우리나라의 향후 20년 에너지정책 방향을 결정하는 제3차 에너지기본계획이 지난 6월 수립됐다. 이번 계획에는 정부가 강력히 추진하고 있는 에너지전환을 뒷받침하기 위한 다양한 수단들이 눈에 띈다.
정부는 에너지소비구조 혁신을 위해 부문별 수요관리 강화와 비전력에너지 활용 확대를 중점 추진할 것을 선언했다. 특히 열, 가스 등 비전력 에너지활용 확대를 위해 지역냉방 및 가스냉방 보급확대 중·장기 계획마련, 4세대 지역난방시스템 실증, 미활용에너지 관련 제도정비 등을 포함했다.
이번 기획에서는 제3차 에기본의 비전력에너지 확대에 대한 정책적·기술적 현안을 점검하고 이로 인한 기대효과를 분석해본다.
에기본, ‘경제성장·친환경’ 전제
제3차 에기본은 ‘에너지전환을 통한 지속가능한 성장과 국민 삶의 질 제고’를 비전으로 삼았다. 이를 위해 △에너지정책 패러다임을 소비구조 혁신 중심으로 전환 △깨끗하고 안전한 에너지믹스로 전환 △분산형·참여형 에너지시스템 확대 △에너지산업의 글로벌 경쟁력 강화 △에너지전환을 위한 기반 확충 등 5가지 중점 추진과제로 설정했다.
이러한 정책목표는 ‘경제성장’과 ‘환경보호’라는 전제가 깔려있으며 글로벌 환경규제에 따른 신기후체제 시대의 경쟁력 확보가 핵심논제다.
2015년 프랑스 파리에서 개최된 제21차 기후변화협약 당사국총회(COP21)는 전 세계 195개국이 참여하는 신기후체제 합의문인 ‘파리협정(Paris Agreement)’을 채택했다. 선진국과 개발도상국이 모두 참여하는 파리협정은 각국이 온실가스 감축목표를 자발적으로 설정하도록 했다. 우리나라는 2030년까지 온실가스 배출전망치(BAU)대비 37% 감축안을 발표했다.
이러한 온실가스 감축안은 에너지부문이 배출의 2/3 이상을 점유하고 있어 우리나라가 전 세계에 발표한 이행안을 실행하기 위해서는 에너지정책에서의 기후변화 대응이 매우 중요한 상황이다.
이에 따라 제3차 에기본에서는 이러한 국제 협약을 이행하고 지속가능한 경제성장을 위한 다양한 에너지정책을 제시하고 있는데 수요관리 방안 중 비전력에너지 활용확대가 강조되고 있다.
1차 에너지 확대 제도마련 ‘시급’
전기는 일상생활에 사용하기 편리하지만 1차 에너지인 석탄, 석유, 가스, 원자력 등을 가공해 만들기 때문에 전환과정에서는 물론 송·배전과정에서 손실이 필수적으로 발생한다.
2017년 에너지경제연구원 발표에 따르면 1차 에너지를 2차 에너지인 전력으로 전환 시 손실률이 평균 55%인 것으로 조사됐다. 또한 최종에너지의 절반가량은 열 형태로 사용되고 있어 냉난방 등을 위해 다시 전환되는 과정에서도 에너지손실이 불가피하다.
비전력에너지 확대의 기본적인 목표는 열, 가스 등 사용을 늘려 기존 전력전환 손실을 최소화함으로써 에너지의 효율적 활용을 도모하는 것이다.
우리나라는 1990년대 이래 소득수준이 증가하고 전기의 사용 편리성 등으로 인해 전력소비 비중이 증가해왔다. 농사용, 냉난방 등에서도 전력사용이 늘고 있어 이러한 추세는 지속될 것으로 전망된다.
2015년 기준 최종에너지소비 중 열의 비중은 △덴마크 18.1% △독일 4.4% △한국 2.5%로 우리나라는 주요국대비 열·가스 등 비전력에너지 비중은 낮은 상황이면서도 우리나라는 비전력 에너지사용을 촉진하기 위한 인센티브 및 관련 인프라, 제도 등이 부족한 상황이다.
관련 전문가들은 2차 에너지인 전력의 과도한 소비증가는 에너지공급의 비효율과 송전선로 건설 등에 따른 사회적 갈등유발 가능성이 높다고 지적하고 있다.
가스냉방, 흡수식·GHP 메인
특히 3차 에기본은 하절기 전력피크의 주 요인인 냉방에너지 부하를 이전하기 위해 가스냉방 활용을 강조하고 있다.
가스냉방기기는 대표적으로 도시가스를 활용해 냉방과 난방을 동시에 할 수 있는 흡수식냉온수기와 GHP가 있다.
