계연구원 열에너
지솔루션연구실장
[투데이에너지] 지난 5월17일 산업통상자원부와 대한상공회의 소는 무탄소 에너지-CFE(Carbon Free Energy) 포럼을 구성하고 출범식을 가졌다. 이미 각 분야에서 탄소배출저감에 대한 다양한 논의가 시도되고 있는 형국이다.
열에너지 탄소중립 기술개발 추진방안(2021, 산업통상자원부 R&D 전략기획단)에서 제시한 온실감스 감축효과의 주요한 카테고리는 전기화, 효율향상, 열저장 등의 방법이 있다. 이러한 전략은 전기화를 구현하는 대표기기인 히트펌프, 미활용 열에너지의 효율적 활용, 그리고 히트펌프를 사용하는 것을 포함한 열에너지의 수요와 공급을 관리하는 열에너지 네트워크 등을 통해 실행된다.
유럽 산업 에너지 수요의 예를 살펴보면 산업 에너지 수요의 81%가 열에너지이고 공정열 (Process heating)이 66%로 차지하는 비중이 최대임을 알 수 있다(Strengthening industrial heat pump innovation, 2020). 공정열을 다시 에너지원에 따라 나눠 보면 가스, 오일, 석탄 등 약 77%에 해당하는 열을 화석연료로부터 얻고 있다.
우리나라의 경우 산업공정 에너지 사용량에서 화석연료의 비중은 약 80% 정도 차지하는 것으 로 현재 산업공정에서 화석연료에 의존하는 비중이 높음을 알 수 있다(2019 전부문 에너지사용 및 온실가스 배출량 통계, 한국에너지공단).
이에 따라 재생전력 비중을 높이고 고효율 기기인 히트펌프를 사용하는 산업공정열의 전기화를 실현 하는 것이 중요하게 대두되고 있는 상황이다.
온도에 따른 에너지 수요를 살펴보면 히트펌프의 고온도 사용 확대에 대한 니즈를 확인할 수 있다. 유럽 산업 에너지 수요 자료에서 살펴보면 100도 이하가 11%, 100~200도 26%, 200~500도 11%, 500도 이상 52%로 나타났다.
온도 영역에 따른 에너지 소비량 분석 자료(Rehfeldt et al. (2018) Energy Efficiency)를 살펴보면 150도 이내 에너지 수요는 약 493.7 TWh, 300도 이내 에너지 수요는 817.7TWh로 고온영역으로 갈수록 그 수요량이 증가함을 알 수 있다.
현재 다루고 있는 냉매로 가능한 고온부 온도는 약 150도 정도이며 따라서 고온 히트펌프 개발이 점차 중요해지고 있다. 그러나 고온부의 온도가 높아질수록 히트펌프의 성능이 저감돼 활용성이 확장되기 어려운 점이 있다. 이러한 제약을 감안할 때 지금보다 더 높은 온도에서 효율적으로 작동할 수 있는 히트펌프 기술을 혁신하고 개발하는 것이 필수적이다.
이를 통해 더 광범위한 응용 분야를 열어보다 지속가능하고 탄소 중립적인 미래로의 전환을 촉진할 것이다. 히트펌프가 중요하게 다뤄지는 또 다른 이유는 열에너지 네트워크에서 중요한 역할을 하고 있기 때문이다.
열에너지 네트워크는 여러 열원, 수요 처, 공급처를 연결해 열에너지의 생산과 소비의 균형을 맞추고 이를 통해 전체에너지 이용 가치를 높이는 기술이다. 건물들 또는 지역간 열에너지 분배를 효과적으로 해 에너지 이용 효율을 증대시키고 이에 따라 전체 비용절감을 도모한다.
이때 가장 중요한 요소 중의 하나가 고효율 기기를 운영하는 것으로 지금 언급하고 있는 히트 펌프의 적용이 핵심이 된다. 다양한 열기기에 대한 효율과 에너지원 가격이 다르므로 이를 토대로 거래기준 가격이 성립된다. 따라서 고효율 기기인 히트펌프를 사용하는 것이 거래에 있어서 유리한 것은 당연하다.
유럽의 여러 도시에서 열에너지 네트워크는 이미 구축돼 운영되고 있다. 우리나라의 경우 지역 난방공사의 온수배관망이 구축돼 있어서 중앙에서 아파트 등으로 온수를 공급하고 있다. 그러나 보다 적극적인 열에너지 거래에 대한 사업은 부족하다.
열에너지 거래의 발전을 촉진하려면 강력한 규제 프레임워크를 구축하고 에너지 공급자와 소비자 모두에게 인센티브를 제공하는 것이 필수적이다. 우리는 히트펌프를 적극적으로 수용해 에너지 활용을 높이고 열에너지 네트워크에 통합해 보다 더 깨끗한 환경을 조성하는데 힘써야 한다.
이러한 노력은 지속가능하고 친환경적인 미래를 만드는데 크게 기여할 것이다. 또한 에너지 자립을 촉진시켜 지역 사회와 국가의 에너지 안보가 강화 될 것으로 기대한다.