현재 냉난방, 급탕에너지를 제공하는 열원설비는 대부분 화석연료를 기반으로하며 열은 건물에너지소비에서 많은 비중을 차지하고 있다. 화석연료를 줄여야 한다는 당위성과 함께 신재생에너지를 통한 에너지생산과 소비가 필요해지면서 기존 화석연료에 기반한 설비를 전기화할 수 있는 기술개발이 중요하게 됐다. 또한 이와 같이 전기화한 설비는 효율적인 열네트워크 구축, P2H 통합제어, 각종 설비최적화 및 통합운영 등을 활용해 고효율화해 사용한다면 상당한 탄소중립을 달성할 수 있을 전망이다.

또한 재생에너지는 변동성으로 인한 계통불안정성이 가장 큰 단점으로 지적되고 있으며 탄소중립이라는 어려운 과제를 달성하기 위해서는 활용되지 못하고 버려지는 에너지까지 모두 이용해야 한다는 필요성이 제기된다. 이에 따라 계통불안정성을 해소하며 미활용에너지를 활용할 수 있도록 모든 에너지를 통합적으로 관리‧운용하는 시스템마련이 요구되고 있다.

이러한 필요성을 감안해 한국형 탄소중립 100대 핵심기술에는 ‘건물설비 전기화 및 고효율화’와 ‘복합에너지시스템’이 선정됐다. 선정작업반에 참여한 정학근 한국에너지기술연구원 에너지ICT연구단 박사에게 기술개발 필요성 및 기대효과에 대해 들었다.

현재 냉난방·급탕에너지를 제공하는 열원설비는 화석연료 기반으로 건물에서 많은 비중을 차지한다. 건물이 에너지를 단순히 소비하는 것이 아니라 재생에너지 기반으로 에너지를 생산 및 소비하는 역할을 동시에 수행할 수 있도록 변동성에 대응하는 기술개발이 필요하다.

전전화(全電化)건물이 이에 대한 대안으로 제시되고 있다. 앞으로 건물 에너지사용량이 큰 냉난방, 급탕용 화석연료 기반설비를 대체할 수 있는 히트펌프 기반 통합기술 개발을 통해 전전화건물의 핵심기술 확보가 가능하다.

건물설비 전기화 내용에는 건물부문 탄소중립 달성을 가속화하기 위해 기존건물에서 개별관리 대상이었던 냉난방, 급탕, 제습, 환기, 공기청정 설비 역시 전기화 대응 열원시스템으로 전환하도록 포함되며 열네트워크 최적화, P2H 통합제어를 통해 건물부문 탄소중립 달성 가능성을 높일 방침이다.

우리나라뿐만 아니라 전 세계가 건물에너지 효율성 향상에 힘쓰고 있지만 탄소중립 목표달성을 위해서는 여전히 미흡한 실정이다. 탄소중립형 건물을 위해서는 화석연료 대신 에너지의 전기화를 위한 히트펌프 사용, 재생에너지 기반 건물로 전환, 고효율 열저장기술, 저비용 고효율 환기시스템이 중요한 해결책이 될 것이다.

이러한 전기화 이슈는 여러기술과 관련성이 높다. 세계적으로 건물용 히트펌프 기술개발이 활발하며 히트펌프 냉매로 온실가스를 덜 배출하는 물질을 사용하고자 노력하고 있다. 국내에서는 LG, 삼성, 캐리어 등이 건물용 히트펌프 냉매를 새로운 것으로 전환하고 있다. 해외에서는 냉매선택, 풍력발전 잉여전력 활용, 고밀도 열저장 기술 등 연구가 활발히 진행되고 있다.

또한 국내에서는 전열교환 시스템기술에서 필터 없이 공기 오염물질을 저감하는 기술에 대한 연구가 있었다. 해외에서는 열회수형 환기시스템 규격 및 에너지효율에 초점을 맞추고 있으며 미국‧독일기업들은 전열교환 기술혁신에 근접한 것으로 보인다.

