한국에너지기술연구원 신재생시스템연구실은 신재생에너지기반 열·전기 융합연구를 수행하고 있으며 열저장과 P2H를 이용한 △섹터커플링 △냉난방 △에너지네트워크 △스마트팜 △산업공정열을 위한 고효율 태양열 공급연구 △태양광 고장진단연구 등에 주력하고 있다.

 

이외 AI 및 IoT기술과 연계한 신재생에너지 융복합 플랫폼과 인프라기술 고도화를 통해 탄소중립사회 구현에 기여하고 있다.

 

허재혁 에너지연 박사를 만나 P2H 기술개발 동향과 R&D 진행상황을 들었다.

 

■ P2H의 중요성은
신재생에너지 보급 확대 시 재생에너지 변동성 문제가 필연적으로 발생하게 된다. 문제해결을 위한 수단으로 전력역송이나 가변속 발전기 도입 등을 활용할 수 있지만 섹터커플링기술이 가장 대표적인 해결방안이다.

섹터커플링기술 중 P2H는 잉여전력을 열로 변환해 필요한 시기에 사용하는 기술이다.

 

열에너지가 최종 소비형태의 50~70% 이상을 차지하고 있는 만큼 △주거 △상업 △산업용 건물 열에너지소비와 관련해 보편화된 형태로 사용가능하다.

 

 ■ P2H기술 핵심은
부하특성·재생에너지 변동성·전력관리기능 등을 고려한 축열시스템 설계기술이 가장 중요하다. 기존 축열시스템은 경부하시간 축열을 통해 피크전력 감소를 위한 수요관리를 위해 적용되며 주로 심야시간 운전을 목표로 설계돼 주간·저녁시간대에 필요한 냉난방열량의 40% 이상을 심야시간대에 축열하도록 설계기준이 수립됐다.

 

그러나 P2H기능 구현을 위해서는 잉여전력이 발생하는 주간시간에 3~5시간 동안 축열한 뒤 사용하도록 설계돼야 한다. 또한 잉여전력이 주로 봄·가을에 발생하는 만큼 여름·겨울철 축열운전 시나리오 설정을 통해 기존 피크부하 절감기능을 구현할 수 있도록 다양한 기능을 고려해야 한다.

 

P2H용 축열시스템의 안정적 보급과 운용을 위해서는 기존 한전에서 제시한 축냉설비규격을 참고해 동등 이상 사양으로 구축되도록 하며 부실한 축열시스템시공을 방지해 P2H시장이 건실하게 성장할 수 있도록 산·학 공동노력이 필요하다.

 

기존 축냉기술을 적용한 P2H기술이 안정적으로 보급되면 고밀도 축열기술 개발과 적용을 통해 설치공간을 효율화해 설치수용성을 확대해야 한다. 이와 동시에 축열속도도 개선돼야 하며 부하발생 시 필요한 열부하의 안정적 공급기능도 구현돼야 한다.

 

P2H기술은 전력을 열로 변환해 사용하는 기술이지만 변환된 열의 재전력화도 가능해야 한다. 이를 위해 상대적으로 높은 온도로 변환해 열을 안정적으로 저장하며 재전력화하는 발전기술 개발도 시급하다.

 

 ■ 에너지연의 P2H 기술개발 진행상황은
지난 2022년 4월부터 현재 제주도에서 진행중인 재생에너지 출력제한을 이용한 P2H 기술개발 과제 중 P2H 기반 고효율 열생산·저장기술에 대한 연구를 진행하고 있다.

 

1차연도에는 대상후보지 4곳에 대한 P2H를 위한 열에너지생산·저장·공급시스템 구축시 적합성 분석과 축열시스템용량 기본설계를 실시했다. 대상 후보지는 △병원 △사우나 △축사 등으로 △공간확보 △적용효과 △대상지 수용성 등을 고려한 뒤 축사단지를 실증대상지로 선정했다.

2차연도에는 선정된 축사단지에 대한 소비현황·기존 에너지설비현황 분석을 통한 열에너지 생산·저장·공급시스템 상세설계를 진행했으며 실증시스템 도입 예상효과를 분석했다.

이와 함께 수열원·공기열원 히트펌프와 축열조 연계시스템 계통설계를 진행해 P2H용 에너지변환·저장·공급시스템 제어로직 기본설계를 수행했다.

 

3차연도에는 축사단지 구축부지를 최종 선정해 P2H 시스템과 성층화를 고려한 축열조 최종설계 및 구축을 진행했다. 설비구축 전 베이스라인 측정을 위해 축사 부하데이터를 측정·분석했으며 축사 내 공조기 및 팬코일유니트(FCU) 배치에 활용했다.

 

■ 서부농업기술센터 P2H시스템은

가장 먼저 구축해 실증 중인 서부농업기술센터 P2H시스템의 전력거래소 연계 모의실증 기간 동안 P2H시스템에 대한 축열성능을 측정·검증했다. 현재 마지막 연차연구를 수행 중이며 올해 가을에 실시 예정인 연계 모의실증시험을 축사단지를 대상으로 진행하며 △축열효율 △전력부하 증대 △증대이용률 등을 측정·검증 등을 진행할 예정이다.

 

 ■ P2H 기반 고효율 열생산 및 저장기술개발 진행상황은
해당 과제에서는 실증 대상지로 △시설온실 단지(서부농업기술센터) △관광리조트(한화리조트) △축사단지(애월아빠들)를 선정해 실증연구를 수행중이다. 서부농업기술센터 P2H시스템은 지난해 구축을 완료해 1차 실증시험을 완료했다.

관광리조트와 축사단지는 현재 설비 구축이 약 90% 완료된 상황으로 올해 진행 예정인 전력거래소 연계 모의실증시험을 진행해 과제목표인 전력부하 증대량 2.47MW 달성에 기여할 예정이다. 모의실증의 경우 현재 계획수립 중이며 하루 전 시장과 당일시장을 모사한 실증을 진행할 계획이다.

 

 ■ P2H경쟁력 강화방안은
경제성 확보를 위해서는 운전비용 절감과 초기투자비용 절감이 필수적이다. 운전비용 절감을 위해 적용 건물에서 활용할 수 있으며 열원온도가 연중 안정적인 폐열 등을 적극 활용해야 한다.

 

또한 히트펌프·축열조가 구축됐던 기존 사이트를 중심으로 보급전략이 필요할 것으로 판단한다. 운영·유지관리비용 절감을 위해 대상건물·단지를 그룹화해 운영을 원격화·무인화 하는 것도 비용절감을 위한 좋은 전략이 될 수 있다.

 

 ■ 향후 개발예정인 기술은
P2H 시스템은 기존 축열식 히트펌프가 보급된 건축물을 대상으로 적용하는 경우 초기 투자비 절감이 가능하다. 연구진들은 설비 부분변경을 통해 재생에너지 변동성에 따른 출력제어 대응이 가능할 것으로 판단해 기존 시스템에 탑재가능한 P2H 시스템 제어기술 등에 대해 연구를 진행할 계획이다.

 

그동안 여름철에는 냉열저장 겨울철에는 온열저장이 가능한 수축열시스템을 대상으로 주로 P2H 연구를 진행했으며 향후에는 고밀도축냉·축열이 가능한 P2C·P2H 시스템에 대한 연구를 진행할 것이다.