| 새로운 시대정신이자 미래의 침로인 'ESG'가 거대한 전환을 만들고 있다. ESG는 환경(E), 사회(S), 거버넌스(G)의 앞자를 딴 말로, 더 나은 세상을 향한 세계 시민의 분투를 대표하는 가치 담론이다. 삶에서, 현장에서 변화를 만들어내고 실천하는 사람과 조직을 만나 그들이 여는 미래를 탐방한다.[편집자말] |
▲ 독일 아이벨하우젠의 '보쉬' 공장에서 히트펌프를 생산하고 있는 모습. 2023.10.25 ⓒ EPA/연합뉴스
에너지 비용을 줄이고 기후변화를 늦출 수 있는 난방 기술로 히트펌프(Heat Pump)가 주목받고 있다. 펌프는 유체를 낮은 곳에서 높은 곳으로 보내는 기기를 의미한다. 히트펌프는 물 대신 '열(Heat)'을 온도가 낮은 곳에서 높은 쪽으로 보낸다. 히트펌프는 에어컨과 마찬가지로 압축기, 응축기, 팽창장치, 증발기 등의 부품으로 구성된다. 히트펌프는 냉난방 밸브를 이용해 히트펌프에 최적화한 냉매의 흐름을 변환한다. 냉매는 히트펌프를 돌면서 압축과 팽창을 반복하고 그 과정에서 액체와 기체 상태를 오가며 서로 다른 지점에서 열을 모았다가 방출한다.[1]
추운 겨울에는 실외의 냉매가 열을 흡수해(냉매의 끓는 점이 -25°C 이하로 매우 낮아 액체 상태의 냉매는 실외의 열을 흡수한다) 실내로 흡수한 열을 방출하여 실내를 덥힌다. 여름에는 반대로 실내의 열을 흡수해 실외로 방출함에 따라 냉방기능을 한다. 필요에 따라 난방 혹은 냉방을 선택적으로 실행할 수 있다.[2] 국제에너지기구(IEA)에 의하면 2050년까지 냉난방이 필요한 지역에 거주하게 될 인구는 26억 명이다. 이들에게 히트펌프만 있으면 에어컨이 따로 필요하지 않다.[3]
▲ 히트펌프 개념도 ⓒ 이윤진
히트펌프는 기존의 화석연료 사용 건물 난방기기보다 효율적이다
히트펌프는 전기를 열로 바꾸는 '발열' 방식과 달리 열을 모아 이동시키는 열 '전달'에만 전기를 사용한다. 히트펌프의 효율은 냉매와 시스템의 종류, 실내와 실외의 온도 차에 달라진다.[4] 일반적으로 효율(열효율)은 획득한 전기나 동력 등의 에너지를 소비한 연료량으로 나누면 구해진다. 효율이 높다(좋다)는 것은 같은 연료의 양으로 얻는 에너지양이 많다는 것을 의미한다.
