축열시스템 도입사례

지구온난화대책을 추진하는 부속기관인 일본의 국립환경연구소에서는 연구소에서 열원기기의 에너지 절약화를 꾀하는데 있어서 이산화탄소 배출량을 줄이는 데 중점을 두고 그 방법을 찾았다. 그 결과, 2002년도에‘열병합발전과 흡수식 냉동기를 합친 시스템’과 ‘고효율 터보 냉동기와 NAS전지를 합친 시스템’을 채택하여 2004년 1월에 공사를 마무리지었다. 이 글은 온난화대책을 연구하고 있는 국립환경연구소의 다케우치 타다시(竹內正) 씨가 연구소에 실제로 고효율 터보 냉동기와 NAS전지를 설치하면서 얻어진 이용실적에 대해 쓴 내용이다. 지구온난화문제 지구온난화에 대해서는 1992년 리우데자네이루에서 개최된 ‘지구정상회담’에서 가장 중요한 과제로 떠올랐지만, 과학적인 지식도 충분하지 않았고 불확실성도 있었다. 이후 지구 온난화에 대해서는 각국의 과학자에 의한 조사·연구가 정력적으로 행해져 최근 견해로는 이미 온난화는 시작되고 있다고 지적되고 있다. 그 현상으로는 ① 20세기에 지구의 평균온도는 약 0.6℃ 상승하고 있고 평균해면수위도 10~20cm 상승 ② 남극대륙 빙하의 붕괴와 빙하의 면적의 후퇴(수십년 후에는 거의 없어질 가능성이 있다) ③ 적설면적 감소(1960년대 이후의 10% 감소) ④ 추운 날(서리가 내리는 날)이 거의 모든 지역에서 감소등이 생기고, 이것으로 온난화의 징조가 엿보인다. 온난화 영향으로는 최근의 추세로 온실효과가스의 배출이 계속될 경우 2100년 상황은 평균기온은 1.4~5.8℃ 상승하고, 해면은 9~88cm 상승한다고 예측된다. 그 결과 ① 세계 각지에서 기상변화가 발생하고 열파·가뭄·호우 등에 의한 재해가 발생 ② 기상변화로 식료생산에 영향을 줌으로 기아인구 증대 ③ 말라리아·뎅구열 등 각종 질병의 발생과 열중증의 피해 ④ 해면상승에 따른 도서국의 수몰과 스키장의 해발 고도 고도화 등 레저 산업의 변화 등의 영향이 염려된다.

지구온난화 원인은 지구의 대응능력을 넘은 온실효과 가스가 배출된 결과로 산업혁명 이후 CO2의 지구상 농도는 280ppm에서 370ppm까지 증가하고 있다. 이에 메탄가스와 프론가스 등 온실효과 가스가 늘어 지구상의 평균기온은 20세기에 0.6℃ 상승하고 있다(<그림 1>). 현재 지구상의 온실효과가스 실태는 CO2가 약 절반, 남은 절반이 그 밖의 온실효과 가스가 된다. 그러나 앞으로 배출될 온실효과 가스는 석탄연료의 연소에 따른 CO2가 대부분이다. 최근 CO2 농도는 하와이의 마우나 로아(Mauna Loa)와 본 연구소인 하테루마지마의 관측결과에서 1.5ppm/년 전후의 속도로 상승하고 있으며(<그림 2>), 이 속도로 증가할 경우 2100년에는 지구상 평균기온은 최대 5.8℃ 상승하고, 해면수위는 최고 88cm 상승한다고 가정했을 때 슈퍼컴퓨터에 의한 시뮬레이션 결과는 <그림 3>과 같다.

