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1 열에너지 네트워크 담당위원 : 김민수 교수(서울대) THEME 01 열에너지 네트워크 개념 및 연구 현황 THEME 02 산업용 열네트워크와 스팀히트펌프 THEME 03 건물용 열네트워크에서의 축열시스템 THEME 04 공정산업에서 에너지 네트워크 최적화 사례 THEME 05 울산 산업단지의 에너지 네트워크

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3 THEME 01 열에너지네트워크개념및연구현황 이영수한국에너지기술연구원열에너지변환연구실책임연구원 이길봉한국에너지기술연구원열에너지변환연구실선임연구원 ㅣ yslee@kier.re.kr ㅣ giblee@kier.re.kr 이글에서는에너지의효율적인활용을위한열에너지네트워크의소개와한국에너지기술연구원의열에너지네트워크이용관련연구현황에대해소개하고자한다. 열에너지네트워크개념 최근에너지의효율적이용을위한다양한연구가진행되고있으며, 그중에너지간의잉여혹은부족을주고받을수있도록열에너지네트워크연구가활발히진행되고있다. 이러한배경으로스마트그리드의개념이확대된전기에너지, 열에너지등을포함하는 Total Energy Network에관한연구가현재진행중에있다. 열에너지네트워크는열에너지 그림 1 에너지네트워크개념도 의생산과수요처간의불균형을극복하여에너지이기술을들수있다. 용효율을높이기위한기술이며상용화된사례는지열저장기술은열에너지네트워크에서사용단간의역난방정도로미약한실정이나, 최근에열에너지네시간적부하격차를해소하는데기여하는기술로서, 트워크구성을통하여에너지변환손실을줄이고다특히공조분야에서상대적으로적은비용으로 2차전양한미활용에너지를활용한집단에너지공급사업이지와동일한역할을수행한다. 증가추세에있다. 열에너지네트워크가신성장산업국내에너지의 62% 를사용하고있는산업부문에으로접근되기위해서는기존열에너지네트워크에있어약 12% 의열이폐열로배출되고있으므로, 이를이용되는단위기기의에너지효율향상과함께차별회수하여열에너지네트워크로구축할경우에너지되는새로운기술이필요하며, 건물용과산업용열에절감효과를극대화할수있다. 폐열의형태는배가스너지네트워크에각각적용할수있는신기술로서냉 / 73%, 배증기 10%, 배온수 17% 의형태로구성되어난방동시가능한축열시스템, 산업용고온히트펌프있다. 폐열량은에너지다소비기업인섬유 (4.8%), 화 32 기계저널

4 그림 2 열에너지네트워크에서의열저장기술역할 그림 3 축열시스템의역할 너지네트워크를구축하여산업용에너지수요의 2 5% 를절감할수있을것으로알려져있으며, 산업용히트펌프에대한시장확대와보급활성화를위하여국제에너지기구 (IEA) 의히트펌프프로그램에서국가간공동연구로 Annex 35를진행하였다. 네덜란드의경우산업용에너지의수요중 구간의에너지수요를산업용열펌프를통하여공급하는것이합리적인것으로제시하고있으며, 특히 50 근처의폐열이다량존재하므로산업용히트펌프의보급전망이밝을것으로기대한다. 특히산업공정에필요한스팀생산기술에대한요구는산업현장에서끊임없이제기되고있고이에따라스팀히트펌프기술개발이일본, 독일, 프랑스등관련선진국에서급속히진행되고있으며일부시장에진입하고있다. 스팀히트펌프기술은산업공정에서다량의온수형태로배출되는공정폐열을활용하여산업공정에직접공급하는기술로, 단순한열생산과열소비의기존공정을열교환네트워크로구축할수있는최적의기술이다. THEME 01 한국에너지기술연구원의연구현황 그림 4 산업용열에너지네트워크에서스팀히트펌프적용예 학 (52.6%), 금속 (29.6%) 에서대부분배출되고있으며이를재활용할수있는방안에대한수요가매우높다. 해외의경우산업용히트펌프의보급으로열에 열에너지네트워크를위한고온히트펌프기술개발열에너지네트워크를구성할때일반적으로열이온도가높은쪽에서낮은쪽으로이동하도록캐스케이드방식으로수요배치를한다. 히트펌프는열을낮은온도에서높은온도로효과적으로이송시키는시스템이기에네트워크에적용시미활용열이사용처로재순환되는수요배치가가능해진다. 열에너지는다양한온도대역에서수요가존재하기에한국에너지기술연구원은히트펌프생산온도를높이고산업부문으로적용처를확대하는연구를지속적으로수행해오고있다. 온도차에너지란공기열, 지열, 해수열등과같이자연에풍부하게존재하며그활용이도시환경에생태 , Vol. 56, No. 8 33

5 THEME 01 열에너지네트워크개념및연구현황 그림 5 한국에너지기술연구원제주글로벌연구센터내해수히트펌프구축현황 학적으로크게영향을주지않는에너지를지칭한다. 이러한에너지는히트펌프를사용하여난방열을생산할때유용하게이용될수있다. 한국에너지연구원제주글로벌연구센터는 2012년부터해수열을이용한 20RT급히트펌프실증사이트를구축하여운영중이다. 실증운전결과를기반으로제주글로벌연구센터전체의냉난방부하를담당할경우에대한경제성분석을수행하였으며그결과연간 560만원의에너지비용절감이예측되었다. 산업체와열병합발전설비등에서는수증기를포함한중저온배가스가다량배출된다. 배가스에포함된황과같은부식성분에적절히대응할시수증기의잠열회수까지가능해지면서 30 이상의폐열을안정적으로회수할수있다. 배가스열회수를위한물유동층열교환기와 70 이상의온수를생산하는히트펌프시스템개발연구가 2010년부터 2013년까지진행되었다. 개발기술을산업용보일러공급수가열에 활용하는실증사이트가 2013년청주의식품공장구축되어현재까지운영중에있다. 실증운전결과보일러의총합열효율이약 8% 정도개선되었으며투자비회수기간은 3.5년으로분석되었다. 산업공정에서사용되는열원중에서 사이의저온스팀은높은비중을차지하기에공정폐열을이용하여저압스팀을생산하는히트펌프개발요구가지속적으로존재해왔다. 히트펌프기술개발은주로온수생산을중심으로진행되어왔기에스팀을생산하는히트펌프를개발하기위해서작동냉매의선정부터시스템전반에걸친설계가진행되었다. 저압스팀생산을위해서냉매는해당온도영역에서상변화온도를가지고물리적및화학적으로도안정적이어야한다. 여러후보냉매들중 R245fa 를최종냉매로선정하여시스템설계를진행하였다. 스팀히트펌프개발연구는한국에너지기술평가원의지원으로진행중이며 2017년산업공정에실증사이트를구 34 기계저널

6 THEME 01 그림 6 배가스열회수 - 고온히트펌프실증시스템설계및구축 축하는것을목표로하고있다. 열에너지네트워크실증기술개발한국에너지기술연구원은히트펌프등의열에너지네트워크단위구성요소뿐만아니라실증사이트설계및운영을위한기반기술개발도수행하고있다. 대상사이트의에너지원분석, 에너지사용패턴분석, 에너지가격분석등의과정을거쳐열에너지네트워크관리모델이도출된다. 이러한과정들을커뮤니티단위로적용하기에앞서한국에너지기술연구원을대상으로한열에너지네트워크실증모델수립을진행하였다. 에너지원에있어가장큰특징은연소배가스실증설비발전설비가연구원전력계통과연결되어있는점이다. 발전과정에서는다양한열이발생하기때문에이를연구원열에너지네트워크로활용하는전략이선정되었다. 에너지경제성평가를통해최종 두개의활용모델이제안되었으며이중추기스팀을활용하는모델에대한소규모실증사이트구축연구가진행되고있다. 연구원에는여러에너지관리시스템이있으며이중건물공조설비관리시스템 (Honeywell EBI), 발전설비관리시스템 (Siemens PCS7) 및전력관리시스템 (Honewell Niagara) 이주요관리시스템이다. 각시스템들은필요에의해개별적으로설치되어운영되고있다. 이러한이유로전체에너지사용현황분석에어려움이존재한다. 에너지사용패턴분석은최적에너지관리에서중요한요소이기에에너지관리시스템정보의통합화작업이선행되어야한다. 데이터접근이공통의 Ethernet 을통해가능하도록각관리시스템의프로토콜을수정하였으며전력 ( 외부 + 내부발전 ) 과열에너지 ( 공조부하 ) 관련운전데이터를실시간으로통합관리하는데이터서버를구축하였다 (InSQL , Vol. 56, No. 8 35

