ENERGY FOCUS 2017 여름호 임용훈에너지기술연구원책임연구원 ( iyh@kier.re.kr) 1. 서론국내지역난방사업이도입된지 30여년이지난현재, 지역난방사업규모는연판매량 19,670 천Gcal, 매출액약 4조원규모로성장하였으며국가에너지수급계획수립에있어중요한비중을차지하는대표적인에너지사업중하나로자리매김하였다. 2015년 기준, 지역난방사업은국내 1차에너지소비량의약 1.4%, 열병합발전을통한전기생산량은 17,440천 MWh로국내총발전량 (545,529천MWh) 의약 3.2% 를감당하고있다. 그러나사업도입초기부터값싸고품질좋은난방공급을표방해온국내지역난방사업은최근들어급격한대내 외적인환경변화에직면하고있다. [ 그림 1] 지역냉난방사업자의연도별에너지사용량 ( 에너지사용량 (TJ)) 180,000 160,000 140,000 120,000 +13.6% -6.8% -15.8% 100,000 80,000 60,000 141,022 160,159 149,269 125,629 40,000 20,000 0 2011 2012 2013 2014 자료 : 한국열병합발전협회 & 한국집단에너지협회, 집단에너지부문온실가스할당관련해외사례및시설특성연구, 2016.3 79
동향초점 최근 4년간국내지역난방의연도별운영현황을살펴보면 ([ 그림 1] 참조 ) 2012년도를기준으로연도별에너지사용량이점차감소추세를보이고있으며, 이는지역난방사업시장보급률정체 ([ 그림 2] 참조 ) 와더 불어기후변화의영향에따른평균온도상승, 건물단열기술발전및관련규제강화등에따른건물난방부하감소와맞물려국내지역난방시장환경에큰변화가도래하고있음을보여주고있다. [ 그림 2] 지역냉난방공급세대수및보급률추이 (1995~2014) 3,000 16 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 525 980 1,390 2,008 2,178 2,220 2,306.00 2,415.00 1995 2000 2005 2010 2011 2013 2012 2014 14 12 10 8 6 4 2 0 자료 : 한국열병합발전협회 & 한국집단에너지협회, 집단에너지부문온실가스할당관련해외사례및시설특성연구, 2016.3 이는최근온실가스배출증대에따른기후변화의영향에대응하기위해국가차원의환경규제가점차강화되고, 보다구체화되면서과거열병합발전 (Combined Heat & Power, CHP) 기술을기반으로한전통적인지역난방사업의지속가능성에대한논란이점차가속될것으로전망된다. 국내지역난방사업은 2011~2014년운영실적기준, 개별에너지공급방식대비약 20% 내외의에너지절감효과 ( 산업단지집단에너지사업은제외 ) 와 40% 내외의온실가스감축효과를거두고있는것으로분석되고있으나최근 10여년의기간동안발전및보일러분야에서의관련기술의진보와더불어에너지절감효과의지표가약 10% 포인 트이상줄어들었다는점은관련에너지시장에서시사하는바가매우크다고볼수있다. 기술적관점에서뿐만아니라사업적관점, 즉시장경쟁력측면에서는앞서언급한최근시장확대실적의부진에서볼수있는바와같이현행의지역난방사업의주력모델, 즉지역고시제에기반하여높은열수요밀도를갖는주거용건물위주의사업확대모델로는시장수용성에서한계에도달한것을의미하는여러징후들이동시에나타나고있음에주목해야한다. 온실가스배출증대로인한기후변화의영향으로국내연평균온도또한지속적으로상승, 우리나라연평균기온은지난 30년간약 1.2 상승하였으며 ([ 그 80
ENERGY FOCUS 2017 여름호 [ 그림 3] 국내온도변화추이및전망 최고기온 ( ) 평균기온 ( ) 최저기온 ( ) 연강수량 (mm) 18.1 12.5 7.7 1,307.7 19.3 13.7 +1.2 9.0 1,402.9 20.3 20.8 14.7 15.3 +2.2 +2.8 10.6 9.9 1,563.9 1,442.5 현재기후값 (1981-2010) 20 세기전반기 (2011-2040) 21 세기중반기 (2041-2070) 21 세기후반기 (2071-2100) 자료 : 기상청, 한반도기후변화전망보고서, 2012.2 림 3] 참조 ), 21세기전반에는약 1.4, 중반기에는 2.4, 후반기에는약 3 로상승하는등기후변화의영향으로인해온도상승의폭이향후더욱증가할것으로전망되고있다. 기후변화의영향으로인해 21세기말기준, 국내난방도일은현재대비약 8~25% 수준까지크게감소하는반면, 냉방도일은약 242~1,448% 까지증가할수있는것으로분석되었다. 또한난방기간은 1개월이상감소하는반면, 냉방기간은최대 2개월이상증가하는것으로예측되고있는데, 이러한외부기후변화에대한지역난방사업의근본적인대책으로전통적인난방사업영역에서냉방사업으로의근본적인방향전환이필요한시점이다. 일부국내지역난방사업자를중심으로지역냉방사업보급을통한대응책마련에나서고있기는하지만아직까지만족스러울만한뚜렷한성과를내지는못하고있는실정이다. 최근해외에서는이러한전통적지역난방모델의한 계를극복하고기후변화의시대에대비한지속가능한미래지역난방사업모델로 4세대집단에너지 (4th Generation District Heating, 4GDH) 모델을수립, 새로운에너지사용환경변화에대비하고있다. 4세대집단에너지시스템의특징을간략히요약하면기존의 100 이상의고온수를이용하는기존방식에비해 55 내 외의온도조건을이용하는지역난방모델을말한다. 이러한지역난방열공급기술의발전은열교환기기술의혁신을통해구현이가능하게되었으며, 상대적으로낮은온도차로동일한수준의열공급이가능하도록하는열교환기기술이핵심이다. 4세대지역난방모델은기술적측면에서단순히저온영역의미활용열에너지활용성을개선했다는점이상의의미를갖고있음에주목해야한다. 즉, 전통적인고온수기반의열공급시스템으로부터저온열공급시스템으로의전환은온실가스감축을위해친환경에너지공급시스템으로의전환을요구하는시대적요구에부응할수있 81