히트펌프는 냉매의 열 흡수/방출을 반복하므로 기존 난방기기와는 다른 '에너지 소비효율' 즉 'COP(성능계수, Coefficient of Performance)'라는 효율 지표를 사용한다. COP는 냉난방기기에 일정량의 일(W, Work)을 가했을 때 기기가 생성(흡수하거나 방출)하는 열(Q)을 의미한다. 이론적으로 전기히터의 열효율이 100%일 때 COP는 1이다.[5] 히트펌프의 COP는 실행하는 냉난방 온도에 따라 변하지만, 보통 COP 평균이 5(3~7)로 전기히터보다 5배 정도의 열을 발생시킬 수 있다.[6]
일부 국가에서는 이미 히트펌프가 가장 많이 사용되는 난방장치이다. 노르웨이에서는 건물의 60%에 히트펌프가 설치되어 있고 스웨덴과 핀란드에는 40% 이상 설치되어 있다. 미국 워싱턴주는 2021년부터 신축 주택과 상업용 건물에 히트펌프 설치를 의무화했다.[7] 북미는 히트펌프 설치 가구 수가 가장 많은 대륙이며, 신규 설치가 가장 많은 나라는 중국이다.[8]
지역 냉난방을 위한 히트펌프 도입
독일 히트펌프 제조 기업인 '맨 에너지 솔루션(Man Energy Solutions)'의 '해저 HOFIM(Subsea High-Speed Oil-Free Integrated Motor)'은 최초의 해저 설치 가스압축설비로 해수를 이용한 대용량 히트펌프인 'MAN 히트펌프'에 적용됐다.[9] 이 히트펌프는 바닷물 외에 주거지역과 산업단지의 오폐수, 하천 및 호수의 용수, 발전소의 온배수를 활용하기에, 설치할 수 있는 장소 선택 범위가 넓다. 독일 함부르크는 폐수를 열원으로 60MW 용량의 열을 공급하는 히트펌프를 가동할 예정이다. [10]
덴마크 림피요르드 해협 북쪽 제방에 위치한 덴마크 지역난방 발전소는 대용량 히트펌프로 해수를 열원으로 사용하고 올보르 지역의 재생에너지를 소요 전력(전달)으로 사용해 연간 16만 톤의 CO2 배출량을 감축할 것으로 기대한다.[11]
여러 개의 대형 히트펌프를 통합해서 용량을 극대화한 설비도 이미 사용되고 있다. 스웨덴 스톡홀름은 히트펌프 7대를 연결하여 215MW의 열을 공급받고 있으며, 오스트리아 빈에 설치 중인 주거지역용 히트펌프는 55MW의 열을 공급하는데 조만간 같은 설비를 추가해서 110MW로 용량을 확장할 예정이다. 오스트리아의 지역난방용 히트펌프 설비는 MW당 1000세대 이상의 열 수요를 감당할 수 있어, 110MW 용량으로 약 12만 세대, 30만 명 이상의 시민에게 연간 약 55만MWH의 냉난방을 제공할 수 있다.[12]
▲ 히트펌프를 이용한 냉난방기 형태 ⓒ 아피스
히트펌프 시장 전망과 장단점
IEA의 최근 보고서에 따르면 2022년 전 세계 히트펌프 판매량은 2021년 대비 11% 증가해 2년 연속 두 자릿수 성장을 기록했다. 유럽에서는 2022년 한 해 300만 개 이상 히트펌프가 판매되어 2021년 대비 매출이 거의 40% 증가했고, 미국에서는 히트펌프 구매량이 가스난방시스템 구매량을 넘어섰다. 세계 최대 히트펌프 시장인 중국에서는 전반적인 경기 둔화 속에서도 매출이 안정적으로 유지되면서 2022년 20% 이상 성장률을 보였다. 천연가스 가격이 높은 수준인 데다 온실가스 배출을 줄이기 위한 정책적 노력이 히트펌프 시장 확대의 주요 원인으로 파악된다.
전 세계 국가의 에너지 및 기후 공약에 부합하려면 2030년까지 히트펌프가 건물 난방 수요의 약 20%를 감당해야 한다. 전 세계적으로 지난 2년과 비슷한 속도로 신규 설치가 계속 증가한다면 이 목표에 거의 도달할 수 있다. 2050년까지 CO2 순 배출량 제로를 달성하려면 앞으로 10년간 매년 15% 이상 판매가 증가해야 한다.[13]
히트펌프는 설치 시 초기 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 현재 한 유닛 설치비용은 3000~6000달러에 달하며 건물의 크기에 따라 유닛 수가 증가할 수 있다. 장점은 수명이 15년 이상으로 길며, 연교차가 커 난방과 냉방을 모두 사용하는 가정에 유리하다.
