1. 머리말

과거에는 상업용 급탕설비의 열원이라고 하면 중유나 LNG 연소 보일러(대개는 진공식 급탕기이거나 무압식 급탕기)가 대부분이었다. 최근에는 주택용 히트펌프 급탕기(에코큐브) 보급, 히트펌프의 성능 향상, 탈탄소·탈화석연료 지향 등으로 인해 상업용 급탕 시스템에도 히트펌프가 증가하는 추세다.

이로써 중앙식 급탕 시스템의 배관이나 저탕조(저장탱크) 등의 급탕 회로에서 손실되는 열량이 많다는 문제점도 알려졌다. 그 해결책으로는 저탕조가 없는 중앙식 급탕 시스템이라든가 반송관을 설치하지 않고 급탕관(공급관)에 자기제어 히터를 탑재해 가온하는 시스템 그리고 단열성·기밀성이 높아 옥외에 설치해도 단열재가 젖지 않는 구조의 저탕조를 채택하는 등, 다양한 대책과 시스템을 채택하기에 이르렀다.

2012년 7월부터 시행된 ‘전기사업자에 의한 신재생에너지 전기 조달에 관한 특별조치법(FIT법)’ 등의 경제적 인센티브도 부여하고 있어 신재생에너지에 의한 전력이 급속히 보급·확대되고 있다. 

송배전망(전력망)은 동시 동량의 전력공급을 원칙으로 하고 있고 이를 유지하기 위해 잉여 신재생에너지 전력이 증가 일로에 있다. 특히 냉난방 수요가 적은 중간기와 주말에는 ‘갈 곳 없는 재생에너지 전력’이 증가하고 있어 출력제어(태양광·풍력발전 사업자에게 가동 중단을 요청하는 행위)로 인해 발전 시 이산화탄소를 배출하지 않는 재생에너지 전력이 사용되지 못하고 있다. 

잉여 재생에너지 전력을 수용하는 데 가장 적합한 것은 연중 내내 열 부하가 있는 급탕 시스템 특히 저탕조가 있는 급탕 시스템의 효과가 크다.

환경의식이 높은 유럽은 지중열 히트펌프에 의한 급탕 시스템도 보급하고 있다.

의료시설이나 사회복지시설, 숙박시설 등에서 급탕 관련 에너지 비율이 높음에도 불구하고 중앙식 급탕시스템에서는 아직도 해결해야 될 과제가 많다. 또한 사물 시스템이나 열원 제안으로 공기조화 시스템에서는 비교 검토하는 경우가 많지만 급탕 시스템은 상대적으로 주목을 덜 받는 경향이 있다.

이번 특집을 통해 다양한 급탕 시스템의 선택과 조합에 따른 개선, 새로운 발상에 의한 이노베이션 창출로써 시설을 기획·계획·설계·시공·유지 관리하는 데 도움이 되었으면 한다.

2. “갈 곳 없는 태양광발전”을 히트펌프에 의한 급탕·저탕에 사용

2.1  재생에너지 전력 증가와 출력 제어

2011년 3월 동일본 대지진에 따른 후쿠시마 제1 원자력발전소의 가동 중단으로 인해 전력수급이 타이트해지자 2012년 7월부터 ‘전기사업자에 의한 신재생에너지 전기 조달에 관한 특별조치법(FIT법)’ 등의 경제적 인센티브를 부여함으로써 신재생에너지 유래 전력이 급속히 보급 확대되기에 이르렀다. 이러한 영향으로 2018년 10월 13일(토)과 다음 날인 10월 14일(일)에는 큐슈전력(주)이 일본 최초로 낙도 이외의 지역에서 출력을 제어하기 시작했다. 그 후 1년간 큐슈전력(주)의 출력제어는 약 60일에 달했고 냉난방 수요가 적은 중간기나 주말에는 출력제어가 일상화됐다.

