한국히트펌프얼라이언스 2023년 정기세미나가 부산 XCO에서 열린 ‘제17회 국제환경에너지산업전’ 부대행사로 지난 8월 31일 성황리에 개최됐다.

이번 세미나는 히트펌프얼라이언스와 한국에너지기술연구원 신재생시스템연구실(KIER N-Lab) 공동 주최로 2050년 탄소중립 및 에너지전환에 따라 부상하고 있는 히트펌프 주요 이슈에 대한 한층 업그레이드된 주제발표가 이어졌다.

이번 세미나에는 최근 탄소중립, 에너지가격 상승 등 글로벌 에너지산업이 급변함에 따라 신재생에너지를 활용해 에너지 소비를 줄일 수 있는 ‘히트펌프’에 대한 관심이 높아진 것을 반영하듯 산학연 히트펌프 전문가 및 업계 관계자 등 180여 명이 참석했다.

김완진 한국히트펌프얼라이언스 공동의장은 인사말에서 “전기 및 가스요금 등 앞으로 에너지비용 현실화가 이루어지면 히트펌프 시장은 조금씩 좋아지는 환경이 마련될 것으로 판단된다.”라며 “오늘 히트펌프 주요 이슈와 기술동향에 대해 발표해 주시는 분들과 참석해 주신 업계 관계자들이 히트펌프를 통해서 에너지 절감과 지구온난화에 노력해준다면 국민들의 삶이 더욱 편안해질 것으로 생각된다.”고 말했다.

최준영 한국산업기술시험원 박사는 “히트펌프얼라이언스는 2014년 히트펌프산업

활성화를 위해 산학연 및 언론에 종사하는 관계자들이 모여 한국히트펌프산업협회로 출범한 후 협회명 개칭 후 내년이면 창립 10주년을 맞이한다.”라며 “앞으로 히트펌프는 탄소중립을 위해서 가장 중심적인 역할을 해야 한다는 점이 모든 나라에서 부각되고 있고 우리나라도 정관계에서 히트펌프산업 활성화를 위해 조금씩 움직이고 있는 만큼 2050년 탄소중립 정책에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

세미나 주제발표는 히트펌프 기술 로드맵(김민성 중앙대 교수)을 시작으로 △계절간 잉여태양에너지의 히트펌프 융합 이용기술(이경호 한국에너지기술연구원 박사) △태양광·열복합(PVT) 모 소개 및 히트펌프 연계기술(주홍진 한국에너지기술연구원 박사) △글로벌 히트펌프 동향 및 국내 발전 방향(이윤빈 한국에너지기술평가원 D) △공동주택 지열히트펌프 적용 활성화 방안(남유진 부산대 교수) △CO₂ 히트펌프 기술동향(이병찬 만에너지솔루션 부장) △고온 히트펌프 개발(김진섭 한국기계연구원 박사) △수열원 히트펌프 활성화 제도 개선 방향(김성실 LG전자 박사) 등으로 진행됐다.

▶히트펌프 시장 확대하려면 기술적·정책적 전략 필요

김민성 에너지시스템공학부 교수 중앙대학교

김민성 중앙대학교 에너지시스템공학부 교수는 ‘히트펌프 기술의 미래와 연구방향’ 발표를 통해 “2021년부터 히트펌프 시장의 비약적인 성장세를 보이고 있는 유럽에서는 러시아-우크라이나 전쟁과 각국 정부의 보조금 지원 정책 등에 힘입어 지속적으로 두 자리수 상승이 기대된다”라며 “RePowerEU 정책을 통해 2030년까지 히트펌프 판매가 지금의 3배 이상으로 증가할 것으로 예상된다.”고 말했다.

이어 “IEA는 2030년까지 건물 열 수요의 20%를 히트펌프로 대체하면 6억 대 정도의 히트펌프가 보급될 것으로 전망하고 있지만 실제로는 30억 대 정도의 시장장규모가 예상된 다.”라며 “히트펌프 내구연한을 15년으로 볼 때 매년 1500만 대의 히트펌프 공급이 필요하다.”고 언급했다.

