신재생에너지 범주에 모든 자연에너지 열원의 히트펌프를 포함시켜야 한다는 논문이 발표돼 주목받고 있다.
홍희기 경희대 교수와 최준영 한국산업기술시험원 박사, 임신영 한국지역난방공사 팀장은 공동으로 대한설비공학회 논문집에 ‘신재생에너지 기기로서 히트펌프의 신재생에너지 생산량’을 발표했다.
우리나라에서 신재생에너지가 정의된 것으로 지난 2004년이다. 화석연료나 원자력이 아닌 에너지를 대체에너지, 자연에너지 등 다양하게 사용된 용어를 ‘신재생에너지’로 정리한 것이다.
대체에너지는 기존의 화석에너지 및 원자력에너지를 대체할 수 있는 자연에서 취할 수 있는 모든 에너지가 망라됐지만 지금의 신재생에너지에는 명시된 에너지원들만 인정하고 있는 상황이다. 새로운 에너지원을 포함시키기 위해서는 타당성이 뒷받침돼도 개정이 용이하지 않은 것이 사실이다.
이런 와중에 2015년 3월 신재생에너지법이 개정되면서 시행령에 수열에너지가 신규로 포함됐다. 당시 수열에너지 정의를 물의 표층의 열을 히트펌프를 사용해 변환시켜 얻어지는 에너지로 명시함으로써 신재생에너지범위를 해수 표층의 열만으로 국한시켜 하수열원 등 모든 수열원으로 확장되지는 못했다.
지난 4월부터 개정된 의무화사업에는 지열히트펌프의 신재생에너지 산정량이 수정됐으며 수열(해수온도차) 이용 히트펌프는 개방형 지열히트펌프와 동일하게 간주했다.
하지만 여전히 다른 열원의 히트펌프가 포함되지 못한 상태이며 가동률 산정에 열원의 온도나 제품의 성능과 무관하게 히트펌프의 성적계수를 일률적으로 3.7 고정값을 사용하는 등 개선이 요구되고 있는 실정이다.
특히 현재의 국내 신재생에너지 비율은 폐기물 소각열(국제적으로는 신재생에너지로 인정하지 않는 추세)을 제외하면 불과 1.2% 정도로 목표 달성을 위해서는 전기 생산 일변도의 현행 신재생에너지정책 변화가 시급한 상황이다.
우리나라 최종 사용 에너지의 13%가 전기에너지인데 반해 28%가 열에너지이다. 파리기후협정의 배출전망치 37% 감축 목표를 달성하기 위해서는 신재생열에너지 및 히트펌프에 대한 올바른 이해와 관심, 지원이 집중돼야 한다고 관련 전문가들의 지적이 끊임없이 이어지고 있다.
홍희기 교수는 “이번 연구에서는 우선 어느 정도 성능 이상의 히트펌프를 신재생에너지 기기로 인정할 수 있는지 논의하는 것”이라며 “이를 토대로 히트펌프의 출력 중 신재생에너지로 인정받을 수 있은 비율을 분석한 후 CO₂저감에 기여하는 신재생에너지 생산량에 대해 정량적인 고찰을 통해 정책적인 판단에 도움이 될 수 있기를 바란다”고 밝혔다.
고효율기기 조건은 COP 2.52 이상
히트펌프(heat pump)는 냉동사이클의 구성도에서 응축기에서 방출하는 열 QH를 난방, 급탕 등에 활용하는 장치다. 저온의 증발기에서 열을 흡수해 고온의 응축기에서 열을 뽑아내는 것이 마치 낮은 곳의 물을 높은 곳으로 끌어올리는 펌프와 유사하다 해 히트펌프라는 명칭이 붙었다.
냉동기 및 히트펌프의 성능은 성적계수(COP: Coefficient Of Performance)로 나타낸다. 히트펌프의 성능을 나타내는 COPH는 제품 자체의 성능과 증발기·응축기 온도에 의해 결정된다. 즉 응축기와 증발기에 성능 좋은 열교환기를 사용하고 마찰, 누설이 적은 압축기를 사용하면 성능이 향상된다.
또한 동일 제품이라도 증발기 온도가 높을수록 응축기 온도가 낮을수록 COPH는 좋아진다. 겨울철에 평균적으로 공기온도보다 지중온도가 높기 때문에 지열히트펌프의 증발기 온도가 공기열원 히트펌프의 증발기 온도보다 높으며 전반적으로 COPH가 향상되는 것이다.
히트펌프나 에어컨, 냉동기의 압축기는 일반적으로 전기모터로 작동되며 전기에너지를 소모하게 된다. 전기는 화력발전이나 원자력발전을 통해 생산되며 우리나라의 경우 2016년 발전소 효율자료를 참조하면 100의 1차 에너지원을 투입하면 39.81의 전기를 이용할 수 있게 된다. 이것이 ‘생산된 전기 W÷공급된 열량 Q1 = 발전효율 η’로 계절마다 약간의 차이는 있지만 수용가 기준으로 겨울(12~2월) 39.72%, 봄(3~5월) 39.3%, 여름(6~8월) 39.88%, 가을(9월~11월) 40.31%이며 연평균 39.81%이다.
난방 계절인 겨울철의 발전효율이 39.72%이므로 COPH가 η = 1/0.3972 = 2.52 이상이면 보일러를 사용하는 것보다 히트펌프를 사용하는 것이 국가에너지 차원에서 이득이다. 이에 따라 난방이나 급탕용으로 최소한 COPH 2.52이상을 만족하는 히트펌프를 ‘고효율에너지기기’라 할 수 있다.