동향초점 는지역난방사업으로체질을근본적으로개선한다는의미이며, 특히기존화석에너지사용을근간으로하는중앙집중형열공급시스템으로부터신재생에너지원을포함한미활용에너지사용을극대화할수있는분산형열공급시스템으로의플랫폼전환이라는의미 를갖는다. 또한지역난방네트워크의공급온도를낮춤으로써기존의고온열 ( 열병합발전폐열등 ) 활용영역에서부터, 저온열 ( 미활용에너지및신재생에너지원 ) 영역과그중간영역을아우를수있는캐스케이드 (Cascade) 방식 1) 의단계적에너지활용이가능해진다 [ 그림 4] 집단에너지시스템세대별효율성변동 자료 : Herik Lund et al., 4th Generation District Heating(4GDH) Integrating Smart Thermal Grids into Future Sustainable Energy Systems, 2014 1) 고온 (120 ) 열네트워크의회수온수 (55~65 ) 를저온열네트워크의공급열원 (60 ) 으로활용하고, 저온열네트워크의회수온수 (25~35 ) 를패시브하우스공급열원으로활용하는등의단계적열이용방식 82
ENERGY FOCUS 2017 여름호 는점에서미래지속가능한사업모델로써의새로운성장동력이필요한현행의지역난방사업환경에매우적합한사업모델이라할수있다. 기존 3세대로분류될수있는고온열공급기반의지역난방사업모델에서도신재생에너지원을이용한지역난방열생산에너지믹스의다변화가지속적으로시도되어왔으나시장보급측면에서큰반향을일으키지는못하였는데, 그근본적인원인으로는고온의열공급조건 (>115 ) 에적합한신재생에너지원기술의가격경쟁력확보가어려웠기때문이다. 4세대지역난방모델은이러한문제를해결함에있어신재생에너지원별세부기술의진보와시장확대에따른대량생산기반의비용절감요인을기다리기보다는발상의전환을통해지역난방과신재생에너지원시스템간기술적접 목이용이하도록열공급온도수준을대폭낮추는저온열공급기술플랫폼을채택함으로써현재시점에서도시장경제성이확보된신재생에너지기술을채용할수있어지역난방기술의외연확대의계기를마련했다는점에서매우중요한의미를갖게된다. 향후패시브하우스 (Passive House) 기반의제로에너지빌딩을넘어신재생에너지원기반의에너지플러스하우스 (Plus house) 등신개념의건물에너지기술의등장과보급은관련에너지사업환경을크게바꾸어놓을것으로전망되며, 따라서친환경, 저탄소기반에너지사업으로의체질변화라는시대적인흐름에부합할수있는 4 세대지역난방모델의도입과상용화에보다적극적인관심을가질필요가있다. 본기고에서는해외집단에너지분야에서의 4세대 [ 그림 5] 저온열공급네트워크기반 Cascade 열네트워크개념도 130 90 60 25 CHP plant Industry building stock passive building solar collectors 자료 : Ralf-Roman Schmidt, Smart District Heating and Cooling Systems for a Smart City Development, 2013 지역난방기술을근간으로한최근의기술적, 정책적변화와향후전개될변화의방향에대해집어보고국내집단에너지와관련한에너지사용환경변화에적응하여적용될수있는가능성및도입필요성등에대해살펴보기로한다. 또한단순한기술의도입만으로는성공적인사업의정착이현실적으로어려우므로미래친환 경저탄소에너지환경에기여할수있는안정적인사업모델확보를위한지원정책의방향성에대해서도함께고려해보고자한다. 2. 기술동향및전망 83
동향초점 가. 해외기술동향 1) 4DH(4th District Heating) 프로젝트 4세대지역난방프로젝트는 EU에서진행되고있는산 학 연협력프로젝트로서 4세대지역난방모델의보급잠재력분석을통해지원정책마련의명분을확보하고관련한적정기술의체계적인개발을목적으로진행되고있으며, 이를통해미래지속가능하고시장경쟁력을갖춘지역난방기반의새로운에너지모델수립을목적으로하고있다. 온실가스배출저감이라는시대적현안해결을위해현재의화석연료기반의열공급기술을대체함에있어지역난방을보급하고있는주요유럽국가들의경제성장과일자리창출에도크게기여할수있을것으로기대되고있다. 본기고에서는현재진행중인 4DH 프로젝트의최근주요기술개발활동정보를바탕으로 4세대지역난방모델에대한기술동향에대해간략히살펴보고자한다. 가 ) 주요연구동향 4세대지역난방프로젝트의기술개발방향은단순한저온열공급기술개발에국한하지않고저온열공급네트워크플랫폼을기반으로신재생에너지기술과의융 복합화를통한신기술화를지향하고있다. 즉, 기존의 3세대지역난방모델인고온열공급플랫폼에서경험했던신재생에너지원기술과의연계성확보실패를교훈삼아, 시장경쟁력을갖춘, 보다비용효과적인기술간접목이가능하도록연계운전온도를획기적으로낮춤으로써막대한보급잠재력을갖는미활용에너지원을포함한지속가능한에너지공급시스템으로의전환을꾀하고있다. 