가. 계간 축열 시스템의 전제: 저온 지역난방
계간 축열은 대규모 축열조를 이용하여 하절기의 태양열이나 열병 합발전의 잉여 열에너지를 저장하였다가 동절기에 활용하는 시스템이 다. 계절을 넘는 장시간 동안 태양열 또는 기타 잉여열을 저장해야 하 므로 열 저장에 드는 비용이 저렴해야 한다. 즉 태양열이라는 천연자 원은 무한하나 축열조의 건설비와 운용비가 매우 낮아야 에너지 시설 로 활용할 수 있다. 그러므로 사업성이나 경제성을 확보하기 위해서는
71) 에너지기술개발사업[계간 축열] 컨소시엄, 태양열이용 지중 계간축열시스템 실증 방안-실증현장(안): 우일팜 시설원예단지, 2017.10.27
냉난방 수요처 인근에 투자비와 운영비가 저렴한 축열 시설을 건설할 수 있는 자연조건을 갖춘 지역을 확보하는 것이 중요하다.
일반적인 지역난방은 열 생산 시설에서 소비자 측의 열교환기에 이 르기까지 공급온도가 110~115℃를 상회하므로 많은 에너지가 난방열 을 높이는데 소비 된다. 그러나 앞서 밝힌 바와 같이 태양열 계간 축 열시스템과 히트펌프에 의해 공급되는 열은 55~80℃이며, 회수 열은 40℃인 소위 4세대 지역난방을 위한 것이다. 따라서 신재생열과 산업 공정열, 생활하수열 등 기존의 지역난방에서는 활용되지 못하는 낮은 온도의 열에너지를 활용할 수 있어 에너지절약 및 이용효율화에 매우 유리하다. 화석연료의 연소를 줄이고 버려지는 열이나 에너지원을 이 용하여 냉난방을 하기 위해서는 계간 축열과 같은 저온난방시스템을 적극 발굴하여 활용하여야 할 것이다.
나. 가능성 검토 방법
본 연구의 목적은 태양열 등의 자연에너지를 장기간 저장하는 계간 축열 기술이 우리나라의 지역난방사업에 적용 가능한 지를 검토하여, 적정한 규모의 신재생에너지 공급시스템을 구축하고 소비자들이 지불 가능한 가격수준으로 지역난방열을 공급할 수 있는 가를 살펴보는 것 이다.
본 분석은 진천 친환경에너지 실증단지에 적용한 태양열 등 신재생 에너지 융·복합시스템을 확장하여 기존 공공건물의 난방부하에다 신 규로 주택 난방 부하를 추가하는 경우를 가정한다. 이 때 열에너지 공 급시설 투자비의 단가는 실증단지의 자료를 활용하며, 신재생 융·복합 시설투자비의 연간 감가상각비와 재료비 및 운영비를 포괄한 연간 총
괄비용을 총공급 열에너지 총량으로 나누어 연간 열공급비용을 산출 한다. 이 때 저온 히트펌프를 가동할 경우 투입되는 전기는 투입연료 로 이해되어 사업의 재료비로 반영된다.
이렇게 산출된 열공급비용을 개별냉난방비와 비교 평가하되, 개별 난방비용의 수준은 최근 연구 자료를 기준으로 한다.72) 또한 신재생 열의 환경편익을 고려한 경우 인센티브 반영 규모별로 사업성을 살펴 본다.
다. 분석용 자료
분석에 필요한 자료는 냉난방 수요, 태양열 생산 및 축열 관련 설비 투자비, 시설 운용 유지비, 배관투자비, 투입 전력요금, 환경편익 관련 자료, 그리고 자기 및 타인 자본비용, 투자보수율 등이다.
사업성이나 경제성 분석을 위해서는 전 사업 기간(통상 20년 이상) 의 자금 흐름이 분석되어야 한다. 그러나 본 연구는 신재생열의 이용 가능성 검토가 목적이므로, 간략한 계산법으로 포화연도의 신재생에 너지 공급시스템을 운용할 때 발생하는 열 가격을 추정하고 이를 개 별난방비와 비교하고자 한다. 분석 편의를 위해 2016년 말에 포화수 요가 발생한다고 가정한다.
라. 난방부하 추정과 설비 구성73) 1) 공공건물 및 주택 난방 부하
72) 한국지역난방공사, 시장여건 변화를 고려한 집단에너지 활성화 방안 연구, 에너 지경제연구원, 2017, p.201
73) 본 분석의 설비구성과 부하추정 등은 한국에너지기술연구원의 진천 친환경에너지 타운 융·복합 기술개발팀(이동원 박사, 김민휘 박사)의 자문을 받아 추진되었음.
