폭우, 태풍 등 기후변화로 인한 피해는 해를 거듭할수록 커지고 있으며 이는 화석연료 사용에 따른 온실가스 배출에 기인한 현상이라는 점에 대해 전 세계적으로 공감대가 형성되고 있다.
이에 따라 전 세계 주요국들과 글로벌기업들은 탄소중립을 선언하고 이를 달성할 수 있는 정책을 발표하고 있다. 우리나라도 ‘2050 탄소중립 추진전략’ 및 ‘2050 장기저탄소발전전략’ 수립 등을 통해 탄소중립 실현에 박차를 가하고 있다.
2050 탄소중립을 달성하기 위해서는 열에너지부문에 대한 관심이 증대돼야 하는 상황이다. 최종 에너지소비형태 중 50% 이상은 열에너지이므로 탄소를 감축하기 위한 방안으로 전기화, 신재생열에너지 등이 주목받고 있다.
전기화의 경우 히트펌프로 신재생에너지 전력을 활용하는 방법을 통해 냉난방, 급탕 등 열수요에 대응하는 것이 대표적이다.
다만 태양광, 풍력 등 신재생에너지 발전방식은 효율이 높지 않고 비용이 비싸다. 또한 간헐성, 변동성, 계절성 등 생산효율 저해요소를 극복하며 어렵게 생산되기 때문에 신재생에너지 전력의 효율적 사용을 위한 기술고도화의 중요성이 강조되고 있다.
열에너지분야는 최신기술로 주목받는 분야는 아니나 장기간 연구돼온 전통적 기술이면서 이미 우리생활 속에 녹아있는 익숙한 기술이다. 열에너지기술은 그동안 축적해온 역량을 바탕으로 탄소중립사회 이행에 강력한 영향력을 발휘할 것으로 기대된다.
이러한 관점에서 열에너지분야의 탄소중립 달성 역할에 주목해 한국기계연구원(원장 박상진)은 9월21일 국회박물관에서 ‘탄소중립 달성의 열쇠, 열에너지’라는 주제로 열에너지 기계기술분야 발전방향을 논의하는 자리도 마련한 바 있다.
열E 화석연료 감축 ‘히트펌프’ 핵심
전 세계적으로 최종 에너지소비형태 중 51%는 열로써 소비되고 있다. 열에너지소비에 따른 온실가스 배출은 전체 온실가스배출량의 40% 이상을 차지하고 있으며 이는 기후위기를 대응하기 위한 탄소중립 달성의 중심에 열에너지가 있다는 것을 의미한다.
산업·건물·수송 등 탄소배출 주요부문 중 건물에서 소비되는 전체 에너지 중 77%가 열에너지로 전기대비 3.3배 이상 높다. 우리나라는 에너지 수입의존도가 약 93%에 이르는 에너지빈국으로 수입되는 에너지는 대부분 석탄, LNG, 석유 등 화석연료다.
우리나라 최종 에너지소비형태 집계 특성상 열에너지는 지역난방만 집계되기 때문에 12% 수준으로 파악되지만 산업공정 등 가열하기 위해 소비되는 에너지를 감안할 경우 약 27%에 달할 것으로 추측된다.
수송용, 냉방을 비롯해 가열·냉동을 위해 사용되는 전력을 고려한다면 열에너지 목적 에너지소비는 더욱 클 것으로 판단된다.
최종 에너지소비형태 중 전력이 19.7% 수준임을 감안하면 열에너지 탄소배출 감축과 제로화는 전력부문 탄소중립에 뒤지지 않는다.
손정락 산업부 R&D전략기획단 MD는 “유럽은 열에너지부문 탄소저감, 에너지효율 증대방안으로 히트펌프를 주목하고 있다”라며 “유럽 주요국은 히트펌프 확대정책의 일환으로 2025년부터 화석연료를 사용하는 보일러 설치를 금지할 방침이며 프랑스의 경우 이미 화석연료보일러 설치금지제도를 시행하고 있다”고 밝혔다.
이어 “또한 모든 신축건물의 탄소배출을 허용하지 않을 계획이며 2045년까지 전체 열수요의 50%를 히트펌프로 공급할 방침”이라고 덧붙였다.
