4세대 지역난방 기술의 특징 및 과제
2019-08-28
org.kosen.entty.User@2bbe768a
권길성(kks840214)
1. 개요
현재 인류는 심각한 에너지와 환경 문제에 직면하고 있다. 환경을 위협하고 있는 온실가스 배출은 이미 기후 변화를 초래할 수 있는 우려할 수준에 이미 도달한 것으로 예상하고 있다. 온실가스 배출을 줄이기 위한 강한 노력이 수반되지 않는다면, 기후 변화로 인해 인류는 생존을 위협받을 수 있다. 2015년도에 개최된 파리 협정(Paris agreement)에서는 지구 평균온도 상승 폭을 산업화 이전 대비 2oC 이하로 유지하고, 더 나아가 온도 상승 폭을 1.5oC 이하로 제한하는 국제적인 약속을 채택함으로써 전세계적 노력이 만들어지고 있다.
에너지와 환경 문제를 해결하는 효과적인 방법 중 하나로 에너지를 효율적으로 사용하는 것이 있다. 폐열은 전기 생성 과정 또는 다양한 산업 활동으로부터 생성되며, 많은 연구자들이 화석 연료 및 다양한 에너지원의 사용을 경감시키기 위하여 폐열 활용을 연구하고 있다. 폐열 활용을 통해 에너지 효율성을 개선하고, 환경오염 배출원을 줄일 수 있다.
2. 지역 난방(District Heating, DH)
지역 난방은 이용가능한 열원을 활용하여 거주민들에게 온수와 난방을 공급하는 서비스로, 열 분배망을 사용하여 지역 내 열 수요를 충족시키는 것을 목적으로 한다. 거주지, 빌딩의 난방을 위해 지역 난방에는 열병합 발전소(cogeneration plant), 재생 에너지원, 폐열 등과 같은 다양한 열원을 이용한다.
지역 난방의 개념은 14세기 유럽에서 최초로 구현되었다. 프랑스 남부의 리옹(Lyon)에 인접한 온천수로 유명한 작은 도시 쇼드-에그(Chaudes-Aigues)에서 지열을 이용하여 대략 30가구에 난방을 공급하는 시스템이 처음으로 가동하였다 [1, 2]. 19세기 말 새로운 지역난방 시스템이 전세계적으로 등장하였지만, 지역 난방의 근간을 이루는 기본적인 특징은 거의 유사하다. 지역난방의 구성 요소로는 열을 생성하는 시설, 소비자 및 열 저장 기기, 시설과 사용자를 연결하는 파이프로 구성된 연결 망을 포함한다. 열전달 매체로는 물 또는 증기가 사용된다. 그림 1은 지역 난방의 구성에 대한 기본적인 개념도이다.
그림 1. 지역 난방을 구성하는 요소의 개념도
3. 지역 난방의 역사
19세기 말 지역 난방 시스템의 도입 이후로, 지역 난방에 대한 기술은 지속적으로 발전하였다. 1세대 지역 난방 시스템(1880-1930)은 열 매개체(Heat carrier)로 증기가 사용되었고, 콘크리트 덕트 내에 위치한 증기 배관, 증기 트랩(steam trap), 보정기 등으로 망을 구성하였다. 2세대 지역 난방 시스템(1930-1970)은 열 매개체로 100oC 이상의 가압된 물이 사용되었고, 콘크리트 덕트 내에 위치한 물 배관, 거대한 관류형 열교환기, 거대한 밸브로 망이 구성되었다. 3세대 지역 난방 시스템(1970-현재)은 열 매개체로 2세대 지역 난방과 동일하게 가압된 물이 사용되었지만, 온도는 100oC 이하로 하였다. 열 손실을 줄이기 위해 사용된 콘크리트 덕트의 대신 배관에 단열을 하여 땅속에 직접 매장하였으며, 판형 열교환기를 적용하여 열전달을 위한 주요 부품의 크기를 줄였다. 이와 같이, 1세대로부터 3세대까지 지역 난방은 공급 온도를 낮추어 주변으로 열손실을 줄임으로써 열효율을 개선하였고, 주요 부품의 크기를 축소하고 배관에 직접적인 단열을 통해 제작 비용을 절감하여 경제성을 개선하는 방향으로 발전하였다 [3]. 그림 2에서는 세대별 지역 난방의 공급 온도 및 열원 변화를 보였다.