난방열 부하는 친환경에너지타운 실증단지의 공공부분 난방 수요 에 200호의 주택부문 난방열을 추가로 공급하는 케이스를 가정하여 분석한다. 난방부하는 최근 온난화와 단열 기준의 강화, 고효율 건축 기술의 도입 등으로 인하여 단위 열부하가 하락하는 추세를 반영하 였다.
난방 부하의 추정은 에너지기술연구원의 진천 친환경에너지타운 실 증 단지 연구팀의 방법론에 따랐다. 실증단지의 공공건물이 제로에너 지 빌딩이듯이 단독주택 200호도 고효율 주택형태인 패시브 하우스가 도입된다고 전제하였다. 공공부문과 주택부분의 열부하를 합산한 열 부하의 합계는 1,785.54 MWh이다. 이중 200가구의 연간 난방열 수요 는 1250.25 MWht이다. 이를 Gcal로 환산하면 1,075 Gcal이며 가구당 5.4 Gcal 수준이다. 이는 기존 지역난방공급 지역의 공동주택(아파트) 의 연간 세대별 난방수요(2016년 기준 7.8Gcal)보다 약 30% 에너지가 절약되는 고효율 주택임을 가정한 것이다. 12월과 1월의 부하가 가장 높고, 여름철에는 급탕 부하만 존재한다.
전체 열에너지공급 중 태양열의 비중을 40% 내외로 가정하며, 계간 축열조의 저장 온도는 80℃를 유지하는 것으로 한다. 수요처에 공급 되는 온도는 53℃ ([그림 3-5]의 붉은 선) 내외이고 회수온도는 42℃
수준(그림의 파란 선)이다. 온수 및 급탕부하는 11~12월, 1~3월에 집 중되고 있으며, 6~10월에는 급탕 위주로 공급된다.
월 난방 급탕
배관손실 월공급량
주택 공공건물 주택 공공건물
1 245.8 84.1 67.5 19.1 2.6 419.1 2 149.9 71.8 64.6 16.9 2.3 305.5 3 95.7 66.0 65.6 18.7 2.5 248.5
4 0.0 7.4 51.2 17.1 2.3 78.0
5 0.0 0.0 37.0 17.6 2.2 56.8
6 0.0 0.0 25.9 15.9 2.1 43.9
7 0.0 0.0 19.7 12.8 2.2 34.6
8 0.0 0.0 15.0 7.3 2.2 24.5
9 0.0 0.0 19.2 10.8 2.3 32.3
10 0.0 2.3 28.3 16.8 2.5 50.0
11 47.2 66.2 39.9 16.9 2.5 172.8 12 195.9 49.9 53.8 17.1 2.6 319.4 총합 734.6 347.8 487.6 186.9 28.5 1785.3
<표 3-3> 분석대상지역의 월별 용도별 난방부하(MWh)
[그림 3-5] 공공건물 및 주택의 월별난방 수요 및 공급온도
2) 설비구성
효율적이며 비용효과적인 난방열을 공급하기 위해서는 신재생 열원 설비 조합의 다양한 시뮬레이션을 통하여 최적화를 도출해야 한다. 한 국에너지기술연구원의 TRNSYS 시뮬레이터를 통하여 태양열 집열기, 계간 축열조, 지열 또는 하수열을 이용하는 히터 펌프, 그리고 버퍼탱 크 등으로 구성되는 친환경에너지 공급 시스템을 구축하였다. 이 때 적정 시스템을 도출하기 위해 우선 태양열의 공급비중을 정해야 한다.
태양열 공급비중은 태양열 집열기와 축열조, 그리고 히트펌프의 규모 를 결정하게 되므로 열 생산 비용에 큰 영향을 미친다. 우선 태양열 비중을 40%로 할 경우를 검토한다.
○ 태양열 집열기
태양열시스템은 평판형 집열기 또는 진공관형 집열기를 통하여 10 0℃ 이하의 열에너지를 생산하여 건물 및 주택의 냉난방 및 급탕, 농 수산물의 건조용으로 활용하고 있다. 동 분석에서는 여름철의 뜨거운 열에너지를 포집하여 축열하여 동절기 난방용으로 활용한다. 분석대 상지역의 연간 태양광 입사량은 1,278 MWh로 우수한 편이며, 연간
㎡ 당 673 kWh의 열을 공급하는 집열기 1,050 ㎡를 도입한다.
