선다코리아(대표 조장현)은 지난 4월16일 총괄주관기관으로 참여하는 ‘열·전기 저장시스템기반 건물군 열에너지 수요관리 기술개발 및 실증’ R&D 1·2차연도 성과보고와 3차연도 추진계획 착수보고회를 개최했다고 밝혔다.

 

이번 과제는 총괄주관기관 선다코리아를 포함해 △가천대 △한국지역난방공사 △한국광기술원 △GS파워 △한국기계연구원 △한국과학기술연구원 △아미텍 △한국전자기술연구원 △SEP협동조합 △베리워즈 등이 참여기관으로 참여 중이다.

미래개발원 실증기반 양방향 열네트워크 구축·성능평가 본격화

최원철 선다코리아 팀장은 1·2차연도 총괄기관 수행내용과 3차연도 운영계획을 공유했다.

 

이번 3차연도에는 실증설비 공정개선이 우선 추진된다. 실증지는 한국지역난방공사 미래개발원으로 6월 이전 기계실 구축을 완료하고 7월 중 전기와 배관 시공 마무리와 시운전에 들어가는 일정이 검토되고 있다.

 

전체 사업은 열수송관 공사일정과 연계돼야 하는 만큼 세부 공정간 정합성을 확보하는 것이 핵심과제다.

 

먼저 PCM 배관망의 방향과 우류로 개선사항을 반영할 예정이며 전기증설 여부에 대한 논의를 마친 뒤 관련 공사를 진행할 계획이다.

 

이와 함께 실증대상 환경을 기반으로 양방향 열네트워크 구성을 위한 설비를 구축하고 성능시험을 수행할 예정이다.

 

장기운전 과정에서의 네트워크 환경영향 분석도 병행된다. 연구진은 설비 장기운전을 통해 운전 안정성과 시스템 영향요인을 점검하고 양방향 열네트워크 최적운영기술의 성능평가와 고도화를 추진할 예정이다. 실증운전 과정에서 확보되는 데이터는 향후 운전전략 정교화와 경제성 평가의 기반자료로 활용될 전망이다.

 

최원철 팀장은 “미래개발원 실증을 위해서는 컨소시엄 내 사전 협의도 필요한 상황”이라며 “배관설계 보완 및 개선사항 협의와 함께 데이터 취득용 센서 배치방안에 대한 조율이 선행돼야 하며 기계실 구축 이후 이를 반영한 현장 설비구성이 이뤄질 것으로 예상된다”고 말했다.

 

7월 중 전기 및 배관 시공을 완료하고 시운전에 돌입하는 과정에서 전기보일러 배치를 위한 2단 배치방안도 함께 구상 중이며 이동식 공기열 히트펌프 개발방안도 추가 검토할 예정이다.

 

ESS설비 구축을 위한 논의도 진행될 예정이다. 전기연구원 내 설비배치 가능 공간을 검토하는 한편 과제 종료 이후에도 지속 활용할 수 있는 적정 ESS 용량을 협의할 계획이다.

 

최원철 팀장은 “시운전 일정 수립 시 실증 이후 데이터 분석에 필요한 시간 고려도 필요하다”라며 “올해 봄·여름철 취득데이터만으로도 초기 성능 검토와 운전특성 분석은 가능할 것으로 예상되지만 계절 특성 반영과 분석 완성도를 높이기 위해서는 시운전기간과 데이터 확보기간을 충분히 반영한 일정 관리가 필요할 것”이라고 말했다.

 

기계硏, 실증사이트 운전최적화기술 최적화 집중

임병주 한국기계연구원 박사는 1·2차연도 개발내용과 3차연도 연구수행내용을 공유했다.

 

기계연구원은 도출한 실증사이트 열네트워크 설계안을 수정·보완해 공정도를 완성했으며 미래개발원을 대상으로 모드별 운전전략 수립에 착수했다.

 

이와 함께 P2H(Power to Heat) 및 MTHP-A 기반 운전방향을 검토하고 시뮬레이션 결과를 반영한 히트펌프 사양 선정과 제작도 추진하고 있다.

 

1·2차연도 실증사이트 부하데이터 분석 결과 열부하는 6월에 가장 크고 12월에 가장 작은 것으로 분석됐다. 반면 전기부하는 계절별 편차보다 시간대별 차이가 더 뚜렷했으며 연중 비교적 고르게 분포하는 특성을 보였다.

