풍력발전산업의 최근 동향

공기열, 지열 활용의 활성화
기사입력 2011.10.14 15:01
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◇ 히트펌프의 활용

일명 요술상자라 불리는 ‘열원통합 히트펌프’는 국내 중소기업인 H사가 개발한 것으로 아파트 주변의 물(하수, 상수, 하천)과 공기 그리고 땅속의 온도차를 통합 활용함으로써 냉난방비용 ‘제로’를 달성했다. 에너지비용 절감과 지난 2015년부터 전 세계적으로 시행된 탄소세 역시 줄이는 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 이 시스템은 출시와 동시에 전 세계 냉난방 업계에서 돌풍을 일으켰다. 최근 대부분의 건물에는 이 시스템이 필수적으로 도입되고 있다.

특히 강씨의 아파트는 유리창에 설치된 건물일체형태양광발전시스템(BIPV)과 외벽에 설치된 300W급 소형풍력발전기에서 생산된 전기를 아파트 내에 설치된 2차전지에 저장해 ‘열원통합 히트펌프’ 가동에 필요한 전력을 충당한다.

강씨는 이 아파트가 일반 아파트보다 5% 가량 가격이 높았지만 선택을 후회하지 않는다. 5% 정도는 이 아파트에서 3년만 살면 충분히 에너지비용 절감에서 뽑아낼 수 있기 때문이다. 강씨는 지금 둘째 딸과 배우고 싶다고 졸랐지만 가계운영이 빠듯해 망설여 왔던 ‘플루트 학원’으로 딸과 함께 가고 있다.

◇ 온도차 1도도 아깝다고요

불과 10년 후에 이 같은 일이 벌어질 수 있겠냐고 고개를 갸우뚱할 수도 있겠지만, 대답은 ‘가능하다’ 이다.

현재는 땅속 깊은 곳의 지열이나 하천수, 하수열 등을 열원으로 사용해야 열효율이 나오기 때문에 경제성 문제로 히트펌프의 활용이 제한적이지만,  향후 연구개발을 통해 열효율을 높이면 우리 주변에 있는 하수, 상수, 공기, 해수까지 불과 실내와 몇 도의 온도차만 나더라도 그 에너지를 활용할 수 있다.

히트펌프는 공기, 수열, 지열, 폐열원 등 사용하지 않는 저온의 열원에서 열을 흡수, 냉난방, 급탕 및 공정용의 고급에너지로 변환시키는 친환경 비연소(Combustion-Free)식 에너지 기기다. 구동형식에 따라 압축식, 흡수식 및 흡착식 등 여러 종류가 있으나 압축식 히트펌프가 주로 보급되고 있다.

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히트펌프는 100년 이상 검증된 기술로 주택, 업무, 산업용으로 매우 유용하게 사용되고 있다. 보일러나 전기히터와는 다른 입력에너지를 직접 전환해 사용하는 것이 아니라 미활용되는 저온의 열을 고온으로 이동시키는 측면의 에너지 사용으로 효율이 높고 환경문제가 낮기 때문이다.

히트펌프는 보통 도심지에서 이용 가능한 배열(빌딩, 목욕탕, 수영장 등)과 자연의 미활용 에너지원(공기, 지하수, 하천수, 해수, 태양열 등) 및 공장배열을 활용한다. 10~30도의 배열을 활용해 히트펌프로 난방, 급탕에 이용 가능한 60~90도의 열 생산에 이용하는 것이다. 그리고 그 발생열을 축열조에 저장해 냉난방 및 급탕에 활용하는 시스템이다.

단일기술로 이산화탄소 절감량이 매우 큰 히트펌프는 기존 1차 열원기기를 대체하는 에너지 기술로 인정받고 있으며, 기후변화협약 대응의 주요수단으로서 기술개발시장에 대한 필요성이 점점 커지고 있다.

◇ 히트펌프 시장동향과 우리의 포지션

히트펌프 관련 세계시장(2008년 기준)은 약 615억 달러 규모로 매우 크다. 히트펌프 중 냉매유량가변형(VRF: Variable Refrigerant Flow) 시스템은 2008년 47억 달러 규모에서 2030년 120억 달러로 성장이 예상되는 등 온실가스 저감실현의 선도적 기기로 지목되고 있다.