○ 탱크형 계간 축열조
축열조는 여름철의 태양열을 수개월 동안 저장하는 시설이다. 지질 적인 여건이 충족되지 않으면 저렴한 대수층형(ATES) 축열조나 관정 형(BTES) 축열조를 도입할 수 없다. 또한 인구 밀집지역은 부지를 확 보하기 쉽지 않으므로 건설비용이 비싸더라도 효율이 좋은 탱크형 축 열조(TTES) 1,500 ㎥를 도입한다. 최대온도 80 ℃의 태양열을 저장하 여 53 ℃ 이상인 경우 직접 수요처에 공급하고, 그 보다 낮은 경우 히
트펌프로 승온하여 공급한다.
○ 축열잔열원 히트펌프
축열조에 저장된 열의 수요가 많아져 온도가 낮은 열을 이용해야 할 경우 수요처에는 적정 온도인 53℃ 까지 높여서 공급해야 한다. 이 때 필요한 시설이 축열잔열원 히트펌프인데, 최소 40℃ 이상의 열을 활용하기 때문에 고온 히트펌프라고도 한다.
○ 버퍼 축열조
축열잔열 히트펌프에서 승온된 열이 일시 저장하는 설비이다. 수요 처의 부하상황에 따라 승온된 열이 수요처로 곧바로 공급될 수도 있 다. 그러나 급작스런 부하 감소로 계간 축열조의 열로 충당할 수 있게 되면 축열잔열 히트펌프의 열을 활용할 수 없는 경우가 발생할 수 있 다. 이를 대비하여 히트펌프의 열을 저장할 수 있는 고효율의 저장 설 비를 두는 것이 필요하다.
○ 하수열원 히트펌프
태양열만으로는 분석대상 지역 공공건물과 주택부문의 열 수요를 충족시킬 수 없다(진천 실증 단지의 태양열 비중은 60%임). 부족한 수요는 하수열원 히트펌프로 승온하여 공급한다. 하수열은 가정에서 배출될 때 25℃이나 지중으로 흐르면서 외기온도의 변화에 무관하게 연평균 15℃(여름철 18~22℃, 겨울철 10~12℃) 정도의 안정적인 온도 를 유지한다. 대기온도와 비교해서 겨울철에는 10℃ 높고 여름철에는 10~15℃ 낮아 히트펌프의 효율적인 열원이다.
다음의 <표 3-4>는 분석대상지역의 부하를 충족시킬 수 있는 친환 경 신재생에너지 설비 규모와 효율을 TRNSYS로 최적 시뮬레이션한 결과를 제시한 것이다. 태양열 비중 40%를 가정하였다.
시설명 효율 규모 비고 태양열 집열기 673 kWh/㎡a 1,050 ㎡ 태양열 공급 비중
40 % 기준임 탱크형 계간축열조 94 % 1,500 ㎥
축열잔열 히트펌프 COP. 4.0 1,350 kWhth 143 MWhe 소비
버퍼 탱크 99 % 200 ㎡
하수열 히트펌프 COP. 3.0
1,470 kWhth (200RT×2기,
175RT×2기)
148 MWhe 소비
<표 3-4> 친환경에너지타운(+주택200호)의 신재생 열에너지시설 규모
마. 설비 투자비 추정
투자비는 신재생에너지설비(태양열 집열기), 미활용 에너지자원화 시설, 열저장시설, 열수송시설, 시스템통합 및 제어 시설 그리고 부지 구입비로 크게 나눌 수 있다. 본 연구에서는 진천 실증단지의 투자 단 가를 기준으로 산출하되, EU의 설비 투자비 관련 자료, 기타 최근 연 구 보고서를 참고로 한다.
○ 신재생에너지설비 투자비(태양열 집열기)
태양열 공급시스템 중 집열기에서 태양열을 생산하여 계간 축열조 까지 이동하는데까지 필요한 시설에 대한 투자비용을 말한다. 진천 실 증단지 태양열 집열기는 ㎡당 46만 2천 원 소요된 것으로 추정된다.
○ 열저장 시설 투자비(계간 축열시설)
계절간 열저장 시설은 자연조건이 적합한 경우 매우 저렴하게 도입 될 수 있으나, 본 분석에서는 탱크형 축열조(TTES)를 건설하기로 한 다. 계간 축열조는 유럽의 운영 케이스와 진천 시범단지의 투자 실적