 

임병주 박사는 “특히 심야시간대에는 전력수요가 낮고 전기요금이 상대적으로 저렴한 것으로 확인돼 P2H 기반 축열기술 도입 필요성이 부각됐다”라며 “이에 따라 연구진은 실증사이트의 전력·열수요 특성을 반영한 열네트워크 운전전략 수립에 집중하고 있다”고 말했다.

 

열네트워크 시뮬레이션과 최적운전기술 개발도 병행했다. 계절별 운전시나리오를 마련하고 부하이동을 위한 운전전략을 검토하는 한편 국내 DR(수요반응)제도와 연계 가능성도 함께 살피고 있다. 이를 통해 전력요금이 낮은 시간대의 전기를 적극 활용하고 전체 시스템의 에너지효율과 경제성을 높이는 방안이 구체화될 것으로 기대된다.

 

3차연도에는 1·2차연도 연구를 기반으로 미래개발원을 대상 실증사이트 운전최적화기술 개발이 본격 추진될 예정이다. 실증운전데이터를 기반으로 생산·소비패턴별 특성을 분석하고 열네트워크의 최적성능과 경제성을 함께 고려한 운전조건을 도출할 계획이다.

 

임병주 박사는 “열네트워크 최적운영 알고리즘 개발도 추진할 것”이라며 “데이터분석 기반 운전제어방식을 정립하고 심야전력을 활용한 최적운전 제어방식을 마련해 열·전기 저장변환시스템의 산업용 설비 및 운전기술 개발로 연결할 예정”이라고 말했다.
 

한난, 삼성전자 기흥캠퍼스 내 실증사이트 구축

김경민 한국지역난방공사 수석연구원은 지역난방공사의 R&D 계획을 공유했다.

 

지역난방공사는 전력 및 열네트워크 상호연계를 기반으로 P2H 사업생태계 구축을 추진하고 있다. 

 

열공급 체계는 기존 100℃ 공급방식에서 벗어나 70~105℃ 범위의 다중 온도체계 적용이 검토되고 있다.

 

시설규모는 시범사업의 폐열량과 열수요 등 사업환경을 반영해 결정할 예정이다.

 

2차연도에는 P2H 구축 관련 안전관리와 운영방안 검토, 열원배관 및 열수송관로 검토, VPP와 P2H 통합운영시스템 확장 관련 안전관리와 운영 검토가 이뤄졌다. 3차연도에는 대형 히트펌프 실증사이트 열원배관 및 열수송관로 공사를 지속하는 한편 건물군 실증사이트 운영과 통합운영시스템 운영에 필요한 추가 설비를 분석하고 장기운영을 준비할 계획이다.

 

시범사업은 신규 신재생에너지시설 도입과 함께 신규건물 및 반도체 폐열을 연계하는 열수송관 구축, 폐열활용이 가능한 히트펌프 열원동 신축 등을 포함한다. 

 

 

GS파워, 전기요금·SMP·축열성능 등 변수 반영 비용최적화 운전 추진

GS파워는 공기열 히트펌프와 PCM 축열조 기반 냉난방 실증을 담당하고 있다. 기존 설비는 전기실 냉방을 위한 AHU와 사무실 난방을 위한 FCU 중심으로 운영되고 있었지만 실증사업에서는 공기열 히트펌프를 활용해 하절기에는 냉방을 동절기에는 난방을 수행하는 방식이 적용될 예정이다.

 

난방운전 시에는 PCM 축열조를 연계해 열저장 및 방열운전을 함께 검토하고 있다.

이번 실증에서 핵심은 다양한 운전변수를 반영한 최적화 알고리즘 구축이다. 주요변수로는 △전력사용요금 △히트펌프 성능 △PCM 축열조 성능 △냉난방 수요패턴 등이 제시됐으며 알고리즘의 목표는 비용최적화에 맞춰져 있다.

 

최종수용자 입장에서는 히트펌프설비 도입 이후 전체 에너지비용을 최소화하는 운전전략이 핵심이다.

