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특별기획

[HVAC KOREA 2022] 대한설비공학회 에너지부문위원회 학술강연회

탄소중립 달성 핵심 ‘에너지’, 방향성 논의
설비공학회 에너지부문위원회, 학술강연회 개최


탄소중립 달성의 핵심요소인 에너지에 대한 방향성에 대한 의견을 공유하는 장이 마련됐다.

대한설비공학회 에너지부문위원회(위원장 김시헌)는 5월18일 서울 STEC에서 개최된 2022 HVAC KOREA의 부대행사로 ‘탄소중립을 선도하는 지속가능 에너지설비시스템’을 주제로 학술강연회를 개최했다. 

김시헌 위원장의 개회사, 정재동 차기회장의 축사를 시작으로 △에너지시스템 통합 및 P2H기술(백영진 한국에너지기술연구원 책임연구원) △미활용에너지원 영구배수를 이용한 히트펌프시스템(장용성 GS건설 책임연구원) △탄소중립 실현을 위한 유출지하수 활용제안(김시헌 안양대 교수) △탄소중립 청정에너지 설비시스템 평가기술제안(이의준 한국에너지기술연구원 전문연구위원) 등의 발표가 진행됐다. 

김시헌 위원장은 개회사를 통해 “코로나19로 많은 어려움이 있었지만 최근에는 에너지안보적인 측면에서 에너지의 중요성이 강조되고 있다”라며 “우리나라는 에너지안보에서 에너지자립, 나아가 탄소중립을 달성하는 것이 시대적 과제로 부상했다”고 밝혔다. 이어 “탄소중립을 선도하는 지속가능한 에너지 설비시스템이라는 주제로 에너지자립, 탄소중립에 대한 논의가 이뤄지길 바라며 많은 관심에 감사드린다”고 덧붙였다. 

정재동 설비공학회 차기회장은 축사를 통해 “에너지에 대한 관심은 평소에는 적지만 세계적인 이슈가 발생함에 따라 관심이 증가하고 있다”라며 “최근 원자재 가격, 유가 등이 상승하면서 각광받고 있으며 이러한 이슈를 계기로 에너지부문에 대한 관심을 증대할 수 있는 기회로 삼고 발전해 나갈 수 있길 바란다”고 밝혔다. 

이어 “학회 회원들의 활발한 활동을 통해 학회가 발전할 수 있었다”라며 “설비공학회의 차기 집행부로서 회원들의 요청사항에 대해 많은 도움을 드릴 수 있도록 노력할 계획”이라고 덧붙였다. 

E전환통한 재생E 활용성 극대화
백영진 에너지연 책임연구원은 ‘에너지시스템 통합 및 그리드 연계 열에너지기술’ 발표를 통해 재생에너지의 효율적 사용을 위한 기술에 대한 정보를 공유했다. 

에너지시스템 통합기술(ESI)은 다양한 에너지원이 각각의 독립네트워크에서 공급, 사용되는 기존 방식과 달리 수요-공급부문간 및 에너지원간 상호융합을 통해 비용효율적이며 안정적으로 총 에너지 사용량을 감축시키고 네트워크 유연성을 향상시키는 기술이다. 

최근 재생에너지 보급 확산에 따른 재생에너지 잉여전력, 출력제한 문제가 발생하면서 주목받고 있다. 

ESI로는 전력을 열로 저장하는 P2H(Power to Heat), 열을 전력으로 저장하고 이를 발전에 활용하는 카르노 배터리(Carnot Battery)가 있다. P2H는 전력과 냉난방부문은 통합하는 것으로 전극보일러, 전기보일러, 히트펌프 등을 이용해 잉여전력을 열로 변환, 저장 후 필요 시 사용할 수 있다. 에너지 수요 중 가장 비중이 높은 열에너지로 전력의 변동성을 흡수할 수 있어 대량의 에너지변환에 대응할 수 있는 것이 장점이다. 

카르노 배터리는 전력을 열변환 장치로 고온 열저장한 후 필요 시 발전하는 기술로 수백 MW급 규모, 10시간 이상 방전이 가능한 특징을 가지고 있다. 기존 ESS기술의 짧은 방전시간, 높은 비용, 지리적 한계, 낮은 총효율을 극복할 수 있는 기술로 주목된다. 

백영진 책임연구원은 “재생에너지 생산에 불리한 우리나라의 경우 출력제한, 잉여전력 등 손실을 최소화하는 것이 중요하다”라며 “이는 에너지원, 부문간 자유로운 에너지캐리어로의 전환, 유연성 확보를 위한 저장 등으로 실현할 수 있다”고 밝혔다. 이어 “에너지연은 독일 DLR 주도의 13개국의 기업, 대학, 연구기관 등이 참여하는 IEA Annex on Carnot Battery 연구그룹에 참여해 기술을 개발하고 있다”고 덧붙였다. 

미활용E ‘지하수’ 활용가능성 주목
장용성 GS건설 책임연구원은 ‘미활용에너지원 영구배수를 이용한 히트펌프시스템’ 발표를 진행했다. 

도심 등 추가적인 재생에너지설비 설치가 어려운 상황에서 미활용에너지 발굴은 탄소중립 달성에 기여할 수 있는 방안이다. 주거단지 내 미활용에너지의 경우 생활배수, 영구배수, 배관계통 내 구배 등이 있다. 이중 영구배수의 경우 지하수로 건물 건축 시 안정성을 위한 지하개발을 통해 발생되며 연중 일정한 양, 온도를 유지하는 특징을 가지고 있다. 