7 THEME 01 열에너지네트워크개념및연구현황 그림 7 한국에너지기술연구원에너지통합관리웹서버구축현황 RTDB). 에너지정보의가시화와연구자의데이터접근성을확보하기위해 Oracle SQL 기반의 DB를추가하였다. 에너지를모니터링과정보다운로드가가능한웹서버를구축하여연구원내부망을통해서필 요정보에접근할수있게하였다. 향후웹기반하드웨어제어기능과에너지시뮬레이션기능을추가하여에너지최적관리가가능하도록할계획이다. 36 기계저널

8 THEME 02 산업용열네트워크와스팀히트펌프 THEME 02 김민수서울대학교기계항공공학부교수 ㅣ minskim@snu.ac.kr 이글에서는열에너지네트워크의산업부문으로최근주목받는스팀히트펌프기술을소개하고자한다. 스팀히트펌프소개 히트펌프란일반적으로에어컨과같이냉동사이클을이용하여냉방및난방을할수있는장치를말하는데여기서는미활용온수를이용하여증기를생산하는스팀히트펌프를소개하고자한다. 먼저히트펌프의기본구성요소는압축기, 열교환기 ( 응축기, 증발기 ) 및팽창기이고시스템내부는열교환매체인냉매로채워진다. 작동원리는압축기에서기체상태의저온 저압의냉매를압축시켜고온 고압으로만들고응 그림 1 히트펌프의기본원리 축기를통해외부로열을방출한다. 이후응축된액상용되고있다. 이처럼스팀을많이이용하는이유는스냉매를팽창시켜압력과온도를낮추고증발기에서팀의잠열을이용할수있기때문에공정중에열원의외부로부터열을흡수하여다시기체상태로압축기온도를안정적으로확보할수있고증기가응축될때에공급함으로써사이클을형성한다. 히트펌프의장의잠열을이용할수있기때문이다. 다양한영역에서점은원하는상대적고온의열에너지를공급하기위스팀이사용됨에도불구하고일반적으로산업현장에해상대적으로온도가낮은열원 ( 공기열, 수열, 지열, 서는타현장과열관리를연계하지않고있기때문에태양열, 하수열등 ) 을이용할수있다는점이다. 이용가치가충분히있는고온의온수를버리기도한산업공정에서요구되는열원은스팀의형태로공다. 이때문에다양한온도영역의온수를의미있게이급되는경우가많다. 스팀은식품, 제지, 화학, 석유정용할수있도록산업용열네트워크를구축하는것이제, 금속가공, 시멘트, 전기제품, 플라스틱및고무제중요하며, 이는에너지저감및 CO 2 배출감소에크게품, 유리제품, 섬유, 수소개질등다양한영역에서이기여할것으로예상된다. 산업용열네트워크를구축 , Vol. 56, No. 8 37

9 THEME 02 산업용열네트워크와스팀히트펌프 그림 2 보일러를이용한스팀공급과히트펌프를이용한스팀공급 하기위해서는다양한온도의온수를이용할수있는히트펌프가중요한역할을할것으로예상된다. 특히산업공정이후에생기는다량의고온수는공정중생기는이물질등이섞여직접적인이용가치가떨어지지만히트펌프의열원으로이용하게되면간접적으로열공급을할수있게된다. 스팀히트펌프는이와같은공정에서나오는온수를열원으로활용하여스팀을생산하는장치이다. 스팀히트펌프를이용하면기존의보일러를이용하여스팀을만들고공정후폐기되는고온수를냉각탑에서냉각한후에방류하는시스템을히트펌프시스템하나로단순화시키고이를통해에너지절감효과를기대할수있다. 스팀히트펌프의원리스팀히트펌프를가장먼저상용화한곳은일본의고베제강이다. 고베제강의스팀히트펌프모델은기존의압축기, 응축기, 팽창기, 증발기로이루어진히트펌프에플래시탱크가더해진형태이다. 플래시탱크는응축기에서열교환되어나온온수가감압되면서생기는온수와증기의혼합된형태를분리하여저장하는역할을하게된다. 이는플래시탱크없이히트펌프만으로구동하였을때응축기출구에서스팀만나오도록제어하는것이어렵기때문이다. 분리된온수는다시응축기에서열교환을하고생산된증기 그림 3 일본고베제강의스팀히트펌프사이클개략도 는수요처로공급되며사용된증기의양만큼시수로채우게된다. 이러한과정을통해얻을수있는증기의온도는약 100~120 정도인데더높은온도의증기를얻기위해서는증기압축기로재가압 (MVR: Mechanical Vapor Recompression) 을하기도한다. 스팀히트펌프는우리가생각하는일반공기열원이나수열원으로구동하게되면열원온도 ( 약 25 ) 와목표온도 (120 ) 의차이가크기때문에효율이제법낮다. 따라서 50~60 또는그이상의폐열원을이용하는것이필수적이고열원의온도및양이증가할수록적은압축일로많은스팀을생산할수있다. 해외개발시스템의특징 2012년, 일본의고베제강 (KOBELCO) 과일본전력중앙연구소 (CRIEPI) 가공동개발한 스팀생산히트펌프 (SGH) 가 120, 165 의증기생산을목표로최초로상용화된바있다. CRIEPI 는일본의전력공사와같은기관으로, 해당연구에도쿄전력, 추부전력, 간사이전력이참가하였다. SGH 모델은도쿄, 나고야, 오사카 3개지구에서시범운영한결과, 기존가스보일러대비에너지소비량의 59.9% 를절감, 이산화탄소생성량의 73.4% 를감축, 운전비용의 55.1% 를절감한바있다. 38 기계저널

10 THEME 02 (a) (b) 그림 4 스팀히트펌프시스템사례 : (a) 일본 KOBELCO ; (b) 프랑스 EDF 현재일본내미쯔비시 (MHI), 마예카와 (Mayekawa), 후지 (Fuji) 등도시제품을선보인바있다. 한편으로일본경제산업성산하의신에너지산업기술종합개발기구 (NEDO) 에서도, 2010~2014 년스팀히트펌프연구과제를진행한바있다. 같은해, 프랑스의전력공사 (EDF) 또한주도적으로 Very high temperature heat pump 라는명칭의시제품을선보인바있다. Arkema, CIAT, Clauger( 프랑스 ), Danfoss( 덴마크 ) 등의회사가참여한프로젝트로, 일본의 SGH 모델의타겟온도와달 리 140 의스팀을만드는것을목표로하고있다. 국내연구개발동향현재국내에서는스팀히트펌프관련연구과제들이다양하게진행되고있다. 건물용 / 산업용열에너지네트워크적용단위시스템개발 과 산업공정용 120 이상스팀공급이가능한 300kW 급고온토출형히트펌프개발 을말하며, 정부출연연구소는압축기와열교환기등구성요소에대한연구를, 기업에서는실증연구를, 대학에서는해석연구및실험연구를진행하고있다. 한국에너지기술연구원은고온고압시스템을위한 그림 5 국내대학에설치된스팀히트펌프실험장치 압축기, 오일, 열교환기의신뢰성설계를연구하고있다. 최근엔내부열교환기가적용된시스템의성능개선을연구한바있다. 한국기계연구원은고온에서 2 상냉매와 2상물사이의열전달특성연구와, 스팀저장탱크의기본설계를연구하고있다. 한국생산기술연구원의경우, 사이클의해석연구를통해주요변수의영향을확인하고있다. 참여기업들은다양한실증시스템을제작하여기본연구결과를토대로응용방안을모색하고있다. 국내대학의경우스팀히트펌프사이클에대한해석을진행하고있다. 고온부열원과저온부열원의온도차이가크고, R245fa 냉매의포화증기곡선특성상많은과열도를필요로하는스팀히트펌프사이클을보완하기위하여, 캐스케이드사이클, 증기인젝션사 , Vol. 56, No. 8 39