특히 비용최적화 측면에서는 모든 수용가가 가장 민감하게 반응하는 요소가 '전기요금'이다. 이에 따라 한전 전기요금과 SMP(계통한계가격)를 비교해 어떤 기준으로 히트펌프를 운전하는 것이 유리한지를 분석하는 작업이 중요하게 다뤄지고 있다.

연구진은 SMP를 추정해 히트펌프를 운전하는 방식이 가장 효율적일 가능성에 주목했다. 분석결과 기상조건과 날짜에 따라 점심시간대 0원 구간이 발생하기도 하고 최고부하 시점이 오전으로 이동하는 등 다양한 양상을 보이는 것으로 나타났다.

또한 1월 이후에는 0원 시간대가 10시간가량 나타나는 경우도 있는 것으로 검토됐다. 연구진은 계통 측면에서 P2H가 의미를 가지려면 최종 사용자가 SMP를 추종해 축열과 방열운전을 수행할 수 있어야 한다. 그러나 현실적으로는 한전 요금제가 아직 시간기반으로 충분히 세분화돼 있지 않아 일반 수용가가 SMP에 직접 연동해 운전하기는 쉽지 않다.

안양발전소 히트펌프 실증에서는 실제 운전 시 한전 수전요금을 추종하는 최적화와 SMP를 추종하는 운전패턴 최적화모델을 함께 검토하고 있으며 이를 통해 확보되는 데이터를 의미있게 활용할 계획이다.

 

일반요금제 기반 운전과 시장가격 연동 운전의 차이를 비교함으로써 향후 국내 P2H 운전전략 수립에 참고할 수 있는 근거를 마련하겠다는 방침이다.

북유럽 사례도 주목된다. 북유럽 일부 국가는 SMP와 연동된 소매요금을 소비자 선택옵션으로 제시하고 있으며 원자력과 풍력 비중이 높은 핀란드의 경우 SMP가 0원 수준으로 형성되는 시간대가 자주 발생하는 것으로 알려져 있다. 이 같은 요금제를 선택한 수요자들은 히트펌프를 보다 수익성 높게 운영할 수 있는 구조를 갖추고 있다는 점에서 국내 제도개선 논의에도 시사점을 준다.

연구진은 일반 소비자의 경우 당장 SMP 추종운전이 쉽지 않더라도 이번 실증을 통해 데이터를 취득하고 이를 분석하는 것 자체가 충분히 의미가 있다고 보고 있다. 향후 요금제 개편이나 전력시장 연계 확대 시 실제 활용 가능한 운전기술과 경제성 검토의 기초자료가 될 수 있기 때문이다.

 

KIST, 축열성능 강화 중점

윤수진 한국과학기술연구원(KIST) 박사후연구원은 KIST의 향후계획을 설명했다.

 

KIST는는 1·2차연도 동안 PCM(Phase Change Material) 기반 축열기술 확보를 위해 축열물질 선정과 캡슐 제작, 성능시험을 단계적으로 추진해 왔다.

 

1차연도에는 PCM 후보군을 대상으로 성능시험을 수행해 적용 가능한 축열물질을 검토했으며 2차연도에는 축열물질 담지캡슐을 제작하고 이에 대한 성능시험을 진행했다.

축열조 설계와 운영관리시스템 연계를 위한 기반작업도 함께 추진됐다. 1차연도에는 적층방식과 저장용기를 대상으로 CFD해석과 설계를 수행해 축열조 구조 최적화 가능성을 검토했으며 2차연도에는 향후 실증운영에 필요한 운영관리시스템 프로토콜 설계를 진행했다.

3차연도에는 축열시스템의 실증 적용성을 높이기 위한 성능검증이 본격화될 예정이다. 개발목표는 축열물질 캡슐의 상변화 내구성 테스트와 축열조 운영관리시스템의 실증조건 기반 성능평가다.

 

이를 통해 반복적인 축·방열과정에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있는지 확인하고 실제 운전조건에서 운영관리시스템의 적용성과 신뢰성을 검증할 계획이다.

축열밀도 평가도 주요 과제로 제시됐다. 연구진은 PCM 물질을 적용한 축열조의 축열밀도를 측정할 예정이며 측정방법은 시험기관의 환경과 시험조건에 맞춰 진행할 방침이다. 이를 통해 축열조의 에너지저장 특성을 정량적으로 평가하고 실증설비 적용 시 성능기준을 구체화할 수 있을 것으로 기대된다.

