한국히트펌프얼라이언스 2022년 정기세미나가 부산 BEXCO에서 열린 ‘제16회 국제환경에너지산업전’ 부대행사로 지난 9월 1일 개최됐다.
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 전문가들과 업계 관계자 등 200여 명이 참석했다.
김민수 히트펌프얼라이언스 공동의장(서울대 교수)은 개회사를 통해 “전 세계가 탄소중립으로 가야 한다는데 공감대를 가지고 있다”라며 “우리나라는 히트펌프에 대한 인식이 낮은 반면 유럽은 히트펌프를 재생에너지 이용 기기로 인정받고 있어 우리나라도 탄소중립에서 히트펌프의 역할에 대한 인식이 높아질 것으로 기대한다”고 말했다.
임춘택 에너지경제연구원 원장은 축사를 통해 “산업, 건물, 수송 등 재생에너지 전환에 있어서 히트펌프가 중요한 역할을 할 것”이라며 “에경연에서는 히트펌프 인식 개선, 제도 개선 등 히트펌프 발전을 위한 지원을 하겠다“고 언급했다.
이길봉 한국에너지기술연구원 책임연구원
글로벌 히트펌프 기술-정책 트렌드
이길봉 한국에너지기술연구원 책임연구원은 ‘글로벌 히트펌프 기술-정책 트렌드’ 발표를 통해 “산업용 히트펌프의 시장 도입을 위한 어려움과 장벽을 극복하기 위해 기술 개발이 추진되고 있다”고 소개했다.
EU 재생에너지지침은 폐열을 재생에너지 보급목표 달성을 위한 수단으로 인정하고 있다. 이에 따라 열부문 재생에너지 비중을 2030년까지 매년 1.3%p씩 확대토록 했으며 재생에너지 달성목표치의 40%까지 재생열에너지가 감당하게 될 수 있다. 또한 대규모 바이오매스, 태양열, 지열로부터의 냉난방 공급을 수용하기 위해 회원국의 지역난방 인프라 개발을 하게 한다.
2020년 이후 유럽을 중심으로 재생열에너지 보급 정책이 새롭게 제시됐다. 화석연료 금지, 가스 또는 석유 보일러의 신규 설치를 금지함으로써 재생열에너지 보급을 유도하고 있다.
우선 독일은 2009년 RHO제도를 도입해 건축물 열에너지 사용량의 일정 비율을 재생에너지원을 통해 생산·공급토록 의무화했으며 영국은 2011년 RHI제도를 도입해 화석연료 등을 통한 열 생산에 비해 경제성이 떨어지는 재생에너지 열 생산방식에 대해 장기적(20년) 재정지원을 통해 생산비용 차액을 보조해주고 있다. 또 프랑스는 태양열과 지열에 보조금을 제공하고 있으며 미국 캘리포니아 히트펌프 의무화 재정지원, 뉴멕스코 태양열 세금공제 등 지원을 하고 있다.
이어 이길봉 책임연구원은 현재 러시아의 우크라이나 분쟁으로 촉발된 러시아산 가스 수급 불안정으로 히트펌프는 유럽 내 가스보일러 대비 가격경쟁력이 높아져 보급 확대가 전망된다고 설명했다.
유럽은 지난 3월 에너지 자립도를 높이기 위해 히프펌프 설치 확대 계획을 수립하고 2026년까지 약 2,000만대, 2030년까지 6,000만대 설치한다는 목표를 세웠다. 설치율을 높이기 위해 장비 생산을 늘리고 자금조달을 용이하게 지원할 계획이다.
남유진 부산대학교 건축공학과 교수
탄소중립을 위한 히트펌프의 역할과 최신 활용 기술
남유진 부산대학교 건축공학과 교수는 ‘탄소중립을 위한 히트펌프의 역할과 최신 활용 기술’ 발표를 통해 “세계 건설시장이 회복세에 진입함으로써 건물 및 건설 내 에너지 사용 절감을 위해 다양한 형태의 히트펌프 기술 개발과 적용 현장이 늘어날 것”이라도 전망했다.
건물 및 건설부문의 에너지사용량을 보면 2017년 건물 건설 및 운영시 전 세계 최종 에너지 사용량의 36%, 에너지 관련 이산화탄소 배출량의 39%를 차지하며 건물 및 건설 부문은 에너지 배출량에서 가장 큰 비중을 차지한다. 이에 따라 국가별 ZEB(Net-Zero Emission Building)를 위한 개인 및 공공 건축물의 탄소배출량을 0으로 만드는 의무화 정책이 2050년까지 계획돼 실시될 예정이다.