이에 따라 세계 각국에서는 기후변화혁약 대책의 일환으로 에너지 절약효과가 큰 히트펌프 보급에 적극 나서고 있다. 미국, EU 등 대부분 OECD 국가에서 10여 년 전부터 10~25% 수준의 보조금을 지원하고 있으며 EU에서는 히트펌프 보급시 수혜자인 전력회사에서 저리융자와 전력요금감면을 시행하고 있다. 일본은 고온용 및 고효율 히트펌프를 집중 개발하는 한편 히트펌프 보급촉진을 위해 정부차원에서 시범사업 및 교육, 홍보를 실시하고 있다.

하지만 우리나라는 1990년대 이전까지 국내 전력가격이 석유류 및 가스가격에 비해 높아 보급이 더디게 진행됐다. 1990년대 중반 이후 전력가격이 석유류 등과 비교시 상대적으로 낮아져 히트펌프가 보급되기 시작했다.
그런데 국내 가전용 전기요금 누진제 문제로 서울 타워팰리스 등 몇 곳 이외에는 거의 보급되지 못했다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 세계 히트펌프 보급량 중 90% 가깝게 가정용이 차지하고 있다는 것과 대조되는 모습이다.

기술 역시 부족하다. 국내 히트펌프 기술은 최근 개발이 활발한 편이나 글로벌 기술력 확보를 위한 특허경쟁력은 보유특허의 최신 특허비율이 62%로 전반적으로 낮은 수준이다.

특히 국내 VRF 히트펌프를 선도하고 있는 업체의 경우 고압력비에서의 고효율 압축기, 저착상 열교환기 등 중요 핵심기술 분야에서 최고 기술과 동등한 수준을 확보하고 있으나 다양한 솔루션 제공 등 해외 시장 인지도와 경험이 부족한 상태다.

국내 히트펌프 냉온수기 선도업체는 관련제품에 대한 적용기술을 확보하고 있으며, 다양한 제품군의 시스템화 방안을 검토하는 단계에 있다. 하지만 시스템 고효율화 및 최적제어를 위해서는 관련 핵심 요소기술과 통합 기술개발이 필요한 실정이다.

◇ 히트펌프 산업발전을 위해 풀어야 할 숙제는

전문가들은 고효율 히트펌프의 보급 활성화를 위한 제도적 뒷받침과 이의 확대추진을 통해 국내시장을 확대하고, 이를 기반으로 수출을 위한 기술 기준의 확보가 우선적으로 필요하다고 한다.
최근 정부가 지열 등의 신재생에너지를 활용한 히트펌프에 대한 보조금 지급 및 설치 의무화사업 등을 통해 히트펌프의 보급 활성화와 기술 개발 지원정책을 진행하고 있으나, 실제 전기요금 누진제 적용으로 인해 보급이 미진한 상태다.

무엇보다 시스템의 고효율화 및 최적제어를 위해서는 관련 핵심 요소기술과 시스템 통합 기술 개발이 요구되고 고효율 히트펌프의 보급 활성화를 위한 제도 확대 추진을 통해 수출제품의 국내 레퍼런스 확보가 우선적으로 필요한 상황이다.

이에 정부는 에어컨 등 세계적 선도 기술을 바탕으로 냉난방기술을 접목함으로써 수출전략 상품화를 추진한다는 방침을 세웠다. VRF 히트펌프 시스템의 경우 현재대비 20% 이상 고효율화로 일본의 경쟁제품 대비 경쟁력 우위확보를 추진한다.

특히 신재생에너지 사용에 따른 환경보호와 에너지 절약측면의 향후 시장과 기술성장 잠재력이 큰 제품군을 우선 육성한다는 방침 아래 고효율 히트펌프 냉온수기 개발을 통해 기존 보일러를 대체, 10%의 이상의 CO₂ 배출을 억제한다는 목표도 세웠다.

아울러 히트펌프 핵심부품인 고효율 압축기, 저착상 열교환기의 원천 핵심 기술개발을 집중 지원하고 있다. 중장기적인 신냉매 및 신재생 열원과 연계한 하이브리드 시스템 원천기술 확보에도 주력하고 있다.
이와 함께 국내 히트펌프 시장을 늘리기 위해 정부는 현재 온도차에너지 중에서 지열원만을 신재생에너지로 지정해 설치비 등을 지원해주던 것을 하수, 해수, 하천수 등 모든 에너지원으로 확대한다는 계획이다.