 

아미텍, 열에너지네트워크 통합플랫폼 구축

권대일 아미텍 본부장은 아미텍의 실증사례 등을 공유했다. 

아미텍은 에너지 통합모니터링과 수요관리 원격제어시스템 개발 및 구축을 담당하고 있다. 이를 위해 에너지데이터 수집 인프라를 비롯해 TES·BESS 통합모니터링 △에너지수요관리 원격제어 △통합에너지 O&M 시스템 △VPP 연동기술 등을 개발하고 있다.

3차연도에는 통합에너지 데이터수집 인프라를 실증사이트에 구축하고 수요관리 원격제어 플랫폼 개발실증을 본격 추진할 계획이다.

 

특히 열·전기계측용 에너지게이트웨이를 설치해 이기종 시스템 데이터를 수집하며 실증사이트 운영데이터의 통합관리 체계를 마련할 예정이다.

이를 위해 지역난방공사와 삼성전자 실증지를 방문해 현장 데이터를 수집하고 실증사이트 내 열·전기 계측디바이스 및 데이터수집 인프라 구축과 시험을 추진하고 있다. 현장 데이터 확보를 통해 실제 운전환경에 맞는 계측 및 분석체계를 정교화할 예정이다.

실증사이트 수요관리 원격제어를 위해서는 Auto-DR기술  개발 및 적용도 병행된다. 건물군의 최대 열·전기 에너지수요를 예측하고 DR 표준통신을 적용해 자동화시스템 기반의 Auto-DR 운영체계를 구현할 계획이다. 구체적으로는 피크수요 발생 시 ADR 신호를 전송하고 ADR을 시작한 뒤 부하를 적절히 분산·배치해 수요균형과 에너지절감을 유도하는 구조다.

권대일 아미텍 대표는 "수요관리 원격제어플랫폼 개발 실증도 추진된다"라며 "전기와 열에너지 수요관리 운영기술을 기반으로 EMS 모니터링 적용기술을 개발해 실시간 감시와 제어 기능을 강화할 예정"이라고 말했다. 

 

KETI, 수요관리플랫폼 연계 추진

오성문 한국전자기술연구원 박사는 한국전자기술연구원의 3차연도 중점 추진내용을 공유했다.

연구진은 수요관리 운영기술을 담당하며 수요관리 시뮬레이션 플랫폼을 구축하며 계층적 최적화 아키텍처를 구성했다. 또한 가용용량평가와 자원 스케줄링을 통해 잉여전력 발생 시 플러스DR 대응이 가능하도록 준비를 마쳤다. 이를 통해 전력수급 상황 변화에 따라 유연하게 자원을 운용할 수 있는 기반을 확보했다.

3차연도에는 수요관리플랫폼 연계가 본격 추진될 예정이다. 아미텍 플랫폼과의 연동을 통해 시스템 통합성을 높이고 P2H 기반 열·전기 협조운전 연계기술을 구체화할 계획이다. 이를 통해 전기와 열에너지를 통합적으로 고려한 수요관리체계 구축이 가능할 것으로 기대된다.

연구진은 2차연도 평가결과에 대응하기 위한 방안으로 가상테스트베드 운용계획도 마련했다.

오성문 박사는 "알고리즘 고도화 작업도 지속 추진된다"라며 "실제 운영과정에서 발생할 수 있는 예측오차에 대응할 수 있도록 보정과 개선기술을 반영해 수요관리 성능과 신뢰도를 높일 것"이라고 말했다.
 

광기술원,  예측모델 개발 본격추진

문정민 한국광기술원 박사는 한국광기술원의 2차연도 연구성과와 올해 과제추진계획을 공유했다. 

 

연구진들은 2차연도에 운영모델링에 필요한 주요 파라미터를 정의하고 에너지 예측기술을 개발했다.

 

열에너지분야에서는 머신러닝 앙상블기법을 활용한 수요예측기술 개발이 추진됐다. 다양한 열에너지 수요예측모델을 비교·검토하며 실증 적용 가능성을 평가했다. 

 

이를 통해 예측정확도와 운영 활용성을 높이기 위한 기반을 구축했다.

