지난 6월24일부터 6월26일까지 평창 알펜시아에서 열린 대한설비공학회 하계학술발표대회에서는 특별세션인 '에너지수요관리기술개발사업 기술 공유' 발표가 진행됐다.  

 

발표는 △2050 탄소중립의 핵심동력, 열에너지 R&D 정책 고찰: 전주기적 기술분류체계기반의 동향 분석(임승빈 한국에너지기술평가원 실장) △정온물류 운송 및 물류센터 에너지효율화기술(장경훈 한국건설생활환경시험연구원 선임) △중저온 산업폐열 이용 하이브리드 발전시스템(김진수 씨맥 연구원) △다중 분산발전기반의 옥상온실형 스마트 그린빌딩 융복합시스템(최은정 한국기계연구원 선임) 등의 순서로 진행됐다.

 

열에너지 R&D 기준 재정립

임승빈 한국에너지기술평가원 실장은 '2050 탄소중립의 핵심동력, 열에너지 R&D 정책고찰 : 전주기적 기술분류체계기반의 동향분석'을 주제로 발표를 진행했다. 한국에너지기술평가원은 기후부 산하 기관으로 에너지기술 개발 및 기술개발기반 조성사업을 진행하고 있다.

 

최근 탄소중립 선언 이후 산업, 건물, 수송 등 부문 전반에서 에너지효율 향상을 통한 탄소저감의 중요성이 부각되고 있다. 특히 국내 최종 에너지소비형태 중 열(Heat) 형태가 차지하는 비중은 전체의 48%에 달한다. 최근 정부에서도 K-GX(녹색전환) 전략 수립을 추진하는 등 국가적인 차원에서 온실가스 감축이라는 목표로 열부문에 대한 정책적 관심이 급증하는 추세다.

 

그러나 기존 R&D 관점에서는 전력·전기분야에 비해 열에너지 관련 R&D가 특정기술 아이템 위주로만 정의돼 있었다. 이로 인해 에너지의 특성을 나타내는 '생산-전달-소비' 전주기 관점에서의 체계적인 구조파악이 어렵다는 지적이 제기돼 왔다.

 

이러한 기술공백을 해소하고 열에너지 R&D기준을 재정비하기 위한 연구가 추진했다. 기술분류체계를 구축하기 위해 2020년 탄소중립 선언 이후 정부가 발표한 법정 계획 및 정책 문건을 전수조사했다. 그. 결과 2020년부터 2025년 12월까지 나온 정부정책 중 열에너지 R&D 실행과제가 포함된 최종 23건의 문건을 도출했다. 이중 보급·인프라·제도 등 기술개발과 직접적 관련이 없는 요소는 제외했다.

 

조사된 과제들을 바탕으로 R&D 추진 과제 중심의 핵심키워드를 도출하고 연관성 분석을 통한 군집화 및 계층구조화를 거쳐 상위·중간··하위그룹핑을 포함한 기술분류체계를 최종 제시했다. 프레임의 기본 축은 국회에서 발의된 '탄소중립을 위한 청정열에너지법안'의 열에너지 정의를 기반으로 했으며 R&D 실행과제가 존재하는 영역에 맞춰 △생산 △전달(공급관리) △소비(수요관리) 등 3대 축으로 세분화했다.

 

청정열에너지를 에너지공급의 생산영역에 대해 자연상태의 1차에너지를 활용해 2차에너지로 전환한 뒤 에너지망에 열을 직접투입하는 기술로 정의했다. 기본 법안에서는 화석연료를 최소화하여 온실가스 배출이 없거나 극히 낮은 청정열을 제시해 재생열과 미활용 폐열 중심으로 카테고리를 구성했다. 하지만 에기평 연구진은 이번 R&D 분류체계에서 '열병합 열'을 새롭게 추가했다.

 

임 실장은 "연료전지나 원자력기반의 발전을 통해 생산돼 에너지망에 직접 투입되는 열은 기존의 산업 미활용 폐열과는 발생 메커니즘이 다르다"라며 "이를 명확히 구분하고 수용하기 위해 연료전지 및 원자력 열을 포함할 수 있는 열병합 열 카테고리를 생산영역에 신설했다"고 설명했다.