11 THEME 02 산업용열네트워크와스팀히트펌프 그림 6 성능향상을위한다양한스팀히트펌프 : (a) 캐스케이드사이클 ; (b) 증기인젝션사이클 ; (c) 후단팽창증기인젝션사이클 ; (d) 플래시탱크증기인젝션사이클 그림 7 압력 - 엔탈피선도에나타낸다양한스팀히트펌프 : (a) 캐스케이드사이클 ; (b) 증기인젝션사이클 ; (c) 후단팽창증기인젝션사이클 ; (d) 플래시탱크증기인젝션사이클 이클등을제시하고해석연구를진행하고있으며, 스팀히트펌프실험장치를구축하여성능을실험하고있다. 스팀히트펌프시스템의성능향상 (1) 기본스팀히트펌프사이클의개선기존에상용화된모델의경우기본히트펌프사이클에증기인젝션과, 재열기가더해진형태이다. 증기인젝션사이클이란, 응축기를통과한일부냉매흐름을증발기를거치지않고압축기로되돌리는사이클 을뜻한다. 이를통해압축과정을 2단으로나누어, 사이클의효율 ( 성능계수 ) 을높이고열용량을증대시키는효과를얻을수있다. 종류로는내부열교환기를이용한증기인젝션, 플래시탱크를둔증기인젝션등이있다. 팽창밸브를내부열교환기의전단과후단에놓는것또한다른성능특성을보여준다. 다른방식으로는캐스케이드사이클이있다. 캐스케이드사이클이란, 다수의히트펌프사이클을직렬로두어, 한사이클의증발기가곧다른사이클의응축기와열교환하도록하는것이다. 이또한압축일을줄여주고, 열용량을늘리는효과를얻을수있다. 하 40 기계저널

12 지만이와같은복합사이클들은증기를생산하는고온범위에서의연구는아직초기단계에있어, 해석및실험연구가지속적으로수행되어야한다. (2) 스팀히트펌프에사용되는냉매의선정기존의히트펌프사이클은공기열원을이용하여고온의온수를만들기위해 HFC-134a 냉매등을사용해왔으나, 스팀히트펌프는 120 의스팀을만들기위해해당온도범위에적절한 HFC-245fa 냉매가사용된다. HFC-245fa 냉매는저온영역에서동력발생을위한유기랭킨사이클 (ORC) 의냉매로도최근주목받고있다. 또한, HFC-245fa 의대체냉매로서, 대기중에서분해가쉬운 HFO-1234ze(Z) 의도입도고려되고있다. (3) 스팀히트펌프구성요소해당온도범위에서의압축기와열교환기등냉매사이클의구성요소들에대한연구는세계적으로초기단계에있어, 다양한연구가필요한실정이다. 냉매오일의사용이필수적인스크류, 스크롤등용적형압축기가아닌터보용압축기가주목받고있으며, 스팀저장탱크 (Flash Tank, Phase Separator) 에대한연구도필요하다. 스팀히트펌프시스템에서의성능에영향을주는주요변수들로는냉매량, 압축기속도, 열원온도등이제시된바있다. 장치가바로스팀히트펌프이다. 스팀히트펌프를이용하면기존의보일러를이용하는것에비교하여열에너지의이용효율이좋아지고, 시스템도단순하게만들수있다. 스팀히트펌프는세계몇나라에서선제적으로제작하여시장을열어가고있다. 우리나라의경우에도국책연구과제를통하여고난도의기술을개발하고있으며산학연이연계하여시제품개발및실증단계까지연구를진행하고있다. 다양한열원을이용할수도있고, 생산되는스팀의온도도필요에따라변화시킬수있는유용한기기의개발이요구되며, 이에따른냉매압축기의개발이제일핵심적인요소이다. 이러한스팀히트펌프기술이완성되면, 주로고온영역에서의고온수제조, 스팀제조등에다양하게응용될수있으며, 더나아가서는거리가떨어져있는공장, 단지, 지역사이에서서로다른온도의열을주고받을수있는열에너지네트워크의구성이가능할뿐만아니라, 이를통해열에너지를보다합리적으로이용할수있는시대가도래할것이다. THEME 02 맺음말 산업공정에서요구되는열원으로서는스팀이매우좋고, 또한공정에서상대적으로온도가낮은온수가다량으로배출되는경우가많다. 스팀이좋은이유는스팀의잠열이크고, 스팀으로부터열을공급받는상황에서스팀의 ( 상변화 ) 온도가거의변하지않기때문에온도의안정성을확보할수있기때문이다. 이러한미활용온수를이용하여다시스팀을만들수있는 , Vol. 56, No. 8 41

13 THEME 03 건물용열네트워크에서의축열시스템 이동원한국에너지기술연구원신재생에너지연구본부책임연구원 ㅣ 이글에서는건물용열네트워크에서효율적으로사용될수있는열에너지저장 ( 축열 ) 시스템에대한설명을하고, 이용사례및전기에너지저장시스템과의간단한비교를하였다. 건물에서소비되는에너지중 50% 이상은냉난방및온수급탕에이용되는열에너지라고알려져있다. 따라서건물에서의에너지관리는전기에너지분야외에열에너지분야에서도매우중요한데, 건물에너지관리 (BEMS: Building Energy Management System) 라고하면전기에너지분야만을다루는것이일반적이다. 물론열에너지를생산하는열원기기로서전기압축식히트펌프와전기온수기만을사용한다면, 전기에너지관리를통해열에너지를포함한모든건물에너지관리를할수있게된다. 그러나가스보일러또는신재생에너지나미활용에너지이용설비등과같이전기에너지와큰연관이없는열원기기를이용하는경우에는열에너지를관리하는기술이별도로필요하다. 또한열병합발전등을이용한지역난방과같이열및전기에너지에대한관리가동시에필요한경우도점차증가하고있으며, 일정지역에열원기기를집중적으로설치하고인접한복수의건물들에열에너지를공급하는구역난방 (block heating) 이나대형건물에의열에너지공급은전기에너지공급과는다른열네트워크관리를요구하고있다. 전기에너지관리에서일정시간전기에너지를저장하였다가공급하는 2차전지 (battery) 가중요한역할을한다면, 열에너지관리에서는축열시스템 (thermal energy storage) 이그역할을담당한다. 통칭하여에너지저장시스템 (ESS: Energy Storage System) 이라고할수있지만, 역시 ESS라고하면 2차전지에대해서만다루는것이일반적이므로열에너지저장은축열시스템이담당한다고분리하여설명하는것이좀더명확하다. 이러한축열시스템은, 전기에너지분야에서의 2차전지와마찬가지로, 열에너지의수요와공급사이에발생하는시간적, 양적격차를해소하는데기여한다. 이외에열원기기가부하변동에따라대응하지않고정격운전을가능하게함으로써열원기기의열적성능을향상시키는데에도기여한다. 부하변동에따른인버터운전이가능한열원기기가많이보급되고있지만, 부하율에따른열적성능의변화는불가피하기때문에, 이러한축열시스템의도입은매우긍정적인효과를나타낸다고할수있다. 건물공조용축열시스템최근중소규모건물에서의냉난방공조는이른바시스템에어컨이라불리는복수의실내기가연계된멀티히트펌프를이용하는사례가증가하고있다. 부하에대한대응력이상대적으로우수하고작동이쉬우며별도의기계실을마련하지않아도되는등소비 42 기계저널