전력수요예측분야에서는 AI모델 고도화가 이뤄졌다. 전력수요예측 테스트 결과 성능지표인 CVRMSE는 20.29%를 달성했다. 이를 통해 실증운영에 필요한 예측기반 제어기술 확보 가능성을 확인했다.

태양광발전량 예측기술 개발도 병행해 재생에너지출력 변동성을 고려한 운영전략 수립과 에너지자원 스케줄링 정교화에 활용될 것으로 기대된다.

문정민 한국광기술원 박사는 "3차연도에는 실증지 데이터를 활용한 예측모델 개발이 본격화될 예정"이라며 "2개 실증지를 대상으로 각각의 특성을 반영한 맞춤형 예측모델을 개발하고 이를 토대로 최적운영알고리즘 개발까지 연계할 계획"이라고 말했다.

 

전기硏,  TES·P2H 가용용량 산정방법 개발 중점추진

최우영 전기연구원 선임연구원은 전기연구원의 주요 추진계획을 발표했다.

 

전기연은 2차연도에 TES(Thermal Energy Storage)와 P2H(Power to Heat)의 유연성 평가기법 개발을 추진하며 계통연계형 운영기술 기반을 마련했다. 이를 위해 계통해석과 유연성 모델링을 수행하고 평가체계를 구축했다. 히트펌프 선형모델링, 정규화 수식 정립, 등가환산기법 개발 등을 진행했다.

특히 TES와 P2H설비가 전력계통과 열네트워크 운영에 어떤 수준의 유연성을 제공할 수 있는지를 정량적으로 평가할 수 있도록 분석틀을 마련한 점이 주요 성과다.

 

이를 통해 설비운전 특성을 계통 측면에서 해석하고 실제 활용 가능한 유연성 자원으로 평가할 수 있는 기반을 확보했다.

3차연도에는 유연성 평가시나리오 분석이 본격 추진될 예정이다. 연구진은 계절별 조건과 일간 시간대별 조건을 반영한 PSS/E 시뮬레이션 모델을 구축하며 이를 바탕으로 계통해석을 수행할 계획이다. 이를 통해 계절 변화와 부하 패턴 차이에 따라 TES·P2H 자원이 제공할 수 있는 유연성 수준을 보다 구체적으로 분석할 방침이다.

TES·P2H 가용용량 산정방법 개발을 위해 설비 특성과 운전조건, 계통 상황을 종합적으로 반영해 실제 활용 가능한 용량을 산정하고 이를 토대로 유연성 자원의 실효성을 평가할 계획이다.

최우영 선임연구원은 "유연성 평가지표도 고도화할 것"이라며 "단순한 이론적 평가를 넘어 실제 계통운영과 시장 활용 가능성을 함께 고려한 지표체계를 마련함으로써 TES와 P2H의 계통 기여도를 보다 정밀하게 분석할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

 

SEP협동조합, 열전계통 유연성체계 구축

SEP협동조합은 열·전기 계통 유연성체계 구축을 통해 에너지시스템 전반 운영효율과 유연성 제고를 추진하고 있다. 핵심은 열·전기·연료를 연계하는 섹터커플링기반 접근으로 다양한 에너지원과 설비를 통합적으로 활용해 의무이행과 계통운영 측면의 유연성을 높일 계획이다.

이를 위해 VPP와 연계한 P2H 활성화 방안이 검토되고 있다. 전력시장과 연계된 가상발전소 기반 운영을 통해 P2H 설비를 보다 유연하게 활용하고 전력계통 상황에 따라 열생산과 저장운전을 조정할 수 있는 체계를 마련할 방침이다.

집단에너지 기반 TES 활성화도 주요 과제로 제시됐다. 열에너지저장설비를 활용하면 전력수요가 낮거나 전력가격이 유리한 시간대에 열을 생산·저장한 뒤 필요 시 활용할 수 있어 전력과 열간 연계운전의 효율성을 높일 수 있다. 이는 계통부담 완화와 에너지이용 합리화 측면에서도 의미가 클 것으로 기대된다.

 

또한 전환설비에 대한 비용편익(B/C) 분석도 함께 추진된다. 히트펌프와 TES 등 전환설비가 실제로 어느 정도의 경제성과 사업성을 확보할 수 있는지를 분석해 향후 보급 확대와 제도개선 논의의 기초자료로 활용할 계획이다.

