인간 활동이 기후변화에 심각한 영향을 미치고 있으며, 기후변화 문제의 심각성이 널리 알려지면서 전 지구적 문제로 인식되기 시작하였다. 이에 기후변화 문제의 대응방안을 마련하기 위하여 1992년에 ‘기후변화에 관한 국제연합 기본협약(United Nations Framework Convention on Climate Change; UNFCCC)이 채택되었다. 기후변화협약에 따라 Annex I 국가들은 온실가스 배출량을 감축할 의무가 있었으며, 2015년 파리기후변화협약에서는 온실가스가 기후 체계에 위험한 영향을 미치지 않는 지구의 평균 온도 상승을 2℃보다 낮도록 온실가스 배출량을 감축하는데 합의가 이루어졌다. 또한 지속가능한 미래를 위하여 기존 Annex I 국가들만 해당이 되었던 온실가스 배출량의 감축 의무가 모든 당사국들에게 부과되었으며, 이에 우리나라는 2030년 온실가스 배출전망치(Business As Usual; BAU) 대비 37% 감축안을 UN에 제출하였다. 이러한 변화에 대응하기 위하여 우리나라는 2016년에 2030 국가온실가스 감축 기본 로드맵을 작성하여 국가차원의 중장기 전력과 정책방향을 제시하였으며, 이를 실현하기 위한 종합계획으로 제1차 기후변화대응 기본계획을 수립하였다. 제1차 기후변화대응 기본계획에는 저탄소 에너지 정책으로의 전환을 목표로 이를 달성하기 위한 과제로 신재생에너지 보급 확대, 저탄소 전원믹스 강화, 에너지 효율 제고 등이 포함되어 있다.

Sayegh et al.(2017)은 저탄소 에너지 정책 전환의 문제가 기존 발전소이며, 이러한 기존 발전소의 가장 큰 우려는 대기오염물질 배출 중에서도 특히 석탄 연소에 의해 발생하는 온실가스인 CO₂가 매우 큰 문제이다. 석탄화력 발전(효율 30%)에서의 이산화탄소 배출량은 약 1.115 kg CO₂/kWh로 미국 환경보호청(Environmental Protection Agency; EPA)에서 설정한 기준치인 0.499 kg CO₂/kWh의 약 2.2배에 해당하고 있다. EPA에서는 1971년부터 2002년까지 발전소에서 배출되는 오염물질을 평가하였으며, Horazak et al.(2014)는 이를 기초로 2013년에 새로 지어지는 발전소에 대해 천연가스 터빈 발전소(천연가스 249 MWth 이상)는 이산화탄소 배출량 허용 기준치로 0.454 kg CO₂/kWh, 소규모 천연가스 터빈과 석탄화력 발전소는 0.499 kg CO₂/kWh를 규제치로 제시하고 있다.

Haichao et al.(2013)은 집단에너지 사업의 경우 신재생에너지를 포함하여 지역별 특성에 따른 에너지원을 다양하게 사용할 수 있으며, 대기오염물질(NOx, SOx, dust) 배출량도 개별난방과 비교하여 단지 39%만 배출한다고 보고하고 있다. 또한 Brand and Svendsen(2013)은 새로 지어지는 건물은 제로에너지 빌딩(Zero-energy buildings)에 가깝게 설계되도록 하고 있어 이러한 규정이 유럽 내 건물들의 열 수요를 감소하게 할 것이며, 열 수요의 감소는 유럽의 차세대 지역난방의 적용에 중요한 요인으로 작용할 것으로 예상되고 있다. Rismanchi(2017)는 차세대 집단에너지 시스템이 4세대 집단에너지를 거쳐 5세대 집단에너지 시스템으로 발전할 것으로 예상하고, Lund et al. (2014)은 4세대 지역난방시스템이 화석연료로부터 탈피하여 신재생에너지가 100% 연료로 활용될 것으로 예상하고 있다.

따라서 저탄소 에너지정책이 제2차 국가에너지기본계획과 연계되며, 기본계획에서는 중점과제 중 하나로 분산형 발전시스템의 확대와 에너지의 안정적 공급체계 구축을 위한 추진방안으로 집단에너지의 확대를 주요 방안으로 나타내고 있다. 집단에너지는 지역 단위에 열을 공급하거나 열과 전기를 함께 공급하는 형태로 열병합 발전을 기반으로 하고 있으며, 수도권 전력집중으로 송전망 포화 등에 따른 분산 전원 확대 수단으로 열병합 발전의 중요성이 부각되고 있다. 이에 본 연구는 국내 집단에너지를 대상으로 온실가스 감축 잠재력을 분석하여 집단에너지가 저탄소 에너지 정책에 미치는 영향을 평가하고, 국외 집단에너지 개발 동향을 살펴봄으로써 국내 집단에너지의 지속가능한 발전을 위한 방향성을 제시하고자 한다.

