열과 전기에너지의 가치와 Heat Pump(2004.02.)

  열과 전기에너지의 가치와 히트펌프 기술의 위치

전문연구위원 차성기

1. 서 론  

     “분산전원 Co-generation system”과 “대규모 집중발전 광역공급+전동 heat pump system”의 어느 것이 효율적으로 CO2 삭감에 기여하는지, 경제성은 어떤지 하는 논의가 활발하여, 열과 전기에너지의 가치를 다시보고 여기에 히트펌프 기술의 위치부여를 고찰한다.

      발전의 배열을 난방과 급탕에 효과적으로 이용한다는 개별분산 Co-generation system이 기후가 온난한 일본에서 고효율화가 진행되는 전동 heat pump보다 효율적이지만, micro gas turbine이나 연료전지 등의 새로운 분산전원기가 가까운 장래에 충분히 효율성과 내구성이 기대된다고 본다.

      한편 “계통전력+전동 heat pump system”은 대용량의 천연가스 화력발전의 고효율화와 함께 말단의 heat pump 기기의 효율화도 top runner-aircon과 같이 대폭적인 성적계수의 개선이 진행되고 있다.

      종래 전력은 조명과 냉방을 포함한 동력원으로, 화석연료는 난방에 각각 전용으로 이용되어 왔으나, 연료는 흡수식냉동기의 등장으로 난방과 냉방의 양쪽에 이용되어, Co-generation system의 도입에 의해 전력, 난방, 냉방의 어느쪽으로도 변환가능하게 되었다. 역으로 전력도 heat pump 에 의해 냉방만이 아닌, 난방 급탕 등에도 효울적, 경제적으로 이용되어 전력과 연료는 onsite에서 상호대체 가능하게 되었다.

２. 열의 cascade 이용과 역 cascade 이용

      열기관에서 동력을 얻는 데에는 고온의 열일수록 변환효율이 높고, 저온의 열에서는 약간의 일만 얻을 수 있어서 배열은 난방이나 급탕용으로 이용되는 편이 좋다고 하며, Carno cycle 효율이 좋은 열에너지 순서에 따라 cascade 이용할 것을 권하는 것이 틀린 것은 아니다.

      확실히 process용이나 북유럽 등, 한랭지의 난방을 중심으로 하는 민생용 cogeneration 에는 에너지절감 효과가 있는 경우가 많으나, 따뜻한 일본에서는 그다지 유효하지 않아 기대하고 있는 배열을 흡수식 냉동기의 열원으로 이용하는 냉방측의 효과도 building cogeneration 에 많이 쓰고 있는 가스터빈 발전기의 저변환 효율을 보충하는 정도로 큰 것은 아니다.

      열역학에서는 열에너지를 난방과같이 0℃의 외기에서 약간 높은 20℃ 의 실내에 올려놓는 데는 약간의 일 에너지 밖에 요하지 않는다고 시사하고 있는데, 초기의 기술로는 열기관과 히트펌프의 기계적 효율, 전열손실 등 이른바 가역손실이 이론적으로 필요한 동력에 비해서 훨씬 컸기 때문이다.

      그러나 냉동냉방에의 강한 수요가 가역손실을 최소한으로 억제한 냉동기의 실용화를 촉진해서 이 기술을 배경으로 20세기의 오랜 cogeneration system을 넘어선 데에는, invertor motor 와 고효율 압축기, 고성능 열교환기를 모아놓은 top runner-aircon 등의 21세기에 기대되는 최신 히트 펌프 기술이 있기 때문이다. 이러한 의미로 열의 순차적 cascade 이용이나 cogeneration system 만이 열역학적 정당성이나 윤리성이 있는 것은 아니다.

３. 전력의 일차에너지 환산치

  2003년 일본의 개정된 “성에너지법” 에는 에너지절약평가 (CEC) 의 기준으로서, 전력의 1차 에너지 환산치는 표1과 같이 전국에 일률적으로 화력발전의 전일평균으로 9,830kj/kwh (수전단효율 36.6%), 야간에는 9,310kj/kwh (38.7) 로 정해져 있다.

      그런데 이후 CO2 삭감을 국가 최대명제로 한다면 신규 도입하는 cogeneration system 과 비교해야할 대상은 같은 천연가스를 사용하는 최신개량형 combined cycle (ACC) 발전시스템이므로 그 수전단효율은 45%에 달하고 있으며, 더욱이 수년후에 운전개시 예정인 MACC 발전은 50% 정도에 달하고 있다.