온실효과가스 감소를 위한 대처 이와 같은 배경으로 1992년 ‘지구정상회담’에서 ‘기후변동에 관한 국제연합구조조약’에 서명이 개시되고 2년 후에 발효했다. 이 조약의 실효성을 담보하고 세계 각국이 협조하여 지구온난화방지의 대처를 진행시키기 위해 1995년부터 ‘체약국회의’가 개최되어 1997년 교토에서 개최된 ‘제3회체약국회의(CPO3)’에서 선진 각국은 2008~2012년 사이에 온실효과 가스의 배출량을 1990년 레벨보다 전체로 적어도 5%삭감한다고 하는 ‘교토의정서’가 채택됐다. 즉 일본은 같은 레벨로 6%삭감하게 됐다. 또한 이 의정서는 2005년 2월에 참가 각국에 의해 비준돼 발효하게 됐다. 한편 일본은 1998년에 ‘지구온난화대책 추진에 관한 법률’이 제정되어 이 법률 아래 ‘지구온난화방지대강령’에 의한 온실효과가스의 배출삭감의 구체적인 대처가 제시됐다. 또 COP3의 솔선행동계획으로 2004년에 ‘온실효과가스의 배출억제를 위한 실행계획’이 각의결정된 정부기관은 2006년까지 2001년 대비로 온실효과가스의 총배출량을 7% 삭감하는 것이 요청됐다. 본 연구소의 대책 본 연구소는 지구온난화대책을 추진하는 부속기관이자 온난화대책연구를 실시하고 있는 연구소로 솔선하여 CO2의 삭감으로 대처하는 것으로 했다. 구체적인 대책으로 에너지센터 냉열원기기의 에너지 절약화에 중점을 두고, 2002년도에 신규시설의 건설 예산이 인정되어 연구소 내의 냉동용량이 부족하기 때문에 동시에 냉동기 증설의 예산도 인정되어 냉열원 시스템을 재점검하기로 했다. 지금까지 냉열원기기는 증기흡수식 냉동기(정격출력600RT 4대)에서 소내의 냉동부하에 대응하고 있지만 그 이전은 터보냉동기였다. 몬트리올 의정서 등에 정해진 오존층을 파괴하는 냉매이기 때문에 물을 냉매로 하는 흡수식 냉동기로 약 10년 전에 변경한 경위가 있다. 앞서 말한 정부의 요청이 나와 에너지 소비량의 삭감에 더해 온실효과가스의 삭감도 포함한 대책방법에 대해 검토하기로 했다. 몇 개의 방식에 대해 검토했지만 ‘열병합발전과 흡수식 냉동기를 합친 시스템’과 ‘고효율 터보 냉동기와 NAS전지를 합친 시스템’으로 좁혀 이산화탄소의 배출량 및 에너지 소비량에 중점을 두고 2004년도 시점으로 이산화탄소의 배출량 및 에너지 소비량을 예측하고, 연구소 내의 연구자 및 행정관 이상 되는 검토위원회를 설치해 비교검토를 했다. 그 결과 열병합발전시스템에서 배열의 이용상황 및 흡수식냉동기의 에너지변환효율이 낮은 것 등으로 종합적으로 판별하고 고효율 터보 냉동기(COP5.8정격출력 600RT 2대)와 NAS전지(정격출력 1,000kW, 축전용량 7,000kWh)의 조합이 당 연구소의 경우는 최적의 결과라고 판명되어 이 방식을 채용하게 되었다. 이에 따라 2002년 11월에 검토를 개시하고 2003년 3월에 공사에 착수하여 2004년 1월 완성했다. 도입결과

도입결과는 2002, 2003년도에 흡수식냉동기가 가동하고 2004년도는 터보냉동기가 NAS전지가 가동한 데이터로 비교한다. 그러나 2003년도는 냉하·온동이고, 이하는 기상조건의 유사한 2002년도와 2004년도로 한다. 결과는 전력사용량은 예측에 반해 거의 같고 도시가스 총사용량은 흡수식 냉동기가 가동하지 않고 끝나기 때문에 약 33%정도 감소하고 있다. 전력사용량은 2002년도는 흡수식 냉동기 600RT 4대가 풀가동 했지만 2004년도는 터보 냉동기 1,200RT 터보 냉동기만으로 대응했기 때문에 흡수식 냉동기의 보기의 전력사용량과 어울린 결과이다. 원인은 흡수식 냉동기의 경년열화와 냉각수온상승시의 냉동능력저하 등으로 생각된다. 총 에너지 소비량은 <그림 4>에 나타난 것 같이 약 15% 감소했고, CO2의 총배출량은 약 16% 감소했다. 한편 NAS전지에 의한 효과에 대해서는 야간전력 시간대에 약 7,000kWh 정도 축전하고, 주간 시간대에 방전하고, 피크 시간대에는 1,200kW정도 및 그 밖의 시간대에는 400kW정도를 방전함에 따라 터보 냉동기의 전력피크 대응을 도모했다. <그림 5>에 전형적인 전력 터보를 나타내지만 충전하는 야간 시간대에 수전전력이 피크대가 되어 주간 시간대 쪽이 낮아지고 있다. 그리고 피크시간대에 오히려 낮아지고 있다. 이것은 계통전력의 환경우위성을 최대한 이용하고 싼 가격의 야간 전력을 사용하는 것뿐만 아니라 CO2배출량이 적은 전력을 사용하는 것도 된다. 또 부하평준화에도 기여하고 있고 이 같은 대처가 보급하면 발전소의 발전효율 향상과 CO2 배출계수의 개선에도 연결되는 것이 확실해지고 부하평준화에는 각종의 방식이 있는 것이 그 필요성을 강조하고 싶다.

