에서 △수충격부하 △동절기 수열시스템 운영 △이물질 처리 등 해결해야 할 문제들이 산재해 있어 지속적인 연구개발이 필요하다. 특히 수열시스템 효율을 높이기 위한 핵심장비인 △열교환기 △히트펌프 △축열조 △관망파이프 △방오기술 등 기본성능을 높이기 위한 기술개발이 요구되고 있다.

 

 ■ 과제를 소개하면
다양한 수열원에 대한 실증시스템을 실제 규모로 개발하는 국내 첫 번째 과제다. 수열원 변동대응 대규모 중앙집중형 수열에너지 실증플랜트 기술은 하천수 외에도 정수나 지하유출수 등을 활용한 대규모 수열시스템을 개발하는 것이다.

 

대용량 수열시스템을 만들수록 에너지효율이 올라가기 때문에 대규모 수열원을 활용해 유연하고 안정적으로 운영되는 1,000RT 이상 에너지시스템이 개발될 것으로 예상된다.특히 하수와 폐수 등 소규모 수열원을 활용하는 50RT급 분산형 수열시스템 구축과제도 추진하고 있다. 2개기술 모두 하천수 외 모든 수열원을 활용할 예정이다.

 

 ■ 과제 세부내용은
먼저 대형 수열시스템 구축에 필요한 수열원 특성변동 대응 요소기술이 개발될 예정이다. 이물질을 포함함 수열원유입에 대응할 수 있는 적정 수열에너지 회수기술과 열에너지수요·공급·열원유량 등 변동에 대응 할 수 있는 전력피크·출력제어기술을 확보할 것으로 예상한다.

 

특히 △최대성능계수(COP) 4.5 △CSPF(Cooling Seasonal PF) 3.0 △HSPF(Heating Seasonal PF) 2.6 등 세계수준 전력절감률 40% 이상을 갖춘 대형수열시스템을 실증화할 예정이다.

 

 ■ 이번 기술개발에서 적용될 수열시스템은
대용량 수열시스템의 수질유량 변동 대응을 위한 수열시스템 최적설계 운영기술이 적용된다. 이를 위한 △수충격 대응 △이물질 유입방지 등을 포함해 수열냉난방시스템의 열에너지 △생산 △저장 △활용에 대한 AI 최적운영기술이 적용될 예정이다.

수열원의 수요·공급 부족 시 태양광·열 등 에너지믹스기술이 적용되며 겨울철에 충분한 난방용량 확보와 시스템효율 유지를 위한 운전사이클개선의 최적운전기술도 개발된다.

 

 ■ 대형 수열플랜트 구축과제 기획배경은
수열시스템 활용을 높이기 위해서는 대규모로 적용해 수열에너지 대체효율을 높이고 전력절감률을 높여야 한다.국내에서는 하천수 수열시스템 외 다른 수열원기반 실증시스템을 개발한 사례가 없어 이번 과제를 통해 대형플랜트를 구축할 예정이다.

 

향후 수열사업 확대 추진을 위해서는 취정수장·하수폐수건물에 대한 실제적인수요·공급모델을 적용해 목표결과물이 나오는지, 전력절감이 이뤄지는지 장기간 테스트해야 한다.

 

■ AI기반 최적운영기술 필요성은

수열시스템은 다양한 조건의 수량변동과 온도·탁도 조건 등에 따라 시의적절한 시스템운전이 필요하다. 특히 겨울철 저온에 따른 장비 취약성과 수충격 문제 등은 시스템가동을 멈추게 할 수 있으며 이로 인해 수열에너지 효과는 급격하게 낮아진다.

이런 문제를 해결하기 위한 방안인 AI 최적운영기술은 전체 시스템에 영향을 줄 수 있는 모든 가용한 인자를 포함하며 여러 상황과 조건에서 최적효율을 낼 수 있는 에너지믹스 등 운영조건을 AI학습모델을 통해 도출하고 도출한 조건으로 장기간운전해 시스템검증을 실시할 예정이다.

 

 ■ 과제를 통한 기대효과는
다양한 수열원에 대해 실규모로 적용하는 수열시스템을 통해 수열시스템 활용도가 높아지며 하천수 외에도 취정수장, 공공건물 하수, 산단폐수 등 다양한 열원을 수열에 모두 적용할수 있는 실증결과를 도출할 것으로 기대된다.

 

이를 통해 해외처럼 하천수 외에도 다른 수열원에 대해 재생에너지로 인정될 수 있으며 관련 수열 활용도도 더욱 높아질 수 있다.

 

또한 데이터센터 등 수열활용조건이 매우 좋은 시장에도 적용될 수 있는 여지가 있어 탄소중립 목표달성을 위한 에너지전략에 맞는 에너지원이 될 것이다.

 

 ■ 컨소시엄에 조언한다면
수열에너지 연구를 많이 해온 에너지기술연구원과 수자원공사, 관련 엔지니어링 연구기관이 해당 컨소시엄에 포함돼 이번 연구과제가 가지고 있는 연구성능 목표를 달성하는데 충분한 역량을 가지고 있다고 판단한다.

 

기존 수열연구를 했을 때 문제를 충분히 분석해 개선하며 연구과제의 의미보다는 우리나라의 수열기술을 선진국수준으로 올려 관련시장에 선도적으로 진입한다는 목표를 갖고 추진한다면 좋은 결과가 있을것으로 기대한다.

 

환경산업기술원은 연구기관들과의 지속적인 소통을 이어나갈 예정으로 필요 시에는 외부전문가·수요처 등과 의견을 나눌 수 있는 협의체회의를 추진하는 등 과제목표 달성을 위해 최선의 노력을 다하겠다.