 

공급관리 관점에서 전달 영역은 열생산단계부터 수요처까지의 이송과정과 이 과정에서 발생하는 데이터를 분석·진단해 열의 흐름을 지능적으로 제어하는 통합관리시스템으로 정의했다. 세부 기술 영역은 △변환 △저장 △분배로 구성된다.

 

수요관리영역은 열이용 효율을 높이고 공급 부담을 완화하기 위한 기술 활동으로 △전기화 △연료전환 △고효율화 △디지털화 △폐열 재자원화로 분류했다. 

 

전기화는 기존 화석연료기반 설비를 전기 히트펌프로 전환하는 기술과 친환경 냉매개발을 포함하며 산업용 고온·대용량화 및 건물용 급탕 확장 등이 핵심과제로 도출됐다. 연료전환은 철강·화학·시멘트 등 주력산업에서 가스연료를 수소·암모니아 등 무탄소 연료로 대체하는 기술이다. 고효율화는 대형산업 공정설비 외에도 최근 발열량이 급증한 데이터센터의 에너지세이빙 기술이 주요과제로 부각됐다. 디지털화는 실시간 사용량을 계측해 효율을 최적화하는 한국형 그린버튼과 AI기반 복합에너지시스템이 주를 이뤘다.

 

특히 연구진은 에너지절감 카테고리에 '폐열 재자원화'를 독자적으로 정의했다. 임 실장은 "생산영역의 미활용 폐열은 외부 망을 통해 타 수요처로 공급되는 개념인 반면 수요관리의 폐열 재자원화는 별도의 망 없이 산업공정 내부에서 발생한 폐열을 자체적으로 회수해 공정에 재투입하는 기술이라는 점에서 명확한 차별성이 있다"고 강조했다.

 

임 실장은 마지막으로 도출된 23개 정책문건 내 열에너지 R&D 추진과제들의 비중을 분석한 결과 현재 국내 투자가 수요관리 분야에 과도하게 집중돼 있다고 지적했다.

 

임승빈 한국에너지기술평가원 실장은 "열에너지의 이용효율을 근본적으로 높이기 위해서는 소비의 효율개선도 중요하지만 낮은 단가로 청정열을 공급하고 수송할 수 있는 생산 및 전달분야의 기술개발이 필수적"이라며 "향후 전주기 관점에서의 균형 있는 R&D 투자가 이뤄져야 한다"고 제언했다.

 

이어 "국내 기후환경은 사계절 온도 차가 크고 주거문화 측면에서 대규모 공동주택 중심이라는 독특한 특징을 가진다"라며 "해외기술을 그대로 도입하기보다는 한국형 히트펌프 등 국내환경에 최적화된 맞춤형 기술을 확보해야 실질적인 탄소감축효과를 거둘 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

 

저온 물류창고 제어알고리즘 개발

장경훈 KCL 선임연구원은 '정온물류 운송 및 물류센터 에너지효율화기술'을 주제로 발표했다. 

 

팬데믹 이후 신선식품 및 의약품 수요가 급증하면서 국내 저온 물류창고가 기하급수적으로 늘어났다. -18℃에서 -20℃ 사이의 저온 상태를 365일 상시 유지해야하는 저온물류창고는 대표적인 에너지다소비업종으로 분류된다.

 

실측 데이터 분석 결과 저온 물류센터 전체 전력소비 중 냉동기가 73%, 조명이 15%를 차지해 두 영역이 에너지소비의 대부분을 차지하는 기술 공백이자 개선과제로 지목돼 왔다.

 

이에 따라 KCL 컨소시엄은 총 16개 기관이 참여하는 대규모 연구단을 구성해 당초 목표였던 보관영역 15% 이상 절감을 상회하는 혁신기술을 개발하고 신축 및 기구축 현장에서 실증을 완료했다. 최종 실증 결과 1호 신축 물류창고에서는 16.4%, 2호 리모델링 창고에서는 27.0%의 에너지효율화 달성에 성공했으며 운송부문에서도 26.2%의 에너지절감률을 기록하며 기술의 신뢰성을 입증했다.

 

사람의 거주편의성을 목적으로 하는 기존의 건물에너지관리시스템과 달리 저온 물류창고는 사람이 아닌 '저온 상품'을 대상으로 하기에 완전히 새로운 접근이 필요하다.