히트펌프 다분야 적용성 확보
인류는 석탄, 석유, 천연가스 등 활용에 편리한 화석연료에 의존해왔다. 현재 화석연료 연소를 대체할 수 있는 방안으로 수소를 주목하고 있으나 현재 기술수준으로는 경제성이 부족한 상황으로 2030년 이후에 활발하게 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
전력을 생산하는 방식으로는 연소를 통한 열에너지를 활용하는 경우가 가장 많다. 우리나라의 경우 석탄화력발전소가 가장 많은데 석탄을 연소해 발생하는 열로 스팀을 생산하고 스팀으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이다.
천연가스발전도 연료의 차이만 있을 뿐 발전과정은 다르지 않으며 원자력발전도 연료봉에서 발생하는 열로 터빈을 돌린다는 점에서 유사한 방식으로 여겨진다. 탄소중립을 달성하기 위해서는 현재의 발전방식에서 탄소배출이 없는 연료로 전환하거나 배출되는 탄소를 포집해 공기 중으로 온실가스가 누출되는 것을 방지해야 한다.
이에 따라 최근 원자력발전이 탄소중립 발전수단으로 주목받고 있으나 전체 에너지수요를 대응하기에는 어려우며 병행할 수 있는 방안이 마련돼야 한다.
김민수 서울대 교수는 “태양광, 풍력, 원전 등 탄소중립 발전원 비중이 증대됨에 따라 무탄소 전력을 활용해 열을 생산할 수 있는 히트펌프의 역할이 화석연료 사용절감에 중요하다”라며 “다만 단순히 난방 및 급탕 등 주거부문에서만 활용하는 것이 아닌 주요 탄소배출분야인 산업에도 적용할 수 있도록 고온생산이 가능한 산업공정열 생산용 히트펌프기술이 개발돼야 한다”고 강조했다.
이어 “태양, 공기, 물, 땅 등 자연에너지를 비롯해 폐열, 미활용열 등 다양한 열을 모두 효율적으로 활용할 수 있는 방안도 함께 마련하는 것이 탄소중립을 가속화하는 방안”이라며 “이와 함께 에너지효율화를 통한 에너지소비량 감축이 필요하며 다양한 관점에서의 에너지기술, 정책이 유기적으로 연계돼야 탄소중립을 달성할 수 있다는 점에는 정부, 산업, 학계 등 다양한 전문가들이 동의하고 있다”고 덧붙였다.
주거특성·냉방수요 증가 대응기술 필요
우리나라는 수도권을 중심으로 위치한 도시들이 고밀도 주거환경으로 조성됐다는 점에서 히트펌프 확산이 어렵다는 지적이 제기된다.
오세기 LG전자 부사장은 “히트펌프를 주택에 적용하기 위해서는 핵심설비인 실외기와 함께 안정적으로 온수, 급탕에 대응할 수 있도록 축열조가 필요하지만 기존 보일러대비 많은 면적을 차지하기 때문에 다른 방향의 접근이 필요하다”라며 “이에 따라 히트펌프 제조사들은 난방, 급탕에 안정적으로 대응할 수 있는 고압력비 히트펌프 개발에 적극 나서고 있다”고 밝혔다.
이어 “2000년대 초 대부분의 히트펌프 압력비가 10을 넘지 못했으나 현재는 16까지 향상된 상황으로 급격한 압력비 증가가 이뤄지고 있다”고 덧붙였다.
냉방수요도 간과하지 않아야 한다. 전 세계적으로 기온이 지속상승하면서 냉방수요는 급격히 증가하고 있으며 올해 여름철 영국 등 유럽에서 발생한 이상고온으로 사상자가 발생하면서 냉방복지 필요성이 강조되고 있다.
특히 유럽 등지에서는 냉방수요가 크지 않아 냉방기기 설치가 선택적으로 이뤄졌다는 점을 감안하면 냉방이 필요한 지역이 점차 증가하고 있음을 알 수 있다. 냉방수요가 증가하는 추세와는 달리 난방, 급탕효율 증대에 히트펌프기술 개발이 치중돼있다.
30~40년 후 냉방공급을 위한 전력소비량이 2배 이상 증가할 것이라는 전망이 나오는 상황에서 히트펌프의 냉방효율 향상은 시급히 이뤄져야 할 것으로 보인다.
