한국설비기술협회(회장 김철영) 축열기술전문위원회(위원장 서정식)는 탄소중립을 위한 축열시스템의 역할을 주제로 5월 12일(금) 오전 10시 서울 코엑스 A홀 내 강연장에서 ‘2023년도 축열시스템 기술 강연회’를 개최했다.

협회 축열기술전문위원회 서정식 위원장(한국냉동공조인증센터 박사)의 사회로 진행된 이날 강연회에서는 △탄소중립 시대의 축열시스템 기술 동향(세종대 정재동 교수) △축냉설비 보급 및 지원제도 현황(한국전력공사 김준우 차장) △건물 에너지 효율화를 위한 PCM 축열시스템 활용(서울기술연구원 강혜진 박사) △섹터커플링(P2H)

기반 축열시스템 필요성 및 기술동향(한국에너지기술연구원 허재혁 박사) △탄소중립을 위한 축열시스템 특성(엠에이산업 임효묵 CTO) △탄소중립에 적합한 수축열 시스템 적용사례(신성엔지니어링 박동선 팀장) △냉난방 분야의 히트펌프의 국외 기술동향(한국냉동공조인증센터 서정식 박사) 등 주제발표가 이어졌다.

서정식 축열기술전문위원회 위원장은 “이번 강연회는 탄소중립 시대를 맞으며 축열시스템이 어떤 역할을 할 것인지에 대해 방향성을 제시할 수 있는 7편의 논문 발표

를 준비했다.”며 “그동안 코로나 등으로 인해 축열기술위원회 활동이 침체된 측면도 있었지만 올해부터는 대면 만남의 기회를 많이 만들어 축열분야가 활성화되도록 노력하겠다.”고 말했다.

유해성 축열설비발전협회 신임회장은 축사에서 “지금까지 여러 기술들이 설비분야에 많이 도입되고 활약했지만 세상이 급속하게 변화하고 있는 만큼 앞으로는 축열과 히트펌프를 모르고는 설비기술을 제대로 도입하기 어려워지고 있다.”며 “축열분야 발전을 위해 많은 전문가 및 업계 종사자들이 한국설비기술협회 축열기술전문위원에 참여해 함께 하길 바란다.”고 말했다.

탄소중립 시대의 축열시스템 기술 동향

세종대 정재동 교수

정재동 세종대 교수는 ‘탄소중립 시대의 축열시스템 기술 동향’ 발표에서 “정부의 탄소중립 산업 및 에너지 관련 R&D 추진전략의 에너지 분야 감축수단에서 에너지저장이 큰 비중을 차지하고 있는데 이것은 ESS에 치중된 것 같다.”라며 “에너지는 전기와 열로 이루어져 있는데 ESS(Energy Storage System)는 전기에너지를 저장하는 Battery(?)로 너무 쉽게 받아들이고 있어 이 용어가 적합한지 설비분야의 적극적인 활동과 홍보가 필요할 것 같다.”고 언급했다.

이어 “국내 가정부문 에너지 사용량 중 열에너지는 70%, 전기에너지는 30%로 개별 세대의 연간 열요금은 전기요금의 2배 이상”이라며 “일반 국민들은 전기 사용량에 민감해 많이 사용한다고 생각하지만 대부분 월 사용량은 200~400kWh 정도”라고 말했다.

정재동 교수는 “국내 1차에너지와 최종에너지 소비 비중을 보면 열에너지 55.1%, 공업원료 25.5%, 전력 19.4%로 열에너지의 중요성이 큰 만큼 정부의 정책적 배려가 필요하다.”며 “열에너지 중 축열 및 축냉은 여름철 첨부부하 절감에 기여해 왔으나 겨울철 전력 피크부하가 발생하는 등 변화된 전력 수요체계와 함께 소비자와 업계의 미스매치 등 부정적 요인이 부각되므로 축열은 심야전력이라는 편견 극복을 위해 생산된 신재생 전력을 열에너지로 변화, 저장, 활용하는 섹터 커플링 등 유연자원으로서 축열/축냉 포지셔닝의 부각도 필요하다.”고 강조했다.

이어 국가별 냉방에너지 증가 추이와 섹터별 냉방에너지 증가 추이, 그리고 일반적인 열에너지 저장(TES)보다 더 많은 열에너지 저장이 가능한 가역화학 물질을 통해 열을 저장하는 TCES(Thermochemical Energy Storage)에 대해 소개했다.