4세대지역난방프로젝트의주요 연구주제로는스마트에너지시스템 (Smart Energy System), 분산형에너지 (Distributed Energy), 에너지계획수립방안 (Energy Planning and Tools), 저온지역난방네트워크 (Low-temperature District Heating Grids) 등을들수있는데, 전통적인고온열공급지역난방시스템의주요특징이라할수있는중앙집중형, 대규모열병합발전시스템, 규모의경제성및효율화전략에서탈피하여분산열원, 신재생에너지원시스템, 수요처규모에맞는적정경제성, 친환경시스템개념으로의근본적인체질개선이추진되고있다. 특히기존의에너지공급자 ( 지역난방사업자 ) 로부터수요자로의일방향의 (One-Directional) 에너지공급방식이아닌, 에너지공급자와소비자간, 혹은소비자와소비자간정보공유기반의양방향 (Bi-lateral) 에너지거래등과관련한혁신적인사업모델의적용이고려되고있으며, 이는최근국내에너지신산업육성및활성화를위한정부의정책방향과궤를같이하고있음에주목할필요가있다. 4세대지역난방프로젝트의가장주요한연구주제중하나로꼽을수있는스마트에너지시스템은최근큰이슈가되고있는사물인터넷 (Internet of Things, IOT) 기반의기술간융합및이로부터파생되는다양한기술범주를폭넓게포함하고있다. 스마트에너지시스템으로정의될수있는주요한기술적특징으로는지능형 (Intelligent) 네트워크운영, 사용자 ( 수용가 ) 와의정보공유및에너지거래, 캐스케이드 (Cascade) 에너지이용방식, 체계적이고혁신적인에너지계획수립, 스마트시티개념의대도심에너지공급체계와의접목등을꼽을수있다. 이를구현하기위한보다세부적인기술아이템으로는저온열공급시스템, 스마트미터 ( 모니터링 ) 시스템, 열저장 이용시스템, 분산형마이크로네트워크등을들수있다.([ 그림 6] 참조 ) 84
ENERGY FOCUS 2017 여름호 [ 그림 6] 스마트열에너지네트워크특성개요 Low exergy (temperature) system Return flow optimization distributed micronetworks Cascade usage of resources Strategic energy planning New financing and business models Innovative planning and financing schmes smart thermal networks Adapting legal frameworks and funding schemes Integration into the urban energy system Optimized technological combinations (CHP and HP) Balancing smart grids Plant schedule optimization New tarif systems Comfort selfdetermination Customer interaction Smart (heat) metering load shifing Intelligent network operation Supply temperature control load forecasting Storage integration and management 자료 : Ralf-Roman Schmidt, The Role of Thermal Networks in the Smart City, 2013 스마트에너지시스템기술의가장주요한기술 적특징으로는에너지네트워크운영상의유연성 (Flexibility) 확보를들수있다. 즉, 에너지네트워크 를구성하는주요개체 (Entity) 들간의연결관계와상 호작용으로인해기존일방향에너지공급시스템체계 와다른매우복잡한운영체계와, 복잡시스템에대한 [ 그림 7] 스마트에너지시스템개요도 (a) 3 세대지역난방시스템 (b) 스마트에너지시스템 자료 : Katarzyna et al., Energy Demand Flexibility in Buildings and Energy Systems, 2016 85
동향초점 [ 그림 8] 스마트에너지시스템구성예 Storage for excess power Low temperature renewable energy High temperature excess heat Heat and cooling with humidity control (seasonal) H-DisNet Multifunctional smart network different temperatures levels no thermal losses optimum recovery of waste heat and low temperature sources Medium temperature excess heat Warm air with humidity control Hot dry air for drying process Low temperature excess heat 자료 : Christian Engel, Barriers and Solutions for Implementing 4th Generation District Heating, 2016 최적화된운영솔루션도출을위해서는각요소시스템 ( 예를들어태양광, 풍력등신재생에너지원, 고효율분산형열병합발전시스템, 수요처별냉난방및전력수요변동등 ) 에대한개별최적화와병행하여전체시스템을대상으로한유연한운전제어가가능한최적화된운영관리시스템 (Smart Management System) 개발이필수적이다. 