효율개선과 함께 지적되는 점이 인식에 대한 문제다. 고효율기술은 상대적으로 가격이 높기 때문에 소비자들은 최소한의 효율을 만족하는 제품, 기술을 선택하기 때문이다. 에너지효율개선에 따른 에너지소비량 개선을 효과적으로 이루기 위해서는 고효율 제품, 기술 구매를 촉진할 수 있는 장치가 마련돼야 한다.
효율적 E소비체계 구축 중요
고효율 히트펌프를 통한 탄소감축과 함께 중요한 것이 에너지시스템(공급체계)이다. 단일 에너지원을 사용하는 시스템과 비교했을 때 전력, 열, 수송용 연료 등 다양한 에너지를 효율적으로 사용하는 시스템은 안정성을 확보할 수 있다.
예를 들어 전력만을 활용하는 지역의 경우 정전과 최대전력부하(피크) 상황에 취약할 수밖에 없다. 스마트 에너지시스템은 다양한 에너지를 저렴하게 저장할 수 있으며 이를 통해 효율성, 소비절감 측면에서 시너지를 창출할 수 있다.
열에너지 저장의 경우 ESS(Energy Storage System)대비 약 100배 저렴하고 규모가 커질수록 비용을 감축할 수 있는 특성을 가지고 있다. 그러나 가스저장대비 20~50배 가격이 높으며 다시 가스저장은 액화연료저장대비 2~5배 가격이 높다.
저장 후 전력을 다시 그리드에 공급할 목적이라면 4가지의 에너지저장 방식 중 가격이 가장 높은 ESS가 적합하다. 이는 다른 형태의 에너지로 변환, 저장하는 과정에서 손실이 불가피해 동일량을 저장할 경우 더 많은 에너지가 필요하기 때문이다.
이처럼 스마트 에너지시스템은 서로 다른 방식의 기술이 가진 이점과 에너지 벡터를 적절히 사용할 수 있어야 하며 이를 위해 다양한 기술에 대한 조사, 비교가 필요하다. 에너지활용을 최적화하기 위해 유럽에서는 ‘sEEnergies’프로젝트를 진행했다.
sEEnergies는 최종 에너지절감, 에너지전환방식, 에너지시스템 재설계 등을 도출하기 위한 프로젝트로 여기에는 에너지수요처, 저렴한 재생에너지원 위치 등 공간적 분석도 반영됐다. 또한 운송, 산업, 건물 등 3개 분야에 대해 조사가 이뤄졌으며 시간별 분석을 통해 △사회경제적 비용 △바이오에너지 △재생에너지 △전기가용량 △분야별 에너지절감 가능성 △지역난방 등 다양한 요소가 고려됐다.
브라이언 메시슨 EU 열에너지 로드맵 프로젝트 코디네이너는 “sEEnergies를 통해 탄소중립 시나리오에 부합한 에너지시스템을 도출할 수 있었다”라며 “EU의 ‘1.5TECH’와 비교했을 때 sEEnergies는 최종에너지 기준 8PWh로 동일하나 1차에너지는 3PWh 낮은 10PWh로 감축할 수 있는 것으로 나타났으며 에너지손실률 또한 35%인 1.5TECH대비 18% 수준으로 에너지효율성을 제고했다”고 밝혔다.
2015년 기준 유럽에서 소비된 1차 에너지는 총 18PWh로 대부분 석유, 천연가스, 석탄 등으로 구성됐다. 뒤를 이어 3PWh의 원자력과 바이오에너지 2PWh, 재생에너지 1PWh가 사용됐다.
1.5TECH의 2050년 1차 에너지구성에 따르면 총 13PWh가 필요하며 1PWh의 화석연료가 사용돼야 하며 대부분 신재생에너지로 구성됐다. 이에 비해 sEEnergies 프로젝트를 거친 결과 총 10PWh가 필요하며 7PWh의 재생에너지, 3PWh의 바이오매스만으로 대응할 수 있도록 1차 에너지를 구성했다.
이를 실현하기 위해 대규모 열에너지 저장이 필요하며 지역난방을 통해 저렴하게 그리드를 통합할 수 있을 것으로 보이며 대형 히트펌프의 역할이 중요하다.
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