축냉설비 보급 및 지원제도 현황

한국전력공사 김준우 차장

김준우 차장은 ‘축냉설비 보급 및 지원제도 현황’ 발표에서 △전력수요관리 개요 △축냉설비 개요 △축냉설비 보급 지원제도 △사외전문가 입회제도 △관련 규정 △인정업체 현황 등에 대해 소개했다.

전력수요관리는 공급 측 관리와 대응되는 개념으로 소비자의 전기사용 패턴을 변화시켜 최소의 비용으로 전기에너지 수요를 충족시키기 위한 모든 활동을 말한다. 전력수요관리 기법은 최대수요와 최저수요의 차이를 축소시켜 부하 평준화 도모 및 공급설비 이용효율 향상시키기 위한 ‘부하관리’와 고효율기기 보급으로 전기이용 효율을 향상시켜 에너지를 절감하는 ‘효율향상’로 구분된다.

김준우 차장은 “전력수요관리를 통해 국가는 전력수급 안정, 신뢰도 향상, 온실가스 저감 등 환경보존을, 전력회사는 설비이용률 향상, 안정적 전력공급, 설비투자 억제를, 고객은 에너지지용효율 향상, 비용(전기요금 등) 절감 효과를 거둘 수 있다.”고 언급했다.

이어 "전력수요관리 기법 중 부하관리사업은 동·하절기 등 불안정한 전력수급 발생 시에 안정성 확보와 전력설비 투자 억제를 통한 국가적 차원의 에너지자원 절약을 도모하기 위해 축냉설비, 최대전력관리장치, 건물냉난방기기 원격관리시스템 (KAMS) 등 3가지 부하관리기기에 대해 당해연도 지원금 예산범위 내에서 지원하고 있다."고  말했다.

축냉설비는 심야시간대(다만 심야(을)Ⅱ는 24 시간 사용가능) 열원기기(냉동기 또는 히트펌프)를 가동(22시부터 08시까지)해 얼음이나 냉온수를 생산, 저장했다가 전기 사용이 집중된 낮시간 냉난방에 사용하는 시스템으로 축열조와 열원기기(냉동기/히트펌프)가 해당된다.

축냉설비 설치고객은 감소전력에 따라 △~200/kW까지 31만원/kW △~400kW까지 27만원/kW △401kW~ 22만원/kW을 지원받는다. 만약 감소전력이 300kW일 경우, 지원금은 8,900만원이 지급된다. 설치지원금 상한액은 2억원이다.

축냉설비를 설계에 반영하는 설계사무소에 지급하던 설계장려금(상한액 3천만원)은 2020년 7월 1일 이후 폐지됐으며 2020년 6월 30일까지 설치계획서 접수분에 한해서만 지급된다.

김준우 차장은 “설치지원금 외에도 세제 및 금융지원, 대체냉방시스템 의무화 및 공공기관 의무화 지원제도, 사회전문가 입회제도 등을 통해 축냉설비 보급을 지원하고 있다”라며 “현재 축냉설비 인정업체는 40개 업체이며 설비형 89개, 제품형 5개 등 총 94개 모델이 공급되고 있다”고 소개했다.

건물 에너지 효율화를 위한 PCM 축열시스템 활용

서울기술연구원 강혜진 박사

강혜진 서울기술연구원 박사는 ‘건물 에너지 효율화를 위한 PCM 축열시스템 활용’ 발표에서 △서울시 온실가스 감축목표 및 사업현황 △서울시 특성을 반영한 건물에너지효율화 전략 △상변화 물질을 사용한 건물에너지효율화 기술분석 △상변화 물질을 사용한 건물에너지효율화 기술제안 등에 대해서 소개했다.

강 박사는 “서울시는 2050년 탄소배출량 100% 감소를 목표로 하고 있는데 탄소배출량 중 건물부문이 68.8% 차지하고 있는 만큼 건물부문 사업추진을 탄소배출량 감소에 우선 순위를 두고 있다.”며 “이를 위해 신축건물뿐 아니라 노후건물의 에너지소비량 감축을 위한 정책 추진과 수열이나 지열 등 다양한 신재생에너지 보급을 촉진하고 있지만 탄소감축 목표에 어려움이 예상돼 보다 적극적인 방안을 찾고 있는 상황이다.”고 언급했다.

이어 “서울시 전체 에너지사용량의 34%가 건물 난방소비로 추정되므로 2050년까지 탄소중립 시나리오 달성을 위해서는 천연가스 등 화석연료의 단계적 중단과 전기에너지로의 전환이 필요하다.”며 “난방이 전기에너지로 사용될 경우 난방부하로 인한 전력망 수요 극적 증가가 예상되므로 전기난방으로 전환에 앞서 열에너지 효율화가 선행돼야 한다.”고 밝혔다.