14 그림 1 심야전력이용축열시스템의기능및설치예 자가선호할수있는요건을갖고있기때문이다. 또한사후관리체계가잘갖추어져있는대기업제품이대부분이어서 A/S도만족스럽다는점도큰장점이라고할수있다. 그러나이러한전기압축식멀티히트펌프의보급확대는냉난방을위한주간시간대전력부하를증가시키며, 공기열원이용에따른특히, 겨울철난방성능저하가우려되는단점이있다. 또한열에너지기기는대형일수록효율및성능이우수한것이일반적인데, 상대적으로소형기기를사용함으로써에너지절약에역행하는측면도있다는점은고려되어야한다. 따라서중대형건물의경우중대형열원기기와축열시스템을구비하고열원기기를정격운전하여고성능운전이가능하도록하면서, 축열시스템을이용하여부하에대응하는방안이가장바람직한공조방식이라고할수있다. 물론이경우축열시스템을설치하기위한공간과운전을위한기술인력이필요하다는단점은있지만, 다양한열원기기를조합하여운용함으로써열적성능향상과에너지절약을기대할수있다. 1980년대중후반부터국내에보급되기시작한심야전력이용축열시스템은, 당초심야시간대잉여전력의소비를활성화하는기능을담당하였다. 그러나그후더이상심야시간대잉여전력이발생하지않는상황에서도이러한축열시스템의보급은장려되었는데, 그이유는주간시간대나타나는최대전력부하를 감소시키기위한것이었다. 주간시간대에최대전력부하가대체로해당시간대냉난방공조용열원기기의운전에의한것으로판단되기때문에, 전력부하가적은심야시간대에공조용열에너지를만들어저장해두었다가주간시간대이용하도록하는축열시스템은최대전력부하저감에직접적으로큰도움을주게된다. 최대전력부하의저감은전력부하평준화에기여하여발전소의건설을억제하기때문에, 최근과같이발전소건설이여러가지이유로사회적문제를야기하는상황에서는축열시스템이매우중요한전력수요관리수단이라고할수있다. 심야전력을이용하는공조용을포함한모든축열시스템에서는축열물질의선정이매우중요하다. 단위부피당열용량이크고안정하며저가여야하는등축열물질이갖추어야할특성은매우많고관련된기술개발도꾸준히진행되었지만, 가장대표적인축열물질로이용되는것은물 (water) 이다. 물은 0 에서 100 까지냉난방공조에필요한수준의온도에서사용될수있고, 축열물질이갖추어야할대부분의특성을갖고있기때문이다. 다만밀도가좀더컸으면하는것과냉방에사용할수있는온도범위가더넓었으면하는아쉬운점은있다. 이러한물의단점을극복하고열용량을보다증가시키기위해잠열재 (phase change material) 를이용하는방안이꾸준히시도되고있지만, 냉동탑차등특정한분야를제외하고는거의이용되고있지않은실정이다. 이는잠열재가상변화시저장하는열에너지는크지만현열저장영역에서는물보다열용량이적으며취급에주의해야할점이많은등여러가지단점을수반하고있기때문이 THEME , Vol. 56, No. 8 43

15 THEME 03 건물용열네트워크에서의축열시스템 다. 따라서얼음을이용하는빙축열시스템외에는공조분야에잠열재가거의활용되고있지못하다. 최근에냉방용및난방용잠열재를축열조내각각적정량을충진하여건물에서요구하는냉난방부하량에적합한수준의냉난방용열에너지를저장할수있는축열시스템이개발되어실증운전을준비중에있다. 축열시스템설치에따른초기투자비증가와공간활용성의저하라는단점만받아들일수있다면, 축열시스템을이용한건물공조시스템은적극권장되어야할설비이다. 그러나초기투자비및공간활용성에민감할수밖에없는건물주와실제공조를활용하는사용자가다른경우가대부분이어서, 건물공조용축열시스템의보급은정체상태인것이사실이다. 보다적극적인축열시스템보급정책이필요한시기이다. 구역냉난방에서의축열시스템구역냉난방이란국내광범위하게보급되어있는대규모지역난방시스템과는다르게, 소규모지역단위또는초대형건물이나건물군 (complex) 을대상으로열에너지를공급하는시스템을일컫는다. 국내에서도건물복합단지등에열에너지를공급하기위해중앙에기계실을갖추고생산된열에너지를배관망을통해각지역에공급하는사례는많고, 관련된기술적노하우도축적되어있다고할수있다. 다만이러한시스템의열적성능을향상시켜에너지절약에보다크게기여하기위해서는운전방식과그결과에대한분석과피드백을통해기술적진보를이루어나아가야하지만, 대부분의경우자사의노하우나영업비밀등의이유로운전데이터가공개되지않는경우가대부분인것은매우아쉬운점이다. 에너지소비가많은대형건물위주로열에너지는물론전기에너지의사용량과효율적에너지이용을위한개별적인노력등이적극적으로공개되고공유되어야, 국가적인에너지절약과기후변화대응노력에기여할수있을것이다. 화석에너지가아닌신재생에너지와계간축열 (seasonal storage) 시스템을기반으로단위지역에열에너지를공급하는구역냉난방시스템이충북혁신도시내진천수질복원센터인근에조성되고있다. 어린이집부터고등학교까지다양한규모를갖는 6개의공공건물에열에너지를집단적으로공급하는사례로서, 미래창조과학부친환경에너지타운시범사업의일환이다. 친환경에너지타운사업이란주민기피시설에친환경에너지설비를구축하고에너지를생산하여그이익을지역주민에게되돌려줌으로써, 화석에너지사용을절감하고님비현상을극복하기위한범정부사업이다. 미래창조과학부는진천친환경에너지타운에신재생에너지융복합시스템을구축하여열및전기에너지를자립하는시범사업을추진하고있다. 이시범사업에서는태양광발전, 태양열, 지열원 / 수열원히트펌프, 연료전지등다양한신재생에너지설비를설치하여에너지를생산하게되는데, 전기에너지의경우수요량만큼생산하되직접이용하지않고매전하여그수익을통합시스템의유지관리비및지역발전에활용하고, 열에너지는직접이용하는것을목적으로하고있다. 신재생에너지설비의융복합이용을통해열에너지를생산하고계간축열시스템을이용하여연중안정적으로공공건물에열에너지를공급하기위한국내최초의구역냉난방시스템이라고할수있다. 진천친환경에너지타운에서는약 1,600m2규모로설치되는태양열설비가열에너지생산의중심이며, 50RT(175kW) 규모의지열원설비가보조열원으로써설치된다. 기상상태에의존하는수동적 (passive) 설비인태양열설비는히트펌프와같이필요시동작시킬수있는능동적 (active) 설비를반드시보조설비로갖추어야하기때문이다. 이외에약 4,000m3용량의계간축열조는여름철잉여열원을저장하였다가겨울철난방및온수급탕에이용하는데활용될예정이다. 계간축열조에서공급되어건물의난방및온수 44 기계저널

16 신재생전기에너지 태양열 지열 신재생열에너지 THEME 03 태양전지 연료전지 하수열 전력판매 계간축열조 난방 급당공급 전기공급 냉방공급 친환경에너지타운 그림 2 진천친환경에너지타운의신재생에너지이용개념도 급탕에이용된후환수되는약 40 수준의열에너지는수열원히트펌프를이용해승온시켜저장또는공급될예정인데, 이는약 15 의지열원을이용하는지열원히트펌프보다더높은열적성능을나타낼것이므로열에너지다단계 (cascade) 이용의모범사례가될것으로전망된다. 이밖에약 200m3용량의소규모축열조는버퍼축열조로써, 익일의난방또는냉방을위하여심야시간대에지열원및수열원히트펌프가운전될수있도록하는전력부하평준화의도구로써이용될것이다. 결국구역냉난방방식의친환경에너지타운에서축열시스템은신재생에너지설비의이용에필수적임은물론, 국가적전력부하평준화에기여하며, 수요자의운전비용을절감하는데도기여하는다양한기능을수행하게된다. 전기에너지저장과열에너지저장의비교최근 ESS, 즉 2차전지에대한관심이증대되면서 관련기술개발및보급확대를위한다양한정책이제시되고있다. 미래창조과학부의기후변화대응 6대기술에 2차전지기술이포함되어있으며, 신재생에너지관련기술개발분야에도해당내용이포함되어있고신산업으로서도주목받고있다. 풍력발전이나태양광발전과같이기상상태에따라출력이변화되는수동적전기에너지생산설비를독립적으로이용하는경우에는 2차전지이용이불가피할수있으나, 이들설비를계통연계하는경우 2차전지가이들설비에서어느정도중요한요소기기인지는의문이다. 휴대폰이나하이브리드자동차를포함한전기자동차와같이독립적으로전기에너지를사용해야하는설비에서는 2차전지가매우중요한기기이지만, 그외계통연계된상태에서는 UPS( 무정전전원장치 ) 나전력안정용의기능외에는큰의미가없기때문이다. 최근에는관련기술발전을촉진하고산업화를극대화하기위해이러한소규모이용에서벗어나국가적인전력부하평준화에도 2차전지의활용이시도되고있다. 그러나주간시간대최대전력부하가대체로 , Vol. 56, No. 8 45