그림 2. 지역 난방의 역사
4. 4세대 지역난방
건물의 단열 기준의 강화로 인해 가구당 열수요는 감소 추세에 있고, 에너지 공급망 내 태양열, 풍력, 연료전지와 같은 신재생에너지의 비중이 점진적으로 증가하고 있다. 또한, 미래 지역 난방에는 하수열 등과 같은 새로운 열원의 적용이 고려되고 있다. 이로 인해, 지역 난방에서도 새로운 세대로의 변화를 요구 받고 있다.
학술 분야에서 4세대 지역 난방은 2014년 이후로 관심이 꾸준히 증가하고 있다. 학술 데이터베이스인 SCOPUS를 통해 2017년까지 4세대 지역난방을 키워드로 하여 문헌을 찾아 본 결과 총 321편이 검색되었고, 그림 3과 같이 출간 문헌의 수는 매년 증가하는 경향을 보였다.
그림 3. 2014년 이후 4세대 지역난방 관련 출간 문헌 변화 결과
4세대 지역 난방의 가장 핵심 요소는 50-60oC 이하의 저온 열원의 활용이다. 저온으로 열을 공급하게 되면 배관에서 열손실이 감소한다. 지역 난방을 위한 열 생산설비와 열펌프의 효율성 제고를 통해 지역 난방시스템의 효율이 개선될 수 있다. 또한, 배관 내 열응력이 감소하여 배관의 수명을 연장할 수 있다. 추가적으로 지역 난방 망 내 재생에너지 및 산업체에서 배출되는 저온의 잉여열을 활용함으로써 가용 열원의 범위가 확장되어 경제성이 개선될 수 있다.
Lund et al. [4]는 신재생에너지 발전이 100%가 되는 2050년을 기준으로 덴마크에서 4세대 지역난방의 기술의 장단점과 경제성을 평가하였다. 4세대 지역 난방의 도입으로 인해 3세대 지역 난방과 비교하여 장비(50~100M€/year)와 망 구축 비용(0~10M€/year)이 추가되었다. 그러나, 공급망의 열 손실 감소와 효율 개선으로 인해 운영 비용(300~350M€/year)은 대폭 감소하는 것으로 분석하였다. 결론적으로 4세대 지역 난방 도입 시 연간 200~300 M€를 절감할 것으로 예측하였다.
4세대 지역 난방으로 전환은 도전적인 과제이다. 전환 과정에서는 지역 난방 시스템을 업그레이드하고 다른 에너지 시스템과 통합하는 것이 필요하다. 또한, 시스템들의 변화를 위하여 건물의 일부분이 대한 개조될 수 있다. 차세대 지역 난방의 최종 목표는 미래의 지역 난방 시스템을 더 유연하고 안정적이며 지능적으로 만들어 경쟁력을 높이고 미래 신재생에너지 시스템의 핵심 요소로 만드는 것이다.
지역 난방 시스템의 업그레이드에는 물리적 시스템과 가상 시스템의 변화 및 개선을 포함한다. 물리적 시스템의 전환은 시스템 온도를 낮추고, 다양한 열원과 열저장 기기를 통합하는 것에 초점을 맞춘다. 공급 온도를 낮추기 위해서는 두 단계가 수행되어야 한다. 첫 번째 단계는 시스템 오류를 제거하고 시스템 제어를 개선하는 것이다. 두 번째 단계는 열교환기의 열전달 성능을 강화하고 시스템 설계를 개선하는 것이다. 건물의 개조는 이 두 단계 실행 후 필요에 따라 수행될 수 있다. 다양한 열원과 열저장 기기가 4세대 지역 난방 시스템에 통합된다. 4세대 지역 난방으로의 전환은 열 공급 방식, 열원, 열저장 기기 유형, 열 손실, 지역 난방 시스템 설계 및 운영 전략을 총체적으로 고려해야 한다. 최종적으로, 지역의 환경 및 경제 상황을 고려한 결정 단계가 필요하다.