김성수 교수는 "이번 과제는 열·전계통을 개별적으로 운영하는 수준을 넘어 상호연계 기반의 유연성체계를 구축하는 것"이라며 "이를 통해 P2H와 TES, VPP를 포함한 차세대 에너지운영모델의 실현가능성을 높일 것"이라고 말했다.

 

가천대, P2H 인센티브 방안 등 수행

 

가천대는 2차연도 주요 성과를 100% 달성하며 양방향 열에너지 유연성 자원시장 도입을 위한 기반마련에 속도를 냈다. 우선 양방향 열에너지 유연성 자원시장 도입을 위한 아키텍처를 설계했으며 시장 활성화를 위한 인센티브 및 패널티 모델도 개발했다. 아울러 제도적 실증 기반 확보를 위해 규제샌드박스 아젠다를 발굴하고 규제샌드박스 신청도 추진했다.

이를 통해 열에너지 유연성 자원을 단순 기술개발차원을 넘어 실제 시장참여가 가능한 구조로 연결하기 위한 제도·운영 기반이 마련됐다. 특히 인센티브와 패널티를 함께 고려한 시장모델은 참여 유인을 높이는 동시에 운영책임성을 확보하는 장치로 작용할 것으로 기대된다.

3차연도에는 모델링과 시뮬레이션 기반 실증연구가 본격화될 예정이다. 핵심목표는 실증데이터를 활용한 모의거래 인센티브 모델과 TES 전용요금제 모델링, 이를 검증하기 위한 시뮬레이터 방법론 개발 등이다.

요금과 인센티브 모델링도 주요 과제로 제시됐다. 연구진은 실증운영 DB를 활용해 요금제 구조를 설계하며 경제성 분석을 수행할 계획이다. 이를 통해 P2H와 TES 기반 운전이 실제 비용절감과 수익성 확보측면에서 어느 정도 효과를 낼 수 있는지 검토할 방침이다.

시장참여자 편익 시뮬레이션도 병행된다. 이해관계자별 모듈과 시나리오를 구성한 뒤 가격, 부하, 온도 변화에 따른 편익을 평가해 시장 도입 시 기대효과를 분석할 예정이다. 이를 통해 개별 수요자와 사업자, 계통 측면에서의 편익 구조를 보다 구체적으로 도출할 수 있을 것으로 보인다.

이와 함께 규제특례 효과분석도 추진된다. 규제샌드박스를 통해 허용되는 특례가 실제 사업성과 시장 활성화에 어떤 영향을 미치는지 분석해 향후 제도개선 방향까지 제시할 계획이다.

김재화 가천대 선임연구원은 "3차연도에 P2H 인센티브 방안과 P2H-TES 전용요금제 모델링도 함께 수행할 것"이라며 "이를 통해 양방향 열에너지 유연성 자원시장의 실효성을 높이고 향후 제도화와 상용화 가능성을 뒷받침할 수 있는 근거를 축적할 계획"이라고 말했다.

 

베리워즈, M&V 기술개발 추진

베리워즈는 이번 과제에서 M&V(Measurement & Verification) 기술개발과 경제성 및 편익분석, 제도·정책개발을 담당하고 있다.

1차연도에는 TES의 기술특성과 플러스DR 검증기법을 검토하고 실증사이트 선정 및 환경분석을 수행했다. 이를 통해 실증 적용 가능성과 운영조건을 사전에 점검하며 후속 연구의 기반을 마련했다. 2차연도에는 virtual M&V baseline 프로젝트 비교구조를 설계했다. 

3차연도에는 다차원 변수 결합을 통한 virtual M&V 예측모델 정교화가 추진될 예정이다. 2차연도에 구축한 기반을 바탕으로 실측현장 계측데이터 활용체계를 마련하고 검증 확산에 나설 예정이다.

주요 확보대상 데이터는 피크부하, 방열시간, 축열조 입구온도, 저장열량, 축열조 출구온도, 축열조 유량, B-ESS 충·방전 전력량, B-ESS 방전률 등이다.

 

원칙적으로 최소 1년 이상의 데이터를 확보할 때 신뢰성이 가장 높아질 것으로 기대된다.

한편 이번 R&D는 2027년 12월 31일까지 진행될 예정이다.