17 THEME 03 건물용열네트워크에서의축열시스템 그림 3 일본닛산의 Leaf 전기자동차및이용되는 24kWh 급배터리 냉난방을위한열에너지사용에기인한것이라는주장이정확하다면, 이를억제하기위해 2차전지를이용하기보다는열에너지저장을위한축열시스템이용을촉진하는것이우선이라고생각된다. 축열시스템은 2차전지보다기술적난이도가낮고이미보급되어효과를발휘하고있는사례가많아전력부하평준화에보다직접적으로기여할수있기때문이다. 단지축열조설치에따른공간활용성문제로도심지역의일부건물에서는활용가능성이낮을수있겠으나, 그외대부분의경우에서는 2차전지가수행하려는전력부하평준화역할을충분히수행할수있으며, 기술적인면이나경제적인면에서도보다유리할것으로판단된다. 축열시스템과 2차전지를직접적으로비교하기위하여한국전력에서인정하는최소 150RTh 이상용량의수축열시스템을고려해보았다. 축열조크기가 50m3이면냉열과같이 10 온도차 (5 ~15 ) 를이용하는경우약 165RTh(580kWh) 의열에너지를, 그리고온열과같이 15 온도차 (40 ~55 ) 를이용하는경우약 250RTh(872kWh) 의열에너지를저장할수있다. 냉방용및난방용히트펌프의 COP를각각 3.5와 3.0으로가정한다면, 해당축열조는 170kWh ~ 290kWh 의용량을갖는 2차전지라고할수있다. 소형승용차수준의전기자동차가약 20kWh 의 2차전지를이용한다고알려져있으므로, 50m3규모의수축 열조는이러한 2차전지 10개내지 15개의역할을하는것으로추정할수있다. 만약빙충진율 80% 의 50m3빙축열조를이용하여냉열을고밀도로저장한다면, 이빙축열조는약 1,300kWh 용량의 2차전지를대신한다고할수있다. 제언건물및건물군이나지역단위공조용열에너지네트워크의이용이증가함에따라축열시스템의중요성은증대하고있다. 이러한열네트워크에서중요한것은열원기기와축열시스템의효율적운전을위해적절한관리와제어가제대로이루어져야한다는점이며, 이러한측면에서이들을관리하는기술인력은매우중요한위치를차지한다. 공조시스템에대한적절한관리와운전기술의향상은에너지절약에크게기여하기때문이다. 아울러관련된기술인력들은운전방법및그결과에대한기술적정보를공개하고서로공유함으로써에너지절약은물론국가적기후변화대응정책에도적극참여해야할것이다. 한편 2차전지를이용한최대전력부하저감이최근추진되고있으나, 축열시스템과의효용성을비교하여부분적으로실행되는것이바람직하다는의견을제시하고자한다. 46 기계저널

18 THEME 04 공정산업에서에너지네트워크최적화사례 THEME 04 윤문규 인포트롤테크놀러지기술연구소과장 김원호 인포트롤테크놀러지대표이사 ㅣ mkyoon@infotrol.co.kr ㅣ weonhokim@infotrol.co.kr 에너지다소비산업에서에너지절감은생산원가경쟁력제고에매우큰영향을미친다고할수있다. 특히, 기후변화협약을중심으로한환경규제는제조업체경쟁력확보에심각한위협으로대두되고있으며, 지속가능한성장을위해서는에너지절감및효율적관리가필요불가결한요소로대두되었다. 이에이글에서는공정산업에서에너지네트워크를구성하고최적화기술을적용하여에너지를체계적으로관리하고, 절감하는방법에대하여논하고자한다. 산업화가진행됨에따라오늘날많은국가에서에너지수요가급격히증가되고이에따라에너지비용증가가가속화되고있다. 석유화학과같은공정산업에서에너지비용은기업운영의매우큰부분을차지하고있지만원부재료및최종제품과비교하여관리가비교적미흡한실정이다. 또한전세계적으로온실가스감축에대한관심이높아지고있고기업의사회적책임요구가증대되는시점에서기업의온실가스감축의무부담에대비한기업경쟁력확보를위해에너지저감노력이절실하다. 공정산업에서에너지를저감하는방법은다음 5가지가있다. 1. 공정최적제어를통한에너지사용량감소 2. 에너지관리시스템을활용한에너지저감활동 3. 에너지네트워크최적운영 4. 설비효율관리 5. 미활용에너지회수상기방법중에서에너지공급최적화, 즉에너지요구량을만족하면서에너지원단위를최소화하는방법이에너지네트워크최적운영이다. 에너지네트워크를이루는주요에너지원은전기, 열 ( 스팀, 물, 열매체 ), 연료등다양한에너지원으로구성가능하며, 구성설비로 Furnace, Boiler, Gas Turbine, HRSG(Heat Recovery Steam Generator), Turbine, Heat Exchanger, Electrical/Steam Motor, Let down Equipment, Heat Pump, Header line 등으로구성된다. 국내석유화학공장에서에너지네트워크실제운영현황및개선방안은표 1에서볼수있다. 표에열거된문제점은에너지네트워크최적화를적용하기전에현장조사를통해서도출되었다. 이러한문제점과각항목별대응방안은국내석유화학, 정유등과같은공정산업에정도의차이가있지만일반적으로유사하다고할수있다. 산업현장에서발생되는다양한문제해결을위한에너지네트워크최적화시스템은반드시다음의기능을포함하고있어야한다. 1. 에너지 Network balance - DR(Data Reconciliation) 기반의에너지 balance , Vol. 56, No. 8 47

