세계 각국은 고유가와 기후변화협약에 대응하기 에너지대책 마련에 부심하고 있다. 일본의 경우도 마찬가지로 ‘에너지 사용 합리화에 관한 법률(에너지절약법)’과 ‘지구온난화대책 추진에 관한 법률(온대법)’을 개정·강화하며 대책을 강구하고 있다. 도카이 대학의 다나카 슈운록(田中俊六) 명예교수는 이 글에서 열과 전기에너지의 가치를 평가하며 히트펌프와 축열시스템의 현상과 과제를 피력하고 있다. 특히 공기열원 히트펌프 냉난방은 언제 어디든 적용할 수 있는 에너지절약 시스템의 일반적인 해결책이고 대량생산에 따른 고효율화와 낮은 비용화로 다른 시스템을 추가하지 않아도 되는 큰 에너지 절약원임을 내세우며, 대기의 응용과 중요성을 강조하고 있다. 서론온실효과가스배출량의 1990년도 대비 6% 삭감을 약속한 COP3, 교토의정서의 첫 번째 약속기간의 기한을 바로 눈앞에 두고 일본의 배출량은 여전히 늘어나고 있는 실정이다. 2003년도에는 업무용은 31%, 가정용은 19%가 늘어나 전체적으로 8%가 늘어났다. 정부는 CDM, 배출권 거래를 포함한 대책을 내놓으며 그 목표를 달성하기 위해 최선을 다하고 있다. 이런 가운데 세계적인 경기회복과 불안정한 정치정세와 함께 중국의 대량 에너지 소비 등으로 에너지 가격이 급등했다. 일본에서도 그 해 겨울은 에너지 가격의 급등만이 아니라 천연가스와 일부 원자력발전의 정지에 따른 전력의 수급핍박 등으로 에너지 공급부족마저 우려되는 상황이었다. 에너지 수요가 측도 단기적인 관점에서는 싼 가격으로 신뢰성이 높은 에너지를 준비하는 것이 제일이지만 중장기적인 관점에서 최적의 에너지원을 선택하고, 그 이용기기·시스템의 효율화, 에너지 절약을 최대한으로 도모하는 동시에 CO2 배출량의 최소화를 도모할 필요가 있었다.이같은 상황을 배경으로 일본정부는 이번 4월부터 ‘에너지 사용 합리화에 관한 법률(에너지절약법)’과 ‘지구온난화대책 추진에 관한 법률(온대법)’을 개정·강화했다. 그 내용은 여러 갈래지만 그 중점의 하나는 대규모 에너지 사용사업자에 관한 종래의 ‘열관리지정공장’, ‘전기관리지정공장’제도를 열병합 발전 시스템, 열구동냉동기 등의 보급에 맞는 수요단의 ‘열전호환’시대에 맞춰 본래의 ‘에너지 관리지정공장’제도에 통합한 것이다. 동시에 이 ‘에너지 관리지정공장’을 온대법의 ‘특정배출사업자’로 연결시켜 이에 따른 열과 전기 에너지의 종합적인 효율화, 최적화를 담보함과 동시에 결과적으로 많은 사업소를 적용대상으로 거둬들여 투입에너지의 실효적인 절감을 촉진하고, 일본의 긴요한 과제인 CO2 배출삭감으로 연결시키는 것이다.또 정부는 최근 몇 년 동안 값이 비싸다는 전기요금의 인하를 목표로 전력자유화를 추진하여, IPP, PPS 등의 신규전기 사업자의 참가를 재촉함과 동시에 분산전원, 특히 에너지 절약 효과가 높다는 민생용 열 병합 발전을 기대하며, 연료전기를 포함해 그 연구개발과 도입지원을 적극적으로 진행해왔다. 그 결과 전기요금은 어느 정도 인하가 실현됐지만 민생용 열병합 발전은 초기에 도입된 가스터빈 발전기를 중심으로 한 빌딩·열병합 발전의 실적전력변환효율이 상정보다 꽤 낮고 배열도 온난한 기후 때문에 난방용으로 효율적으로 활용할 수 없다. 또한 난방용으로 사용하기 위해서는 흡수냉동기를 끼워야하기 때문에 적절하게 활용할 수 없고, 전기 히트펌프 방식과 비교해 에너지 절약을 거의 얻을 수 없다는 것이 최근 몇 년의 운전실적에서 확실해졌다. 이에 따라 최근 관련업계는 배열의 이용보다도 전기의 효율에 중점을 둔 발전효율이 높은 가스엔진 열병합 발전의 이용으로 급속히 전환해가고 있다.