2022년 4월 9일(토)에는 시코쿠전력송배전(주)이, 4월 10일(일)에는 도호쿠전력네트워크(주)가, 4월 17일(일)에는 쥬고쿠전력네트워크(주)가, 5월 8일(일)에는 홋카이도전력네트워크(주)가, 2023년 1월 1일(일)에는 오키나와전력(주)이 각각 2022년 말까지 출력제어 지령을 내렸다. 2023년 3~5월까지 큐슈전력 관내에서는 500만 kW 이상의 출력제어를 실시한 날이 9일간 있었고 도호쿠전력 관내에서는 2023년 3월 11일~6월 17일까지 실시된 총 15일간의 출력제어량이 1억 kWh에 달했다.

온실가스 배출량 실질적 제로 이른바 탄소중립의 목표는 태양광발전이나 풍력발전 등이 전력을 생산할 때 이산화탄소를 배출하지 않는 신재생에너지 전력 증가와 에너지절감 촉진으로 이어진다. 날씨에 의존하는 태양광발전과 풍력발전 증가는 전력망 불안정으로 이어짐과 동시에 수요반응(Demand Response)을 늘리는 리소스가 필요하다.

2020년 7월 일본 정부는 국내의 140여 석탄 화력발전소 중에서 약 100기를 차지하는 비효율적 노후화 발전소를 2030년까지 폐쇄한다는 방침을 세웠다. 노후화 된 석탄 화력발전소 폐쇄는 전력 송배전망의 불안정성을 높임과 동시에 겨울철·여름철의 오후~저녁~야간에 걸치는 시간대를 중심으로 전력부족 사태가 발생할 가능성도 있으므로 수요반응을 줄여야 한다. 2022년 6월 27일 저녁 시간대에 경제산업성은 도쿄전력 관내에서 처음으로 타이트한 전력수급 주의보를 발령했다.

전력이 남아도는 시간대가 있기도 하고 부족 경보가 발령되는 시간대가 있기도 하는 등 전력수급은 시시각각으로 변동하고 있으며 앞으로는 더더욱 확대될 것으로 예상한다.

2.2  섹터 커플링 ‘Power to Heat’(P2H)에 의한 급탕·저탕탱크

신재생에너지 잉여전력을 축전하면 되는데 도입비용과 수명 등의 측면에서 섹터 커플링의 하나인 ‘Power to Heat’(P2H)에 의한 히트펌프 가동, 저장탱크 및 축열의 이점이 크다. 특히 연중 내내 열 수요가 있는 히트펌프 급탕기 가동과 저탕탱크는 신재생에너지 전력을 효율적으로 활용하는 방안으로 유망하다. 게다가 히트펌프의 열원을 지중열이나 하수열 등과 같은 신재생에너지 열로 활용하면 이산화탄소 배출량을 크게 줄일 수 있다.

발전 시 이산화탄소를 배출하지 않는 태양광발전이나 풍력발전 등의 VRE(Variable Renewable Energy, 변동성 신재생에너지)를 Demand Response나 VPP(Virtual Power Plant, 가상발전소) 기술을 활용해 히트펌프 급탕기 가동 및 온수를 저장한다. 

포스트 코로나로 인해 해외 여행객이 증가하고 인바운드 관광이 활성화되면서 숙박시설 신축 및 개보수 등이 점진적으로 증가하고 있다. 고령화 사회가 도래하면서 급탕을 많이 사용하는 의료시설 및 사회복지시설의 수요도 높아진다. 도시의 스포츠 시설은 고령인구가 증가하면서 건강을 유지하기 위해 이용률이 점차 높아질 것으로 예상된다. 독신자나 싱글족은 자택의 욕조·욕실을 이용하지 않고 회원권을 구입한 스포츠 시설의 대형 욕조를 목욕탕 대신 이용하는 경향도 있어 대욕장을 설치하려는 움직임도 있다.

이와 같이 숙박시설, 의료시설, 사회복지시설, 스포츠 시설은 급탕에서 사용하는 에너지가 증가할 것으로 예상된다. 일일 부하 변동으로 볼 때 의료시설과 사회복지시설은 히트펌프 단독 급탕 시스템을, 숙박시설과 스포츠시설은 히트펌프를 기저부하로 하는 하이브리드 급탕 시스템을 각각 도입하는 것이 보다 합리적일 것이다. 하이브리드 급탕 시스템으로서 LNG 공급이 가능한 지역에서는 당분간 환경부하가 작은 LNG와, 그 외의 지역에서는 신재생에너지 열의 하나인 바이오매스와 각각 조합하는 것도 고려할 수 있다.