가상 시스템의 경우 4세대 지역 난방 시스템으로의 전환은 측정, 정보 전송, 데이터 수집, 제어를 할 수 있는 지능형 물리 시스템을 기반을 한다. 또한, 지능형 결정 시스템(intelligent decision system, IDS)이 신뢰성 평가, 사고 분석, 사고 알람, 운전 평가, 운전 감시, 운전 최적화 등과 같은 미래 지역 난방 시스템의 개선된 기능을 포함하도록 더 개선되야 한다.
열 전송 과정에서 손실과 열 수요 감소는 미래 지역 난방 시스템이 직면하게 될 두 가지 과제이다. 이 문제에 대한 해결 방법은 시스템 설계를 혁신하고, 물리 및 가상적 시스템을 개선하며, 더 저렴한 열원을 통합하는 것이다.
5. 결언
본 코센보고서에서는 신재생에너지원의 발전 비중 확대와 건물의 열 수요 감소에 대응하기 위한 차세대 지역 난방 기술의 특징과 과제를 간략히 소개하였다. 결론적으로 4세대 지역 난방으로 전환은 에너지 상태, 기존 시스템 조건, 국가 또는 다양한 지역의 운영 관례를 종합적으로 고려하여 신중하고 점진적으로 수행되어야 한다. 또한, 미래 시스템을 위해 추가적인 기술 개발이 필요하며, 운영 및 관리 전략이 혁신되어야 한다.
References
1. Mazhar, A. R., Liu, S., & Shukla, A. A state of art review district heating. Renewable and Sustainable Energy Review 96, 420-439, 2018.
2. Rezaie, B., & Rosen, M. A. District heating and cooling: Review of technology and potential enhanceents, Applied Energy 93, 2-10, 2012.
3. Li, H., & Nord, N. Transition to the 4th generation district heating – possibilities, bottlenecks, and challenges, Energy Procedia 149, 483-498, 2018.
4. Lund, H., Φstergaard P. A., Chang, M., Werner, S., Svendsen, S., Sorknaes, P., Thorsen J. E., Hvelplund, F., Mortensens, B. O. G., Mathiesen, B. V., Bojesen, C., Duic, N., Zhang, X., & Moller, B. The status of 4th generation district heating: Research and results, Energy, 164, 147-159, 2018.
현재 인류는 심각한 에너지와 환경 문제에 직면하고 있다. 환경을 위협하고 있는 온실가스 배출은 이미 기후 변화를 초래할 수 있는 우려할 수준에 이미 도달한 것으로 예상하고 있다. 온실가스 배출을 줄이기 위한 강한 노력이 수반되지 않는다면, 기후 변화로 인해 인류는 생존을 위협받을 수 있다. 2015년도에 개최된 파리 협정(Paris agreement)에서는 지구 평균온도 상승 폭을 산업화 이전 대비 2oC 이하로 유지하고, 더 나아가 온도 상승 폭을 1.5oC 이하로 제한하는 국제적인 약속을 채택함으로써 전세계적 노력이 만들어지고 있다.
에너지와 환경 문제를 해결하는 효과적인 방법 중 하나로 에너지를 효율적으로 사용하는 것이 있다. 폐열은 전기 생성 과정 또는 다양한 산업 활동으로부터 생성되며, 많은 연구자들이 화석 연료 및 다양한 에너지원의 사용을 경감시키기 위하여 폐열 활용을 연구하고 있다. 폐열 활용을 통해 에너지 효율성을 개선하고, 환경오염 배출원을 줄일 수 있다.
2. 지역 난방(District Heating, DH)
지역 난방은 이용가능한 열원을 활용하여 거주민들에게 온수와 난방을 공급하는 서비스로, 열 분배망을 사용하여 지역 내 열 수요를 충족시키는 것을 목적으로 한다. 거주지, 빌딩의 난방을 위해 지역 난방에는 열병합 발전소(cogeneration plant), 재생 에너지원, 폐열 등과 같은 다양한 열원을 이용한다.
