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재생E 안정성·성능 제고방안 축열 ‘관심’

설비공학회, ‘축열·에너지저장’ 특별세션 개최


대한설비공학회(회장 강용태)는 6월22일부터 24일까지 휘닉스 평창에서 열린 2022년 하계학술대회에서 ‘축열·에너지저장’ 특별세션을 개최해 신재생에너지의 안정성을 제고하거나 계절에 따라 생산량이 변동되는 특성을 보완하기 위한 축열기술을 공유했다. 

세션은 △동절기 자연냉열을 이용한 온실냉방기술(윤영직 한국에너지기술연구원 책임연구원) △신재생 축열시스템 이용 열거래를 위한 M&V 방법론 개발(허재혁 한국에너지기술연구원 책임연구원) △PCM을 이용한 ESS 항온시스템 소비전력 감소에 관한 실험적 연구(지형용 한국생산기술연구원 연구원) 등 순으로 진행됐다. 

자연냉열 활용 온실 냉방기술 확보
윤영직 에너지연 책임연구원은 ‘동절기 자연냉열을 이용한 온실냉방기술’ 발표를 통해 농업부문 탄소배출 저감기술에 대해 소개했다. 

급격한 기후변화로 인해 온실냉방이 더욱 중요해지고 있으며 향후 농업용 전기료 상승이 예상돼 전력소모는 낮추면서 고성능 냉방이 가능한 신재생에너지 기반 신개념 냉방기술개발 필요성이 대두되고 있다. 

이번 연구는 동절기 차가운 외기로부터 자연냉열을 생산, 저장해 하절기 온실냉방에 적용하기 위한 저탄소, 친환경 냉방기술의 가능성을 확인하기 위해 진행됐다. 연구는 기포의 자가진동형상을 이용한 초열전도체를 제작해 동절기 외기조건을 모사하기 위해 저온 항온항습조를 활용, 냉열생산 성능을 실험하는 방식으로 진행됐다. 

실험을 통해 외기온도가 축냉조 내부 물온도보다 낮을 경우 냉매순환펌프가 작동돼 냉열을 생산했으며 외기온도가 물온도보다 높을 경우 초열전도체는 작동하지만 순환펌프가 작동하지 않아 냉열을 생산하지 않는 것을 확인했다. 

윤영직 책임연구원은 “초열전도체기술을 활용해 동절기에 자연냉열을 생산하고 진공단열재기술로 냉열을 저장해 하절기 온실냉방에 적용할 수 있는 저탄소, 친환경 냉방기술을 확보했다”라며 “랩스케일 냉열생산결과 및 강원도 평창지역 서울대 캠퍼스 실증결과를 통해 기술의 효율성을 확인했으며 성능을 높이기 위한 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다. 

이어 “오는 10월 완공되는 강원도 스마트팜 첨단농업단지에 추가연구를 위한 실증설비를 구축할 계획으로 자연냉열 생산모듈에 히트펌프 등 고효율기술을 적용해 냉열생산효율을 높일 것”이라며 “향후 식물공장형 스마트팜, 건물 등 적용범위를 확장해 나갈 것”이라고 덧붙였다. 

신재생E원 조합별 열거래 방법론 도출 
허재혁 에너지연 책임연구원은 ‘신재생 축열시스템 이용 열거래를 위한 M&V(Measurement and Verification)방법론 개발’ 발표를 진행했다. 

신재생에너지를 이용한 에너지네트워크는 분산형 에너지시스템에서 생산되는 전기와 열을 통신기술과 접목해 에너지의 효율적인 사용과 온실가스 저감을 실현할 수 있다. 전력부문에서는 스마트그리드 개념이 현실화되고 있으며 전력산업뿐만 아니라 열부문에서도 ‘스마트 열 그리드(STG: Smart THermal Grid)’의 중요성이 논의되고 있다. 

STG는 계간축열조, 태양열, 연료전지, 지열, 수열 등 신재생에너지를 활용해 지역난방을 공급할 수 있으며 허재혁 책임연구원 4세대 지역난방과 연계한 신재생열에너지 공급을 위한 복합 신재생열공급기술의 측정 및 검증방법론을 마련하기 위해 연구를 진행했다. 

연구는 △태양열·지열원히트펌프 △축열식 지열원히트펌프·연료전지 △태양열·연료전지·지열원히트펌프 △태양열·연료전지·복합열원히트펌프 등 4가지 에너지원 조합에 대한 방법론을 개발했다. 

허재혁 책임연구원은 “태양열, 연료전지, 지열히트펌프설비의 베이스라인은 보일러로 설정했으며 모니터링 항목으로 순수생산열량, 장비 가동시간, 소비전력, 시스템 효율 등을 설정했다”라며 “에너지절감량은 연료사용 절감량, 추가 전기사용량, 전기생상량 등을 고려해 산출했으며 이를 바탕으로 에너지비용 절감액이 산출되도록 방법론을 구체화하는 성과를 거뒀다”고 밝혔다. 

신재생 연계 ESS 안정성·효율성 제고방안 ‘PCM’
지형용 생기연 연구원은 ‘PCM을 이용한 ESS 항온시스템 소비전력 감소에 관한 실험적 연구’를 발표했다. 

ESS는 전력 계통안정성, 에너지 이용효율 향상, 전력 품질개선 및 출력안정화 등을 목적으로 사용된다. ESS시스템에 활용되는 배터리는 주로 Li-ion 배터리로 충방전 과정에서 발생하는 열로 인한 화재 등에 대한 안정성 문제 해결이 필요한 상황이다. 

이번 연구는 대용량 PV연계 ESS시스템의 배터리 온도유지를 위해 함체 내부에 패시브형태의 PCM을 배치하고 기존 히트펌프 냉난방 운전과 외기도입 운전이 연계된 복합열원 냉난방실험을 통해 배터리 함체 온도유지에 소모되는 발전소 소내 전력사용량 저감을 위해 추진됐다. 

간절기, 하절기, 동절기 등 계절별 24시간 기준 각각 충방전용량 150kWh 배터리 조건과 간절기 조건에서 충방전용량 250kWh 배터리 조건 등 4가지 실험조건에서 △PCM △외기도입 △히트펌프 연계 복합열원운전 △히트펌프 단독운전 등에 대한 비교실험이 진행됐다. 

지형용 연구원은 “150kWh 배터리 발열과 외기부하에 대응하는 냉난방 소모전력량은 히트펌프 단독운전 시 간절기 5.6kWh, 하절기 16.5kWh, 동절기 14.3kWh 등으로 나타났으며 복합열원 운전시 간절기 0.88kWh, 하절기 15.9kWh, 동절기 12.2kWh로 각각 84%, 3%, 14%의 소모전력량 감소가 나타났다”라며 “250kWh 배터리 조건에서 히트펌프 단독운전의 경우 14.2kWh, 복합열원운전 0.84kWh으로 나타나 약 94%의 높은 절감효과를 확인했으며 PCM 상변화온도구간을 기준으로 주·야간의 온도차가 큰 간절기 조건에서 효과가 기대된다”고 밝혔다.