앞으로의 대처 작년 2월에는 교토의정서가 발효하여 일본은 1990년 레벨에서 6% 삭감을 도모하기에는 현재 배출량에서는 약 14%의 삭감이 필요하고 산학관이 일치단결하여 목전의 목표 달성을 위해 분투 중이다. 한편 더욱 온실효과가스의 삭감을 목표로 ‘교토의정서’ 이후의 차기구조에 대해 국제간의 교섭도 시작되었다. 지구온난화는 바야흐로 그 영향을 예측한 경우 인류의 생존을 위협한다는 것을 최근 연구로 지적되고 있다. 온난화의 진행을 멈추는 것은 현실적으로는 무리가 있고, 몇 번까지 평균기온의 상승이라면 전술한 지구규모에서의 악영향의 현재화를 미연에 방지할 수 있을지에 대한 연구가 행해지는 것이 현상이다. 그 성과에 의하면 2℃ 이하에 제어하는 것이 필요하다. 따라서 온실효과가스의 농도를 475ppm이하(<그림 6>)로 억누르기 위한 필요가 있고 개발도상국이 평균적인 생활 레벨에 달한다고 예상되는 2050년경에는 세계전체로 온실효과가스의 배출량을 1990년 레벨의 50%이하로 삭감할 필요가 있다는 견해다. 즉 일본은 60~80%의 삭감의 의무를 지게 된다. 유럽은 영국 60%, 독일 80%, 프랑스 75%의 삭감을 검토 중이다. 당연한 말이지만 개발도상국에서도 적정한 삭감의무는 요구되는 시뮬레이션에 기초하고 있다. 앞으로 배출되는 온실효과가스의 대부분은 이산화탄소이고 최근 온실효과가스의 배출 실태는 민생·운수부문이 증가하고 있고, 산업부문은 거의 변동하지 않는 상황이다. 지속적인 발전을 유지해가는 지구온난화문제와 맞서는 이것을 극복하는 것은 지금까지의 인류의 역사상에서 적어도 난문의 하나인 것은 만인이 인정하는 것이다. 그러나 과학자를 시작으로 정책·산업에 관한 관계자가 일치단결하면 극복할 수 있다. 특효약은 기대할 수 없지만 우리 연구소의 결과에서 기설의 냉열원기기를 고효율기기로 갱신하는 것과 CO2배출계수가 낮은 야간 전력을 축전하는 것으로 이산화탄소 배출을 삭감하는 도모된 것은 확실하고, 공급 측의 한층 전력효율의 향상에 온실효과가스의 배출삭감은 꽤 가능하다. 또 앞으로 태양·풍력·바이오매스·연료전지 등의 새로운 에너지 개발과 실용화로 극복할 수 있는 것을 부탁하고 싶다. 마지막으로 독자 모두에게도 고효율화냉열원기기의 도입과 열펌프급탕기의 이용 등으로 이산화탄소의 배출삭감기술의 보급, 고효율열원기기·축열기술·축전장치 등의 더욱 효율향상을 위한 개발 및 놀랄만한 기세로 공업화가 전진하고 있는 개발도상국으로 보급의 추진을 도모하고 온실효과가스의 삭감을 위한 공헌을 부탁할 따름이다.