실제 2021년과 2022년, 글로벌 히트펌프 시장은 10% 정도 성장했다. 특히 유럽의 경우, 이 기간 공기열원(Air to Water) 히트펌프는 50% 성장세를 보여주고 있다. 우리 주변국인 일본과 중국의 공기열원 히트펌프 성장속도도 우리나라보다 상당히 빠르다.

김민성 교수는 “유럽은 보일러 대비 히트펌프 판매 비중이 10년 전만 해도 10대 중 1대 정도가 히트펌프였다면 지난해 같은 경우 10대 중 3대가 히트펌프일 정도로 난방설비 시장에서 급속히 보일러 시장을 잠식하고 있다.”라며 “특히 전기요금이 저렴하고 가스 같은 화석연료 사용규제가 심한 노르웨이, 핀란드, 스웨덴, 덴마크 등은 이미 난방설비의 90% 이상이 히트펌프로 전환됐다.”고 언급했다.

국제냉동학회(IIR) 과학기술위원회는 최근 히트펌프의 기술적 이슈로 에너지효율(Energy Efficiency), 낮은 GWP 냉매(Low GWP Refrigerant), 냉난방·환기 통합처리 모듈(Comfort Climate Box), 고온 히트펌프(High-Temperature Heat Pumps) 등 4가지를 제시했다.

김민성 교수는 그중 낮은 GWP 냉매(Low GWP Refrigerant) 관련해서 냉매 규제에 따른 대체 냉매의 향후 변화와 전망에 대해 소개했다.

현재 사용되고 있는 Low GWP 냉매는 HFC계열로는 R32와 HFO계열로는 R1234yf, R1234ze 등이 있으며, 대부분 약가연성 냉매(A2L)로 분류된다. 이 냉매들은 유럽의 F-gas regulation에 대응하기 위해 개발돼 GWP가 낮은 편이다.

김민성 교수는 하지만 불소계 냉매는 “PFAS(Per- and polyfluoroalkyl substances)로 정의되는 인체 유해성이 보고되고 유럽에서는 2029년 1월부터 유해성 물질의 사용을 금지하는 규제가 의회를 통과하면서 새로운 냉매 조합이 나오지 않는다면 냉난방에 가용할 수 있는 냉매는 R290(C3H8), R744(CO2), R717(NH3)로 제한될 것”이라고 예상했다.

김 교수는 한국 시장에서 히트펌프 보급이 더딘 이유에 대해 △보일러, 전열기 등 가열을 목적으로 하는 기기의 다양성 △효율을 제외하면 가격과 편의성 측면의 취약성 △국내의 저렴한 에너지 비용으로 인한 낮은 ROI 등을 꼽았다.

이어 국내 히트펌프 시장 활성화를 위해 △히트펌프 보급의 취약성 극복 △가정용 히트펌프 보급 방안 마련 △산업용 보일러 대체하는 히트펌프 보급 확대 △탄소중립을 위한 히트펌프 통합 로드맵 등 기술 및 정책적 전략 필요성 등을 강조했다.

▶계절간 잉여 태양에너지의 히트펌프 융합 이용 기술

이경호 신재생에너지연구실 박사 / 한국에너지기술연구원

이경호 한국에너지기술연구원 신재생에너지 연구실 KI R N-Lab 박사는 ‘계절간 잉여 태양에너지의 히트펌프 융합 이용 기술’ 발표에서 다수의 실증사례를 바탕으로 한 태양에너지와 히트펌프의 융합을 강조했다.

이경호 박사는 스마트팜 온실 난방에 태양열을 이용한 지열원 재생 기술 사례를 예로 들며 “난방기에 지열히트펌프 난방 후 지중온도는 1℃ 상승했으며 비난방기에는 태양열로 지중가열로 지중온도 0.3℃ 상승, 태얄열 지중재생 후 지열히트펌프 COP 3.19로 기존 2,79에 비해 14.3% 향상됐다”라며 “특히 난방기에 수열원 모드로 계간열저장고와 지충축열을 이용한 단기간 히트펌프 운전으로 열원측 20~30℃ 범위로 조절해 공급했을 때 평균 COP가 4.38을 기록했다”고 설명했다.