남유진 교수는 ‘Transforming Energy Scenario’에 따라 건축부문의 재생에너지 사용은 36%에서 77%로 증가할 것이며 건물에너지 소비의 최대 4분의 3이 재생에너지로 공급될 것이고 히트펌프 장치는 관련 시장이 증가함에 따라 건축부문 열수요의 27%를 공급할 것으로 예상된다고 언급했다.
지역별 히트펌프 시장은 아시아-태평양 지역이 연평균 성장률 16.24%로 증가해 가장 높은 성장률을 보였으며 유럽 지역이 연평균 성장률 9.91%로 그 뒤를 이었다.
글로벌 히트펌프 시장 규모는 예측기간 동안 8.6% CAGR의 시장성장률로 2025년까지 1,025억달러로 매년 높은 성장률을 보일 것이며 우리나라의 히트펌프 시장은 2018년 6억1,400만 달러에서 연평균 성장률 15.90%로 매년 꾸준히 성장할 것으로 전망된다.
남유진 교수는 히트펌프는 단독 사용보다는 시스템과의 적합성 여부가 매우 중요하기 때문에 설계단계에서부터 각 장비의 특성을 파악하고 부속기기 간 연계성을 통한 시스템관리가 이루어져야 에너지절감과 온실가스 적감의 핵심설비가 될 것이다고 언급했다.
이어 열원에 따른 히트펌프 기술동향과 국내외 적용사례, 그리고 AI 기술을 적용한 히트펌프 제어에 대해 소개했다.
이공훈 한국기계연구원 박사
건물용 차세대 히트펌프 개발 동향
이공훈 한국기계연구원 박사는 ‘건물용 차세대 히트펌프 개발 동향’을 통해 글로벌 건물용 히트펌프 시장 현황과 친환경 차세대 대체냉매 개발 동향에 대해 소개했다.
이공훈 박사는 “글로벌 냉매 규제에 대응하기 위해 차세대 대체 냉매 및 고효율 냉난방기기 핵심 기술·통합 운영 시스템 개발이 필요하다”라며 “냉매 개발/혼합 기술, 냉매 안전성 평가 기술. 냉매 물성 측정/평가 기술. 대체 냉매 적용 시스템 기술 등 냉매 개발에 필요한 기술 개발이 추진 중”이라고 밝혔다.
EU는 탄소중립 중간 과정으로 2030년까지 최소 55% 온실가스 배출 절감을 목표로 고효율 시스템과 화석연료 대신 신재생에너지로 전환하고 있으며 히트펌프 보급을 2배로 증가시켜 향후 5년 이내에 히트펌프 누적 1,000만 유닛 달성을 목표로 하고 있다.
유럽 히트펌프 시장은 공기열-공기열, 공기열-수열 히트펌프 비중이 크며 2030년경 공기열 히트펌프 시장이 6~7배 증가할 것으로 예상되는 반면 반도체 부족, 소재가격 상승, 숙련된 전문인력 부족 등의 어려움도 예상된다.
히트펌프 기술은 고효율 냉매 압축기, 고효율 컴팩트 열교환기, 인버터 및 선형비례 제어기술, Low GWP 냉매 등 관련 기술이 개발, 적용되고 있다. 특히 Heat-recovery VRF는 냉방 배열을 난방이 필요한 곳에 활용해 30%까지 에너지절감이 가능하다.
이공훈 박사는 글로벌 냉매규제에 따른 대체냉매 시장은 이제 선택이 아닌 필수라며 ‘차세대 대체 냉매 및 고효율 냉난방기기 핵심 기술·통합 운영 시스템 개발과제에 대해 소개했다.
이 과제의 개발목표는 친환경 냉매 개발(GWP＜10, 안정성＜A2L) 및 성능평가 인프라 구축, 대체 냉매 안전성 평가기술 개발, 대체냉매(GWP＜750, 안정성＜A2L) 적용 VRF 히트펌프 시스템 최적화 기술 개발 등이다.
이공훈 박사는 대체냉매 개발을 위해서는 △냉매 정제 및 냉매혼합 기술 △냉매 물성 측정 및 평가기술 △냉매 안전성 평가기술 △대체냉매 적용 시스템 기술 등이 선결과제라고 언급했다.