저온열공급시스템분야자체에대한기술개발동향으로는기제안된 55~60 보다더낮은온도영역대에서운전가능한모델들이제안되고있는데, 특히 40 내 외의공급온도에서운전되는초저온 (Ultra- Low) 열공급시스템에대한연구가주류를이루고있다. 저온열공급모델의시장경쟁력을확보하기위해 서는기존고온열공급모델대비동일한 ( 혹은유사한 ) 수준의열공급만족도를확보할필요가있는데저온열공급시스템에서의급탕만족도문제를해결하기위해필요시급탕공급온도를한시적으로높여줄수있는마이크로히트펌프를적용하는하이브리드방식의초저온열공급모델에대한관심이점차높아지고있다. 이러한저온열공급모델은기존고온열공급모델의기계실을중심으로한공급시스템과달리수용가세대단위의좀더세분화된형태로개발및보급이추진되고있음에유의할필요가있다. 4세대지역난방모델을근간으로한스마트에너지네트워크시스템의실질적인구현에있어가장중요한부문중하나는바로 IOT 기반의스마트미터를이용한 86
ENERGY FOCUS 2017 여름호 [ 그림 9] 초저온열공급시스템공급개요도 40 SH 25 DH Supply 40 50 DH Return 15-25 50 50 DHW 45 DCW 10 15 15 25 DH Supply 40 55 53 Heat pump Storage tank 10 DHW DH Return 20 30 40 Space heating 자료 : 1) Christian Sjφstrann Jφrgensen, Low-Temperature District Heating Grids, 2016; 2) Kasper Qvist, Increasing District Heating Efficiency with Ultra Low Supply Temperature(35oC), 2016 에너지사용모니터링부문이라할수있다. 스마트에너지시스템은다양한열공급자및사용자환경의정보를기반으로이루어지게되므로실시간에너지사용현황, 기기의고장에따른정보의오류진단, 에너지공급및수요량변동등에대한정보의모니터링이정확하게이루어지지않으면복잡한운전시스템에대한최적의운영솔루션도출자체가불가능해진다. 따라서안정적인에너지사용현황데이터의모니터링이가능함과동시에저렴한센서노드 (Node) 를구 축할수있는스마트센서시스템의중요도가점차커지고있으며, 향후관련산업규모가급격하게성장할것으로예측되고있다. 특히기존의단순한에너지사용량의월별누적량에대한모니터링수준을훨씬뛰어넘는실시간데이터모니터링을기반으로스마트센서시스템구축을통한서비스다양화가더욱중요해질전망이다. 4세대지역난방모델기반의스마트에너지시스템에서는다양한형태 ( 신재생에너지원, 열병합발전, 미 87
동향초점 [ 그림 10] 저온열공급모델세대별모니터링예 Child 1 Kitchen Child 3 Basement bath Bedroom Hall Child 2 Living Admin interface Operating Platform 3rd party services (e.g.weather forecasts, payment collection, SMS messaging) Room controls User interface Heat supply Heat network Heat interface unit Internet Smart Grid Controller Data Backbone 자료 : 1) Dorte Skaarup Ostergaard, Practical Experiences with Low-Temperature District Heating, 2016; 2) Marco Cosic, Actively Managed Heat Networks, 2016 활용에너지등 ) 와여러온도대 ( 고온, 중온, 저온 ) 의에너지시스템이공존하게되므로해당시스템의유연하고효율적인운전을위해서는스마트한에너지저장및이용기술의개발이필수적이다. 특히신재생에너지원의효율적인활용과기존의단순한에너지소비뿐아 니라에너지생산에도관여하게되는에너지프로슈머 (Energy Prosumer) 개념의에너지생산자-소비자간 ( 혹은프로슈머간 ) 양방향에너지거래모델도입에있어기술적효율성과경제성을담보하기위해서는축냉, 분산형축열 ( 냉 ) 조, 계절간열저장 이용, 건물에너지 88
ENERGY FOCUS 2017 여름호 저장 (Building Storage) 등과같은혁신적인개념의스마트에너지저장기술의개발이뒷받침되어야하며, 향후 4세대지역난방모델의상용화및시장보급활성화에있어가장중요한설비단위의기술분야로꼽을수있다. 에너지의질적특성을나타내는대표적인기술지표인엑서지 (Exergy) 관점에서볼때, 55~60 혹은 40 내외의 ( 초 ) 저온열공급모델은가장높은수준의엑서지효율을갖는기술로꼽을수있으며따라서막대한양의저온미활용에너지를효과적으로저장 사용할수있는열저장 이용기술의가치는더욱높아질것이다. 특히저장설비의투자비관점에서도중앙집중형 ( 대용량 ) 저장시스템기준전력저장은단위용량당설치비용이 150$/kWh 수준인반면, 열저장은 1.5$/kWh 수준으로상대적으로매우저렴하여제한된에너지자원의효율적사용측면과기술상용화에따른시장경쟁력측면에서도혁신적인열저장이용기술개발은 4세대지역난방모델의성공적인상용화추진에있어그역할이더욱중요해질것으로전망된다. 나. 