1. 머리말

전 세계적으로 탄소중립(이하 CN이라고 한다)을 표방하는 가운데 일본은 2020년 10월에 2030년도 온실가스(이하 GHG라고 한다) 배출량 삭감목표로 2013년 대비 46%의 감축목표를 설정하고 더 나아가  50% 삭감을 향해 계속 도전할 방침을 제시함과 동시에 ‘2050년 CN’을 선언했다. 

2050 CN을 향해 에너지 공급 측면에서는 신재생에너지 등의 비(非)화석연료 에너지 이용촉진, 화력발전 등의 탈탄소화 및 수소이용 촉진 등에 의한 CO₂배출량 삭감 대책이 필요하고, 계절과 날씨 등에 따라 출력이 변동하는 신재생에너지 도입을 확대함에 있어서는 동시 동량의 전력공급을 달성하기 위한 조정력 확보가 필수다. 현재는 주로 화력발전 등에서 수급균형을 조정하고 있지만 향후 신재생에너지 발전 증가와 가동률이 저하된 화력발전의 휴폐업으로 수요가 측의 조정력 필요성이 증가할 것이므로 축열조를 조정력으로 활용하는 데 기대를 모으고 있다.

또한 에너지를 소비하는 수요측(가정부문, 업무부문, 산업부문 등)에서도 CO₂배출량 삭감을 위해 철저히 에너지 절약에 힘써야 한다. 단, 인내를 강요하는 에너지 절약이나 산업부문의 제품 생산에 지장이 되는 에너지 절감은 최대한 피해야 하므로 일상생활 및 생산 활동에 지장을 주지 않고 에너지 절약에 임하는 방법으로서 기존에 확립된 기술인 히트펌프 활용이 각광받고 있다.

본고에서는 히트펌프의 개요와 기술동향 및 보급·전기화(電化 electrification) 촉진에 의한 신재생에너지 이용량 확대와 GHG 삭감 효과에 대해 (일반사단법인)히트펌프·축열센터(이하 HPTCJ라고 한다)와 (일반사단법인)일본일렉트로히트센터(이하 JEHC라고 한다)가 공동 실시한 ‘2021년도 전기화 보급전망 조사’ 결과를 토대로 소개한다. 또한 축열 시스템에 대해서는 개요와 최근의 동향 및 전력수급 균형을 유지하기 위한 조정력으로서의 활용 방법에 대해서도 소개한다. 향후 2050 CN을 향해 기대되는 히트펌프 및 축열 시스템의 역할에 대한 생각을 기술한다.

2. 히트펌프 

2.1 히트펌프란 

히트펌프는 말 그대로 ‘열펌프’다. 자연계에서는 열이 높은 온도에서 낮은 온도로 흐르지만 히트펌프에서는 그 반대로 낮은 온도에서 높은 온도로 열을 끌어올린다. 마치 우물 펌프가 지하에서 지표면까지 물을 퍼 올리는 모습과 비슷하다. 요컨대 연소에 의해 열을 발생시키는 것이 아니라 대기 등의 열을 모아 이용할 수 있는 에너지로 만드는 시스템으로, 화석연료를 연소시켜 열을 제조하는 시스템에서는 연료가 가진 발열량 이상의 열을 추출할 수 없지만 히트펌프는 압축 등의 동력으로 에너지(전기 등)를 사용할 뿐이고 열원으로는 주위에 존재하는 대기열 외의 에너지를 활용함으로써 투입 에너지(전기 등)의 몇 배나 되는 냉온열을 제조하는 매우 효율적인 시스템이다.

종전부터 냉장고나 에어컨 등 친숙한 제품에 응용돼 온 기술이어서 새롭지는 않지만 최근 에너지절감·지구온난화방지 대책으로서 CO₂배출량 삭감 요구와 더불어 퍼 올리기(에너지) 효율 향상이라든가 태양으로부터 얻는 무진장한 대기열 등의 신재생에너지를 이용할 수 있다는 점에서 더욱 주목을 받아 본 기술을 적용한 기기의 이용 범위가 확대되고 있다<그림 1>.

그 에너지 효율의 이점에 대해서는 에어컨의 난방을 예로 들어 히트펌프의 구조를 소개한다<그림 2>. 실외에서 대기로부터 퍼 올리는 열을 ‘6’이라고 가정하면 ‘1’의 전력을 사용해 냉매를 압축하고 실내에서는 ‘1+6’=‘7’의 열량을 추출한다. 즉 사용한 에너지 열량의 7배를 얻는 셈이다(이것을 COP[성적계수] 7이라는 지표로 표시한다). 히트펌프 기기의 효율은 해마다 향상되는데 특히 1999년의 톱 러너(top runner) 방식 도입을 계기로 효율이 비약적으로 향상되고 있다.

이 같은 히트펌프 기술은 일본이 세계 최고수준의 기술을 보유함과 동시에 지구온난화방지를 위한 비장의 카드로 기대된다. 유로존의 여러 나라 등 해외에서는 히트펌프가 이용하는 열을 신재생에너지로서 계측하는 시스템이 있고 신재생에너지 이용 확대 목표를 달성하기 위해 히트펌프 도입을 추진하고 있다.

2.2  최근의 기술 동향

고효율화가 현저하게 진행되는 히트펌프 기술은 공조·급탕 등 열 관련 분야에서 에너지를 감축하는 중요한 기술이다. 특히 최근 기술동향의 변화가 큰 제품 분야에 대해 이하에 소개한다.

(1) 터보냉동기의 고효율화

터보냉동기는 대규모 빌딩의 공조 등 대형 냉방이나 공장의 공조, 플랜트 등에서의 프로세스 냉각 등 광범위한 용도로 채택되고 있는 열원기다. 그 특징은 고속 회전하는 임펠러가 강한 원심력으로 냉매를 효율적으로 압축하는 구조이고 <그림 3>에서 나타내는 바와 같이 정격운전에서 COP 7에 달하는 제품이 판매되고 있다.

최근에는 인버터 기술의 보급과 저렴화에 힘입어 냉매 압축 컴프레서의 회전수를 최적으로 제어하는 등 부분부하 시 더 높은 효율을 내는 기기가 보급되면서 일정조건 하에서는 부분부하 시의 COP가 25를 넘는 것도 제품화되고 있다.

(2) 히트펌프 칠러

일반 공조 설비나 공장에서는 생산설비용 열원기로 히트펌프 칠러가 사용되고 있으며 냉열을 빼내는 냉방 전용 타입이나 냉열과 온열을 모두 빼내는 타입 등, 다양한 상품이 판매되고 있다. 또한 작게 모듈화 된 열원기 유닛을 여러 대 연결해 각 모듈 내의 컴프레서를 대수 제어나 인버터 구동 제어함으로써 소규모부터 대규모에 이르기까지 폭넓은 용량에 대응하는 상품도 나오고 있어 지금까지 설치나 반입에 제약이 있던 시설에도 용이하게 설치할 수 있는 등 보급이 진행되고 있다.

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전체 기사는 2023년 3월호 ‘월간 설비기술’에 게재되어 있습니다.(월간지 구입문의(02)2633-4995)

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

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