이 박사는 태양에너지 설비 설치면적이 증대됨으로서 생기는 잉여 태양에너지에 대한 활용 방안도 제시했다.

이 박사는 “태양열의 계절간 열저장 이용과 지열원 재생 이용 실증연구 사례와 태양광의 간절기간 잉여전력 이용과 히트펌프 열원화 이용 가능성 검토가 필요하다”라며 “고효율 태양광 집열기술, 고효율 열저장 기술, 저가형 열저장 기술, 이중 부하 및 열원간 활용형 히트펌프, 예측모델 시스템 운전제어 툴 등 더 효율적 융합을 위한 요소기술 연구가 진행되고 있다”고 덧붙였다.

▶태양광·열(PVT) 모듈 소개 및 히트펌프 연계 기술

주홍진 신재생에너지연구실 박사 / 한국에너지기술연구원

주홍진 한국에너지기술연구원 신재생에너지연구실 KIER N-Lab 박사는 ‘태양광·열(PVT) 모듈 소개 및 히트펌프 연계 기술’ 발표를 통해 단일 에너지원에 대한 의존도를 낮출 수 있는 대안으로 PVT 활용 방안을 소개했다.

PVT는 태양광 모듈과 일체화된 태양열집열기로 열과 전력을 동시에 생산한다. 최근 제로에너지건물 보급에 따라 소규모 주거용 건물부터 대형 건물 산업 대용량으로 확대될 전망이다.

독일의 경우 350세대 다세대주택, 단독주택, 개별주택 및 공동주택, 공동활용 공간 등 다양한 거주 공간에서 지열냉난방 네트워크, 히트펌프+CHP+보일러+냉열저장탱크를 활용하고 있다. 여기에는 PVT 모듈 500m², 태양열집열기 306m²가 설치돼 있다.

국내에서는 홍은 119안전센터 리모델링에 PVT 모듈과 히트펌프 연계 기술이 적용이 실증되고 있다. 적용 기술로는 냉·난방 히트펌프, 급탕 히트펌프, PVT 시스템, 직접증발쿨러, 실외기 열원덕트 시스템 등이다.

주 박사는 “PVT+히트펌프 연계 시 PVT에서 전기와 열을 동시에 생산해 히트펌프에 전력과 열을 동시에 공급이 가능해 연중 효율이 상승한다”라며 “PVT 활성화를 위한 제도화가 시급하고 적극적인 PVT와 히트펌프 응용기술 개발이 필요하다”고 강조했다.

▶현재 히트펌프 생태계 및 확장 규모 정립할 때ㅤ

이윤빈 효율향상PD / 한국에너지기술평가원

이윤빈 한국에너지기술평가원 효율향상PD는 ‘히트펌프 기술 개발 현황과 향후 발전 방향’ 발표를 통해 에너지정책과 히트펌프, 히트펌프 기술개발 주제, 향후 발전 방향에 대해 소개하며 2050년 탄소중립이라는 글로벌 사회의 패러다임에서 부각되고 있는 히트펌프 중요성을 강조했다.

이윤빈 PD는 “수면 아래 있던 여러 가지 이슈들이 사람들의 관심을 받고 실질적인 논의가 진행되는 것을 ‘정책의 창이 열렸다’고 한다.”라며 “정책의 창은 활짝 열렸다 금방 닫히기도 하는 만큼 창이 열린 상태를 유지하며 실질적인 집행과정으로 이끌어내는 게 상당히 중요하다.”고 언급했다.

전 세계 각국은 에너지정책에서 △탄소중립 △안정적인 에너지 공급 △기술융합(ICT) 등이 핵심요소로 부각되고 있으며 히트펌프는 이중 탄소중립과 가장 밀접한 관계를 가지고 있다.

이윤빈 PD는 “우리 생활 주변에 있는 수송, 건물, 산업현장 전반에 걸쳐서 히트펌프 관련된 여러 가지 이슈들인 온도 조건, 작동유체, 여러 가지 규제 사항 등을 만족시키기 위한 굉장히 많은 R&D 요소가 있다.”라며 최근 국내에서 착수한 히트펌프 관련 R&D 과제를 소개했다.

