한국생산기술연구원 제주기술실용화본부는 제주지역의 에너지전환을 현장에 적용하는 실증 중심의 실용화연구기관으로 히트펌프를 포함한 열에너지기술보급과 고도화를 담당하고 있다.

 

특히 제주 분산에너지특구와 연계해 △히트펌프보급 활성화 △Power-to-Heat(P2H) 실증 △열에너지 저장기술 개발 등을 중점적으로 수행 중이다.

오승진 생산기술연구원 제주기술실용화본부 수석연구원을 만나 그동안의 실증사례 등을 들었다.

 

■ 최근 중점적으로 추진 중인 연구방향은
최근에는 크게 두 방향에 집중하고 있다. 첫째는 고에너지밀도 열에너지 저장기술이다. 재생에너지의 변동성을 흡수하려면 전기를 열로 바꾸는 것만으로는 부족하며 그 열을 효율적으로 저장하고 필요 시점에 활용할 수 있어야 한다. 이에 따라 현열저장뿐만 아니라 PCM 등을 포함한 고밀도 축열기술 개발에 집중하고 있다.

두 번째는 AI기반 히트펌프 운영기술이다. 히트펌프는 △외기조건 △부하 △전기요금 △재생에너지 출력상태 등에 따라 최적운전점이 계속 달라지기 때문에 향후에는 단순 제어가 아니라 예측기반 지능형 운영기술이 핵심이 될 것이다.

 

■ 히트펌프를 활용한 P2H기술이 재생에너지 비중이 높은 지역에서 갖는 기술적 의미는
히트펌프를 활용한 P2H기술은 제주에서 단순한 냉난방설비 이상의 의미를 가진다. 히트펌프는 전기를 열로 매우 효율적으로 전환할 수 있기 때문에 태양광과 풍력발전이 많은 시간대의 전력을 유연하게 흡수하는 수요자원으로 활용될 수 있다. 다시 말해 히트펌프는 난방기기이면서 동시에 계통유연성자원이다.

 

제주도처럼 재생에너지 비중이 높으며 출력제한 문제가 반복되는 지역에서는 남는 전력을 버리는 대신 열로 전환해 저장하는 방식이 매우 중요하기 때문에 P2H는 재생에너지 확대를 뒷받침하는 핵심기술이다.

 

■ 주택용 축열식 히트펌프 보급사업 운영성과는

주택용 축열식 히트펌프 보급사업을 통해 확인한 가장 중요한 점은 히트펌프보급은 ‘기기 설치’만으로 성공할 수 없다는 것이다. 히트펌프는 일반 가전제품처럼 단독으로 작동하는 기기가 아니라 △축열조 △펌프 △열교환기 △제어시스템 등이 함께 구성되는 에너지설비다. 이에 따라 실제 성과는 기기효율 자체보다도 △운영기술 △제어전략 △전기요금 체계 등에 크게 좌우된다.

특히 축열운전은 언제 전기를 사용하고 저장된 열을 활용할 것인지가 핵심이기 때문에 수요관리와 요금설계가 매우 중요하다. 결국 보급사업의 성패는 ‘설치대수’보다 ‘얼마나 잘 운영되느냐’에 달려 있다는 것을 확인했다.

 

■ 히트펌프·ESS·태양광 통합에너지시스템 실증·모델링·성능평가 사례는
통합에너지시스템 관점에서 보면 해외에서는 영국 옥토퍼스 사례가 대표적이다. 생산기술연구원 제주기술실용화본부도 이와 유사한 방향으로 태양광과 히트펌프, 고밀도 열저장장치를 연계한 시스템을 구축했으며 향후 전기차 사용 후 배터리를활용한 ESS까지 결합해 통합 성능평가와 AI운전기술 개발을 추진하고 있다.

 

중요한 것은 개별설비성능이 아니라 이들 설비를 하나의 시스템으로 묶었을 때 △재생에너지 수용성 △경제성 △계통대응성 △사용자 편의성 등을 동시에 만족할 수 있느냐다. 생산기술연구원은 이러한 통합 운영기술을 실증과 모델링을 통해 검증하고 있다.

 

■ 히트펌프보급 활성화를 위해 현재 제도적으로 보완이 필요한 사안은
최근 정부는 난방전기화사업을 통해 보급되는 주택용 히트펌프에 대해 주택용 계절·시간대별 요금 또는 일반용 요금 선택을 허용하는 방향으로 제도를 개선했다. 이는 주택용 누진요금 부담으로 인해 제약을 받아왔던 히트펌프보급 활성화 측면에서 매우 고무적인 조치다.