19 THEME 04 공정산업에서에너지네트워크최적화사례 표 1 산업현장에서발생하는에너지관리문제점및개선방안 문제점 개선방안 기대효과 스팀의생산과사용 balance 불균형 Data Reconciliation을이용한 Balance 스팀의생산및사용 balance 신뢰도향상 계기오차의무관심 Data Reconciliation을이용한 Balance 측정계기관리및정확한 balance Unknown loss Unknown loss의 systematic identification 필요 Unknown loss의 identification Steam balance 에개인별편차및 Engineer load 감소및일관된결과. 단위실시간 steam balance system 구축과다시간이소요공장별실시간원단위및개선점파악 운전자부주의로인한에너지원단위상승 실시간운전감시및조치시스템구축 운전부주의방지를통한경제적효과 운전조건혹은 steam 생산및소비스팀관련설비및공정변경에따른변화시전체스팀시스템검토의 Complex-wide what-if simulator 구성 complex-wide 경제성평가어려움 현재운전이최적인지모른다 객관화된검증시스템이필요 에너지원단위감소 Exergy: Steam의효용가치를최대화 High value steam의최대활용을통한에너지네트워크최적화시스템구축하지않는다. 경제적효과 수발전단가에따른대응미흡 수발전단가를고려한최적화시스템 최적화의경제적효과 - 에너지 Loss Identification (Gross erroe detection 활용등 ) - 실시간에너지생산및소비관리 - 공장전체에너지네트워크화면제공 2. 에너지원단위이상운전감시분석 - 각공장, 공정별원단위실시간관리 - 주요설비별에너지효율관리 - 이상운전감시및분석 3. 최적화계산 - 실시간에너지요구조건에따른최적운전제시 - 최적운전효과제시 - 최적화결과를실제운전에반영 4. 운전조건변경에따른에너지 simulation - 설비및공정변경시에너지네트워크변화예측 - 단위공정의에너지저감량에따른전체효과분석 - 신규에너지 project 도출 5. 에너지표준및온실가스시스템지원 - ISO50001 지원 - 온실가스배출권거래제지원 - 에너지원단위원가관리시스템연동이러한기능을포함한에너지관리시스템은다음과 같은절차로에너지원단위절감을수행한다. 먼저공장전체 Energy Network Diagram 을기반으로하여실시간모니터링시스템을구축한다. 이는공정의기본정보를제공하는가장기초적인작업으로구축된 Network Diagram 으로부터에너지생산, 공급및소비를실시간으로파악하며, 에너지생산과소비의불일치 (Imbalance) 를추적하여계기오차및에너지 Loss 등의분석을수행한다. 에너지발란스는에너지관리, Simulation 및최적화를위한에너지원단위, 설비효율등의정확한정보를구축하는데활용된다. 이러한정보를활용하여에너지요구조건을만족하면서에너지네트워크전체에너지원단위를최소화하는최적화계산을수행하고최적운전조건을제시하여원단위절감을꾀할수있다. 기구축시스템을활용한 Simulator 를통하여운전설비변경및단가변화에대한원단위및경제적효과분석수행이가능해지고신규에너지과제경제성분석및효과검증등에활용될수있다. 또한전기와열을동시에생산하는 Co-generation Plant의경우에너지요구량을만족하면서 SMP(System Marginal Price) 단가, 에너지생산설비효율및생산단가, 그리 48 기계저널

20 그림 1 에너지네트워크관리적용순서 고운전조건을고려하여최적의생산계획의수립을통한기업의원가경쟁력확보가가능해진다. 그림 1은에너지네트워크최저운영의단별적용방안을보여준다. EnetOPT EnetOPT 는국내순수기술로개발된에너지네트워크최적화솔루션으로국내석유화학, 정유회사, 지역난방시설등에서에너지원단위절감을위해사용되어있으며그효과를입증하고있다. 특히해외에너지네트워크최적화시장 ( 태국 BCP refinery plant wide energy network optimziation and management) 에진출하여해외여러에너지네트워크최적화 Solution 들과의비교에서도전혀뒤지지않는모습을보여주며그우수성을입증하고있다. EnetOPT 는다음과같은특징을가지고있다. 1. visual modeling 으로에너지네트워크구성 - drag & drop 방식의손쉬운에너지네트워크구성 - built in model 구성 - 사용자 model 제공가능 2. Mass & Energy balance - DR 기반의 network balance - Gross error detect ion 분석을통한 imbalance 감시 system 3. What If simulation - 운전조건변화에따른에너지생산 / 소비 simulation - 신규설비추가에따른경제성분석 4. Optimization - 에너지비용최소화 - 설비효율을고려한최적운전 - 세계최고수준의 MILP 최적화엔진적용 (Gurobi Optimization) 5. 설비효율관리및원단위관리 - 설비효율계산 - 에너지원단위실시간관리 - 설비이상감시및원단위이상감시 THEME 04 이러한우수성으로인하여국내대표적인석유화학기업인한화토탈, LG화학 ( 대산 ) 및현대오일뱅크, 삼성정밀화학, BCP( 태국 ) 에적용하였으며에너지네트워크를활용한최적화를수행하고있다. 그림 2 EnetOPT 기능구성도 , Vol. 56, No. 8 49

21 THEME 04 공정산업에서에너지네트워크최적화사례 그림 3 EnetOPT 의 Imbalance 검사 system 에너지 Network Balance Plant-wide 에너지 Network 최적화 에너지원가절감을위한시스템구축시가장우선시되는작업이에너지 Net work를구성하고 Balance 를수행하는것이다. 이로써에너지비용상승요인을쉽게파악하고최적화의기초자료로활용된다. Network Balance 는 DR에기반하여수행한다. DR은각측정값혹은입력값과 Balance 값의차이를최소로하는값으로 Data를조절하는것을말한다. 하지만일부측정계기혹은입력값이계기문제나기타다른문제로인하여 Error 가크게발생되면그 Error 가전체시스템에분산되는문제를가지고있다. 이러한문제를해결하기위해서 Gross Error Detection 을이용하여측정혹은입력오류를체계적으로조절하는기술이필요하다. EnetOPT는다음과같은 Imbalance 검사시스템을구축하여 Network Balance 를수행한다. - Data filtering: freezing, Rate of change, range - Gross error Test: Global test, Measurement test - Final validation 이러한 I m b a l a nce 검사시스템으로에너지 Network 의신뢰도를높여정확한 Network Balance 결과값을제공함으로써최적화계산을수행한다. 산업현장에서발생되는최적화문제는다음과같다. - Steam Turbine 의입출력최적조건, gas turbine 의최적 load - 보일러효율을고려한보일러최적 load 분배 - 전기단가에따른전기생산및구매최적화 - Steam- 전기 Motor 최적 swing 운전 - process fuel gas 및도입 fuel oil의최적운영 - 외부 steam 도입및공급최적화등각공장의에너지요구조건을충족하면서상기문제에대한최적운전조건제시를위해 EnetOPT 는세계최고수준의최적화계산 Tool 인 Gurobi MIP 엔진을인베디드하여최적화를문제를수행한다. 이는약 250,000 개의제약조건을가진최적화문제를 5분만에계산할정도로안정적이고빠른최적화수행능력을지니고있으며 MILP모델을사용하므로 integer 조건 (On/Off) 문제에대한최적해도출이가능하다는장점을가지고있다. 또한 EnetOPT 는 GUI를통해사용자가직접최적화제약조건추가가가능하며실시간최적화및최적운전조건을제시한다. 이로써사용자에게최적의공정운전조건을 reporting 하는 Open-loop 구성또는 EnetOPT 에서계산한결과값을실제 DCS에설정값변경을통해서운전조작하는방법인 Close-loop 구성을통하여실시간최적운전 50 기계저널

22 적용이가능해진다. 다음은국내 H사에에너지네트워크최적화시스템을적용한사례를나타내었다. H 사는공장내 Complex-Wide 에너지네트워크의최적운영을통한원단위감소를위하여에너지최적화시스템과 Plant-Wide 에 그림 4 에너지네트워크최적화사례 너지관리 System 구축을추진하였다. 이를위하여자사에서개발한 EnetOPT Solution과 Web- Monitoring System 인 EMS를도입하여에너지네트워크 Balance와에너지원단위관리를수행하였다. 주요구축내용으로는주요공장 (NCC, C4, OCU, ARO, SM 등 ) Complex-Wide Steam/ 전기 / 연료에대한 What-If Simulation 및최적화수행이가능하도록 N e t w o r k를구축하고이를 O n-l i n e Monitoring하여운전감시및이상징후를관리하도록 system 을구축하였다. 구축된에너지네트워크를활용하여최적화를수행하였으며그결과로두대의 SS보일러, 한대의 HS보일러는가동하는조건하에서보일러, STG, GB201, GB501 및 Letdown 설비의운전변경을통하여최적운전을제시하였으며이를통하여연간약 22억 9,000만원의비용절감효과를얻을수있었다. 결론세계적으로에너지절약에대한관심이높은요즘공장전체의 Steam온도와압력, 소비량등을정확하 게 monitoring 하여 balance를계산하며에너지 loss를감소하고원단위를절감하는일은단연우선시되어야하는문제로대두되고있다. 이에자사의에너지네트워크 solution 은최신최적화기법및최고수준의기술을바탕으로산업현장에에너지네트워크최적운전 system 을적용하여에너지원단위절감효과를입증하고있다. 더나아가 P i n c h technology 기술을적용한에너지네트워크최적 Design을통한수요관리최적화기술개발에적극박차를가하고있다. 따라서현재적용된정유및석유화학공정에더욱폭넓게적용가능하며기타산업전반에도확대도입가능할것으로예상된다. 또한이러한최적화기술은단위기업뿐만아니라기업간에너지네트워크를통한에너지교환에서산업단지전체의통합에너지네트워크구축및최적화적용으로확대적용가능하다. 이러한접근방식을통해산업단지내에너지연계망으로연결된각기업의에너지원단위를저감하면서전체산업단지의에너지원단위를실시간으로최소화가가능해진다. 이러한에너지네트워크연계시스템구축은업종간, 기업간에너지공유의시너지효과를극대화하여상생경제를이룰수있을것이다. THEME , Vol. 56, No. 8 51