 

장 선임은 "저온상품은 0.5℃에서 1℃의 미세한 온도차이에도 매우 민감하게 반응해 변질우려가 크다"라며 "사람중심의 기존시스템과 차별화된 초정밀관리가 가능한 저온물류 특화형 에너지관리시스템을 개발했다"고 밝혔다.

 

KCL 연구진은 시스템 내에 △3D 온도 맵핑 △이벤트-이상감지 시스템 △국부·국소적 전력패턴분석 △센서·네트워크 관제 등의 기능을 탑재했다. 이를 활용해 모든 소프트웨어기술을 집약한 1호 신축 실증과 고객사의 요구기술만 추출해 최적화된 2호 기구축 실증을 각각 차별화해 전개했다.

 

저온창고의 핵심부하인 냉동기 효율을 높이기 위해 알고리즘이 도입됐다. 기존창고는 출입구 앞 단일 온도센서에 의존해 문 개폐 시 일시적 온도상승을 오인하고 냉동기를 과다구동하는 문제가 있었다. 연구진은 창고 내부 벌크 영역에 센서를 배치하고 내부 유동 시뮬레이션 데이터와 실제 현장데이터를 학습시킨 알고리즘을 통해 냉동기를 지능적으로 분할제어하도록 했다. 특히 출입구 전방 5m 구간은 '데드존'으로 정의해 적재를 금지하고 제어고려 대상에서 제외하는 설계를 반영했다.

 

또한 서리를 제어하기 위한 알고리즘을 통해 기존 관리자의 주관적 경험에 의존해 가동하던 방식에서 탈피했다. 열교환기 핀에 최적화된 온도센서를 심어 서리 두께에 따른 온도 변곡점을 포착하고 도어 온도 상승추이 및 전력 소비량 급증시점 등 파라미터를 실시간분석한다. 이를 통해 자동 착상감지 제어를 구현한 결과 1호 실증창고는 하루 1회, 2호 창고는 2일에 1회 수준으로 재상 운전횟수를 획기적으로 줄일 수 있었다. 

 

이와 함께 기존에 물류센터 설계에 대한 가이드라인이 없었던 문제를 해결하기 위해 에너지효율화 구현 설계를 제시했으며 BIM 설계지원 툴을 애드온 형태로 오도캐드에 도입시켜 물류창고에 특화된 설계를 지원할 수 있게 했다.

 

장경훈 KCL 선임연구원은 "6년간 연구를 통해 SCI 논문 42편을 포함한 176편의 학술실적과 국내외 121건의 특화 등으로 성과를 달성했다"라며 "기술이전이나 고용창출이라는 부분에서도 일정 부분의 실적을 달성하는 결과를 만들었다"고 밝혔다.

 

경제성 동반 고속터빈발전기 실증개발

김진수 씨맥 연구원은 '중저온 산업폐열 이용 하이브리드 발전시스템'를 주제로 발표를 진행했다. 씨맥은 현재 연구 컨소시엄을 구성해 중저온 산업폐열을 회수해 전력을 생산하는 과제를 진행하고 있다.

 

최근 친환경·저탄소 정책기조와 폐열 재자원화 시장의 성장으로 산업폐열 발전 수요가 급증하고 있으나 중저온 산업폐열발전 기술을 다루는 영역은 낮은 경제성으로 인해 국내시장 활성화가 더뎠다. 특히 국내에서 가동중인 대부분의 설비는 해외제품을 들여와 유통하는 형태에 그치고 있어 자체적인 설계·제조 원천기술 확보가 시급한 개선점으로 지목돼 왔다.

 

이에 따라 씨맥을 주관기관으로 한 산·학·연 컨소시엄은 지난 2022년 4월부터 오는 12월까지 총 4년9개월간 국책과제를 통해 핵심부품인 터빈을 국산화하고 기술표준화를 추진 중이다. 3개년도가 1단계로 묶여 50kW급 파일럿실증을 수행하는 것으로 구분이 되고 2단계가 2개년도로 합쳐져 200kW급 현장실증을 수행하는 것으로 구분이 돼있다. 현재는 2차년도로 산업현장에 실증설비를 안착하고 최종 시운전을 앞두고 있다.

 

김 연구원은 "기존 해외 유수제품들이 지닌 한계를 극복하기 위해 참여기관인 준브라더스와 함께 에어포일 베어링 기반의 고속터빈 발전기를 독자개발했다"고 밝혔다.