한편 히트펌프 기술은 지금까지 기존기술의 개량에 지나지 않았기 때문에 정책적으로는 경시되어 왔지만 ‘에너지 절약법’에서 에어컨의 톱 러너 방식 도입을 계기로 그 에너지 효율, ‘성적계수(COP)’가 급속히 향상되고, 여기서 개발된 인버터, 고효율압축기, 열교환기, 또는 R-134A 등의 냉매기술이 빌딩용 전동 패키지 에어컨, 중·대용량 냉각장치, 대형 터보냉동기에 적용되어 다양하게 고효율 히트펌프군이 공급되고 있다. 히트펌프의 민생용 이용 CO2배출삭감이라는 잠재력 가능성이 확실해짐에 따라 정부와 자원에너지청 등도 다시 히트펌프와 그 이용기술의 연구개발, 보급촉진에 힘을 넣게 된 것은 이미 잘 알려져 있다.이같은 시행착오는 기본적으로 일반인이나 기술자도 전기(공사)와 열의 가치, 에너지의 양과 질의 차이에 충분한 이해가 없는 것이 원인이 된 것이 틀림 없다. 이 글에서는 이런 점들을 짚어보고, 히트펌프에 관한 최근의 동향과 앞으로의 과제에 대해 서술하고자 한다.계통전력과 열병합 발전지금까지 열병합 발전 시스템의 이점은 <그림 1>의 상단에 나타난 것 같이 발전효율이 30%, 배열이 40% 정도로 총 70%의 ‘종합열효율’이라고 알려져 있다. 계통전력의 화력평균수전단효율 36.6%의 약 2배의 효율이 있기 때문에 일반인들에게 에너지 절약의 비장의 수단으로 알려져 왔고 정부도 다양한 조성책을 강구하여 그 보급에 힘써 왔다. 그러나 천연가스 열병합 발전의 발전효율은 전력으로 이용되는 고발열량기준(HHV)보다 약 10%로, 높은 저발열량(LHV)기준으로 표시되는 것이 많고, 이것으로 보기소비전력소비 등을 고려하면 실효발전효율은 빌딩용으로 많이 이용되어 온 1~2MW의 가스터빈(GT)발전기에는 아래에 나타난 것 같이 18%(HHV)정도에 지나지 않고, 40%로 되는 배열도 COP=4의 히트펌프의 이용을 상정하면 계통전력에 따른 전력의 10%분에 상당하기 때문에 ‘등가종합발전효율’은 약 28%로 화력평균의 36.6%를 훨씬 밑도는 수치가 되고, 에너지 절약 효과가 없다. 따라서 최근 몇 년 가스회사 등은 NOx의 배출과 진동 등으로 약간 문제는 남지만 실질발전효율이 30%를 상회하는 고효율가스엔진(GE)발전기를 이용하는 방향으로 전환해왔다. 특히 최근 가스회사 등은 전력회사의 LNG·ACC 복합화력발전의 효율에 가까운 8MW 등급의 고효율 가스 엔진(HHV 기준으로 약 45%)을 지역 열공급사업으로 도입하고, 고효율전동 터보 냉동기도 병용하여 전기방식의 일차 에너지 효율값을 뒤쫓아 가려고 한다.이처럼 가치와 효용이 완전히 다른 전력과 저온배열의 효율을 단순가산한 ‘종합열효율’이라는 수치는 이론적으로나 경제적으로 거의 의미가 없지만 배열의 난방이용을 전제로 하는 미국의 PURPA법에는 배열 가치를 절반으로 배열의 이용율에 발전효율이 더해지는 방법, 유럽에서는 발전효율의 최저한을 담보로 한 위에 배열이용효율을 그대로 더하는 방법 등이 이용된다. 하지만 일본같이 대부분을 난방에 이용하는 빌딩·열병합 발전은 배열의 가치가 낮고, 히트펌프의 COP향상과 함께 1/4이하로 보는 것이 당연하다. EU의 열병합발전 보급을 계산하는 ‘EU지령’등 도 이 배열의 가치를 평가하는 방법을 표시한다.한편 <표 1>은 신예 화력과 열병합 발전의 각 종류를 추가해 ‘등가종합발전효율’ 비교를 개략적으로 나타낸 것이다. 표에 보이듯이 빌딩·열병합 발전은 가스엔진을 사용하면 36%정도가 되어 계통전력에 접근한다. 단 중간기에 배열잉여가 생기지 않도록 열병합 발전은 전 전력의 일부로 억제할 필요가 있다. 고효율가스 엔진을 이용한 병원(호텔)의 열병합 발전 등가종합발전효율은 신예 화력에 필적하지만 이것도 배열이용이 충분한 것을 전제로 이 시설에도 매년 고온의 열수요가 감소하는 경향이다. 따라서 히트펌프 방식과 열병합 발전 방식의 경합이 심해져서 결과적으로 전기에 조금 유리하게 된 경우가 많다.히트펌프의 성적계수(COP)와 각종 히트펌프의 개발동향