국내기술동향최근들어국내에서도상기한해외의저온열공급기반의 4세대지역난방모델에대한관심도가점차증대되고있으며, 국내지역난방사업의주요사업자인한국지역난방공사와서울시산하집단에너지사업본부등에서관련기술의도입및실증적용방안수립을모색중인것으로알려져있다. 정부차원에서도향후에너지신산업분야에서의성장동력발굴을위해에너지프로슈머기반의양방향에너지거래개념이포함된스마트에너지네트워크기술의에너지신사업화추진을모색하고있어대표적인국내열네트워크사업분 야라할수있는지역난방사업의향후시장판도에큰변화가발생할것으로예상된다. 1) 주요연구동향국내지역난방사업자중저온열공급기반의 4세대지역난방모델의도입에가장적극적인사업자는한국지역난방공사이다. 타민간사업자들의경우에는지역난방사업에뛰어들어사업을시작한지얼마되지않아다른사업모델을추진할만한여력이없거나지역난방신산업분야발굴에아직까지적극적인관심을갖지못하는상황이다. 이는민간자본의특성상아직까지해당관련사업시장이본격적으로형성되지않고있어향후추이를관망하고있는것으로도볼수있다. 그러나그간정부차원에서이루어져온국내지역난방사업과관련한여러지원정책들은지역난방사업의성장단계진입이전에사업의안정화를위해마련된것으로써, 이미시장에서성숙단계에접어든것으로인식되고있는지역난방사업에대해향후에도지속적인지원정책이마련유지될수있을지는미지수이다. 타에너지사업자 ( 전력및가스 ) 와의형평성관계에따라다소간의수준의차이가있을수는있으나향후지역난방사업자들의자생적인경쟁력을강화하는방향으로는정책변화가있을수있음에주목해야한다. 향후국내에너지관련정책의대부분이기후변화에따른영향완화및온실가스배출규제강화등의친환경저탄소에너지정책화에주력할것으로예상되는만큼국내지역난방사업자들이보다적극적으로국내 외적인에너지사업환경변화에부응할수있는새로운사업모델의발굴및개발에적극적인관심을가져야만할것이다. 현재국내지역난방사업에서검토중인저온열공 89
동향초점 [ 그림 11] 원수연계형저온열공급지역냉난방모델개요도 Raw water network Office Public office CHP DH network Household Hospital Office 자료 : 임용훈, 원수연계형지역냉난방시스템적용타당성분석연구, 2016. 5 급모델은앞서언급한해외관련기술개발동향과마찬가지로스마트에너지네트워크사업모델로의확장까지고려하고있지는않고, 기존사업장인근의저열수요밀도를갖는신규수요발굴에초점이맞추어져있다. 특히기존고온열네트워크의회수관을통해회 수되는중온수를히트펌프의열원으로활용, 비용효과적으로인근수용가에저온열공급네트워크를기반으로난방에너지를공급함과동시에춘 추절기및하절기중앙열병합발전설비의발전효율을일부개선할수있는모델을수립하여그적용타당성에대해검토 [ 그림 12] 해수열원이용친환경지역냉난방사업모델개요도 Solar Wind District heating network (Low Temp. Heat Supply) Adsorption chiller Biomass Ocean waste heat CHP electriccity 70 consumers losses Water heat source HP consumers OTEC Elec. from grid 자료 : 임용훈, 해수기반친환경에너지타운해양에너지생산 / 공급시스템모델개발, 2016. 5 90
ENERGY FOCUS 2017 여름호 한바있다. 또한전통적인지역난방수요처인도심을중심으로한모델에서벗어나해수열원의확보가용이한연안도심을대상으로한신규수요창출을목적으로친환경지역냉 난방모델의기초모델을수립하고해수기반의대규모지역냉난방모델의적용타당성에대한분석연구를현재수행중에있으며, 해수열원을포함한태양광및풍력자원의활용을통해온실가스배출에따른기후변화의영향을최소화할수있는친환경지역난방모델수립과실증을목적으로연구가진행중이다. 최근들어국내신재생에너지열원을이용한열공급사업, 특히아파트단지를대상으로지열열원을이용한열공급사업이본격화됨에따라전통적인지역난방공급수요처인아파트단지를대상으로지역난방사업자와신재생열공급사업자간시장쟁탈을위한사업경쟁이치열하게전개되고있으며이에대한지역난방사업자의대응방안으로아파트단지를대상으로한저온열공급모델로의전환및적용타당성에대한연구또한진행중에있다. 이는기존의개별보일러기반의도시가스사업자와의경쟁과는차원이다른내용으로, 정부차원의보급명분이뚜렷한지열기반의사업모델과의경쟁에서는기존의효율및친환경성을내세운대응방식으로는정책적인명분확보가어려움을겪을것으로예상되므로신재생에너지원의접목이용이한저온열공급기반의 4세대지역난방모델보급전략수립을통해시장경쟁력제고에나설필요가있다. 향후지역난방의전통적인핵심수요처라할수있는도심내아파트단지를대상으로한새로운열공급사업모델과의시장경쟁은더욱가속화될것으로보이며, 따라서신재생에너지원기반의친환경성을강조한 4세대지역난방모델에대한필요성이더욱탄력을받 게될전망이다. 3. 4 세대지역난방모델보급을위한정책동향및전망 앞서 4 세대지역난방모델이제안, 수립된유럽지역 을중심으로한기술동향에서살펴본바와같이 EU 에서는에너지효율분야와신재생에너지기술분야를 융합한지속가능한에너지공급모델개발을위한노력 이지속적으로추진되고있으며, EU 차원에서수립된 보급안을기준으로각국가별상황에맞는합리적방 안을수립 적용하도록권고하고있다. 그러나일정수 준객관성이담보되는기술적대안과달리정책적방안 은각국가별처한환경에따라그수용성의정도에차 이가클수있어공통적으로적용가능한정책방안을 마련하는것은현실적으로매우어렵다. 따라서본기 고에서는 4 세대지역난방모델과연관한 EU 차원의관 련정책방향에대해간략히살펴보고국내에너지사 용환경에서향후 4 세대지역난방모델보급에적합한 정책방향에대해간략히살펴보고자한다. 가. 해외정책동향 1) EU 지역난방보급활성화정책 열병합발전 (CHP) 기술기반의지역냉 난방모델 의효율성및친환경성에대한기술적측면에서의우월 성에대해서는대부분의유럽국가에서공감대를형성 하고있으며지역냉 난방기술의보급활성화를위한 EU 차원의정책권고안을기준으로각국가별환경에 맞추어지원정책이수립, 적용되고있다. 그러나각국 91