전 세계 30개 이상 국가에서 히트펌프 사용 장려 정책을 펼치고 있다. 주로 저소득층이나 고효율 장비 구입 시에 이러한 혜택을 받을 수 있다. 특히 이탈리아는 에너지 효율 개선을 위한 건물 개조 공사에 보조금을 지원하고 있으며, 비용의 최대 110%를 세액 공제 혜택으로 돌려준다. 미국은 인플레이션 감축법안(IRA)에 따라 히트펌프 구매 비용의 30%를 세액 공제해 준다. 저소득 및 중위소득 층에는 추가로 지원해 일부 가구에서는 정부의 지원정책만으로 비용의 100%를 충당할 수 있다.[14]
국내 히트펌프 보급 현황
국내에서는 전기요금 누진제 등의 요인으로 가정용 히트펌프 보급이 저조하다. 국내 4인 가구 평균 전력사용량 304㎾h에 히트펌프 전력사용량이 추가되면 전력사용량이 400㎾h를 넘어서게 되면서 기본요금과 전력량 요금이 크게 오른다. 이런 문제로 LG전자는 국내 생활용 히트펌프 보급이 어렵다고 판단하고 국내 사업을 접었다. 다만 최근에는 태양광 발전 패널과 히트펌프를 함께 설치하는 방식으로 히트펌프 시장 조성 가능성을 모색하는 중이다.[15]
히트펌프의 또 다른 문제점은 냉매 누출이다. 냉매란 넓은 의미에서 냉각작용을 일으키는 모든 물질을 말하며 냉동장치, 공기조화장치, 히트펌프 등에서 사용되는 유체이다. 오랫동안 냉동공조분야에서 냉매로 사용된 R-22는 오존층을 파괴하는 물질로, 몬트리올 의정서 상 5년 단위 감축 목표를 근거로 2013년부터 생산 및 소비량 감축을 시작하여 2030년이면 완전히 사용이 금지된다.[16]
오늘날 히트펌프에 사용하는 냉매로는 오존층 보호를 위해 R-22의 대체 냉매로 개발된 'R-410A'이나 'R-32'가 있다. 대체 냉매는 과거보다는 개선되었지만 여전히 온실가스를 배출한다는 문제점을 안고 있다. 탄화수소인 프로페인(propane), 뷰테인(butane) 같은 종류는 더욱 친환경적이지만 이 중 일부는 가연성이 매우 높으므로 안전장치를 마련해야 하는 등 취급에 더욱 신중을 기해야 하고 제조 과정에서 더 정확성이 요구된다.[17]
▲ 지열 히트펌프 개념도 ⓒ 이윤진
전기차와 산업 열공정에도 적용되는 히트펌프
히트펌프는 전기차의 난방 효율을 극복하기 위해서도 사용된다. 전기차에 탑재되는 히트펌프는 기본적으로 기체 상태 냉매의 액체 변환 과정에서 발생하는 열을 난방에 사용하는 구조이다. 엔진 열을 통해 뜨거워진 냉각수로 난방하는 내연기관 자동차와 달리 전기자동차는 엔진이 없어 전기히터와 같은 추가 난방시스템을 장착해야 한다. 게다가 엔진의 열을 품을 냉각수도 없어 정차 중에도 전기에너지를 사용해 따뜻한 공기를 계속해서 주입해야 한다. 인위적 난방시스템 작동에 많은 전력이 소모되기에 내연기관 자동차에 비해 난방효율이 떨어지게 된다.
이전에는 전기차의 겨울철 난방을 위해서 세라믹질의 반도체 소재를 사용한 PTC히터(Positive Temperature Coefficient Heater)를 주난방 장치로 사용했다. PTC히터는 수명이 길고 공기 중의 산소와 반응하지 않으며 CO2를 발생하지 않는다. 하지만 실외온도가 영하인 상태에서 전기차의 히터를 작동하면 배터리의 최대 40%가 난방에 사용되어 주행 거리가 최대 40% 정도 줄어드는 문제가 생긴다. 실제로 서울시 전기택시 기사들은 동절기 1회 충전 주행가능거리가 최대 주행거리 135km의 약 60%에 해당하는 80km에 불과하다고 밝힌 바 있다. 히트펌프는 이 문제를 해결할 수 있다.