흡수식냉동기는 저온·저압일 때 서로 용해되는 두 물질이 고온·고압에서 서로 분리될 때 생기는 증발잠열을 이용해 냉동사이클을 만드는 것으로 가스를 이용하는 직화식과 지역난방열을 이용하는 중온수식이 있다.
현재 국내에 활발히 보급되고 있는 가스흡수식 냉동기는 도시가스의 연소열을 이용한 2중효용 LiBr/H₂O 방식의 직화흡수식 냉동기로 사이클 향상과 각종 열회수기 채용 등 다양한 기술이 개발돼 2중효용 흡수식 냉동기 기술은 효율향상 등이 한계 수준까지 도달한 것으로 알려졌다.
현재 2중효용 흡수식냉동기의 국내 직접 제조사로는 △LG전자 △삼중테크 △센추리 △오텍캐리어 △월드이엔씨 △월드에너지 △귀뚜라미범양냉방 △신성엔지니어링 등이 있다.
차세대 기술인 3중효용 기술개발도 진행 중이다. 3중효용 방식은 기존 2중효용 사이클에 고온(200℃ 내외), 고압(2bar 내외)의 고온재생기를 추가 부착한 기술이다.
하지만 2중효용 방식이 대기압 이하에서 운전되는 것에 반해 3중효용 방식은 대기압 이상으로 운전돼 관련제도 개정과 LiBr수용액의 특성 상 고온부식에 취약한 문제를 해결해야 한다.
3중효용 방식에서 기대되는 효과는 에너지절감에 의한 비용절감과 온실가스 절감효과다. 2중효용 방식의 고효율 제품은 일반형 흡수식과 비교해 16% 절감수준인데 반해 3중효용 방식은 39%의 절감효과가 기대된다. 이러한 전력대체효과와 함께 전기식과 대등한 효율을 확보할 수 있어 가스냉방열원기기 자체 경쟁력 강화가 예상된다
GHP(가스엔진 구동 히트펌프)는 가스엔진을 사용해 여름에는 냉방기로 겨울에는 난방기로 이용하는 가스식 냉난방시스템이다. EHP(전기식 에어컨)와 기본적인 원리는 동일하지만 전기식 모터 대신 가스엔진을 사용하는 것이 특징이다.
흡수식냉동기가 중앙집중형인데 반해 GHP는 EHP의 장점인 개별냉난방방식을 사용할 수 있으면서도 동·하절기 기온에 따라 효율이 떨어지는 EHP의 단점도 보완할 수 있다.
현재 국내 GHP제조사는 LG전자가 유일하며 삼성전자가 AISIN, 삼천리ES가 YANMAR 제품을 공급하며 시장 플레이어로 활동하고 있다.
LG전자는 2014년 GHP 슈퍼2를 출시하며 일본 수입제품의 효율을 뛰어넘었으며 2017년 GHP 슈퍼3는 세계 최대 용량(32마력)으로 출시돼 30년이 넘은 일본 GHP기술력을 뛰어넘었다는 평가를 받았다.
GHP는 전 세계에서 일본과 한국만이 제조기술을 보유하고 있지만 일본은 냉방의 20% 이상을 가스냉방으로 유지하는 반면 우리나라는 5∼10% 수준일 정도로 보급률은 떨어진다.
국내 가스냉방 보급률이 저조한 원인에 대해 업계는 낮은 전기요금과 가스냉방 지원금을 지목한다. 해외는 가스가격이 전기에 비해 1/10, 1/20 등으로 낮아 굳이 지원금정책이 필요 없지만 전기요금이 낮은 국내 환경상 지원금제도는 필수라는 입장이다.
전력피크를 낮추고 비전력에너지를 확대하기 위해서는 이러한 국내·외 환경차이를 인식하고 그에 걸맞는 보조금을 확대하는 것이 중요하다.
수열에너지 활용 ‘급부상’
신재생에너지 중 지열, 태양열, 수열 등이 비전력에너지에 해당된다. 이중 수열에너지는 지난 5월 하천수를 신재생에너지를 포함하는 개정안을 발표해 오는 10월 시행될 예정이다. 이에 따라 관련업계는 이러한 수열에너지의 다양한 활용방안을 모색하고 있어 관심이 집중되고 있다.
대표적인 수열에너지 적용 사례로는 롯데월드타워의 광역상수도 원수를 활용한 냉난방시스템이 있으며 강원도 소양댐의 호소수를 이용해 데이터센터단지를 개발, 서버관리에 필요한 막대한 냉각에너지에 수열을 활용할 계획이 추진되고 있다.
또한 스마트시티로 개발되고 있는 부산에코델타시티도 수열에너지를 활용해 △쇼핑몰 △헬스케어 클러스터 △공공자율 혁신클러스터 △스마트혁신센터 △제로에너지 시범 주택단지 등에 냉난방을 공급할 계획이다.