최근 국내에서는 △고집적 데이터센터 에너지 효율향상 솔루션 개발 및 실증(2022〜2025년 103억원) △중·저온 산업폐열 이용 하이브리드 발전시스템 개발 및 실증(2022〜2026년 240억원) △동시충전이 가능한 고객 편의 기반 주차타워용 자동충전시스템 개발 및 실증(2022〜2026년 80억원) △산업용 대온도차 히트펌프 시스템 핵심기술 및 실증·운영 기술 개발 △산업용 대온도차 히트펌프 시스템 핵심 기술 및 실증·운영 기술 개발(2023년부터 57개월, 218.6억원) △산업공정 열에너지 전기화 전환을 위한 핵심기술 개발 및 실증(2023년부터 57개월, 195억원) △ 중형급 산업용 전동기 슈퍼 프리미엄 기술개발 및 실증(2023년부터 45개월, 192억원) 등 에너지효율혁신 과제가 착수돼 진행되고 있다.

이윤빈 PD는 “히트펌프 기술은 시장이 커진 것에 대비해 경쟁기술과의 상호비교 자료가 상당히 부족하다.”라며 “가정용(난방/급탕) 히트펌프, 한랭지 성능, 제상운전 등 경제성이 확보와 더불어 증기압축식 히트펌프뿐 아니라 미활용에너지 활용 확대를 위한 열원기반 히트펌프, 흡착식이나 흡수식 관련 히트펌프 R&D도 상당히 중요하다.”고 강조했다.

이어 “히트펌프 관련 대학이나 기업, 출연기관 등의 지속적인 성장과 함께 올해는 히트펌프 관련 생태계 규모와 어느 정도까지 시장을 확대시킬 수 있는지 구체적인 고민을 해야 할 시기인 것 같다.”고 전했다.

▶열 및 전기 에너지 구분한 신재생에너지설비 보급 필요

남유진 건축공학과 교수 / 부산대학교

남유진 부산대학교 건축공학과 교수는 ‘공동주택 지열히트펌프 적용 활성화 방안’을 통해 신재생에너지 공급 의무화 관련 정책을 제안했다.

건물부문의 에너지소비량은 총 산업의 약 38%에 해당하며 에너지 및 탄소배출량 저감 대책이 필요한 실정이다.

제로에너지건축물 의무화 정책이 강화됨에 따라 2030년까지 일정면적 이상의 공공 및 민간 건축물은 제로에너지건축물을 달성해야 한다. 대부분 제로에너지건축물은 태양광 시스템을 적용하고 있으나 기술적 한계점으로 인해 제로에너지건축물 구현이 어려워 다른 신재생에너지원의 사용이 필요하다.

남유진 교수는 “건물용도에 따라 에너지 사용 형태가 다르지만 ‘신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 규정’에 근거하면 신재생에너지 생산량은 열에너지와 전기에너지 구분이 없다”라며 “이는 건물용도에 적합하지 않는 신재생에너지 설비가 보급될 가능성(태양광 위주)이 높으므로 열에너지와 전기에너지를 구분한 신재생에너지 설비의 보급이 필요하다”고 강조다.

▶CO2 히트펌프 기술을 이용한 3세대 에너지관리 시스템-MAN의 ETES

이병찬 부장 / 만에너지솔루션

이병찬 만(MAN)에너지솔루션 부장은 ‘CO₂ 히트펌프 기술동향’을 통해 “글로벌 에너지 수요와 히트펌프의 적용 솔루션, MAN의 ETES(large-scale trigeneration energy storage and management system)에 대해 소개했다.

난방부문의 탈탄소화와 재생가능 전력 생산의 증가는 화석연료의 단계적 폐지로 인해 열 공급(Power to Heat)의 전기화로 이어진다. 특히 산업공정의 탈탄소화 및 Re-electrification(Power to Heat)은 더욱 중요해지고 있으며 폐열 활용에 대한 높은 잠재력을 제공한다. 열펌프는 저온 및 고온 폐열을 유용한 고품질 공정열로 변환하는 중요한 기능 중 하나다. 유럽에서만 폐열의 잠재 에너지는 920Twh 이상이다.