동향초점 < 표 1> 유럽주요국가별열병합발전우대제도사례 국가명벨기에체코덴마크핀란드독일아일랜드이탈리아영국 열병합발전우대정책내용친환경프리미엄지원과세금감면을통한 CHP 자본투자비부담경감고효율 CHP에의한일차에너지절감목표부과와 CHP Certificate 제도소형열병합발전송전손실편익보상 CHP 전력에추가적인프리미엄가격지급 ( 네트워크운영자가지급 ) CHP 전력우선공급제도 CHP 투자비보조신재생에너지 CHP 전력에대한추가지원금지역열계획및지역지정제운영 CHP 설치유인 ( 전력전용발전설비지양 ) 전력난방금지폐기물처리계획 ( 소각열생산확대 ) 바이오매스 CHP에대한투자비지원 ( 화석연료에대한지원없음 ) 지역난방연결보조금지원세금공제 ( 석유보일러를지역난방등으로전환시 ) 단계적 FIT 적용 ( 가동초기몇년간은높은가격지급 ) CHP 발전비중 2020년까지 25% 로확대목표설정 CHP 전력우선연결및구입 CHP법에의한보조금지급환경세제개혁 (2009년) 에의한에너지세면제 CHP에의한열을재생에너지에의한열에포함소형화석연료 CHP(1 MW 이하 ) 와바이오매스 CHP 지원에너지효율설비투자에대한가속감가상각제도 (ACA) 적용 ACA : 정액감가상각보다더많은금액을조기에회수하도록상각하여세금지출을연기해주는효과발생 FIT 적용고효율 CHP 인증제도 CHP용가스연료에대한세금감면소형 CHP에대해서는분산전원편익반영가격지급 FIT (2 kw 이하가스연료 CHP, 5 MW 이하신재생에너지 CHP) ECA( 확장감가상각제도 ) 에의한자본투자비절감 ECA : 에너지절약기술에대한투자비전액을투자기간의과세대상이익에서공제하여투자비부담경감고효율 CHP에대한기후변화부담금 (CCL) 면제인증제도 CHP의송전내재편익보상 자료 : 한국열병합발전협회 & 한국집단에너지협회, 집단에너지부문온실가스할당관련해외사례및시설특성연구, 2016.3 92
ENERGY FOCUS 2017 여름호 [ 그림 13] 유럽주요국가별지역난방열생산구조비교 (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 기타 신재생에너지 재활용열 10 0 오스트리아 불가리아 크로아티아 체코 덴마크 에스토니아 핀란드 프랑스 독일 헝라기 아이슬란드 이탈리아 라트비아 리투아니아 네덜란드 노르웨이 폴란드 루마니아 세르비아 슬로바키아 슬로베니아 스웨덴 스위스 자료 : 한국열병합발전협회 & 한국집단에너지협회, 집단에너지부문온실가스할당관련해외사례및시설특성연구, 2016.3 가별로반드시집단에너지개념의지역난방기술보급정책이활성화되어있는것은아니며, 국가별상황에따라일부국가에서는열병합발전기술에대한우대정책을수립, 적용하고있음에유의해야한다. 각국가별신재생에너지자원및화석연료자원보유현황정도에따라전력및가스공급체계와가격변동성이존재하므로지역난방보급이활발하게이루어진유럽에서도각국가별지역난방열생산구조가매우상이하게나타나고있는것을알수있다.([ 그림 13] 참조 ) 예를들어덴마크의경우지역난방열생산에서의신재생에너지원의비중이 40% 이상을차지하고있으나, 독일의경우상대적으로매우작은비중을차지하고있어신재생에너지원의활용성측면이강조되는저온열공급기반의 4세대지역난방모델의적용에있어독일과덴마크사이에지원정책수립의필요성에대한인식의차이가발생하는것은매우당연하다할수있을것이다. 앞서언급한바와같이 4세대지역난 방모델의역할은단순한지역난방열공급온도를낮추는시스템기술범주라기보다는신재생에너지기술과의접목성향상을통해보다친환경적인에너지의공급체계로의전환이가능하고, 또한에너지수요자가생산및공급의역할을할수있는에너지프로슈머모델의적용이가능한스마트에너지시스템으로전환할수있는플랫폼범주의모델이므로, 각국가별에너지관련환경에따른정책적변동성이기존열병합발전기반의지역난방모델에비해훨씬커졌음에유의할필요가있다. 따라서해당기술의보급향상을위한지원정책의수준및적용시점에있어서도세부적인공통의정책방안마련에는다소간의시간이더소요될것으로전망된다. 현재 EU 차원에서의 4세대지역난방모델확산과관련한정책적기반은에너지효율분야에대한 Directive(Directive 2012/27/EU) 에서그방향성을확인해볼수있다. 다만, 상기한바와같이아직까지는 4세대지역난방모델보급확대를위한구체적단계의 93