신재생열 활성화 기폭제 ‘RHO’
비전력에너지 확대와 맞물려 신재생에너지를 대폭적으로 늘릴 수 있는 방법은 얼마 전까지만 해도 적용계획을 세웠던 RHO(Renewable Heat Obligation: 신재생열에너지 열공급 의무화) 도입이다.
지난 2012년 시행해 신재생에너지 발전을 폭발적으로 증가시킨 RPS(Renewable Portfolio Standard: 신재생에너지공급의무화제도)와 마찬가지로 건물 신·증·개축 시 열에너지사용량의 일정비율을 지열, 태양열, 바이오 등 신재생열에너지로 충당하도록 의무화하는 제도다.
정부는 2014년 발표한 제4차 신재생에너지기본계획에서 RHO 시행에 대해 관련산업의 공급능력 등을 감안, 세부 시행시기를 확정짓는다며 2016년 1월부터 시행할 계획을 세운 바 있다.
이미 독일 등 선진국에서 도입돼 실효를 거두고 있으며 전력분야에 비해 상대적으로 간과됐던 신재생열에너지분야에 대한 관심을 유도하고 관련산업 활성화에 기여할 것으로 많은 기대를 모았지만 현재는 슬그머니 수면 아래로 사라진 상태다.
신재생열에너지 활성화는 균형있는 국가적 에너지원 개발과 비전력에너지 확대를 위해 반드시 필요하다. 이를 위해서는 정책지원이 선행돼야 하고 그 열쇠는 RHO 도입여부에 달려있어 시행에 대한 재검토가 시급한 실정이다.
흡착식 냉방, 소규모 지역난방 적용
대표적 친환경 냉난방기로 ‘흡착식 냉난방기’가 부상하고 있다. 전기를 거의 쓰지 않고 천연냉매인 물과 흡착제, 지역난방열, 태양열, 산업폐열 등만으로 구동할 수 있기 때문이다. 물이 수증기로 증발할 때 주변의 열을 빼앗아 냉방하고 반대의 시스템으로 수분이 응축될 때 열을 방출해 난방이 되는 원리다.
흡착식 냉동기는 태양열 집열기에서 얻은 온수나 공장폐열, 지역난방온수 등으로부터 얻는 60~80℃의 저온열원을 사용해 고체 흡착제의 수분 흡·탈착으로 냉열을 발생시킨다.
압축기를 사용하는 전기압축 방식의 냉동기보다 가동부분이 적어 전기사용량을 15% 이하로 대폭 줄이는 등 운전경비와 이산화탄소 발생이 적은 장점이 있다. 또한 공해문제로 대두되고 있는 프레온을 사용하지 않고 물을 냉매로 사용하기 때문에 환경오염문제에 대응하는 대체냉동기술로도 기대되는 시스템이다.
특히 지역난방공급을 위한 집단에너지 의무공급 고시지역으로 지정이 되면 일정규모 이상의 열기구를 사용하는 건축물은 지역냉난방 사용이 의무적인데 현재까지는 방법이 흡수식에 국한됐으나 소규모 현장에서는 효율이 떨어져 대안이 요구됐다. 흡착식 냉동기는 개별적 냉방기에 적합하기 때문에 기술적용이 주목받고 있다.
흡착식 냉동기는 현재 구성이엔드씨와 삼중테크가 시제품 제작에 성공했으며 월드이엔씨 등도 흡착식 제품을 개발중인 것으로 알려졌다.
4세대 지역난방, 연구 활발
4세대 지역난방은 기존 100℃ 내외의 중온수가 아닌 최대 70℃의 저온수로 지역난방을 공급하는 방식이다. 유럽에서 1880년대 스팀을 열매체로 이용해 지역난방을 공급하기 시작한 이후 건축 단열기준과 설비의 개선 등을 거치며 좀더 낮은 온도로 공급할 수 있게 발전한 방식이다. 현재 국내에서 운영 중인 지역난방은 3세대 지역난방시스템으로 구분할 수 있다. 해외의 경우 현재까지도 1세대 지역난방시스템을 운영하고 있는 사업장도 있지만 대부분은 2, 3세대가 공존하고 있다.
4세대 지역난방은 낮은 온도로 공급하기 때문에 열교환기를 통한 간접방식이 아닌 직공급방식이 대부분이다. 이에 따라 지역난방 회수온도가 낮아짐으로써 열수송관 내에서 발생되는 열손실이 줄어들고 전체 지역난방시스템의 효율이 개선되는 효과가 있다. 또한 신재생에너지원에서 발생하는 저온의 열을 지역난방시스템에 연결시킬 수 있는 가능성이 확보된다는 장점이 있다.
최근 건축물의 단열기준 강화와 고효율설비 도입 등으로 열부하는 지난 10년간 28%가량 감소됐다. 특히 태양열, 지열, 수열, 연료전지 등 신재생에너지 확대에 따라 이와 연계시킬 수 있는 지역난방시스템 도입이 요구되고 있다.