허재혁 한국에너지기술연구원 박사
탄소중립 핵심기술, P2H에서 히트펌프의 역할
허재혁 한국에너지기술연구원 박사는 ‘탄소중립 핵심기술, P2H(Power to Heat)에서 히트펌프의 역할’ 발표를 통해 “육지에서 발생할 수 있는 출력제한에 대비해 대용량 히트펌프 국산화 기술 배양이 필요하다”라며 “P2M(Power to Mobility), P2G(Power to GaS) 대비 기술적, 경제성 측면에서의 경쟁력 강화가 요구된다”고 주장했다.
허재혁 박사는 산업(에너지), 주거/상업. 수송용 열에너지 소비는 각각 38.6%, 17.3%, 18.8%, 주거용 및 상업용 건물의 열에너지 사용 비율은 각각 60%, 50% 이상, 또 업무용 건물에 공급되는 전력의 약 3분의 1은 열에너지로 변환돼 사용되는 만큼 전기분야에 치중된 신재생에너지 보급의 열분야 확대가 필요하다며 제주 P2H 기술개발에 대해 소개했다.
제주는 2015년부터 출력제한이 발생해 2019년도부터 급격히 중가중이다. 2020년 7월 약 13.7GWh 출력제약이 발생했다. 이는 제주 전체 신재생 발전량의 4.14%에 해당한다.
이에 제주에너지공사 주관으로 에너지기술연구원 등 관계 기관이 참여해 올해 4월부터 ‘재생에너지 출력제한을 이용한 P2H 기술 개발이 진행 중이다.
이 과제는 변동성 재생에너지 출력제한과 과전압 해소 등 전력계동 유연성 제고로 전력 공급의 신뢰성, 안전성 향상 등 전기의 품질 유지, 열에너지 중심의 전환-저장-활용 시스템 구축 등 섹터커플링 기술 개발을 목표로 △친환경 멀티소스 열원 하이브리드 시스템 개발 △P2H 기반 고효율 열생산 및 저장기술 개발 △P2H 기반 열에너지 공급 및 소비 네트워크 기술 개발 △출력제한 대응 P2H 플랫폼 및 표준화 기술 개발 등이 추진된다.
류진상 월드에너지 대표
흡수식 히트펌프 시장동향과 설치사례
류진상 월드에너지 대표는 ‘흡수식 히트펌프 시장동향과 설치사례’ 발표를 통해 “대용량 열회수(지역난방용)에서 흡수식 히트펌프가 유리하다”라며 “경제성을 반영한 폐열회수단가 조정이 필요하다”고 주장했다.
부천공공하수처리장에 흡수식 히트펌프가 설치돼 연간 2만2,101Gcal(소각영 12만1,987Gcal의 18%) 하수열을 회수하고 있다. 하수열 판매 금액은 연간 3억8,000만원(Mcal당 17원 기준 추정, 연운전시간 7,000시간, 일 19.2시간)이다. 흡수식 히트펌프 투자비용 총 25억원(흡수식 히트펌프 구매가 8억원, 하수펌프와 배관공사비용 17억원)이며 투자회수기간은 6.6년이 소요된다.
국내 시장은 전기와 가스 등 에너지 가격이 상승하고 있으나 전기 가격(산업용)이 낮다. 이는 에너지 다소비 회사의 보수적 성향으로 매우 소극적인 시장이 형성돼 있기 때문이다. 반면 유럽지역에서는 연 6.3%의 꾸준한 성장세를 보이고 있다. 우크라이나 전쟁으로 가스 가격 상승, 탄소제로 바이오매스 보일러의 사용 증가 등으로 국내 시장과는 다른 양상이다.
류진상 대표는 “직역난방용 등 대용량 열회수에서 흡수식 히트펌프가 유리한 만큼 보급 확대를 위해 폐열회수단가를 가스보일러 난방원가의 최소 50% 수준으로 인상, 배기가스 수증기열 유럽 수준인 30℃ 이하로 회수, 하수열 온도 12~29℃ 수준 회수가 필요하다”고 말했다.
강한기 (주)이젠엔지니어링 대표
지열시스템을 활용한 스마트팜 에너지 절감 사례
강한기 (주)이젠엔지니어링 대표는 ‘지열시스템을 활용한 스마트팜 에너지 절감 사례’를 통해 새로운 비즈니스 모델로 지열히트펌프 시스템 렌탈 서비스 도입를 제안했다.