강남훈 지경부 기후변화에너지정책관은 “다음달 발표할 신재생에너지원 재분류에서 하천수 등 모든 온도차에너지원을 신재생에너지원으로 추가할 계획”이라고 말했다.

◇ 거세지는 지구촌 기술개발, 보급경쟁(히트펌프 시장규모 1700억불, 2012년)

2008년 615억 달러 규모였던 히트펌프 시장은 연평균 8%의 지속적인 성장에 힘입어 2012년에는 1700억 달러 규모의 거대 시장을 형성할 것으로 예상되고 있다. 이는 2008년 대형 조선시장 규모인 600억 달러의 약 세 배에 달하는 수치다.

트펌프 시장이 성장일로에 들어선 것은 기후변화대응이 전 지구적인 현안으로 부상하면서 냉난방 분야에서 에너지효율을 높이고 온실가스를 절감할 수 있는 대안으로 히트펌프의 역할이 급부상했기 때문이다. 실제로 국제에너지기구(IEA) 히트펌프센터는 히트펌프에 의한 전 세계 이산화탄소 절감 잠재력은 약 18억 톤에 달할 것으로 예측하기도 했다.

이에 따라 히트펌프 기술개발과 보급 확대는 이제 전 세계적으로 선택이 아닌 필수과제가 됐으며 각국의 경쟁과 시장 확대 노력 또한 더욱 가속화되고 있다.

히트펌프 시장 규모에서는 괄목할 만한 성장을 기록하고 있는 나라는 일본이다. 2009년 1조 8000억 엔이었던 일본 히트펌프 시장은 2015년에는 2조엔 규모로 성장이 예상되고 있다.

주택분야 시장에서 룸에어컨과 주택용 에코큐트, 히트펌프식 온수 바닥 난방, 지중열 이용 히트펌프의 성장이 빠르게 진행되고 있고 업무, 산업분야 시장에서는 시스템 에어컨, 가스 히트펌프, 멀티 에어컨 등의 성장이 두드러지게 나타나고 있다.

일본은 특히 히트펌프 관련 기술에서도 세계 최고 수준에 올라서 있다. 일본의 히트펌프 업체들은 냉난방 동시형, 축열형, 냉매직간접 혼합형, 급탕전용형 등 다양한 제품을 개발해 보급했고 친환경적인 HFC냉매로 완전히 대체해 우리나라보다 기술적인 측면에서 2~3년 앞서가고 있다는 평가를 받고 있다.

일본이 이처럼 히트펌프 분야에서 선진국에 올라설 수 있었던 배경에는 무엇보다 제도적인 뒷받침이 큰 역할을 했다. 일본은 1990년대 초반 히트펌프 방식의 냉난방기기가 연료연소형 기기와 유사한 수준의 효율을 나타내기 시작했는데 이후에도 1999년 ‘톱 러너 제도’를 본격적으로 시행, 히트펌프 제조업체들 사이의 경쟁을 유도해 높은 효율을 달성했다.

특히 일본은 현재 수준으로도 에너지효율이 높은 히트펌프 기술을 발전시키기 위해 더욱 혁신적인 연구개발에 들어갔다. 일본 정부는 ‘효율 2배, 비용 50%’를 목표로 초고효율 히트펌프의 기술개발 로드맵을 제종하고 올해에는 ‘차세대형 히트펌프 시스템 연구개발 사업’에 착수했다.

유럽시장도 최근 히트펌프의 주요 시장으로 관심을 받고 있다. 그동안 유럽에서는 대부분 스페인이나 남부 프랑스, 이탈리아 등 지중해 국가에서 팔렸으나 히트펌프의 가격하락과 기능향상, 유가와 전기요금의 급상승, 늘어가는 환경적 우려 때문에 유럽전역에서 히트펌프 시장이 성장하기 시작했다.

유럽의 다양한 국가에서 히트펌프 시장이 매년 10% 안팎 그리고 향후 10년간 그 이상으로 성장할 것으로 기대되고 있다. 특히 유럽연합과 노르웨이, 프랑스, 독일, 핀란드와 같은 일부 유럽 국가들은 히트펌프 사용을 증진시키기 위한 장려정책을 발표했다.

프랑스는 재생에너지 개발을 장려하기 위해 제생에너지를 사용하는 기업에 세금혜택을 제공하는 내용을 담은 법안을 마련, 히트펌프 보급 증가를 유도하고 있다.