이에 따라 국내에서 가장 큰 지역난방사업자인 한국지역난방공사는 시스템 안정화 및 경제성 확보가 가능한 △신규 블록형 △신규 독립형 △기존 시스템 활용형 등 3가지의 한국형 4세대 지역난방 사업모델을 개발했다.
‘신규 블록형’은 회수열을 활용하는 간접방식으로 주배관 인근의 재개발·재건축 공동주택을 대상으로 하고 있다. ‘신규 독립형’은 회수열을 이용하는 직접방식으로 신규 소규모 독립지역의 공동·연립·단독주택 등 신규택지개발지에 적용할 수 있다. 이는 서브스테이션 설치해 저온네트워크를 구축할 수 있으며 표준모델 개발이 요구된다.
‘기존시스템 활용형’은 저온열원을 활용한 직접방식으로 경제성이 높은 저온열원 인근의 공동주택에 적용할 수 있다.
지역난방공사는 직공급 리스크 해소 및 경제성 확보를 위해 민간기업과 협업을 통해 저온 열수송시설 기술개발 및 실증을 추진하고 안정성 확보 시 관련고시를 개정한다는 계획이다.
서울에너지공사는 마곡에 국내 최초 4세대 지역난방 적용을 진행하고 있다. 마곡지구는 서울에너지공사의 지역난방 공급지역으로 발전배열, 하수열, 바이오가스열 등 다양한 미활용열 네트워크에 연료전지의 배열을 연계하고 지역난방 회수관에서 저열원을 활용한다는 방침이다.
과거 100℃ 이상의 지역난방을 공급했지만 60℃ 정도의 저온열을 공급해 열 이송 과정에서 손실을 줄이고 온도가 상대적으로 낮은 신재생에너지나 미활용에너지의 활용도를 높일 수 있다.
현재 서울에너지공사에서는 마곡지구에 위치한 신축 공공건물을 선정해 이러한 4세대 지역난방 모델을 구축하기 위한 기초적인 열수요량 조사를 진행하고 있으며 농업을 테마로 한 종합체험시설인 농업공화국에 도입여부를 협의 중인 것으로 알려졌다.
LNG냉열, 수소경제활성화 기여
LNG는 액체 상태의 천연가스로 –162℃라는 초저온으로 보관, 기화시키는 과정에서 발생하는 에너지의 활용이 주목받고 있다.
이러한 냉열은 냉동창고, 데이터센터, 공기액화분리, 드라이아이스 제조 등에 이용될 수 있으며 일본은 이러한 LNG냉열을 활용해 냉동창고, 폐타이어 분쇄 등 30개소의 냉열사업을 운영하고 있다.
국내에서도 유진초저온이 지난 3월 평택 오성물류산업단지에 국내 최초로 LNG 냉열을 활용한 초저온 물류창고를 준공, 에너지자립형 냉동창고를 운영하고 있다. 또한 LNG냉열은 수소연료전지 비즈니스 창출과 연계할 수 있어 정부의 수소경제 활성화에도 많은 기여를 할 것으로 기대된다.
냉열에너지 서비스 이용 후 기화된 가스를 수소연료전지사업에 활용하는 냉열에너지와 수소연료전지 복합비즈니스 창출을 촉진시킬 수 있다.
현재 도시가스사업법 상 일반도시가스사로 허가받는 경우만 일반 수요자에게 도시가스를 공급할 수 있어 냉열 이용 시 발생한 도시가스의 제3자 판매가 불가능하지만 LNG냉열만 필요로 하는 수요자들을 위해 냉열 사용 후 기화된 천연가스의 제3자 활용 허용도 검토될 예정이다.
4세대 지역난방은 기존 100℃ 내외의 중온수가 아닌 최대 70℃의 저온수로 지역난방을 공급하는 방식이다. 유럽에서 1880년대 스팀을 열매체로 이용해 지역난방을 공급하기 시작한 이후 건축 단열기준과 설비의 개선 등을 거치며 좀더 낮은 온도로 공급할 수 있게 발전한 방식이다. 현재 국내에서 운영 중인 지역난방은 3세대 지역난방시스템으로 구분할 수 있다. 해외의 경우 현재까지도 1세대 지역난방시스템을 운영하고 있는 사업장도 있지만 대부분은 2, 3세대가 공존하고 있다.
국내에서도 유진초저온이 지난 3월 평택 오성물류산업단지에 국내 최초로 LNG 냉열을 활용한 초저온 물류창고를 준공, 에너지자립형 냉동창고를 운영하고 있다. 또한 LNG냉열은 수소연료전지 비즈니스 창출과 연계할 수 있어 정부의 수소경제 활성화에도 많은 기여를 할 것으로 기대된다.
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