지역 난방의 개념은 14세기 유럽에서 최초로 구현되었다. 프랑스 남부의 리옹(Lyon)에 인접한 온천수로 유명한 작은 도시 쇼드-에그(Chaudes-Aigues)에서 지열을 이용하여 대략 30가구에 난방을 공급하는 시스템이 처음으로 가동하였다 [1, 2]. 19세기 말 새로운 지역난방 시스템이 전세계적으로 등장하였지만, 지역 난방의 근간을 이루는 기본적인 특징은 거의 유사하다. 지역난방의 구성 요소로는 열을 생성하는 시설, 소비자 및 열 저장 기기, 시설과 사용자를 연결하는 파이프로 구성된 연결 망을 포함한다. 열전달 매체로는 물 또는 증기가 사용된다. 그림 1은 지역 난방의 구성에 대한 기본적인 개념도이다.
그림 1. 지역 난방을 구성하는 요소의 개념도
3. 지역 난방의 역사
19세기 말 지역 난방 시스템의 도입 이후로, 지역 난방에 대한 기술은 지속적으로 발전하였다. 1세대 지역 난방 시스템(1880-1930)은 열 매개체(Heat carrier)로 증기가 사용되었고, 콘크리트 덕트 내에 위치한 증기 배관, 증기 트랩(steam trap), 보정기 등으로 망을 구성하였다. 2세대 지역 난방 시스템(1930-1970)은 열 매개체로 100oC 이상의 가압된 물이 사용되었고, 콘크리트 덕트 내에 위치한 물 배관, 거대한 관류형 열교환기, 거대한 밸브로 망이 구성되었다. 3세대 지역 난방 시스템(1970-현재)은 열 매개체로 2세대 지역 난방과 동일하게 가압된 물이 사용되었지만, 온도는 100oC 이하로 하였다. 열 손실을 줄이기 위해 사용된 콘크리트 덕트의 대신 배관에 단열을 하여 땅속에 직접 매장하였으며, 판형 열교환기를 적용하여 열전달을 위한 주요 부품의 크기를 줄였다. 이와 같이, 1세대로부터 3세대까지 지역 난방은 공급 온도를 낮추어 주변으로 열손실을 줄임으로써 열효율을 개선하였고, 주요 부품의 크기를 축소하고 배관에 직접적인 단열을 통해 제작 비용을 절감하여 경제성을 개선하는 방향으로 발전하였다 [3]. 그림 2에서는 세대별 지역 난방의 공급 온도 및 열원 변화를 보였다.
그림 2. 지역 난방의 역사
4. 4세대 지역난방
건물의 단열 기준의 강화로 인해 가구당 열수요는 감소 추세에 있고, 에너지 공급망 내 태양열, 풍력, 연료전지와 같은 신재생에너지의 비중이 점진적으로 증가하고 있다. 또한, 미래 지역 난방에는 하수열 등과 같은 새로운 열원의 적용이 고려되고 있다. 이로 인해, 지역 난방에서도 새로운 세대로의 변화를 요구 받고 있다.
학술 분야에서 4세대 지역 난방은 2014년 이후로 관심이 꾸준히 증가하고 있다. 학술 데이터베이스인 SCOPUS를 통해 2017년까지 4세대 지역난방을 키워드로 하여 문헌을 찾아 본 결과 총 321편이 검색되었고, 그림 3과 같이 출간 문헌의 수는 매년 증가하는 경향을 보였다.
그림 3. 2014년 이후 4세대 지역난방 관련 출간 문헌 변화 결과
4세대 지역 난방의 가장 핵심 요소는 50-60oC 이하의 저온 열원의 활용이다. 저온으로 열을 공급하게 되면 배관에서 열손실이 감소한다. 지역 난방을 위한 열 생산설비와 열펌프의 효율성 제고를 통해 지역 난방시스템의 효율이 개선될 수 있다. 또한, 배관 내 열응력이 감소하여 배관의 수명을 연장할 수 있다. 추가적으로 지역 난방 망 내 재생에너지 및 산업체에서 배출되는 저온의 잉여열을 활용함으로써 가용 열원의 범위가 확장되어 경제성이 개선될 수 있다.
Lund et al. [4]는 신재생에너지 발전이 100%가 되는 2050년을 기준으로 덴마크에서 4세대 지역난방의 기술의 장단점과 경제성을 평가하였다. 4세대 지역 난방의 도입으로 인해 3세대 지역 난방과 비교하여 장비(50~100M€/year)와 망 구축 비용(0~10M€/year)이 추가되었다. 그러나, 공급망의 열 손실 감소와 효율 개선으로 인해 운영 비용(300~350M€/year)은 대폭 감소하는 것으로 분석하였다. 결론적으로 4세대 지역 난방 도입 시 연간 200~300 M€를 절감할 것으로 예측하였다.