향후에는 단순한 요금 특례를 넘어 히트펌프를 계통유연성자원으로 활용할 수 있도록 두 가지 관점의 수요반응제도 보완이 필요하다.

첫 번째로 제주도와 같이 재생에너지 발전 비중이 높은 지역에서는 오전 11시부터 오후 2시까지와 같이 출력제한이 빈번한 시간대에 전기요금을 할인해 히트펌프와 축열시스템이 초과 재생에너지를 열로 전환·저장하도록 유도할 필요가 있다.

 

또한 제주 플러스DR 시장을 활성화해 주택용 히트펌프를 집합형 수요자원으로 활용할 수 있는 제도적 기반을 마련해야 한다. 이러한 제도개선이 이뤄질 경우 주거부문 전기화와 탈탄소를 촉진할뿐만 아니라 △소비자 에너지비용 절감 △제주 전력계통의 재생에너지 수용성 제고 △출력제한 완화 등 다중의 정책효과를 동시에 달성할 수 있을 것으로 기대된다.

 

또한 히트펌프는 기기 단독이 아니라 △축열조 △배관 △펌프 △열교환기 △제어장치 등 BOP를 포함한 시스템 단위로 구축되는 설비이므로 향후 보급지원체계 역시 시스템단위 지원으로 확대될 필요가 있다.

히트펌프 보급확대와 계통연계형 운영을 위해서는 열에너지사용량을 정밀하게 계측·분석할 수 있는 모니터링체계도 함께 구축돼야 한다. 단순 전력사용량뿐만 아니라 △생산열량 △축열량 △시간대별 열수요 △설비효율 등을 통합적으로 파악할 수 있어야 정책효과와 실증성과를 객관적으로 평가할 수 있다.

 

△하천수 △해수 △하수열 △산업폐열 등 수열·폐열과 같은 미활용열원을 안정적으로 발굴·연계할 수 있도록 관련 인허가나 기술기준 등 제도적기반도 정비할 필요가 있다.

이러한 기반이 마련돼야 히트펌프가 단순한 건물의 전기난방 대체설비를 넘어 지역의 다양한 저탄소열원을 통합활용하는 고효율 열에너지플랫폼으로 발전할 수있다.

 

■ 히트펌프와 열에너지기술이 정책사업과 연계되기 위해 연구기관 차원에서 기여할 수 있는 역할은
생산기술연구원 제주기술실용화본부는 건물과 열공급부문 전기화와 P2H시스템 확산을 위해 열에너지저장기술과 운영기술을 개발하는 것은 물론 용도별 에너지 사용데이터를 체계적으로 확보하며 실증을 통해 현장적용성과 운영효과를 검증하는 역할까지 함께 수행하고 있다.

 

이는 분산에너지시스템이 지역에 안정적으로 확산되기 위해서는 개별기술의 성능확보를 넘어 실제 운영가능성과 적용효과까지 입증돼야 하기 때문이다.

생산기술연구원 제주기술실용화본부는 연구기관을 넘어 지역실증을 기반으로 기술의 현장 적합성을 검증하며 확산기반을 마련하는 역할을 수행하고 있다. 특히 제주지역에서 전기화와 P2H 확산의 실행기반을 마련하며 제주형 분산에너지 생태계와 탄소중립섬 실현에 기여하는 중추적 역할을 맡을 것이다.

 

■ 마지막으로 하고싶은 말이 있다면
제주는 국가 전체 에너지소비에서 차지하는 비중은 크지 않지만 재생에너지 출력제한 문제는 전국에서 가장 먼저 그리고 가장 뚜렷하게 나타난 지역이다.

그런 점에서 제주는 단순한 테스트베드가 아니라 대한민국 에너지전환의 선행시험대다. 특히 재생에너지 비중이 높아질수록 계통안정화, 열에너지탈탄소화, 섹터커플링, 분산형 통합운영기술의 중요성은 더욱 커질 수밖에 없다.

정부가 제주를 대상으로 이러한 분야에 대한 전략적 투자를 확대한다면 제주에서 검증된 모델은 전국은 물론 도서·농촌 지역까지 확산될 수 있을 것이다.

결국 제주가 먼저 분산형 에너지시스템의 성공사례를 만들며 그 경험이 국가 전체 에너지전환의 방향을 제시하는 구조를 만드는 것이 중요하다.