동향초점 체계적인지원정책방안의수립에대한논의가활발하게진행중이며, Heat Roadmap Europe 프로젝트등을통해서 4세대지역난방모델을포함한스마트에너지시스템기반의미래지역난방사업의보급잠재량과세부적인보급전략등의수립이진행되고있다. 나. 국내정책동향및제언 인효과가약화되어있는상태이며이는기존지역난방사업모델에서도실효적인성과를거두지못하고있어향후전개될저온열공급기반의 4세대지역난방모델보급활성화를위한정책으로는적합하지않다고볼수있다. 본기고에서는 4세대지역난방모델의향후역할을감안한지원정책방향에대해아래간략히고찰해보고자한다. 국내지역난방사업보급활성화를위한정책은안정적인수요창출을위한지역지정제와에너지절약형시설투자에대한장기저리융자지원, 에너지절약시설투자자금세액공제, 공사비부담금제, 발전배열등미활용열의저가공급, 열제약발전전력의우선공급제등이있다. 그러나현재는제도의변경또는여건의변화로외부편익의시장내재화를지원하는제도의실효적 1) 신재생에너지보급활성화정책활용측면가 ) 신재생열에너지공급의무화제도국내신재생에너지분야의경우국가적차원의전방위적인기술개발및시장보급활성화지원에도불구하고국내 1차에너지중신재생에너지생산비중은약 [ 그림 14] 1 차에너지대비국내신재생에너지공급비중통계 ( 에너지공단, 2015) 총 1 차에너지 ( 천toe) ( 천toe) 300,000 총1차에너지 ( 천toe) 14,000 276,636 278,698 280,290 282,938 신재생에너지생산량 ( 천toe) 263,805 4.08 12,000 250,000 228,622 233,372 236,454 240,752 243,311 3.52 220,238 3.18 11,537 2.74 13,000 200,000 2.60 9,879 2.50 8,000 2.43 8,851 150,000 2.37 7,583 2.24 2.13 6,856 6,000 2.08 100,000 5,609 5,858 6,086 5,225 4,879 4,000 4,582 신재생에너지생산량 50,000 2,000 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 자료 : 한국에너지공단, 신재생에너지보급통계, 2015. 11 94
ENERGY FOCUS 2017 여름호 4.08%, 국내총발전량대비신재생에너지발전비중은 2014년기준 1.6% 에그치고있어독일 27.5%, 미국 13.1%, 일본 15.3% 등 OECD 주요국가와비교하여크게뒤지고있으며, 2035년보급목표또한 11% 수준으로선진국과비교하여온실가스감축수단의비중에서신재생에너지분야보다는에너지전환분야와같은타분야에의의존도가더높을것으로전망되고있다. 최근도입이논의되었던신재생열에너지공급의무화제도 (RHO) 는국내 외신재생에너지보급이확산되는가운데상대적으로열분야에대한제도적지원이부족하다는인식에서마련된제도이며, 향후 4세대지역난방모델도입에따른보급활성화에적합한지원정책으로적극고려해볼필요가있을것으로보인다. 정부에서는신재생열에너지분야에대한신규정책을도입함으로써국가적인신재생에너지목표달성및관련산업의활성화를기대하고있으며, 신재생에너지의무할당제도 (RPS) 와달리 RHO는건물을대상으로한신재생에너지열원적용의무제도이므로집단에너지사업자입장에서는해당제도에부합하는 4세대지역난방모델과같은새로운개념의열공급기술의확보를통해신규혹은증축건물 (3단계이후 ) 을대상으로한지역냉난방기술의보급활성화방안으로적극활용할필요가있다. 현재까지준비중인 RHO 시행 ( 안 ) 에따르면연면적 1만m2 이상의신축건축물 ( 주거용주택, 공공시설제외 ) 에대해신재생열에너지의무공급량을 10% 내외로적용하고자하며, 대상에너지원은태양열, 지열, 연료전지, 바이오연료등으로규정하고있다. 저온열공급기반 4세대지역난방모델의경우태양열, 풍력, 지열등을이용한열공급기술로공급하기용이한저온영역의열공급조건을갖고있으므로신재생열에너지공급의무화제도에부합할수있는적정기술이라할수다. 따라서앞서기술한바와같이 지역난방네트워크인근의신축건축물혹은증축건축물, 지역지정지역내증축건축물에대한수요시장을 RHO 정책을기반으로확보가능할것으로분석되므로신재생열에너지공급의무화제도추진및활성화에대비한융 복합형기술개발의형태로 4세대지역난방모델의사업화추진을적극고려해볼필요가있다. 나 ) 신재생에너지의무할당제도신재생에너지의무할당제란발전사업자의총발전량, 판매사업자의총판매량의일정비율을신재생에너지원으로공급또는판매하도록의무화하는제도를말한다. 신재생에너지의보급확대가지지부진한현실적인문제를해결하기위한목적으로시작된제도인데, 지역난방사업자의경우도 RPS 대응을위해다양한신재생에너지사업을펼치고있으나 2014년한국지역난방공사기준총의무공급량은 219,834 MWh에달해최근지역난방사업의사업경제성이악화되는시점에서사업자들에게큰부담으로작용하고있다. 최근들어늘어나는 RPS 과징금으로인한발전사들의부담이크게증대되고외부요인으로인한불가피한불이행사례들이속출하고있어구제방안에대해다각도로고민하고있는것으로알려져있으나기후변화로인한친환경저탄소에너지환경마련의기조속에신재생에너지보급활성화라는큰방향성에는변함이없을것으로전망되므로, 향후지역난방사업추진에있어지속적인부담으로작용할것이라는것이중론이다. 따라서기존의고온열공급기반의지역난방모델에서실제사업과크게상관없는태양광, 풍력발전설치와같은단편적인기술적접근으로는근본적인해결방안마련이어려울것으로보이며, 이러한관점에서분산형열원기반의양방향에너지거래모델의적용이가능한 4세대 95