4세대 지역 난방으로 전환은 도전적인 과제이다. 전환 과정에서는 지역 난방 시스템을 업그레이드하고 다른 에너지 시스템과 통합하는 것이 필요하다. 또한, 시스템들의 변화를 위하여 건물의 일부분이 대한 개조될 수 있다. 차세대 지역 난방의 최종 목표는 미래의 지역 난방 시스템을 더 유연하고 안정적이며 지능적으로 만들어 경쟁력을 높이고 미래 신재생에너지 시스템의 핵심 요소로 만드는 것이다.
지역 난방 시스템의 업그레이드에는 물리적 시스템과 가상 시스템의 변화 및 개선을 포함한다. 물리적 시스템의 전환은 시스템 온도를 낮추고, 다양한 열원과 열저장 기기를 통합하는 것에 초점을 맞춘다. 공급 온도를 낮추기 위해서는 두 단계가 수행되어야 한다. 첫 번째 단계는 시스템 오류를 제거하고 시스템 제어를 개선하는 것이다. 두 번째 단계는 열교환기의 열전달 성능을 강화하고 시스템 설계를 개선하는 것이다. 건물의 개조는 이 두 단계 실행 후 필요에 따라 수행될 수 있다. 다양한 열원과 열저장 기기가 4세대 지역 난방 시스템에 통합된다. 4세대 지역 난방으로의 전환은 열 공급 방식, 열원, 열저장 기기 유형, 열 손실, 지역 난방 시스템 설계 및 운영 전략을 총체적으로 고려해야 한다. 최종적으로, 지역의 환경 및 경제 상황을 고려한 결정 단계가 필요하다.
가상 시스템의 경우 4세대 지역 난방 시스템으로의 전환은 측정, 정보 전송, 데이터 수집, 제어를 할 수 있는 지능형 물리 시스템을 기반을 한다. 또한, 지능형 결정 시스템(intelligent decision system, IDS)이 신뢰성 평가, 사고 분석, 사고 알람, 운전 평가, 운전 감시, 운전 최적화 등과 같은 미래 지역 난방 시스템의 개선된 기능을 포함하도록 더 개선되야 한다.
열 전송 과정에서 손실과 열 수요 감소는 미래 지역 난방 시스템이 직면하게 될 두 가지 과제이다. 이 문제에 대한 해결 방법은 시스템 설계를 혁신하고, 물리 및 가상적 시스템을 개선하며, 더 저렴한 열원을 통합하는 것이다.
5. 결언
본 코센보고서에서는 신재생에너지원의 발전 비중 확대와 건물의 열 수요 감소에 대응하기 위한 차세대 지역 난방 기술의 특징과 과제를 간략히 소개하였다. 결론적으로 4세대 지역 난방으로 전환은 에너지 상태, 기존 시스템 조건, 국가 또는 다양한 지역의 운영 관례를 종합적으로 고려하여 신중하고 점진적으로 수행되어야 한다. 또한, 미래 시스템을 위해 추가적인 기술 개발이 필요하며, 운영 및 관리 전략이 혁신되어야 한다.
References
1. Mazhar, A. R., Liu, S., & Shukla, A. A state of art review district heating. Renewable and Sustainable Energy Review 96, 420-439, 2018.
2. Rezaie, B., & Rosen, M. A. District heating and cooling: Review of technology and potential enhanceents, Applied Energy 93, 2-10, 2012.
3. Li, H., & Nord, N. Transition to the 4th generation district heating – possibilities, bottlenecks, and challenges, Energy Procedia 149, 483-498, 2018.
4. Lund, H., Φstergaard P. A., Chang, M., Werner, S., Svendsen, S., Sorknaes, P., Thorsen J. E., Hvelplund, F., Mortensens, B. O. G., Mathiesen, B. V., Bojesen, C., Duic, N., Zhang, X., & Moller, B. The status of 4th generation district heating: Research and results, Energy, 164, 147-159, 2018.