스마트팜은 겨울철 하우스 재배 작물 증대로 농가의 수입을 증가시킨다. 하지만 난방에너지 사용량이 증가하기 때문에 농가 수익과 직접적으로 연관된 에너지 비용을 절감시키는 것이 관건이다.
이젠엔지니어링은 그동안 농가 하우스에 많은 지열시스템이 설치됐으나 실제 효율 좋게 가동되는 시스템이 많지 않아 시스템 업체에 대한 불신이 높아 선뜻 투자하지 않는다는 점을 고려해 농가의 초기투자비용을 에너지절감액으로 회수하는 신개념 시스템 렌탈 방식을 도입했다.
또 설치사례는 많지만 열용량이 작고 지중 열교환기 파손시 보수가 불가능했던 기존 지열시스템 대신 개방형 지열시스템을 도입하고 추가 기술 개발을 통해 성능 및 효율 개선으로 문제점을 해결했다.
이젠엔지니어링은 경북 군위군 토마토 재배 스마트팜에 기존 전기보일러+경유보일러 난방시스템 대신 지열 히트펌프+수축열 난방 및 모니터링 시스템 구축을 통해 난방에너지 소비량 60% 이상 절감효과를 거두고 있다. 에너지비용 절감은 정부 친환경 정책 부하인 이산화탄소 저감으로도 이어진다.
강한기 대표는 “지열시스템을 통한 농가 난방시스템 개선은 난방 안정성 확보로 과실 생산량 증가는 물론 가스나 전기요금이 오르면 오름폭 만큼 에너지절약 비용도 같이 늘어나게 돼 농가 수익 확대에 기여할 수 있다”라며 “난방에 대한 내부 시스템 부족으로 구현하지 못했던 냉방 시스템도 내년 중 수정 제안할 계획‘이라고 언급했다.
이어 지열 냉난방 시스템의 스마트팜 보급 확대를 위해 작물 및 부하 특성에 맞는 시스템 설계와 시공, 농가 부담을 최소화 할 수 있는 최대가 아닌 최적 시스템 구현, 하나의 열원이 아닌 하이브리드 열원을 통한 최대 효율 및 최소 운전비 시스템 필요성에 대해 강조했다.
조용 한국수자원공사 박사
수열에너지 확산보급을 위한 수열 냉난방 히트펌프 개발 및 실증
조용 한국수자원공사 박사는 ‘수열에너지 확산보급을 위한 수열 냉난방 히트펌프 개발 및 실증’을 통해 “국내 14개 하천 수열원 잠재량 활용 시 표준원정 약 20기 대체 효과가 있다”며 적극적인 수열원 활용을 주장했다.
이미 프랑스, 캐나다, 네덜란드, 스위스에서는 수열원을 이용한 사업이 진행되고 있으며 국내에서는 2006년부터 수자원공사 총 13개소에서 673RT, 롯데월드타워 3,000RT(전체 부하의 10%), 한강홍수통제소, 부산 EDC 스마트빌리지 등에서 수열에너지를 활용 중이다.
조용 박사는 “수열에너지의 하천수 활용 방안 중 대용량 시스템에는 직접 취수 방법이 가장 적합하고 하천수 활용에 기존 관로 인프라 이용시 경제성 확보가 용이하다”고 말했다.
이어 수열에너지 활성화를 위해 수자원공사, LG전자, 한국에너지기술연구원, 한국냉동공조인증센터, 한양대 등 산·학·연·관에서 2020년부터 ‘수열 냉난방 및 재생열 하이브리드 시스템 기술 개발 및 실증’ 과제를 진행 중이라고 소개했다.
이 과제에서는 안정적 성능 확보를 위한 하천수 취수 및 열교환 기술, 친환경 냉매이용 수열원 히트펌프 성능 개선 기술, 축열식 하이브리드 냉난방 시스템 최적설계-성능예측-운영 기술, 대용량 히트펌프 시험평가 기반 구축/기술표준·인증이 추진된다.
현재 터보 압축기, 자기 베어링 및 갭센서 관련 핵심 기술 확보 및 향상을 통한 수열원용 친환경 대용량 히트펌프(COP 5.2, 냉매 R-1233zd) 개발과 1,000RT 수열원 히트펌프 유닛 성능평가설비 구축이 이뤄지고 있으며 삼성서울병원, 무역센터, 영동대로 복합환승센터 등 실증 현장을 확장하고 있다.