이병찬 부장은 “화석연료는 계속해서 열 공급을 위한 에너지원으로 사용되고 있는 반면 재생에너지는 전 세계 열수요의 10%만을 충족하고 있다.”고 언급하며 열에너지부문의 탈탄소화는 전세계 CO₂ 배출량을 줄이는데 중요하다고 강조했다.

MAN의 ETES는 전기, 열, 냉기를 동시에 저장, 사용, 분배하는 대규모 3세대 에너지 관리 시스템으로 초임계 C02 사이클을 이용해 히트펌프 기술 기반으로 열을 온수와 얼음의 형태로 저장한다.

이 부장은 “MAN ET S는 열 에너지(저온/고온)의 직접 사용 및 재-전기화에 대한 유연성 제공으로 데이터 센터, 식품 및 음료 산업, 지역냉난방 에너지 관리 시스템 등에서 독립형 또 는 통합 시스템으로 사용할 수 있다.”고 말했다.

▶2028년까지 300℃급 고온 히트펌프 핵심 기술 개발

김진섭 열에너지솔루션연구실 박사 / 한국기계연구원

김진섭 한국기계연구원 열에너지솔루션연구실 박사는 ‘화석연료 대체를 위한 300℃급 고온 히트펌프 시스템 개발’ 발표를 통해 국내외 산업용 히트펌프 개발 동향 및 사례와 올해부터 6년간 자체 개발사업으로 추진중인 300℃급 고온 히트펌프 시스템 개발 목표에 대해 소개했다.

김 박사는 “유럽의 경우 에너지 수요의 66%가 공정열 수요이며 화석연료가 공정열의 78%를 공급중이고 국내의 경우 화석연료가 산업에너지 수요의 80% 담당하고 있다.”라며 “탄소중립 달성을 위해서는 산업공정 에너지 절감 및 산업부문 전기화 이행이 필수적인데 화석연료 사용을 최소화하기 위해서는 히트펌프 보급확대가 중요한 이슈로 부각되고 있다.”고 강조했다.

이어 “산업부문에서 히트펌프 사용하기 위해선 고온 생산이 가능해야 하는데 유럽이나 일본 등은 180℃ 이상 고온 히트펌프 개발 성과가 보고돼 있으며 120~130℃ 고온 히트펌프의 산업공정 적용이 확대되고 있는 등 우리나라 보다 연구개발이나 제품 상용화, 보급 확대 측면에서 많이 앞서 있다.”고 언급했다.

유럽은 덴마크, 오스트리아, 스위스, 독일 등을 중심으로 건조, 식품살균, 증류 공정 등에서 산업용 히트펌프 도입이 활발히 이루어지고 있는 반면 국내의 경우 산업공정에 히트펌프 도입 사례는 폐열회수 등에 손에 꼽을 정도이다.

산업부문 열에너지 중에서 300℃ 이하 열공급 비중은 약 40% 정도이며 고온 히트펌프 적용시 약 71.1백만톤 CO2eq의 온실가스 감축을 기대할 수 있다.

김진섭 박사는 “한국기계연구원에서는 산업공정에서 100~300℃ 온도영역대의 열에너지 수요가 높다는 점에 착안해 올 1월부터 6년간 자체 과제로 300℃급 고온 히트펌프 시스템 개발을 진행하고 있다.”라며 “1단계 연구목표로 고온 히트펌프 사이클 및 시스템 설계, 열교환기 및 시스템 통합, 고온고체 열저장 시스템, 고온용 터보기기(팽창기) 등 핵심 기자재를 개발할 계획”이라고 밝혔다.

이어 “히트펌프가 초기 설비비용이 높지만 연료비 및 탄소세 절감으로 유지비용을 낮출 수 있어 약 4.9년 운전시 총 비용은 역전된다.”라며 “최근 에너지 단가 변동을 고려할 때 경제성 확보 소요기간은 1.8년 정도”라고 언급했다.