      또 전력회사는 발전전력량의 34%을 점하고 CO2를 전혀 발생하지 않는 원자력발전이 “성에너지법”에서 그 CO2 삭감효과를 정당하게 평가받고 있지 못하다며, 화력 발전의 화석연료 사용량만 제한다면 전전원평균 열효율은 66.2%, 5,430kj/kwh 에 달한다고 주장한다. 원자력은 public acceptance 면에서 취급에 미묘한 문제가 있으나, 원자력발전의 지구환경효과, 에너지 안전보장효과 등의 관점에서도 논의되어야 하며 특히 민생용으로 빙축열 냉방이나 CO2 히트펌프 급탕기 등이 원자력비율이 높은 심야전력에 의존하는 바가 높은 것도 고려해야한다.

4. 전기와 열의 가치와 PURPA 법의 등가 발전효율

      1978년 미국에서 독립발전회사 (IPP)의 잉여전력을 전력회사가 매수하도록 의무화된 PURPA법 (public utility regulatory politics act)에는 기본적으로 회수배열의 가치를 전력의 1/2로 규정해서 민간 등가 종합발전효율을 정의하고 있다. 여기서 배열환산계수 0.5 는 간이적으로 배열의 exergy적가치 혹은 배열의 가격을 전력의 1/2로 보도록 하는 것이다.

      민생용도의 등가종합 발전효율을 시산하고 있는데 배열의 가치를 최근 고효율의 히트펌프 필요전력으로서 효율 환산하면, 가스터빈을 사용하는 building cogeneration A(1~2 Mw급GT) 의 등가종합 발전효율은 매우 낮으나, building cogeneration B (1Mw급 GE) 와 같이 고효율 가스엔진을 이용하여 배열이 이상적으로 유효이용 되는 경우엔 처음으로 전화력 평균과 동일한 효율이 얻어질 가능성이 있다. 그러나 MACC 등 최신예 화력에 대항 할 수 있는 것은, process 용이나 민생용으로 배열을 호텔이나 병원 등에 base적으로 사용해서 잉여분 없이 사용가능 할때에만 한정된다.

5. Ubiquitous 적인 공기열원 히트펌프의 역할과 기술동향

      지역냉난방시스템 등에 활용되는 지하수, 하천수, 하수, 해수 등 이른바 미이용 에너지는 히트펌프의 열원수, 냉각수로서 COP향상에 직결되는 가치 높은 열원이긴 하나, 그 에너지 절감효과가 에너지통계에 명료하게 나타나는 정도는 아니며, 히트펌프시스템이 눈에 보이는 에너지 절약효과를 얻으려면 다양한 용도, 지역, 계절에 대량으로 사용되는 다양한 제품이 싸게 공급되어야 한다.

      Ubiquitous 는 정보분야에서 잘 사용되는 용어인데, 공기열원 히트펌프 기기나 시스템은 (냉각탑을 사용하는 수냉식 냉동기를 포함해서) 정확하게 유비쿼터스적으로, 계통전력과 대기를 이용하는 것에서 언제나 어디에도 적용 가능하여 냉방, 난방, 급탕, 가열 냉각 process 용등 다양한 용도와 기종을 가지고 소용량에서 대용량까지 여러 기기를 사용할 수 있어야 하며, 시간적 제약 없이 낮이나 밤에도 효율적으로 이용될수 있어야 민생용 에너지의 커다란 에너지절감을 촉진하는데 결정적으로 중요하다.

      일본은 비교적 온난해서 냉난방이 필요한 기후조건을 바탕으로 공기열원 (냉각원으로서의 이용도 포함) 히트펌프 에어콘은 압축기나 인버터, 열교환기의 고효율화, 냉매제어기술의 개량, 관련 기술자의 노력으로, 년간 판매량이 700만대 전후로 급속히 보급되었고 빌딩용 multi package aircon 이나 빙축열 package 에어콘 등 다양한 제품이 개발되었다.

      주택용 히트펌프 에어콘은 top planner 방식 도입을 계기로 난방평균 COP가 종래의 2배이상의 6을 넘어서 바닥난방기능까지 더해짐으로서 CO2 냉매 히트펌프 급탕기, IH cooking heater 와 함께 신 3종의 신기로서 종래의 주택에너지 시스템의 구성을 완전히 바꾸고 있다.

      빌딩용 package 에어콘은 가격경쟁 때문에 COP 는 2~2.5 정도 였으나 top planner 방식도입으로 COP가 4를 넘어서 최신예기종은 6에 달하고 있다. multi package 에어콘도 COP 개선과 함께 빙축열 type 의 다양화에 따라 주간전력을 거의 사용하지 않는 기종도 나와서 전력 평준화에 기여하고 있으며 빙축열로의 겨울철 온수축열능력을 활용해서 냉매 injection cycle을 넣어 북해도 같이 -25℃ 이하 지역에도 이용 가능한 것이 실용화 되었다.