2020년 기준으로 건물 냉난방, 급탕, 환기시스템 통합운영 및 고효율화에 대한 R&D투자가 기획돼있으며 총 규모는 161억2,000만원 정도다. 특히 히트펌프 냉매전환과 고밀도 열저장 기술 등에 대한 투자가 확대될 것으로 기대한다.

이러한 전력‧열에너지시스템 고효율화, 청정환기시스템 혁신, Low GWP냉매를 사용하는 히트펌프 시스템 개발 등으로 에너지사용량과 탄소배출을 크게 줄일 수 있다. 전기화 전환을 통한 탄소배출 감축량은 약 2,850만tCO₂eq, 에너지관리를 통해 80만tCO₂eq, 환기시스템 에너지절감을 통해 2030년까지 440만tCO₂eq 감축을 예상하고 있다.

재생에너지 변동성으로 인한 계통 불안정성을 해소하며 적극적인 미활용 에너지 활용으로 전반적 효율향상을 도모하기 위해서는 에너지통합시스템 산업성장에 대응할 연구개발이 필요하다.

유럽은 재생에너지의 변동성으로 인한 출력제한과 전력가격입찰제(PCP)시장 환경에 대응하기 위해 집단에너지와 결합하는 대규모 P2H 결합 운영이 10년 전부터 활발하게 진행 중이다. 일본은 난방‧급탕 공급에 히트펌프를 적극적으로 사용해 출력제한 문제를 완화하고자 시도 중이다.

섹터커플링이 대안으로 제시되지만 전기‧열‧연료 등 에너지원간 영역이 분리돼 이를 연계운영할 사업방안 및 제도개선 마련이 절실한 상황이다. 현재는 우리나라는 에너지원간 사업영역 제한으로 상호운용기술 경쟁력 확보가 어려우며 복합에너지시스템 투자 및 운영, 수익확보 주체가 명확하지 않은 한계가 있다.

산업부 차원에서 분산에너지 활성화를 위해 출력제어 외 재생에너지 잉여전력 해소 방안으로 섹터커플링 방식개발 및 상용화가 추진돼 다양한 에너지 섹터커플링 기술이 고려되지만 현재로서는 에너지원별 변환을 실증·운영하는 수준에 그친다. 이는 산업·건물·수송에너지 부문 데이터 통합활용 및 에너지 외 데이터 연계가 부재하며 부문별, 원별 데이터관리방식 및 기법이 상이해 표준화된 통합관리플랫폼이 부재하기 때문인 것으로 판단된다. 이에 따라 복합에너지 기술개발이 시급한 상황이다.

복합에너지시스템은 하드웨어인 미터링과 소프트웨어인 복합에너지 서비스로 나뉜다. 에너지미터링분야 선도국은 독일, 덴마크 등 EU국가이며 우리나라는 이들에 비해 80% 기술수준을 보인다. 전 세계시장은 현재 무선 원격검침으로 전환 중이며 신규 설치물량의 45%는 원격검침이다. 2025년까지 20%가 무선통신 방식으로 적용될 것으로 예상되며 코로나19 이후 비대면 모니터링이 가속화될 것이다. 우리나라는 건물에 과금목적의 세대용 에너지미터 설치가 의무화 돼있으나 과금을 위한 최소 데이터만 수집하므로 과금정산 목적 외에 데이터활용이 어려운 상태다. 에너지 공급사는 직접 계약세대를 대상으로 에너지데이터를 수집‧활용하려고 시도 중이다.

에너지데이터플랫폼 및 서비스분야 선도국은 독일, 덴마크이며 우리나라는 이들에 비해 40% 기술수준이어서 많이 뒤쳐져 있다. 에너지서비스시장은 분석, 개인용 서비스 등을 포괄하며 건물에너지비용과 탄소배출량 감소에 기여할 수 있다. 에너지데이터서비스시장은 공급, 운영‧관리(O&M) 및 최적화·효율향상서비스로 분류 가능하다. 상업건물은 초보적인 수준이며 공동주택 등 주거용 건물에서는 개발 및 적용이 거의 이뤄지지 않는 상태로 기술개발이 시급하다.