2.3  저장탱크에 대한 에너지절감법 개정 추진 

전기사업법이 개정되면서 2020년 4월부터는 송배전 부문의 중립성을 더욱 확보한다는 관점에서 법적 분리에 의한 송배전 분리가 시행됐다. 송배전 분리를 시행하기 전에는 전력회사가 야간의 잉여전력을 효율적으로 활용하기 위해 야간·심야의 축열 및 저탕 시스템 도입을 독려하는 영업활동을 전개해 왔다. 그러나 송전 분리 및 계약메뉴 변경 등으로 전력회사는 수요 측의 잉여전력 활용과 타이트한 전력난에 대한 대응이 느슨해질 수밖에 없다.

과거에는 2014년 4월 1일 시행된 에너지절감법(에너지 사용 합리화에 관한 법률) 개정으로 인해 축열식 공조기 등을 활용함으로써 전력수요 피크 시에는 계통전력 사용을 줄이도록 유도한 적도 있다.

날씨에 따라 안정적이지 못한 VRE 증가도 있어 2022년 5월 13일 제208회 정기국회에서는 에너지절감법 개정안이 가결돼 2023년 4월 1일부터 시행됐다. 참고로 이번의 법 개정은 9번째인데 처음으로 정식 법률명도 개정돼 ‘에너지 사용 합리화 등에 관한 법률’에서 ‘에너지 사용 합리화 및 비화석연료로의 전환 등에 관한 법률’로 바뀌었다. 개정된 내용 중에서 특히 중요한 것은 다음 3가지이다.

① 에너지 사용 합리화의 대상범위 확대 : 에너지의 정의 재검토

② 비화석연료로의 전환에 관한 조치 

③ 전기수요 최적화에 관한 조치

‘③ 전기수요 최적화에 관한 조치’에는 ‘전기의 1차 에너지 환산계수 설정’과 ‘전기수요 최적화에 기여하는 요금체계 등의 정비를 촉구하는 체제 구축’ 등이 포함된다. 전력이 남아도는 시간대의 전기요금을 낮추는 방법의 하나로, 앞에서 언급한 바와 같이 히트펌프를 가동해 급탕 및 축열로써 운전비도 줄일 수 있다.

전기의 1차 에너지 환산계수에 대해 재생에너지 출력제어 시에는 3.6MJ/kWh(재생에너지 계수)로, 수요부족 시에는 12.2MJ/kWh(화력 가중계수 : 9.40×α→9.40×1.3)로, 그 외의 시간대는 9.40MJ/kWh(화력 평균계수)로 각각 설정했다.

화력발전소나 원자력발전소가 운전지침을 받아 발전하기까지는 규모와 형식에 따라 몇 시간에서 며칠간의 시간이 소요되지만 히트펌프는 단시간에 운전을 가동할 수 있어 유럽에서는 유연성이 높은 것으로 평가받고 있다. 전기히터는 순간적으로 가열할 수 있기 때문에 유연성이 더욱 높다고 할 수 있는데 그 활용법에 대해서는 뒤에서 기술한다. 전기히터는 COP가 1이지만 사용되지 않는 VRE를 낭비하기보다는 유효한 이용 수단으로 인식하고 있다.

다음 항목에서도 언급하겠지만 VRE를 활용한 저장탱크 및 축열의 조정력과 높은 유연성을 위해서는 VRE라든가 Demand Response와 조합하는 것이 중요하다. 히트펌프 급탕기의 Demand Response 효과를 평가한 실증 연구에 의하면 히트펌프 급탕기와 가정용 태양광발전의 연동 운전으로써 자가 소비율 향상과 더불어 에너지절감 효과도 얻을 수 있다<그림 1>.

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본 원고는 일본공업출판주식회사 발행하는 ‘建築設備と配管工事’잡지에서 발췌하여 번역한 것입니다.

전체 기사는 2024년 4월호 ‘월간 설비기술’에 게재되어 있습니다.(월간지 구입문의(02)2633-4995)

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