집단에너지는 열병합발전소, 자원회수시설 등 1개소 이상의 집중된 에너지 생산시설에서 생산된 열(냉·난방)과 전기를 다수의 사용자에게 일괄 공급하는 사업을 말한다. P2H(Power to Heat)는 전기보일러, 히트펌프 등 활용해 재생에너지 잉여전력을 열부문으로 연계(Sector Coupling) 수단으로 연계된 열 에너지는 집단에너지(지역난방) 사용자에게 공급하거나 축열조에 저장, 활용한다. 재생에너지 발전량 비중이 높은 유럽(독일, 덴마크 등)에서는 P2H를 상업운전 중이다. 대규모 집단에너지사업자인 지역난방공사를 활용, 대규모 사업이 가능하며 기술이 간단하고 인프라가 이미 구축돼 있어 즉시 실현 가능한 것이 특징이다. 유럽에서는 전극보일러를 이미 상용화했다.
정부는 국가 R&D과제로 ‘재생에너지 전력 유연화 섹터커플링 기술개발’을 2022년부터 2025년까지 추진할 계획이며 이중 지역난방공사는 3 세부과제인 ‘P2H 활용, 전력-열 변환 및 에너지저장 기술개발’을 추진할 계획이다. 이번 기술개발을 주도할 장동환 지역난방공사 박사를 만나봤다.
■ P2H는 어떤 기술인가
P2H는 전력계통에 재생에너지와 같은 변동성 자원의 증가로 발생되는 수급불안정을 전력계통-집단에너지 계통의 섹터커플링을 통해 해결하는 기술이다. 즉 P2H를 활용하면 과잉생산 전력 문제를 해결해 전력계통의 재생에너지 수용성 증대가 가능하다.
■ P2H의 해외 사례는
유럽의 경우 수급에 의해 전력시장 SMP가 저렴한 시간대에 전기보일러를 활용해 전력을 생산하고 있다. 이미 대규모 집단에너지에 적용이 적합한 전극보일러가 상용화돼 있다. 즉 P2H 사업이 가능한 제도(실시간 시장) 및 설비(전극보일러)가 갖춰져 사업에 적용 중이다.
노르웨이 PARAT사는 고전압 전극보일러로 최대 60MW 생산, 로컬 및 원격제어가 가능하며 최대 60MW로 5분 이내 최대부하까지 도달 가능하다. 1920년 전극보일러를 개발, 전력계통 수급조정용 전기보일러를 최초 생산했다.
독일의 ELWA사는 1.4MW의 전기가열기 및 제어기 8개 2세트(11MW×2)로 구성하고 있다. 가열기는 교체 가능하며 모듈식으로 증설 시 확장이 가능한 것이 특징이다. 스위스 VAPEC사는 독일 밸런싱 에너지시장에 70MW의 밸런싱 전력을 공급하고 있으며 태양 및 풍력 잉여전력을 열로 변환해 지역난방 공급에 사용하고 있다.
■ 지역난방공사 입장에서 P2H의 중요성은
한난은 지난 30년간 일반발전기보다 30% 이상 효율이 우수한 열병합발전기(CHP)를 이용해 열과 전기를 동시에 생산, 공급해 국가 에너지 이용효율향상에 기여해 왔다. 앞으로 다가오는 에너지전환시대에는 연료비가 들지 않는 청정전원인 재생에너지 확대, 보급이 예상된다. 이에 따라 전력시장에서의 운영기준도 바뀔 것으로 예상된다. 효율과 경제성 중심의 전력시장에서 전력계통 안정화와 유연성 제공자원 중심으로 점차 개편될 것으로 예상된다.
한난은 변화하는 환경에 잘 적응하고 P2H를 활용해 전력계통 유연성 제공 등의 역할을 재정립해 기업으로서 지속가능한 경영체제를 유지하고 공공기관으로서 국가탄소중립에 기여하기 위해 노력하겠다.