 

기존의 상용 터빈들은 회전축에 일반적인 볼 베어링을 적용하여 고온·고압 환경에서 필수적으로 윤활유를 사용해야 했다. 윤활유의 급격한 변성을 막고 관리하는 데는 막대한 유지보수 비용과 노하우가 요구돼 경제성을 저해하는 치명적인 원인으로 작용하고 있었다.

 

김 연구원은 "새로 개발된 에어포일 베어링은 축과 베어링이 직접 닿지 않는 비접촉식 방식으로 윤활유를 전혀 사용하지 않는다"라며 "유지보수 비용을 획기적으로 낮출 수 있을 뿐만 아니라 볼 베어링대비 높은 회전속도를 확보할 수 있어 토크 감소를 통한 극적인 소형화와 생산단가 절감이 가능하다"고 강조했다.

 

또한 사이클을 돌리는 작동 유체로는 현존하는 가장 친환경적인 HFO계열의 냉매를 채택했다. HFO냉매는 오존층파괴지수와 지구온난화지수가 거의 0에 수렴해 저탄소 규제환경에 완벽히 부합한다.

 

씨맥 컨소시엄은 1단계 기간동안 옥천공장에 50kWe급 하이브리드발전 파일럿 플랜트를 구축하고 신뢰성 검증을 마쳤다. 5시간 연속운전시험 결과 열원 강도상승에 맞춰 안정적인 출력을 기록했으며 마지막 1시간 구간 기준 시스템 평균효율 12.5%를 달성하고 최대 출력은 46.6kW와 평균 45kW의 발전량을 기록했다.

 

현재 과제는 200kW급 하이브리드 발전시스템의 대용량화 및 현장검증을 목표로 2단계 실증이 전개되고 있다. 실증장소는 경북 김천에 위치한 활성탄 제조기업 SCT다. 활성탄을 제조하는 과정에서 배출되는 고온의 배기가스를 낮추기 위해 설치된 폐열보일러에서 대량의 스팀이 생산되나 공장 및 인근 공단에서 마땅한 수요처를 찾지 못해 전량대기로 방기·폐기되는 실정이었다. 연구단은 이 버려지던 고압 스팀을 열원으로 활용하기 위해 길이 5m, 폭 2.5m 규모의 터빈-발전기 일체형 200kW급 ORC유닛을 제작해 현장안착을 마쳤다. 현재 열원부, 발전부, 냉각부 구축과 개장 작업을 마무리 중이다.

 

김진수 씨맥 연구원은 "빠르면 오는 7월 말부터 본격적인 현장 시운전에 돌입해 공장 자체 소비용 전력을 안정적으로 생산할 계획"이라며 "국내 최초의 ORC 하이브리드발전 표준인증 제정작업도 병행해 국산기술의 조기 상용화 기반을 다지겠다"고 밝혔다.

 

옥상온실 실증연구 성과 공유

최은정 한국기계연구원 선임은 '다중 분산발전기반의 옥상온실형 스마트 그린빌딩 융복합시스템'을 주제로 발표를 진행했다. 이를 통해 건물의 에너지효율화와 도시농업을 유기적으로 결합한 친환경 미래건축 플랫폼의 실증 연구성과를 공유했다.

 

급격한 도시화와 기후변화 속에서 건축물의 탄소배출 저감 및 자체 에너지자립률 향상은 탄소중립 실현을 위한 필수과제다. 특히 도심 내 유휴공간으로 방치되던 건물 옥상을 활용해 에너지와 식량을 동시에 생산하고 건물에서 버려지던 폐자원을 순환시키는 기술이 새로운 돌파구로 주목받고 있다. 그간 분산발전 설비와 건물, 그리고 옥상온실시스템이 각각 독립적으로 운영되는 기술 한계를 극복하기 위해 한국기계연구원은 이들을 하나의 유기적인 가상인프라로 묶는 융복합 제어기술을 고도화해 왔다.

 

최은정 선임연구원은 건물 내 다중 분산발전 설비와 건물 자체의 부하특성, 그리고 옥상온실의 재배환경을 실시간으로 모니터링하고 연계제어하며 시스템 전체의 에너지효율을 극대화하는 통합 실증연구 내용을 상세히 발표했다. 최 선임은 국내 기술개발의 벤치마킹 지점이자 글로벌 표준으로 자리잡은 유럽의 옥상온실 사례들을 소개했다.