유럽과 미국은 현재 탄소중립의 실질적 실현을 위한 난방에너지 효율화의 중요성이 대두되면서 전기난방으로 전환하기 전에 난방수요 감축을 위한 화력발전 잉여열, 지역난방 폐열 활용, 열에너지 저장기술(TES) 개발 등 다각적인 방안을 접목하기 위해 서두르고 있다.

강혜진 박사는 서울시는 건물에너지효율화 일환으로 서울시 특성을 반영해 잠열을 이용한 열에너지저장(TES) PCM 축열시스템 기술검토 및 모델 실험을 진행 중이라고 소개했다.

상변화물질(PCM)은 열에너지를 저장할 수 있는 물질로 물에 비해 약 2~7배의 열에너지 저장능력이 크다. 잠열을 저장하므로 큰 온도 변화 없이 활용하기에 더 용이한 것이 특징이다.

강 박사는 “상변화물질은 이미 오래전에 나왔고 건축물 적용 시 패시브, 액티브, 신재생에너지 기술 등 여러 가지 방법으로 저장할 수 있지만 상용화, 경제성 관점에서 현재는 열을 저장했다가 다시 사용하는 열저장시스템 활용이 가장 많다.”며 유럽의 소규모 주거건물의 태양열 온수난방 및 급탕과 중·대규모 비거주건물의 냉방장치 냉각 활용 등 적용사례를 소개했다.

이어 “국내 사용을 위해서는 기후조건에 맞는 상변화 열에너지 저장장치 국산화와 간헐적 난방, 단독주택 등 소규모 건물에서 대규모 공동주택 단지까지 적용 가능한 저장장치 개발 확대가 필요하다.”고 언급했다.

서울시는 현재 상변화 온도 28℃의 파우치형 상변화 물질을 사용한 실험모델을 통해 라이에이터 기준 난방비용 약 90% 절감 가능한 기술개발을 모니터링 중이다.

섹터커플링(P2H) 기반 축열시스템 필요성 및 기술동향

한국에너지기술연구원 허재혁 박사

허재혁 한국에너지기술연구원 박사는 ‘섹터커플링(P2H) 기반 축열시스템 필요성 및 기술동향’ 발표에서 △P2H 기술 개요 및 필요성 △P2H 기술 동향 △P2H 연구 동향 △시사점에 대해 설명했다.

재생에너지 기반의 섹터커플링은 전력을 다른 형태의 에너지로 변환해 사용 및 저장하는 시스템으로 가변성이 있는 재생에너지 전력을 다른 형태의 에너지로 변화해 사용저장하고 발전, 난방 및 수송부분을 연결하는 시스템으로 현재는 에너지 공급부문 간 결합까지 포함하고 있다.

허재혁 박사는 “전기분야에 치중된 신재생에너지 보급의 열분야 확대가 필요하다.”며 제주 신재생에너지 발전 비율 및 출력제약 현황, 해결 방안에 대해 소개했다.

현재 제주는 CFI2030 재생에너지 확대 과정서 발전출력제약으로 잉여전력으로 낭비, 제주 발전출력제약 문제가 육지계통으로 확산될 것으로 전망되고 있다.

제주는 2015년부터 출력제약(잉여전력으로 낭비)이 발생해 2019년부터 급격히 증가했다. 2020년 7월 기준 13.7GWh로 출력제약이 발생, 제주 전체 신재생에너지 발전량의 4.14%에 해당된다.

다른 지역으로 역송 불가시 2023년 16%(340GWh), 2030년 43%(2,500GWh)의 출력제약이 전망된다. 만약 해저 전력망인 제3연계선을 2023년에 만들어 육지로 전력을 보낸다고 해도 2023년 3.3%(71GWh), 2030년 30%(1,740GWh)로 예상돼 상황에 따라서는 신재생에너지 전력 생산을 멈춰야 한다.

허재혁 박사는 “제주는 발전출력 제약 해결방안으로 에너지저장, 에너지전환, 에너지관리, 에너지제어, 에너지전송, 에너지시장의 6가지 방법과 P2H, P2G 등 섹터커플링과 전전화(히트펌프 보급) 등 11가지 솔루션을 마련하고 있다.”며 “특히 P2H시스템은 플러스DR 등 수요반응제도의 확립을 통해 활성화 가능하다.”고 밝혔다.