■ P2H 요소기술은 무엇인가
P2H는 단순히 남는 전력을 소모하는 기술이 아니라 요동치는 전력계통의 수급상황을 예측, 계측하고 동시에 집단에너지 계통의 운영여건과 축열조 상황 등을 감안해 리얼타임으로 제어하는 기술이다.
재생에너지 보급을 위한 여타 기술에 비해서는 기술이 단순해 완성도가 높지만 전력계통과 집단에너지계통을 실시간으로 섹터커플링해 제어하는 P2H 제어기 개발이 가장 핵심기술이며 시급한 기술이다.
■ P2H 핵심이 히트펌프나 축열일 것 같은데
히트펌프는 집단에너지와 같은 대형계통에는 적합하지 않은 설비다. 한난에서도 히트펌프의 좋은 효율을 감안해 몇 군데 시범설치해 운영하고 있으나 대형화가 어렵고 출력 온도가 낮은 히트펌프의 특성, 하수열 등 기저자원의 품질 등의 문제로 적극적으로 활용하지 못하고 있는 실정이다. 또한 히트펌프는 출력 응동성도 떨어져 재생에너지 확대보급을 위한 전력계통 응동성을 감안한다면 전극보일러가 더 적합하다.
전극보일러는 응동성이 좋고 대형화가 가능하며 출력온도 역시 원하는 대로 뽑아낼 수 있어 P2H를 위한 최적의 설비다.
축열은 집단에너지 계통에 P2H라는 새로운 설비가 들어오고 운영방법 또한 완전히 달라 질 수 있어 P2H를 활용을 위한 축열조 운영기술, 더 나아가 전력계통-집단에너지계통 연계운영기술이 핵심이 될 것이다.
■ 활성화 방안을 제시한다면
P2H는 ESS를 대체해 전력계통에 재생에너지 수용성을 확대시켜줄 수 있는 현실적으로 유일한 기술이다. 과거 ESS 수준의 지원정책을 통해 사업성을 확보해 확대, 보급한다면 국가 탄소중립달성에 크게 기여할 수 있을 것이다. 이에 따라 P2H 설비개체비용 지원, 전용 전기요금제도 마련, 플러스DR, 보조서비스시장 참여, VPP 보조자원 인정, 전력의 REC에 해당하는 신재생에너지 공급인증서 발행 등의 제도개선이 필요하다.
■ 4세대 지역난방과 P2H와 연관성은
P2H는 4세대 지역난방에서 출력온도를 자유롭게 뽑아낼 수 있는 설비 특성상 국지적으로 고온 공급이 필요한 경우 유용하게 활용될 수 있다. 아울러 4세대 지역난방뿐만 아니라 기존 3세대 시스템에서도 문제없이 활용이 가능하다.
■ 지역난방공사의 경쟁력은
지역난방공사의 경쟁력은 대규모 집단에너지 인프라를 가지고 있다는 점이다. 전력계통에 재생에너지가 정부 계획대로 확대, 보급된다면 대규모의 출력 변동성이 예상된다. 지역난방공사는 수도권 전역과 일부 지방에 배관망을 가지고 있는 세계 최대 집단에너지사업자다. 이러한 대규모 인프라를 활용해 전력계통의 큰 외란도 추가 투자를 최소화해 흡수할 수 있다.
■ 마지막으로 하고 싶은 말이 있다면
P2H는 현 시점에서 전력계통의 재생에너지의 수용성을 높여줄 수 있는 현실적으로 유일한 기술이다.
그러나 3년전 P2H 특허출원할 당시 난방회사에서 전력계통 안정도 기여에 대한 내부적 공감대를 끌어내기는 쉽지 않았다. 이제 한난은 준비돼 있다. 지역난방공사는 탄소경영선포식에서 P2H 확대보급 계획을 발표했다. 정부와 한전의 적극적인 협조로 확대보급 정책을 잘 만들어 간다면 국가 탄소중립에 크게 기여할 수 있을 것이다.
