정부가 기후변화와 환경 위기에 전략적으로 대응하고 신성장동력 창출에 기여할 그린뉴딜 유망기업 100곳을 2022년까지 선정해 육성한다. 환경부와 중소벤처기업부는 지난해 9월 41개사를 1차로 선정하고, 올해 30개사를 추가하기 위한 공모를 2월 9일부터 진행한다. 이에 정책브리핑이 1차 선정된 몇몇 기업들의 신기술 사례를 소개한다. (편집자 주)

정부는 2050년 탄소중립 실현을 목표로 친환경 에너지 시스템 구축이 시급하다고 판단, 재생에너지 관련 올해 예산을 전년 대비 36% 증가한 1조 6710억 원 규모로 대폭 확대했다. 또한 환경부는 지난해 6월 그린뉴딜 대표사업으로 수열에너지를 육성하겠다고 밝힌 바 있다. 

수열에너지는 해수·하천수·지하수·발전 온배수 등에 저장된 열에너지를 말한다. 물은 에너지를 축적하는 능력인 비열의 특성을 가지기 때문에 대기와 땅에 비해 쉽게 뜨거워지거나 식지 않는다. 이 성질을 이용하면 건물의 냉·난방, 농가나 산업체에 필요한 열원으로 이용할 수 있다. 해수의 경우 여름에는 대기보다 약 7℃가 낮고 겨울엔 10℃가 높기 때문에 열원으로 사용할 수 있다.

하지만 수열원은 지리·기후적인 특성의 영향을 받는 만큼 연중 온도변화의 차이가 크다. 특히 광역상수도 원수의 경우 최대 27℃, 최소 3℃까지 온도 차이가 난다. 이에 지엔원에너지는 수열에너지를 효과적으로 활용하기 위해 ‘능동형 고효율 하이브리드 히트펌프’를 개발 중이다.

민경천 지엔원에너지 대표는 “수열을 히트펌프의 열원으로 이용하면 여름의 높은 온도와 겨울의 낮은 온도는 시스템 성능 저하의 원인으로 작용한다”며 “이를 보완하기 위해 지열·공기열·태양열 등 열원을 다양하게 구성해 시스템에 연계해 활용하면 시스템의 COP(성능계수)를 효과적으로 높일 수 있다”고 설명했다. 성능 계수는 냉장고, 에어컨, 열펌프 등의 온도를 낮추거나 올리는 기구의 효율을 나타내는 척도를 말한다.

◆ ‘수열에너지+지열에너지’ 복합열원 전환

지엔원에너지는 지난 2002년 설립 이후 지열냉난방시스템에 대한 기술연구에 주력해왔다. 지열냉난방시스템은 히트펌프를 이용해 지하 200m 깊이에서 연중 15℃를 유지하는 지열을 물순환을 통해 열교환하는 방식이다. 태양광이나 풍력과 달리 지열은 날씨의 영향을 덜 받고 설치 초기 비용도 절감할 수 있어 경쟁력있는 신재생 에너지원으로 각광을 받고 있다. 나아가  지열에너지를 넘어 수열에너지까지 아우르며 신재생에너지 전반으로 사업분야를 확대할 계획이다.

지난 2019년 ‘신재생에너지법’이 개정돼 하천수도 신재생에너지 범주에 포함됐다. 이에 지엔원에너지는 기존 수열에너지와 지열시스템 현장의 문제점을 분석한 결과 선진기술 도입의 필요성을 느끼고 국내 최초 건축물 하부 지중열교환기 설치, 지열과 수열을 결합한 복합형 냉난방시스템 개발 등 다양한 기술개발을 통해 경쟁력을 키우고 있다.

◆ 수열·지열 장단점 극대화…시스템 성능 향상

우선 수열에너지의 직·간접이용, 지열에너지 등을 병용하는 시스템을 개발해 외기온도(냉난방 부하)와 열원의 온도에 능동적으로 대응해 효율성을 높인다. 민 대표는 “수열에너지를 주 열원으로 하고, 보조 열원으로 지열에너지를 연계 또는 병용하는 냉난방 시스템을 개발하고 있다”고 말했다.

핵심기술은 단일열원이 아닌 복합열원을 활용한 기술로 수열과 지열의 장점을 극대화해 시스템의 성능을 향상시키는 것이다. 단일열원 이용 하이브리드 시스템이 태양열(난방) 또는 냉각탑(냉방)과 지중 단일열원의 조합이라면, 복합열원 이용 지열 냉난방 시스템은 수열, 지열, 태양열 등 여러 형식의 열원을 조합해 만든 시스템이다.

최종적으로 복합열원 연계형 고효율 하이브리드 히트펌프, 시스템 제어기술 등을 개발하는 것이 목표다. 민 대표는 “시스템 운전 시간, 냉난방부하 패턴 등 건물 종류·지역별 기상 특성, 지상의 유효면적, 지중열전도도·밀도·열용량 등을 종합적으로 고려한 시스템으로 설계할 계획”이라고 전했다. 히트펌프 시스템의 효율 향상을 꾀하고, 아울러 수열에너지와 지열에너지지의 열원을 하나의 히트펌프에 연계함으로써 초기 투자비를 절감하는 기술을 개발하는 것이다.

◆ 시스템 에너지 소비량 절감…신·재생에너지 보급률 향상 기여

복합열원 연계형 고효율 하이브리드 히트펌프 시스템은 국내 최초로 시도되는 기술로 향후 상용화 할 경우 상당한 경쟁력이 있다. 복합열원 하이브리드 히트펌프 시스템에 대한 설계, 에너지 절감 컨설팅, 시공 등으로 상용화할 예정이다. 

회사는 한국광해관리공단에서 진행 중인 ‘에너지-경제 자립마을 도시재생 활성화 계획’에 하천수를 활용한 수열과 지열의 복합열원을 적용해 스마트팜 열공급 실증 사업을 통해 미활용 에너지 사용 효율을 극대화할 계획이다. 이를 통해 시스템의 안정적인 성능을 확보하고 시스템의 에너지 소비량 절감은 물론 관련 기술력을 축적하는데 기여할 것으로 예상된다.

먼저 기술적 측면에서 히트펌프, 복합열원(주 열원+2차 열원), 지상 구성 요소의 연결 배관 및 계통도에 대한 표준 모델을 구축함으로써 시스템의 안정적인 성능을 확보할 수 있다.

열원의 효율적 운전을 위한 제어 알고리즘 개발로 시스템의 에너지 소비량을 절감시킬 수 있는 기술력을 확보하는 데도 기여할 것으로 보인다. 아울러 다양한 형태의 지중열원에 대해 객관적인 성능 자료를 확보할 수 있고, 분산열원의 성능 향상에 필요한 핵심 기술들을 구축함으로써 시공비를 절감하는 효과를 볼 수 있다.

무엇보다 국내 기상 조건에 적합한 시스템 모델을 개발함으로써 향후 신·재생에너지 냉난방 시장의 성장과 국가 신·재생에너지 보급률을 향상하는 데 기여할 수 있다. 표준 시공기준을 적용해 시스템을 시공함으로써 부실시공을 사전에 방지할 수 있다. 이와 함께 다양한 수열 종류 및 열원 상태에 따른 히트펌프의 에너지 패턴을 분석함으로써 수열과 지열 다중열원의 최적 제어 기법에 대한 기초 자료 제공의 계기도 될 수 있다.