현재 서울시 기준 지하수의 일평균 유입량은 약 52톤이며 약 79.1%의 지하수가 하수로 방류되고 있으나 신재생에너지로 인정받지 못해 에너지원으로서 주목을 받지 못하고 있는 상황이다. 

GS건설이 서울시 소재 아파트 1개 단지 집수정을 대상으로 월별 영구배수 평균온도 및 발생량을 측정한 결과 최저 14.8℃, 최고 20.6℃로 나타났으며 일평균 24m³ 발생하는 것으로 나타났다. 

이를 에너지원으로 활용하기 위해 GS건설은 열교환기 일체형 영구배수 수조모듈의 모사를 위한 물리모델을 구성해 TRNSYS를 이용해 영구배수 유입량 및 순환펌프 유량 등의 조건에 따른 단일 영구배수모듈의 처리가능 열량을 해석했다. 

장용성 책임연구원은 “영구배수모듈과 공랭식 히트펌프시스템 성능을 비교한 경우 영구배수모듈은 냉방기 주간 평균 COP 약 3.9%, 난방기 주간 평균 COP가 약 23.1% 높게 나타났다”라며 “영구배수모듈은 아파트 엘리베이터홀 등 주거건물의 소규모 공간 냉난방공급에 충분히 대응할 수 있을 것으로 보인다”고 밝혔다. 이어 “영구배수모듈과 지열시스템으로 구성된 복합시스템을 통해 지열 천공수를 줄이는 등 효과를 낼 수 있을 것으로 기대된다”고 덧붙였다. 

유출지하수·하수 등 수열원 다양화 시급
김시헌 교수는 ‘탄소중립 실현 유출지하수 활용 제안’ 발표로 유출지하수의 에너지로서의 지속가능한 활용에 대해 공유했다.

전 세계적으로 이상기후를 대응하기 위해 온실가스 감축목표를 수립하며 감축에 나서고 있다. 우리나라는 온실가스 배출 11위로 온실가스감축방안이 충분치 않은 상황이며 에너지의존율이 높은 것이 탄소중립 달성 애로사항으로 꼽히고 있다. 

지난 2019년 하천수가 수열에너지원으로 포함되며 수열에너지를 활용하기 위한 사업이 추진되고 있다. 하천수, 온배수 등을 활용해 열에너지를 생산하는 기술은 서로 유사하며 열원조건에 따른 차이가 있다. 지역난방은 3세대, 4세대 지역난방을 거치며 낮은 온도의 공급을 지향하고 있으며 이는 재생에너지로 생산한 열의 활용이 가능하다는 것을 의미한다. 

김시헌 교수는 “현재 수열원은 하수, 온배수 등으로 한정돼있으며 유출지하수, 하수 등 미활용에너지 활용에 대한 관심이 부족한 상황”이라며 “가장 가까운 에너지가 가장 경제적이며 일본의 경우 하수관로에 열교환기에 설치해 냉난방에너지를 생산하고 있는 상황에서 우리나라는 열원에 대한 논의만 지속되고 있다”고 지적했다. 

도심에는 지하철, 통신구 등 대규모 지하시설이 있다. 공항, 유통센터 등 다중이용시설에 열을 공급한다. 서울시의 경우 지하공간 개발을 지속함에 따라 해마다 유출지하수 발생량이 증가하고 있어 유출지하수 활용을 확산하기 위한 노력을 지속하고 있다. 

김시헌 교수는 “유출지하수를 에너지원으로 활용하면서 지중에 인공함양함으로써 탄소저감, 싱크홀 예방 등의 효과를 얻을 수 있다”라며 “복잡한 가치사슬로 민간과 정부의 협업을 통해 수열에너지 확산에 속도를 내야 한다”고 밝혔다. 이어 “신재생열에너지 공급의무화제도(RHO) 등의 기반 마련도 중요하다”고 덧붙였다. 

K-RETScreen, 정밀평가 기반 재생E 적용가능성 제시
이의준 에너지연. 책임연구원은 ‘탄소중립형 청정에너지 설비시스템 평가기술 제안’ 발표를 진행했다. 

2030 국가온실가스감축목표(NDC)이 상향됐으며 재생에너지 보급목표 20% 정책에 대응해야 한다. 또한 RHO 및 RHI정책에 대응하기 위해 탄소중립 청정에너지 시스템 평가도구의 필요성이 강조되고 있으며 국제 호환 청정에너지시스템 평가도구인 RETScreen은 기준 대비 개선 시스템 에너지성능을 분석하고 CO₂배출, LCC분석이 가능하다. 

이를 한국 실정에 맞춰 개발한 것이 한국형 K-RETScreen으로 액체식·공기식 태양열집열기, 태양광, 지열히트펌프 등에 대한 에너지성능분석을 기본적으로 지원한다. 지역기상정보, 건물일반정보, 시스템 입력정보, 비용분석정보, CO₂배출량 정보 등으로 에너지량, 경제성, 온실가스 등에 대한 결과값을 얻을 수 있다. 

이의준 책임연구원은 “최근 국내·외 탄소중립 에너지시장 변화에 따라 재생에너지 보급이 활성화되고 있으며 기존 화석연료시스템대비 에너지소비 및 온실가스 배출 저감량평가기술의 수요가 증가하고 있다”라며 “RETScreen은 다양한 재생에너지원에 대해 우리나라에 맞는 경제성 평가결과를 도출할 수 있어 투자에 대한 확실성을 보장할 수 있다”고 밝혔다. 

이어 “이를 통해 적극적인 투자를 유도할 수 있으며 RHO·RHI제도 등 탄소중립 활성화제도, P2P, P2H, PACE 등 관련중요 보급제도를 고도화할 수 있을 것으로 기대된다”고 덧붙였다.