현 제도의 문제점은
2017년 3월까지의 ‘공공기관 신·증·개축 건축물에 대한 신재생에너지 설치 의무화사업’에 제시된 단위에너지 및 원별 보정계수에서 히트펌프 중 유일하게 인정받고 있는 지열히트펌프는 단위에너지생산량이 2,045kWh/kW·yr이었다. 계산근거는 응축기 열출력 QH 1kW당 하루 14시간 가동되는 것으로 보고 5개월(150일) 동안 70%의 가동률로 난방 시 발생하는 연간 총열량(1,470 kWh/kW·yr)와 냉방 하루 8시간 연간 40일 동안 60%의 가동률일 때 지중으로 방출된 연간 총열량(576kWh/kW·yr)을 합친 것이다.
지난 4월부터 수열원(해수 표층) 히트펌프가 추가됐으며 난방 시 14시간을 4.9시간으로, 냉방 시 12시간을 3.75시간으로 지적돼 온 지나치게 긴 가동시간은 대폭 줄였다. 가동률을 73%로 상향 조정한 결과 난방 536, 냉방 328로 히트펌프의 신재생에너지생산량은 864kWh/kW·yr이다. 여기서 가동률 73%는 COPH= 3.7로 계산했을 값이다.
홍 교수는 “히트펌프의 성능을 나타내는 성적계수가 반영되기는 했으나 COPH= 3.7라는 고정값을 사용했다”라며 “현재 기술로 COPH= 3.7은 일시적으로는 가능할지 몰라도 동절기 평균값으로서는 매우 높은 비현실적인 값”이라고 지적했다.
이어 “히트펌프는 응축기의 출력 QH를 이용해 난방이나 급탕모드로 사용할 때만 신재생에너지 기기로서 의미가 있으며 냉방모드로 사용될 때는 응축기의 출력 QH는 단순히 버려지는 열이며 신재생에너지와 무관하므로 신재생에너지 생산량에서 제외해야 한다”라며 “COPH 2.52 이상의 히트펌프는 신재생에너지 기기이며 현행 규정에는 지열과 수열원(해수 표층)으로 제한을 뒀으나 모든 자연에너지를 열원으로 하는 히트펌프로 확장시켜야 한다”고 강조했다.
보정계수는 약 2.3배 증가했다. 수직밀폐형 0.7에서 1.61, 개방형은 0.64에서 1.51로, 수열원은 1.46으로 결정됐기 때문. 설치의무화사업에서는 보정계수를 통해 기술적, 경제적 차이를 보완하는 역할을 담당하고 있는데 시장 규모 유지에 초점을 맞춰 결정되고 있다.
홍 교수는 “설치의무화사업이 신재생에너지의 원별 다양성을 위해 작동되고 있으며 파리기후협정에서 추구하는 CO₂저감 효과가 큰 신재생에너지가 보급 확대와는 무관하게 운용되고 있다”라며 “생산된 신재생에너지 및 CO₂저감 효과만으로 판단해야 하며 보정계수를 통한 인위적인 개입은 최소화해야 한다”고 강조했다.
신재생 보급 목표량 달성 확실한 대안
대부분의 유럽 국가 및 일본에서는 이미 공기와 물 등 자연에너지를 열원으로 하는 모든 히트펌프가 신재생에너지기기이며 실제로 온실가스 저감효과가 상당한 것으로 판명된 상태다. 국제적으로 인정받고 있는 온실가스 저감 방안을, 유력한 대안도 없는 상태에서 우리나라에서는 인정하지 않고 있는 셈이다.
공공건물 신재생에너지 의무화 비율이 계속 늘어나고 있으며(2017년은 21%) 목표량을 채우기에 마땅한 방식이 없다는 것이 현실이다. 공공기관 신재생에너지 의무화나 에너지신산업 등의 궁극적인 목표가 온실가스 저감이라면 강구할 수 있는 모든 방안이 포함돼야 한다.
홍 교수는 “더이상 모든 수열원, 공기열원 히트펌프를 배제할 이유가 없다”라며 “히트펌프의 성적계수만 적절하게 평가할 수 있는 방안이 제시된다면 매우 쉽게 적용할 수 있는 현실적인 대안”이라고 밝혔다.
홍 교수는 이어 “신재생에너지의 위상은 화석연료의 대체와 CO₂저감에 있으며 특히 파리기후협정 이후 신재생에너지에 의한 CO₂저감의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다”라며 “태양열이나 히트펌프 등 신재생열에너지는 이미 기술의 완성도가 높아 정책적인 지원이 뒤따르는 경우 단기간 내에 많은 보급과 CO₂저감의 견인차 역할을 할 수 있다”고 강조했다.
모든 자연에너지 열원의 히트펌프를 국제 기준에 맞춰 신재생에너지 기기로 인정하면 관련 산업의 활성화와 함께 설비산업의 특성상 제조, 설계, 시공, 감리 등 일자리 창출에 크게 기여할 것으로 기대된다.
히트펌프(heat pump)는 냉동사이클의 구성도에서 응축기에서 방출하는 열 QH를 난방, 급탕 등에 활용하는 장치다. 저온의 증발기에서 열을 흡수해 고온의 응축기에서 열을 뽑아내는 것이 마치 낮은 곳의 물을 높은 곳으로 끌어올리는 펌프와 유사하다 해 히트펌프라는 명칭이 붙었다. 
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