2012년 닛산 리프에 최초로 탑재된 히트펌프는 기아차의 2014년 쏘울 EV(1세대)와 2021년 테슬라 모델3 등까지 다양한 전기차 모델에 적용됐다. 기존 전기를 이용한 PTC히터의 에너지 효율은 0.9~0.95임에 비해 히트펌프 탑재 모델의 에너지 효율은 1.5~4로 높으며 고효율의 전기차 히트펌프 기술이 계속해서 개발 중이다.[18] [19] 건물 난방뿐 아니라 산업 열공정 분야에서도 히트펌프가 탄소중립을 달성할 수단으로 검토되고 있다.
국내 에너지 소비의 62%를 차지하는 산업공정에서 사용하는 열에너지의 90% 이상이 석유, 석탄, LNG와 같은 화석연료로부터 공급되고 있어 산업공정의 열에너지 소비 패턴 변경이 필수적이다. 히트펌프는 이 분야 온실가스 감축의 대안으로 부상하고 있지만 기술적 보완이 필요하다. 산업 열공정 수요의 상당 부분이 300°C 이상 고온 히트펌프 기술이 요구되나 현재까지 고온 히트펌프의 열공급 온도는 200°C 미만에 그치고 있다.
일본 기업들에 의해 1960년대에 개발된 히트펌프 기술은[20] 현재 미국과 중국을 중심으로 기술패권 다툼이 이뤄지는 가운데 부하 평준화와 고효율화를 목표로 다양한 히트펌프 제품이 개발되고 있어[21] 고온 히트펌프 기술 개발도 가능할 전망이다.
에너지 정책과 히트펌프 확대로 탄소배출 감축에 기여
▲ IEA의 ‘발표된 서약 시나리오’의 히트펌프 전환에 따른 탄소배출 감소량 예측 ⓒ IEA
IEA의 '발표된 서약 시나리오(APS, Announced Pledges Scenario) 2021-2030'에 따르면 히트펌프 수요 용량은 전 세계적으로 2021년 1000GW에서 2030년 2600GW으로 증가하며 같은 기간에 건물 난방 용량 비중은 10%에서 20%로 상승할 것으로 예측된다. 이에 따른 CO2 누적 배출 절감량은 2030년까지 4억8970만톤에 이를 것으로 예상된다.[22]
영국 정부는 '난방 및 건축물 전략(Heat and Building Strategy)'을 통해 2035년부터는 보일러 교체 시 반드시 저탄소 보일러로 교체하도록 하였다. 이 정책으로 2025년 이후 완공되는 건축물에 히트펌프가 대거 설치될 것으로 보인다.[23]
미국 뉴욕주는 이르면 2026년부터 7층 이하 신축 건물에 화석연료 연소를 사용을 금지하는 법안을 통과시켰다. 2029년부터는 7층 이상 신축 건물에도 규제가 적용된다. 단 대형 상업 공업용 건물과 기존 건물은 적용 대상에서 제외된다. 미국 환경단체 RMI는 이 법안으로 2040년까지 탄소배출량을 최대 610만 톤 감축할 수 있다고 전망한다. 자동차 130만 대의 연간 배출량과 비슷한 규모다.[24]
화석연료 보일러의 탄소 배출량이 0.2㎏CO2eq/㎾h를 웃도는 데 반해 히트펌프는 0.07~0.08㎏CO2eq/㎾h에 불과하다. 기술 발전과 함께 2050년 히트펌프가 발생하는 탄소 배출량은 0.01㎏CO2eq/㎾h까지 줄어들 전망이다.[25] 히트펌프 에너지원으로 재생에너지를 100% 사용하면 건물 냉난방에서 발생하는 탄소 배출량은 이론상 0이 된다.
글: 이윤진 ESG연구소 부소장, 안치용 아주대 융합ESG학과 특임교수