▶대용량 수열원 히트펌프 KS 제정 필요

김성실 박사 / LG전자

김성실 LG전자 박사는 ‘수열원 히트펌프 보급 활성화를 위한 제도 개선’ 발표를 통해 수열에너지 보급 확대를 위한 설비인증 표준 제정 필요성을 강조했다.

김성실 박사는 “수열원 히트펌프는 물의 에너지를 이용해 냉/난방수를 생산하는 장치로 2021년 신재생에너지 생산량 14,000천 toe 중 24천 toe로 전체 비중은 0.2%로 작지만 매년 보급이 증가하고 있어 보급 활성화가 필요하다.”라며 “수열에너지 보급 확대를 위해서는 △수열원 히트펌프 한국산업표준(KS) 제정 △설비 품질 확보 △고효율 장비 등을 통해 수열에너지 보급 확대는 기후위기 극복 탄소중립 실현에 기여할 수 있다”고 밝혔다.

이어 “신재생에너지 보조금 및 설치 의무화사업 시 제품에 대한 품질뿐만 아니라 설치 품질을 위해 신재생에너지설비 원별 시공기준을 제시하고 있어 수열원 히트펌프 유닛도 인증받은 설비를 설치해야 한다.”라며 “하지만 수열에너지 이용 히트펌프는 신재생에너지 설비 인증을 취득하기 위한 한국산업표준(KS)이 없어 530kW 이상의 히트펌프는 설비인증서가 필요한 각종 사업 참여가 불가한 실정이다.”라고 아쉬움을 토로했다.

현재 신재생에너지설비 원별 시공기준에는 수열열펌프 유닛은 인증받은 설비(KS B 8292-8294)를 설치하도록 명기돼 있다. 지열원 열펌프 유닛의 KS표준을 수열열펌프 유닛에 준용하고 있다. 하지만 관련 한국산업표준 인증 범위를 보면 물-물 지열원 열펌프 유닛(KS B 8292)은 530kW 이하, 물-공기 지열원 열펌프 유닛(KS B 8292)와 물-공기 멀티형 지열원 열펌프 유닛(KS B 8294)은 각각 175kW 이하이다.

김 박사는 “수열원은 중소 용량 활용도 필요하지만 대용량으로 개발하면 더 효율적으로 이용할 수 있는 만큼 수열에너지는 530kW 이상의 대용량 히트펌프 적용을 고려해 국내 열펌프 관련 KS를 기반으로 한국에너지공단의 신재생에너지 설비의 인증기준 제정 및 표준 검토가 필요하다.”라며 수열원 히트펌프 KS 제정을 위한 제안을 했다.

제안한 KS 명칭은 수열원 히트펌프 유닛 KS B 0000 Water source heat pum unit, 적용범위는 히트펌프 또는 히트펌프 유닛은 정격 냉방용량 또는 정격 난방용량 10,500kW 이하다.

용량 및 구조는 530kW 이하는 냉매절환방식, 530kW 이상은 수절환방식이며 냉매가 충전된 상태에서 공장에서 완전히 조립된 것, 기계실의 설치조건에 따라 완전히 조립된 기기의 반입이 불가능한 경우에는 분할해 현장조립 및 냉매 충진작업이 가능해야 한다. 외부케이싱은 530kW 이하는 금속재질의 케이싱으로 조립, 530kW 초과는 기계실 반입 운영을 고려해 케이싱을 하지 않을 수 있다.

김성실 박사는 “수열원 히트펌프는 하수처리장, 지역난방공사 폐열, 열병합발전소 폐열을 히트펌프 열원으로 활용해 건물 내 냉난방열원으로 활용하면 최대 80%의 에너지 절감이 예상된다.”라며 “하수처리장 처리수를 하천으로 방류하기 전 히트펌프를 이용해 지역난방의 열원공급수로 공급, 열병합 발전소의 냉각폐열을 회수해 지역난방 회송수 승온(55℃→65℃) 공급하는 적용사례”에 대해 소개했다.

이어 “수열원 히트펌프 보급 확대를 위한 KS 표준이 제정되면 설비품질 확보 및 고효율 장비 개발이 확대되며 수열에너지 보급 확대로 이어져 기후위기 극복을 위한 탄소중립 실현에도 일조할 수 있다.”고 강조했다.