동향초점 지역난방모델의도입과연계한신재생에너지의무이행과관련한정책적지원방안의수립및활용전략의수립이필요할것으로판단되며, 정부의신재생보급활성화을통한국가온실가스감축목표달성을위한실효적수단으로대응할수있을것으로기대된다. 2) 에너지신사업활성화정책활용측면최근들어정부에서는국가경제의신성장동력확보를위한국정과제의일환으로에너지신산업분야발굴의위한다각적인노력을경주하고있으며, 이에향후기후변화에따른대도심단위의기후적응을위한적정기술분야중하나로스마트시티개념의전력및열네트워크와물, 연료네트워크등을통합하는스마트에너지네트워크분야에대한관심이증대되고있다. 온실가스배출심화에따른기후변화의영향이본격화되고도심화 (Urbanization) 에따른에너지소비집중에따른도심단위의체계적이고효과적인에너지 환경문제해결방안마련에대한필요성이시급하게대두되는현시점에서저온열공급기반의 4세대지역난방모델도입은단순한열공급온도의저하로인한효율향상이상의의미를가질수있다. 따라서향후전개될것으로예상되는정부의에너지신산업육성을위한지원정책마련과정에서 4세대지역난방모델을근간으로한스마트에너지네트워크모델의시장경쟁력확보를위한정부차원의지원방안을이끌어낼수있는체계적인전략의수립이요구된다. 특히향후갈수록강화될것으로예상되는온실가스감축의무이행과관련하여저온열공급기반의 4세대지역난방사업은온실가스저감의대표적인기술분야인 CCS 기술이예상보다경제성에서상용화단계에접어들기쉽지않은상황에서신재생에너지원과의기술간융합을근간 으로지속적인온실가스대응기술력확보를통해정부 의정책방향에부합하여지속적인경쟁력을확보할수 있도록보다노력해야할것이다. 4 세대지역난방사업 은신재생에너지기술의적극적인접목과융합을통해 온실가스감축효과를배가시킬수있는잠재력을갖 추고있고, 특히기존지역난방방식대비수십 % 내외 의에너지절감효과개선이라는고효율운영성능의확 보도가능할것으로예상되므로, 향후온실가스감축 의무대응을위한실효적인수단으로써의사업모델화 와관련지원정책을이끌어냄으로써미래지속가능한 대표적인친환경에너지산업으로자리매김해야할것 이다. 4. 4 세대지역난방모델의미래가치및시사점 국내저온열공급기반의 4 세대지역난방모델의도 입에있어가장큰화두는과연 4 세대지역난방모델이 기존의고온열공급사업모델 (3 세대지역난방모델 ) 과어떻게공존할수있는지여부라할수있다. 특히 지역난방공급지역의규모측면에서중국을제외한타 유럽국가들대비최상위의열수요밀도를갖는대규 모지역을대상으로하는국내지역난방시스템에서과 연열공급온도를대폭낮추어공급하는 4 세대지역난 방모델의적용이가능할지여부에대한의문이제기되 고있는것이현실이다. 그러나결론적으로말해 4 세대 지역난방모델의도입이기존고온열공급지역난방 모델 (3 세대지역난방 ) 및해당열네트워크를대체하는 개념이아니라는점에대한기본적인인식이필요하다. 즉, 4 세대지역난방모델의주수요처는기존의고온 열공급기반의지역난방시스템수요처를완전하게대 96
ENERGY FOCUS 2017 여름호 체하는개념이아니라기존열네트워크인근, 혹은기존고온열공급지역난방모델의공급에적합지않았던저열수요밀도를갖는수요처를대상으로한신수요창출이주요한사업목적이라할수있다. 예를들어앞서언급한기술개발사례에서보는바와같이 4세대지역난방모델기반의캐스케이드 (Cascade) 열네트워크개념을적용하여, 기존고온열공급지역난방네트워크로부터회수된온수의열에너지를추가적으로활용, 기존지역난방인근의신규지역난방수요를창출함으로써기존열네트워크운영상의효율성을개선함과동시에신재생에너지원및히트펌프기반의신규열공급시스템의경제성을확보할수있다는점에주목할필요가있다. 또한 4세대지역난방모델의국내적용이해외에서접근하고있는스마트에너지네트워크기술화체계에아직까지는미치지못하고, 단순한신규수요창출및지열기반열공급모델에대한대응수준의단편적인기술개발에머물고있으나, 향후정부의주요에너지정책기조로서예상되는친환경저탄소에너지산업화에부합할수있는매우접합한기술적모델임을감안한다면, 국내지역난방사업의근본적인체질개선을위한기회로삼을수있도록해야할것이다. 또한최근전산업계에걸쳐불고있는 4차산업혁명기조형성에따라지역난방사업의스마트기술화추진이반드시필요할것으로보이며, 따라서소비자와의상호연계, 수용가에너지사용정보기반의신서비스발굴, 다양한친환경에너지믹스모델발굴을통한지속가능한사업모델개발및최적운영체계수립등의지역난방사업외연확대에있어저온열공급기반의 4세대지역난방모델이핵심적인플랫폼으로써의역할을수행할것으로기대된다. 국내지역난방사업은최근의사업정체추세와시장에서의성장동력상실에따른미증유의도전적인환경 에처할것으로전망되며, 또한최근글로벌온실가스감축협약과미세먼지문제등으로인한국내에너지관련분야에의중대한변혁의영향권에들것으로보인다. 향후기후변화의영향으로인한친환경에너지생산방식에대한가치가높아짐에따라기후변화에따른에너지산업전반에걸친변화의요구는한편으로는사업을위협하는요소로, 또다른한편으로는현행의사업의정체위기를극복할수있는새로운도전의기회로다가올수있음을인지할필요가있다. 상기논의한 4세대지역난방모델을중심으로한스마트에너지네트워크모델로의체질변화를통해미래친환경저탄소에너지사용환경에서의생존을담보하기위해서는사업자의전향적인사고의전환이우선되어야하며, 기존의지역난방고시제와같은특수한정책에기대어사업의경쟁력을유지할수있을것이라는구시대적인발상으로는스마트시대를살아가는현명한소비자로부터점차외면당할것이자명하다. 시대가변하고있다. 전력중심의에너지공급안정성과대량생산기반의효율화중심의시대에서기후적응중심의지속가능한친환경의가치가더우선시되는시대로접어들고있는것이다. 기후변화의시대에급변하는사업환경변화속에서지속가능한사업성확보를위한 30여년의국내지역난방역사에있어그어느때보다혁신적인변화의길을모색할때이다. 참고문헌 < 국내문헌 > 기상청, 한반도기후변화전망보고서, 2012. 12 산업통상자원부, 2014년신재생에너지보급통계, 2015. 11 임용훈외, 원수연계형지역냉 난방시스템적용타 97
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