플러스DR은 제주지역 전기소비자가 자발적으로 전기사용량을 늘리고 신재생 사업자는 증가된 전기사용량을 구입해 신재생 출력제어량을 줄이는 수요반응 제도로 2021년 3월 운영 개시 후 514개 수요자원, 965개 참여 고객이 등록돼 있다.

허재혁 박사는 “P2H는 축냉기술과 거의 흡사하다”며 “기존 축냉시스템 제도 및 규정을 활용해 무분별한 도입을 방지하고 추후 육지에 발생할 수 있는 출력제한에 대비해 대용량 히트펌프 국산화 기술 배양도 필요하다.”고 언급했다.

이어 스콜틀랜드 Orkny Island(풍력 잉여전력을 열로 변환), 중국 Qindao(HP 이용 지역난방 계획), 영국 Isles of Scilly(HP, 스마트 배터리 적용), 독일 베를린(vattenfall, 저장온도 98℃) 등의  해외 적용사례를 소개했다.

유럽은 1980년대 초기에 신재생 비율 증가 및 원자력 발전 잉여전력에 따른 P2H 필요성으로 스웨덴에 전기보일러 약 3400MW 설치했으며 1990년대 후반부터 전기보일러의 사용은 급격히 감소하고 대부분 대용량 히트펌프에 의존했다. 히트펌프 열원으로는 하수를 주로 사용하며 하천수, 산업폐열 등의 순으로 나타났다.

탄소중립을 위한 축열시스템 특성

엠에이산업 임효묵 CTO

임효묵 엠에이산업 CTO는 ‘탄소중립을 위한 축열시스템 특성’ 발표에서 “축열시스템은 이제 심야전기를 이용하는 에너지이용합리화 시스템에서 다양한 기능을 수행하는 에너지저장 시스템으로 발전해야 한다.”고 언급했다.

에너지 저장시스템은 △에너지를 모으며(Integrating) △시간적으로 이월시켜 부하 또는 피크를 이전하며(Load Shift, Peak Shift) △모은 에너지를 일시 사용해 용량을 키울 수 있으며(Capacity Enlargement) △생산량과 소비량의 불일치 해소 및 일정한 운전 조건이 되도록 하며(Load Levelling) △다양한 용도로 사용할 수 있도록 유용성을 증가(Expanding Availability) 등 에너지은행의 역할을 수행한다.

임 CTO는 신재생에너지의 한계를 축열 시스템으로 보완하면 신재생에너지를 시스템화해 에너지절약 시스템 역할도 가능하다고 소개했다.

신재생에너지의 주요 단점은 △에너지 취득시간의 제약 △에너지 용량의 불균형 △Back Up 설비 필요함 △낮은 에너지 밀도 △높은 초기 투자비용 등이다. 이것을 축열시스템으로 보완하면 △에너지 저장으로 Load Shift △에너지 저장으로 Capacity Balancing △에너지 Integrating으로 복합화해 극복 △저장으로 양을 확대, 복합화로 보완 △장비 축소 효과와 Integrating 효과로 비용 감축 등의 효과를 거둘 수 있다.

탄소중립을 위한 에너지저장 설비의 특징은 축열과 사이클과 재생 사이클의 간섭 현상 제거, 축열조 방냉 능력의 향상 필요, 빙축열 설비에 난방 기능 추가 방식 도입, 고효율 설비 및 유지관리의 편의성 확보 등이다.

임효묵 CTO는 “최근 가스 복합화력발전 설비의 전력생산효율이 크게 상승(최고 63% 이상)하며 축열 설비는 가스냉방 설비보다 효율적인 수요관리 설비로 평가받고 있다.”며 “350RT 규모의 가스냉방 설비와 빙축열 설비의 1차 에너지 기준 COP 비교 결과 54% 정도 빙축열 설비가 높게 나왔다.”고 밝혔다.

탄소중립에 적합한 수축열 시스템 적용사례

신성엔지니어링 박동선 팀장

박동선 신성엔지니어링 팀장은 ‘탄소중립에 적합한 수축열 시스템 적용사례’ 발표에서 ‘세종시 집현동 OOO OO 수축열 설비공사 현장의 장비성능과 기술제안, 기술지원 등에 대해 소개했다.

이 현장은 신성엔지니어링에서 설비 제안한 데이터센터로 공사범위는 수축열 장비, 방수 및 단열, 내부 배관, 자동제어 공사 등이며 수축열설비는 한국전력 축냉설비 인정 업체만 참여할 수 있다.