23 THEME 05 울산산업단지의에너지네트워크 박흥석울산대학교건설환경공학부교수ㅣ parkhs@ulsan.ac.kr 이글에서는울산산업단지의에너지네트워크의추진배경과전략그리고사업화현황을살펴보고, 산업단지의에너지네트워크확대를위한정책제언을하고자한다. 울산광역시는우리나라최대의산업도시로서에너지소비량은매년증가하고있으며, 2012년기준으로최종에너지소비량은 2,552만 9,000TOE 로전국최종에너지소비량 2억 812만TOE 의 12% 를차지하고있다. 특히, 에너지의 85% 이상을산업부문에서소비하는산업도시의특성을고려할때, 자원과에너지의고갈에따른국제원자재와에너지가격의상승과지구온난화와같은국제환경문제에대처하기위해서는산업단지차원의자원과에너지효율향상전략이시급히요구되고있다. 이에울산광역시는제3차국가에너지기본계획 (2008~2030) 을기반으로산업단지특성을반영한제4차울산광역시지역에너지계획 (2013~2017) 을수립하여추진중에있다. 이계획은산업단지내기업간자원에너지효율을높이기위하여산업통상자원부에서추진중인생태산업단지사업과환경부의폐기물에너지사업등을활용한지역에너지효율화사업을포함하고있다. 이글에서는울산산업단지의에너지네트워크사업을촉진시킨산업통상자원부의생태산업단지추진현황과사업수행방법을소개하고, 이사업을통해건설되어운영중인에너지네트워크사업을분석한후, 산업단지에너지네트워크의확대를위한정책제언을하고자한다. 생태산업단지사업의현황및방법생태산업단지사업의추진현황우리나라의산업단지는수출우선정책에맞추어 1960년대부터개발되어제조업을기반으로한국의경제발전을이끌어오면서, 자원과에너지가격의상승, 기후변화협약의대처및지역환경문제의개선등에시대적, 사회적요구에맞추어, 구조고도화, 자원에너지효율성제고와환경문제해결을하면서지속적으로변신해오고있다. 특히, 1992년환경과개발에관한리우선언이후에지속가능발전에대한산업분야의책임인식이확산되면서, 우리나라에서도산업통상자원부가주관하여 1994년부터자원과에너지의효율향상을통해산업경쟁력을강화하면서환경문제를동시에해결하고자청정생산기술보급사업을추진하게되었다. 그러나단위공정과단위공장차원의자원및에너지효율향상을목표로하였던초기의청정생산기술개발보급사업이안정기에접어들면서 2003년부터는청정생산기술을산업단지차원으로확대하기위한생태산업단지구축사업을추진하여왔다. 생태산업단지는먹이사슬로공생하는자연생태계의원리를산업단지에적용한것으로, 산업단지내에서발생하는부산물, 폐 52 기계저널

24 기물, 미활용에너지등을다른기업이나공장의원료또는에너지원으로쓸수있도록재자원화하여산업공생네트워크를구축함으로써산업경쟁력을높이면서오염물질배출을최소화하는친환경산업단지로정의되고있다. 국가청정센터 ( 현생산기술연구원청정생산본부 ) 는 2004년에생태산업단지사업기획연구를통해 3 단계그림 1 Management of Industrial Symbiosis Project in Korea 15년의생태산업단지구축사업마스터플랜을수립하고, 2005년부터 1단계사이연구계획서를준비한다. 이계획서는지역사업단업을추진하였다. 2006년부터는 환경친화적산업구을통해한국산업단지공단의과제평가위원회에제출조로의전환촉진에관한법률 에근거하여 에너지지되어, 심사를거쳐선정이되면사업을진행하게된원사업특별회계 를이용한 에너지정보화및정책다. 연구사업비는연구성격에따라정부예산 75% 내, 지원사업 으로한국산업단지공단이생태산업단지사지자체예산 20%, 참여기업 10% 내외에서조정이된업을주관하면서현재전국 5개권역에 12개의지역다. 연구결과는평가위원회에서투자유치가가능한사업단이운영되고있다. 울산은시범사업을시작한사업모델제시여부로평가가되며, 사업모델이상용 2004년도부터사업에참여하여현재는 3단계 (2015- 화되어네트워크가운영되면정부연구비의 20~40% 2019) 의 2차년사업을추진중에있다. 수준의기술료를산업통상자원부에납부하여에너지자원순환연구기금규정에따라연구에재투자된다. 사업수행방법생태산업단지구축사업은지역의연구기관이지역울산산업단지의에너지네트워크분석사업단을구성하여, 자치단체장의명의로 생태산업단지사업연구계획서 를산업단지공단에신청하고, 산업단지의에너지네트워크사업은폐기물에너지평가를거쳐선정되면, 산업단지공단소속의지역사네트워크와산업체간의스팀네트워크로이루어져있업단으로사업을수행하게된다. 지역사업단에서수으며, 생태산업단지구축사업에의한에너지네트워행하는산업공생네트워크과제는그림 1과같이타크의성과를사업별로정리하면다음과같다. 당성연구를통한사업화 (R&BD: Research into Business Development) 방식으로관리되고있다. 폐기물에너지네트워크산업공생개별과제가지역사업단, 기업, 대학또는연폐기물에너지네트워크는폐기물을소각하고발생구기관에의해발굴되면타당성조사를위한연구팀하는폐열을회수하는사업과유기성폐기물로부터 THEME , Vol. 56, No. 8 53