 

유럽에서는 이미 벨기에 루셀라레(Roeselare) 지역의 농업연구센터인 '아그로토피아(Agrotopia)'와 네덜란드의 상업용 옥상온실모델 등을 통해 건물과 온실간 에너지융합효과를 입증한 바 있다. 이들 유럽의 선진 건축물들은 연구소나 유통센터의 상부 공간에 대규모 유리집을 짓고 하부 건물에서 발생하는 잉여열을 온실 난방에 공급해 일반 온실대비 화석연료 사용량을 극적으로 줄이는 상용화 성공 사례로 평가받는다.

 

기존 건물에서는 환기과정에서 따뜻하거나 시원한 공기가 그대로 버려지고 인간의 호흡으로 인해 이산화탄소 농도가 높아지면 단순히 이를 외기와 치환하는 데 그쳤다. 반면 기계연이 개발한 융복합시스템은 건물에서 배출되는 따뜻한 배기와 폐열을 겨울철 옥상온실의 난방열원으로 직접 공급한다. 동시에 식물의 광합성에 필수적인 건물의 고농도 이산화탄소를 온실 내부로 포집·주입해 작물의 생상속도를 촉진한다.

 

최 선임은 "반대로 온실은 식물의 증산작용을 통해 가습된 청정 산소를 건물 내부로 다시 공급하는 허브의 역할을 한다"라며 "이러한 자원순환 메커니즘을 통해 건물 외피의 열적 성능이 향상되는 효과를 거뒀다"고 설명했다.

 

연구단은 건물과 옥상온실의 유기적 연계 및 실제 냉난방에 미치는 영향을 정밀하게 분석하기 위해 서울 성동구 성수동에 위치한 기축 업무시설에 1차 실증 온실을 구축했다. 도심 한복판이라는 지역적 특성과 인근 수요를 고려해 대량생산보다는 다품종 소량재배방식의 시스템을 적용했으며 물사용량을 최소화하기 위해 전적으로 수경재배의 방식을 택했다.

 

해당 온실이 건물의 열환경에 미치는 영향을 분석한 결과 냉방과 난방에너지가 22% 가량 절감되는 것을 확인할 수 있었으며 요지에 있는 온실과 비교에는 옥상온실이 총 16%의 에너지절감 효과를 불러오는 것을 알 수 있었다. 또한 온실을 짓기 전 1년의 데이터와 지은 이후 1년의 데이터를 비교분석해보니 히트펌프의 냉난방에너지 소비량이 24% 절감되는 것을 실증적으로 확인했다. 

 

1차 오피스빌딩 실증에 이어 연구단은 산업시설 맞춤형 스케일업과 기술통합 검증을 목표로 충남 아산시 음봉면 스마트산단 내 공업시설에 위치한 건물에 2차 실증 온실을 구축하고 연구에 착수했다. 2차 실증 온실은 공장이라는 산업시설 특성에 맞춰 건물통합 연계방안이 더욱 고도화됐다. 24시간 열수요가 발생하는 공장동 공조기와 온실간 열 수요처를 유기적으로 결합했으며 공장동 사무실과 온실간 공기교환시스템을 통합구축했다. 다중 분산발전시스템에서 생산된 전기와 열원, 이산화탄소 배기가스가 온실뿐만 아니라 공장 작업실, 사무실, 공장동 공조기 전반과 양방향으로 연계제어되며 이를 통해 상업시설에서의 통합시스템 에너지 실증 운전 검증을 본격화할 계획이다.

 

연구단은 과제 종료 직후 본격적인 민간·정책 사업화를 목표로 구체적인 상용화 실적을 공개했다. 과제 종료 후 1년 차인 2026년에는 시장점유율 100%와 국내매출액 30억원 달성을 목표로 달성했다. 2028년에는 국내매출 200억원 및 해외수출 50억원 규모로 시장을 확장할 계획이다.

 

최은정 한국기계연구원 선임은 "옥상온실은 선진국의 대도시 위주로 최근 활발히 설치되고 있는 현황" 이라며 "기계연 또한 미래도시형 스마트 그린필드의 융복합시스템을 스핀오프기술로 사업화하는 것 목표"라고 강조했다.