계간 축열 프로젝트들은 소규모 시범사업의 성격에서 벗어나 상업 적인 용도로 발전하고 있으며, 용량도 대형화 되고 있다. 이에 따라 단위 투자비도 계속 낮아지고 있다. 현재 운영되고 있는 계간 축열 설 비 중에서 세계 최대 규모(200,000㎥)는 덴마크 보인스(Vojens)에 있 는 PTES로 2015년에 가동을 시작하였다. 보인스의 열 공급가격은 규 모의 경제성으로 가스보일러 대비 경쟁적인 것으로 평가되고 있다. 간 접 보조(가스에 대한 에너지세)외에 보조 없이도 상업성을 갖추고 있 다. 오스트리아의 그라츠에서는 저장규모가 1,800,000㎥에 달하는
60) European Commission, Thematic research summary Smart district heating and cooling, 2014, pp.26~27
61) https://cordis.europa.eu/project/rcn/186981_en.html. PITAGORAS, Sustainable urban Planning with Innovative and low energy Thermal And power Generation from Residual And renewable Sources(From 2013-11-01 to 2017-10-31)
62) Sabine Putz, Patrick Reiter and Robert Söll, Smart heat supply in Austria within the PITAGORAS project, Energy Procedia 91 ( 2016 ) 573–577, 2016, pp.574
PTES를 2030년 활용 목표로 건설 중에 있다. 국내에서도 계간 축열 설비 적용을 위한 시범 프로젝트를 다양하게 추진하여 해외 기술개발 및 지역난방 활용 추세에 보조를 맞출 필요가 있다.
유럽에서 재생에너지와 계간 축열 설비 융합에 의한 지역난방열 공 급 프로젝트가 높은 초기 투자비에도 불구하고 적용 사례가 많은 것 은 공적 기금의 지원이 큰 역할을 한 것으로 보인다. 독일의 대부분의 계간 축열 시스템 구축 사례나 덴마크 마스탈 태양열 시스템의 사례 를 볼 때 공적기금 투자에 의한 시범 사업으로 기술적 성공 가능성을 높이고 있다. 이러한 공적 지원의 배경에는 재생에너지 활용을 확대하 여 EU 및 개별 국가의 재생에너지원 활용 목표, 온실가스 감축 목표 를 달성하려는 전략이 배경에 있다. 현재의 비용 경쟁력만으로는 실현 불가능한 프로젝트를 공적기금 지원에 의해 실증 사업을 추진하고, 비 용을 계속 줄여 감으로써 미래에 상용화가 가능한 단계로 기술을 발 전시키고 있는 것이다. 재생에너지 활용 프로젝트를 비용 면에서만 보 아서는 안 되고, 장기적인 에너지 소비 절감 및 온실가스 감축 목표 하에서 국가 전략적으로 접근해 가야 할 필요가 있다.
계절간 축열설비의 기술을 비교해 보면, 지질 및 지형 조건에서는 TTES > PTES > BTES > ATES 순으로 우수하며, 투자비의 저렴성 에서는 ATES > BTES > PTES > TTES 순으로 우수하다. 저장용량 의 신축성 면에서는 PTES > TTES > BTES > ATES 순으로 우수하 다. 저장용량 대비 저장 체적 효율도 면에서는 TTES = PTES(물) >
PTES(자갈) > ATES > BTES 순으로 우수하다. 건설 시공의 난이도 면에서는 PTES가 덮개 시공의 복잡성 때문에 가장 어려운 기술로 보 인다. 국내 여건으로 보아 TTES가 시공 기술 개발 정도와 부지 활용 측면에서 선호될 수 있으나, 대용량화에 의한 규모의 경제성을 추구하
기 위해서는 장기적으로 PTES가 선호될 가능성이 크기 때문에 PTES 기술 개발에 초점을 둘 필요가 있다.
국내 지역난방 시스템은 유럽의 일반적인 지역난방 시스템과는 ① 지역난방 수요가 대부분 도심에 위치하고 있다는 점, ② 수요자 대부 분이 고층의 공동주택이라는 점, ③ 수요밀집도가 높은 수요지로 원거 리 송열을 위해 고온·고압 송열이 필요하다는 점, ④ 고온 및 고압으 로 사용자 시설까지 수송되어 사용자의 열교환기를 거쳐 저온 공급된 다는 점 등에서 차이가 있다. 이러한 차이로 인해 열원부터 저온으로 공급되는 유럽의 4세대지역난방 시스템에 비해 재생에너지나 계간 축 열 설비의 연결 활용에 한계를 갖고 있다.63) 1차측 공급온도가 115℃
인 우리나라 지역난방망에 연결하기 위해서는 별도의 온도 상승 시설 을 사용해야 한다. 이는 결국 추가적인 에너지(전력이나 화석연료)를 소모시켜 경제성을 낮추게 만든다.
계간 축열 설비를 활용하기 위해서는 저온 지역난방 시스템부터 개 발해야 하는데, 가능한 저온지역난방 모델로는 ① 도심의 공동주택, 일반 건물 등을 구역단위로 묶어 저온 공급하는 모델, ② 지방의 신규 개발지를 저온 지역난방공급시스템을 구축하는 모델, ③ 기존 지역난 방 시스템에서 2차측을 저온지역난방 시스템으로 보고 활용하는 모델 을 상정해 볼 수 있다.