박동선 팀장은 “수축열 공사는 특성상 수행역량이 요구된다.”며 “AS조직도, 전담인력 설계/구축 역할, 시공사 협력방안 등 제시와 세부적인 공사 출력인원 및 일정, 자재 수급 일정 및 반입, 공사안전 및 품질확보 등의 계획을 수립해야 한다.”고 말했다.

이어 박 팀장은 수축열조의 품질확보 측면에서 제안한 단열재와 내부배관 가대 고정 기술에 대해 소개했다.

수축열조 단열재로 제안한 고비중 우레탄폼은 압축 강도가 높아 냉수를 겸용으로 저장하는 수축열조 시공에 적합하다. 일반 우레탄폼보다 단위체적당 밀도가 높아 열손실을 최소화할 수 있고 내습성이 뛰어나며 콘트리트의 면이 좀 거칠어도 면처리가 가능하다.

축열조 내부배관 가대 고정방식으로 제안한 상부배관 가대는 장시간 운전 시에도 축열조 하부 도장면 손상에 따른 누수 위험이 없어 시스템 안정성이 확보돼 기존 하부 배관가대 적용보다 품질, 안정성을 추가 확보할 수 있다.

박동선 팀장은 기술적 측면 외에도 △축열조 성층화 검토 △축열조 내부 슬리브 시공방법 △수축열조 점검구 및 반입용 개구부 등 설계 개선안도 제시했다고 언급했다.

축열조 성층화는 미국 냉동공조협회 설계기준을 적용해 ’푸라우드 수‘ 및 레이놀즈 수’를 통한 적합성을 검토했다. 검토 결과, 프라우드수(Fr)는 ‘1 이하’로 설계했고, 레이놀즈수(Re)는 ‘2100 이하’로 층류를 형성해 온도성층화를 만족했다.

냉난방 분야의 히트펌프 국외 기술동향

한국냉동공조인증센터 서정식 박사

서정식 한국냉동공조인증센터 박사는 ‘냉난방 분야의 히트펌프 국외 기술동향’ 발표에서 기후변화 대응 난방설비로 부각되고 있는 히트펌프와 관련 건물 및 산업 적용기술에 대해 소개했다.

서정식 박사는 “최근 발간된 IEA 보고서 ‘The future of Heat pumps’에는 히트펌프의 향후 기술 및 시장 전망이 포함돼 있는데 유럽은 향후 건물 냉난방 중 난방에 포커스를 맞추고 에너지전환의 핵심기기로 히트펌프를 활용할 준비를 하고 있다.”며 “히트펌프는 외기조건 등의 영향을 받지만 COP 3~5로 열 생산을 위해 가장 효율적인 기기로 유럽은 Repower EU 정책에 따라 히트펌프 보급대수를 2021년 200만대에서 2030년 700만대 목표로 하고 있다.”고 밝혔다.

이어 “히트펌프 적용을 위해서는 △초기비용에 대한 지원금 등의 지원제도(유럽 중심) △보급활성화를 위한 제품가격 경제성 확보 △히트펌프를 위한 설치 및 보급을 위한 인력 체계 전환 △신재생 등의 활용을 위한 에너지그리드와 히트펌프 연계기술 확보 등이 필요하다.”며 “우리나라는 아파트라는 주거공간 특수성으로 아직 쉽지 않지만 전력 사정이나 에너지효율 등 탄소중립 관련 다양한 이슈들이 제도권 내에 들어오면 시장 확대가 기대되며 이때 히트펌프와 신재생에너지를 연계할 수 있는 분야가 축열시스템이다”라고 언급했다.

히트펌프는 냉매사이클을 이용해 열원과 부하로 열을 이동하는 기술로 열원에 따라 지열, 수열, 공기열 등을 활용한다. 사용온도 구간은 건물 냉난방(50~60℃), 급탕(65~70℃), 산업용(100℃ 이하), 산업용 스팀(150℃)이며 앞으로 산업공정의 30%를 히트펌프로 대체 가능하다.

서정식 박사는 “전세계 히트펌프 시장은 2021년 10%에서 2030년까지 3배로 증가하지만 2050년까지는 두 배 증가로 다소 주춤할 것으로 예상돼 2030년 이후에 이미 계획된 것보다 더 강력한 정책이 시행될 가능성이 있다,”고 언급했다.

이어 “향후 히트펌프 기술은 △연료 대체를 위한 정책을 위한 가격의 경제성 확보를 위한 기술 △한랭지와 같은 열원에 대한 기술 △고온 등의 사용온도를 위한 기술 △기존 미활용된 사이클에 대한 기술적용(스터링 사이클 등) △폐열활용 열원기술 등으로 확장될 것”이라고 밝혔다.