독일에서는 규제요소가 엄격한 재생에너지법을 2009년 1월부터 시행, 신축건물에는 히트펌프를 포함한 재생에너지열 도입을 의무화했다. 독일은 이와 함께 히트펌프 설치를 위한 초기비용의 10%를 보조하고 있다.
영국에서는 주택과 업무용 건물에서 히트펌프열로 수입을 얻을 수 있는 ‘재생열로 고정가격 매수제도’를 2011년부터 실시할 것을 검토하고 있다.

중국 또한 최근 히트펌프 에어컨의 주요 시장으로 성장했다. 1500만대에 이르는 냉방기 시장에서 히트펌프 에어컨은 70%를 점유하고 있으며 갈수록 증가하는 생산량이 생산비용을 낮추고 있어 히트펌프 가격은 냉방만 가능한 제품 가격수준까지 떨어지고 있다.
중국도 유럽과 마찬가지로 정부가 나서 히트펌프 시장창출을 이끌고 있다. 냉난방기기에 대한 에너지효율등급제를 실시하면서 효율이 우수한 히트펌프 방식 기기 판매가 급증하고 있는 추세다.
이와 함께 각 도시들 또한 지역적 특성에 맞는 히트펌프 개발 및 보급 정책들을 선보이고 있다. 베이징시 도시계획위원회는 바닥면적규제조치에 따라 히트펌프 시스템을 채택한 건물에 재정적 지원을 제공하고 있다.

온수 히트펌프 시스템을 사용하면 1㎡당 35위안(4.38달러)이며 지열 히트펌프와 재생온수 히트펌프 시스템을 사용하면 1㎡당 50위안(6.26달러)의 보조금을 지원한다.

중국 북동부의 도시인 다롄은 해수 히트펌프 시스템을 도입한 ‘균형선도도시’로 선정돼 정부로부터 70%의 보조금을 지원받고 있다. 중국 북동부에서 가장 큰 도시인 선양 역시 도시내 지열 히트펌프 시스템 보급을 위한 세부계획을 수립했으며 산둥지방의 해안도시인 칭다오 또한 해수 히트펌프의 대규모 도입을 진행했다.

◇ 해외 적용사례

    하천수 이용 日 하코자키
    중유 연 사용량 370㎘ 절약

하천수 이용 히트펌프 지역 냉난방 시스템을 도입한 일본 하코자키지구는 ‘마이타운 도쿄구상’의 일환으로 에너지절약, 친환경시스템을 구축했다. 열수요 밀도가 높고 주택, 업무용, 창고 등 다양한 용도의 건물 혼재로 열수요 평준화 지역인 하코자키지구는 스미다강의 하천수열을 이용한 히트펌프로 22.7ha에 달하는 지역의 냉난방 수요를 감당한다.

공기열원겸용 하천수 이용 히트펌프가 설치된 하코자키지구에서는 연간 에너지(중유) 절감량은 370㎘며 이산화탄소 감소 66%, 녹스(Nox) 감소 72%, 삭스(Sox) 감소 94%의 효과를 얻고 있다.

독일의 괴테뵈르그시는 하수이용 히트펌프 지역 냉난방 시스템을 도입했다. 이 시스템으로 약 17만 가구에 냉난방을 공급하고 있으며, 설비의 배관길이가 총 410㎞에 달한다. 소각시설 폐열, 제련공장 및 인근 볼보공장 폐열, 하수처리장 하수열 등을 열원으로 사용하고 있으며 1980년까지 에너지소비 90% 이상을 화석연료로 사용하던 이 도시는 이 시스템이 도입된 후 화석연료를 거의 사용하지 않고 있다.

해수이용 히트펌프 시스템 설치사례로는 노르웨이 오슬로시가 대표적이다. 고위도인 북위 63도 지역 오슬로시 오레슨 마을 지역난방은 12㎿(2646RT급) 해수열 히트펌프 시스템이 책임지고 있다. 해안면으로 130m 지점, 수심 40m에서 500㎜ 플라스틱 관으로 5도 이상인 해수를 취수해 공급하고 있으며, 열교환기로는 타이타늄이 사용됐다.
이 시스템은 초기 투자비가 커 설치초기에는 연간 12Gwh로 수요가 많지 않아 적자 운영했지만 연간 32Gwh 운전 시 투자비 회수기간이 4~5년으로 짧아 경제성이 양호한 것으로 나타났다.
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