25 THEME 05 울산산업단지의에너지네트워크 표 1 폐기물에너지네트워크사업화현황 세부사업명공급기업중간기업사용기업공급량 생태산업단지구축을위한소각로폐열판매및부산물재활용극대화기술개발 유성 - 한국제지 10ton/hr (8~12) 울산광역시소각시설스팀네트워크타당성검토울산시성암소각장 - 효성용연 2 공장 34ton/hr 현대중공업소각시설스팀네트워크타당성검토현대중공업 - 현대자동차현대하이스코 20ton/hr (17.5/2.5) 산업폐기물소각열원을이용한스팀네트워크구축사업범우 - 대한유화 20ton/hr 화학섬유제조업의유기성슬러지및유기폐액혐기소화에너지네트워크구축 효성울산공장 - 효성울산공장 - 울산성암소각장고압스팀공급사업보일러열정산검토 울산시성암소각장 효성용연 2 공장코리아 PTG 효성용연 1 공장 SKC 32ton/hr 울산광역시유기성폐액바이오가스화신규시설을이용한에너지네트워크구축사업 울산시온산하수처리장 - 한국제지 3.8ton/hr 7 개에너지네트워크사업 / 18 개사 7 개사 2 개사 9 개사 출처 : 한국산업단지공단울산 EIP 사업단 119.8ton/hr (118~122) 바이오가스를회수하는사업으로나눌수있다. 울산국가산업단지에서는생태산업단지구축사업을통해표 1과같이폐기물소각에의한스팀네트워크사업 5건 ( 성암소각장, 유성, 범우, SK케미칼, 현대중공업소각시설 ) 과 2건의바이오가스에의한스팀네트워크사업이이루어졌다. 특히, 울산시성암폐기물소각시설에서회수한폐열을 효성용연공장에공급하는스팀네트워크사업은 2단계에걸쳐총 76억원의공사비를들여스팀배관시설 2.4km, 순수저장탱크, 스팀분배기등을설치하고운영중에있다. 이사업을통해울산시는 2011년총 17만 4,976톤스팀공급, 50억원의수익을창출하였고, 2013년 32만 9톤, 2014년 34만 9,283톤의스팀을공급하여각각 105억원, 119억원의수익을올렸다. 효성 ( 주 ) 또한이사업을통해연료사용량 (B-C유) 1만 8,850톤 / 년을절감하는경제적성과와 CO 2 4만 5,500톤 / 년과 SO 톤 / 년을절감하는환경적성과도거둘수있었다. 뿐만아니라저렴한스팀을확보한효성이 1,500억원을투입하여 TAC 필름공장을신설함으로써, 140명의 신규고용을창출하는사회적성과도확보할수있었다. 7건의폐기물에너지네트워크사업을통해총 178억원의비용절감과 181억원의신규매출이발생하여연간총 358억원의경제적이익이발생하고있으며, 총 3,150억원의신규투자가이루어졌다. 뿐만아니라 7건의네트워크를통해 5만 8,188TOE 의에너지가절감되어, 연간 15만 2,423톤의 CO 2 가절감되는환경적성과를거두었다. 특히, 울산시의환경기초시설인성암소각장과온산하수처리장을이용한에너지네트워크사업은공공기관과민간기업이민관협력을통해수행한모범적에너지네트워크사업으로타자치단체에도벤치마킹되고있는것으로조사되었다. 산업체간스팀네트워크생태산업단지사업을통해산업단지에서개발된스팀네트워크는기업간스팀최적화사업 3건, 공정폐열을활용한사업 3건으로, 사업주체별로는표 2 와같이개별기업 3건과집단에너지사업자 3건으로 54 기계저널

26 표 2 산업공정스팀네트워크사업화현황 개별기업 집단에너지 세부사업명공급기업중간기업사용기업공급량 용연공단내유틸리티재구성을통한기업간스팀네트워크구축사업 KP 케미칼한솔 EME 코리아 PTG SKC 60ton/hr (20/20/30) 무스프탈산제조공정반응열을활용한스팀네트워크애경유화한주에보닉헤드워터스 15ton/hr 울산미포국가산단 ( 매암지역 ) 내스팀스왑을통한에너지네트워크구축 태광석유 1 공장 SK 에너지효성울산공장 35ton/hr 제지및제련기업간 CO2 및스팀네트워크구축사업고려아연 - 한국제지 제련공정배열을활용한온산비철 3 단지소규모에너지및온수공급네트워크구축 고려아연 - GS 에코메탈한원정밀화학 65ton/hr (50~80) 11ton/hr 용연공단스팀하이웨이구축사업 SK 케미칼 - SK 에너지 100ton/hr THEME 05 6 개에너지네트워크사업 / 17 개사 7 개사 3 개사 7 개사 출처 : 한국산업단지공단울산 EIP 사업단 286ton/hr (271~301) 조사되었다. 이들 6개의스팀네트워크사업을위해총 776억원이투자돠었으며, 329억원의비용절감과 121억원의신규매출이발생하여연간총 450억원의경제적성과가발생하고있다. 또한, 11만 6,952TOE 의에너지가절감되어, 연간 29만 7,282톤의 CO 2 가감축되는환경적성과를거둔것으로나타났다. 울산국가산업단지의에너지네트워크현재울산국가산업단지의에너지네트워크는그림 2와같이총 68개의기업에 66개의에너지네트워크가있는것으로조사되었다. 그림의범례에서에너지관리공단 ( 에관공 ) 과울산시로표시된네트워크는두기관의자료를통해조사된에너지네트워크를나타낸것이다. 종합적으로현재조사된울산국가산업단지의에너지네트워크는집단에너지사업자에의한에너지네트워크는 39개, 생태산업단지구축사업으로개발된에너지네트워크 22개, 나머지가기업간의자발적협력에의한네트워크로이루어져있다. 특히, 생태산업단지사업에의한에너지네트워크는 32% 에이르고있어, R&BD 방식의생태산업단지사업이 에너지효율화에큰기여를하고있음을수치적으로보여주고있다. 결론및정책제언생태산업단지는산업단지내의한기업체에서발생하는부산물, 폐기물, 미활용에너지등을다른기업이나공장의원료또는에너지원으로사용하는산업공생네트워크를구축하여산업경쟁력을높이면서오염물질배출을최소화하는산업단지경쟁력제고전략으로전세계적으로널리사용되고있다. 특히, 우리나라의생태산업단지구축사업은기존산업단지를생태산업단지로전환시키는것을목적으로, 산업공생네트워크는연구개발을통한사업화 (R&BD) 전략으로추진되었으며, 울산뿐만아니라다른지역의생태산업단지사업단에서도좋은성과를거두어, 산업단지의경쟁력제고를위한전략으로전세계가벤치마킹하고있다. 그럼에도불구하고, 생태산업단지구축사업은산업단지의경쟁력을강화하고, 혁신하는창조적인사업으로발전하지못하고, 정부의일몰사업으로지정되어 2016년에사업이종료되게되어, 산업단지의에 , Vol. 56, No. 8 55

27 THEME 05 울산산업단지의에너지네트워크 그림 2 울산국가산업단지의에너지네트워크현황 너지효율화를위한후속사업의추진이매우시급해지고있다. 따라서에너지관리공단과에너지기술연구원등에너지관련기관들은산업단지를제외하고추진하여오던광역에너지네트워크사업을산업단지까지확대하여에너지네트워크사업을체계적으로재정비할필요가있다. 이를위해자치단체와함께산업단지에너지네트워크사업단을설치하고, 산업단지공단과협력하여산업단지의에너지효율개선을위한에너지네트워크사업을지속적으로추진하는것이필요하다. 한편, 국내에서다수의기업들에의해온실가스배출감축을위해다수의에너지네트워크사업이진행되고있으나, 목표관리제이후에너지네트워크를통한온실가스감축실적의 K-VER 등록불가능및온실가스의배출경계문제등으로감축실적이인정되고있지않은상태이다. 이와같이에너지네트워크사업에대한감축실적의미인정은산업분야의온실가스감축활동을크게위축시키고있어, 에너지네트워크사업으로발생하는온실가스감축실적을인정해주는제도개선이시급히필요하다. 특히, 에너지네트워크사업에의 한온실가스감축은에너지네트워크사업이참여기업의공동의노력으로이루어진것이므로감축실적내에서참여자들의협의로배분될수있도록하는제도의유연성도필요하다. 또한, 현재까지산업단지에너지네트워크사업은주로산업단지의기업간의스팀네트워크에만중점이주어져있고, 산업단지와도시지역간의에너지네트워크에대한성과는거의없는실정이다. 그러나산업단지에산재해있는 100 내외의저온 / 저압의미활용열원 ( 스팀, 온수 ) 은도시지역의난방열원으로활용가능성이매우높으므로저온 / 저압의열원에서에너지를회수하여도시지역의냉난방사업등으로연계하는 4세대광역네트워크사업의확대가필요하다. 특히, 현재저온 / 저압의열원을활용한에너지네트워크의경우, 사업성이낮으므로, 사업성을제고시킬수있도록에너지절감분에대한온실가스감축실적인정을포함한 4세대광역에너지네트워크의확산을위한정책이조속히마련되어야한다. 참고문헌 지식경제부, 산업단지온실가스감축기반구축방안연구, 한국산업단지공단울산EIP사업단, 차년도보고서, 2006~2015. 에너지관리공단, 집단에너지사업자편람, 2012, 울산발전연구원, 제4차지역 ( 신재생 ) 에너지계획, 울산대학교산학협력단, 울산지역산업단지의미활용배열을이용한광역에너지구축사업, 한국산업단지공단, 기계저널