그러나 ①, ②의 모델에서는 고층아파트에 층별 구분에 의해 열을 공급해야 하기 때문에 배관 투자비가 과대하게 발생할 가능성이 높고,
③의 모델에서는 재생에너지열원 개발에 한계가 있다. 계절간 축열설 비와 관련해서 보면 ①의 모델에서는 기존 개발된 도심 내에 저장설
63) TTES(<표 2-3> 참조), PTES(<표 2-4> 참조) 및 BTES(<표 2-6> 참조)에 제시된 사례에서 80~85 ℃ 운영 사례가 많음.
비 및 부대시설 설치 부지를 확보하기가 어려우며, 확보를 한다고 하 더라도 막대한 부지 비용이 걸림돌이 된다.
따라서 적용 가능한 설비 형태는 설계 신축성이 있는 TTES나 지하 에 열저장을 하는 BTES가 될 수 있다. ②의 모델인 경우에는 TTES / PTES / BTES가 모두 적용 가능하지만, 지질 조건이 맞는 경우에는 BTES를, 그렇지 않다면 규모의 경제성을 높일 수 있는 PTES가 우선 적이다. ③의 경우에는 기존 사용자 시설 내 또는 인근 유휴 부지를 활용하여야 하므로 경관 훼손이 없는 BTES를 적용할 수 있으나, TTES도 지하에 매설하는 방식으로 하여 지상면적을 활용할 수 있다 면 적용 가능하다.
축열 설비의 형태를 선택하거나 사양을 결정할 때는 프로젝트별로 세밀한 평가를 거쳐야 한다. 동일한 사양이더라도 부지 조건에 따라 투입 비용에 많은 차이가 발생하며, 열 수요 조건에 의한 운영 차이에 의해서도 비용 차이가 발생하기 때문이다. 더구나 축열 설비의 설계 사양과 실제 운영 사양간의 차이가 설비 운영 효율을 낮추는 요인이 될 수도 있다. 따라서 계간 축열 시스템의 도입 이전에 사전 연구를 충분히 하여 최적의 설비 구성과 용량을 설계할 필요가 있다. 특히 계 간 축열설비와 연결되는 배관의 길이, 밸브의 숫자 및 성능, 단열 설 계 및 누수, 회수수 온도 등이 중요한 요소로 꼽히고 있다.64)
64) Behnaz Rezaie, Bale V. Reddy and Marc A. Rosen, Assessment of the Thermal Energy Storage in Friedrichshafen District Energy Systems, Energy Procedia 116(2017) 91-105, 2017,
제3장 계간 축열 활용 지역난방 가능성 검토
1. 4세대 지역난방 필요성과 계간 축열
기후변화의 영향에 대응하는 환경규제의 강화와 대규모 신도시 개 발 둔화에 따른 아파트 공급의 급감은 대형 화석연료 열병합발전 중 심의 지역난방사업을 위협하고 있다. 유럽에서는 열병합발전 기반 지 역난방의 한계를 극복하기 위하여 4세대 지역난방(4th Generation District Heating, 4GDH) 시스템을 보급하고 있다.
4세대 지역난방 시스템은 60℃ 내·외의 저온수를 난방에 이용하는 기술이다. 이러한 난방은 상대적으로 낮은 온도차에도 불구하고 동일 한 수준의 난방열 공급이 가능하도록 하는 혁신적인 열 교환 기술의 진전으로 가능하게 되었다.65)
4세대 지역난방은 고온의 지역난방열 공급시스템이 저온 기반으로, 그리고 화석 에너지를 근간으로 하는 중앙 집중형 열공급 시스템이 신재생에너지원(태양열, 바이오열 등)을 활용할 수 있는 분산형 시스 템으로 전환될 수 있음을 의미한다. 이러한 4세대 지역난방은 친환경 저탄소 에너지공급을 확대하려는 세계적 요구에 적극 부응하는 것으 로 평가된다.
[그림 3-1]은 지역난방 기술의 변천을 도식화 한 것이다. 기존의 3 세대 지역난방에서도 바이오 열병합발전이나 대규모 태양열 등과 같 은 신재생에너지원을 이용하려는 노력이 있었다. 그러나 열공급 조건
65) 임용훈, 4세대 지역난방의 기술 및 정책동향, 에너지경제, 2017 여름호(에너지포 커스) 참조
(>115℃)을 경제적으로 충족시키기에는 한계가 많았다.
4세대 지역난방의 저온 열공급 기술은 지역난방부문에 신재생에너 지원의 활용을 용이하게 만들어, 경제성이 확보된 신재생에너지 기술 을 채용할 수 있게 되었다. 향후 탄소제로 등 에너지절약형 주택이나 건물의 보급이 활성화되면 4세대 지역난방사업은 더욱 유리하게 작용 할 것으로 전망된다.
[그림 3-1] 지역난방 기술 변천 추이
자료: Herik Lund et al., 4th Generation District Heating(4GDH) Integrating Smart Thermal Grids into Future Sustainable Energy Systems, 2014
4세대 지역난방의 주요 관심사항은 신재생에너지를 이용한 중소규 모의 분산열원, 수요에 부응하는 적정 규모의 에너지공급시스템, 에너 지 공급자와 소비자간, 혹은 소비자와 소비자간 양방향(Bi-lateral) 에 너지 거래 시스템의 구축 등이다.
특히 4세대 지역난방에서는 친환경 자원의 효율적인 이용뿐만 아니 라 신재생에너지 생산도 가능하기 위해서는 분산형 축열조, 계간 열저 장 및 이용, 건물 에너지 저장 등과 같은 혁신적인 에너지저장 기술의 개발이 뒷받침 되어야 한다. 따라서 태양열과 같은 풍부한 무공해 에 너지원을 효과적으로 활용하기 위해서는 계절간 열저장 및 이용 기술 에 대한 관심을 높일 필요가 있다.