      중규모 빌딩용 공기열원 chilling unit 의 고효율화는 invertor 에 의한 초고속 터보압축기나 고성능의 screw heat pump 로서 COP 개선을 도모하고 있다.

      대규모 빌딩 또는 지역냉난방용의 대용량냉동기에는 종래에는 흡수식 냉온수기가 설치 space 와 수변전설비를 포함한 설비cost, 높은 계약 전기요금 등의 문제로 터보 냉동기, 열회수 히트펌프를 압도해 왔으나, 터보 냉동기의 COP 가 6.4를 넘고 있어 에너지 효율이 압도적으로 높은 전동방식으로 수요가 회귀하는 조짐도 있다.

      지역냉난방의 열원시스템에는 전기방식과 가스방식, 혼합방식 즉 best mixed 방식이 있다. 지역 냉난방 plant의 열효율은 전판매량을 플랜트에 투입한 전일차 에너지량으로 나눈 년간 1차 에너지 효율로 명확해서, 가스방식은 0.5~0.75정도로 낮은데 비해서 전기방식은 0.8~1.1 정도로 효율이 좋다. mixed 방식은 peak 부하의 10~20% 용량의 고성능 전동 터보 냉동기나 빙축열 시스템을 도입해서 저부하시의 장시간 운전에 이용해서, 흡수식 냉동기를 고부하시에 단시간 운전하는 등의 개조로, 큰 에너지 절감효과와 경비절감을 도모하고 있다.

6. 결 론

      구미에 비해서 기후가 온난한 일본에는, 민생용 에너지시스템으로서는 cogeneration 에 의한 배열의 가치가 상대적으로 작아서 급속하게 고효율화가 진전되는 대규모 집중전원의 ACC발전, MACC발전 등과 고성적계수의 히트펌프, 냉동기 구성에 의한 열의 정과역 cascade, 전전화시스템의 편이, 보다 에너지 절약, 자원 절약적으로서 도시환경이나 지구환경에도 적합한 에너지 시스템으로서 정착될 가능성이 높다.

      그리고 천연가스와 원자력, 여기에 석탄을 더한 best mix에 의한 고효율 광역 전력공급시스템의 구축이 가장 효율적이고 합리적인 시스템이다.

      물론 분산형전원으로서 고효율이 기대되고 있는 연료전지가 있으나 인산염형(PAFC) 는 변환효율이 32~35% 로 낮고, 가정용 고체고분자형(PEFC) 도 31~33%정도이나, 기대되고 있는 차세대형으로서 용융탄산염형(MCFC)과 고체전해질형(SOFC)이 가스터빈과의 복합효울이 60%를 넘는 등 실용화가능성이 높아지고 있다.

◃전문가 제언▹

      우리나라는 현재 건물용으로 가스터빈 열병합 발전, 흡수식 냉동기와 packaged 에어콘 등이, 가정용으로 가스연소보일러와 에어콘 등이 냉방과 난방을 위해 많이 쓰이고 있다.

      기후가 온난한 일본 경우 구미 한랭지에서의 대형 cogeneration system 보다 히트펌프를 비롯하여 고성적계수의 package 에어콘이나  급탕기를 이용한 혼합방식이 보다 에너지절약형임을 주장하고 있는바, 비슷한 위도에 위치한 우리나라도 시사하는바가 크다고 본다.

      현재까지는 한전발전소와 각 기업이나 단지별로 대형 cogenration system 이 도입되었으나, 앞으론 기술혁신에 의한 고성적계수의 히트펌프관련 제품이 보다 폭넓게 도입되어 가정 부문에너지의 획기적인 절감과 함께 미이용 에너지의 확대에도 박차를 가해야 할 것이다.

      또한 이미 원자력발전이 상용발전량의 50%를 넘고 있는 우리로서는 야간전력 활용으로 전력부하 평준화 측면에서도 이러한 히트펌프 관련제품 개발 확산에 보다 힘써야 할 것이다.

      현재 다소 에너지절약에 관심이 적어지고 있으나 에너지의 97%를 수입하는 우리나라로서는 에너지절약에 좀더 관심을 경주하여 일본수준의 원단위까지 내리도록 하여 국가 경쟁력을 높이고 아울러 대체에너지 개발에도 국가적인 지원이 계속되어야 하겠다.

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전정섭님의 파란블로그에서 발행된 글입니다.