국내 집단에너지는 지역난방, 산업단지, 병행으로 구분하여 에너지를 소비하고 생산한다. 집단에너지의 연료원별 소비패턴은 화석연료 67%, 신재생에너지 26%, 외부수열 7%로 구성되지만, 다른 집단에너지와는 달리 지역난방은 화석연료에 대한 에너지 비중이 98%로 높은 수준이다. 연료사용량은 산업단지에서 집단에너지 사용량의 70%를 차지하며, 지역난방은 28%의 에너지를 소비하는 것으로 나타났다. 지역난방에서 생산되는 에너지생산 측면에서는 열 생산 57%, 전기 생산 43%로 열에너지를 더 많이 생산하고 있으며, 산업단지는 열 생산 85%, 전기 생산 15% 수준이지만 집단에너지 전체의 에너지 생산의 측면에서는 산업단지의 경우 열에너지 생산량이 72%로 높은 수준이고, 지역난방은 전기에너지 생산량이 60%로 높은 수준이다(Fig. 1). 따라서 본 연구는 이러한 국내 집단에너지의 소비 생산을 고려하여 집단에너지 중 화석연료의 소비 비중이 높고, 전기와 열에너지의 생산 비율이 비슷하며, 집단에너지 전체의 전기와 열에너지 생산 비율이 유사한 지역난방을 대상으로 하였다.

Fig. 1. 
Domestic integrated-energy consumption and production.

2015년 기준 집단에너지 중 지역난방에 투입된 화석연료 에너지량은 157,766,111 MMBtu으로 사용된 연료는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas; LNG)가 95%로 대부분의 연료로 사용되었으며, 나머지는 Bunker-C 5%로 사용되었다. 전기생산은 59,515,340 MMBtu 로 자체 생산량이며, 열 생산은 80,462,805 MMBtu로 열병합(Combined Heat and Power; CHP) 비율이 44%, 외부수열 41%, 열전용 14%, 기타 1%로 구성된다.

국내 지역난방과 개별난방의 에너지 생산구조를 살펴보면, 지역난방은 석유계 오일류, 액화천연가스, 석탄(유연탄), 발전폐열, 소각수열 등의 다양한 에너지 투입으로 열과 전기를 생산하여 열은 난방, 전기는 국내 전력망을 통해 활용되고 있다. 반면, 개별난방은 대부분 액화석유가스 (Liquefied Petroleum Gas; LPG) 또는 석탄(유연탄)의 에너지를 소비하여 열을 생산하며, 난방을 위한 에너지로만 활용되고 있다. Fig. 2는 국내 열에너지의 생산 및 소비 구조를 그림으로 나타낸 것이다.

Fig. 2. 
Energy production structure of district heating and individual heating (CHP: combined heat and power, IH: Individual heating).

본 연구는 국내 집단에너지의 에너지 생산에 따른 생산효율과 온실가스 감축 정도를 파악하기 위하여 개별난방과 비교 분석하였다. 집단에너지는 앞서 언급한 바와 같이 지역난방과 산업단지 병행 등으로 구분하여 그 특성이 다르므로 열과 전기를 비슷한 비중으로 생산하는 지역난방을 대상으로 Fig. 3과 같은 시나리오를 구성하였다. 구성 시나리오에 따라 지역난방과 개별난방의 에너지 생산효율과 온실가스 배출량을 산정하고 그 값을 상호 비교하였으며, 개별난방 시스템은 에너지 효율이 높은 콘덴싱 보일러를 기준으로 하였다.

Fig. 3. 
Scenario structure in this study (DHP: District heat and power, IH: Individual heating, NEG:National Electric Grid).

집단에너지 중 지역난방의 에너지 생산효율 산정 시 투입 에너지 종류와 양은 2015년 집단에너지 현황을 기준으로 산정하였으며, 대상 연료는 액화 천연가스와 석유계 oil 류를 대상으로 하였다. 개별난방은 투입된 에너지의 산정이 제한적임을 고려하여, 지역난방에 투입한 에너지를 기준에너지 100 unit으로 가정하고, Park and Kim(2008)에 의해 제시된 개별난방의 열에너지 생산은 콘덴싱 보일러를 통한 에너지 생산으로 열효율 95%, 전기에너지 생산을 위해 국가 전기에너지 생산효율 40.2%를 기준으로 에너지 효율과 온실가스 배출량을 산정하였다.

온실가스 배출 및 저감량 산정은 미국 EPA(2015)의 연료 및 이산화탄소 배출량 열병합 발전시스템에 대한 저감 계산 방법론을 활용하여 에너지 생산 형태별(지역난방과 개별난방) 효율과 온실가스 발생량을 산출하였다. 지역난방의 에너지 효율과 온실가스 배출량 산출을 위하여 실제 국내의 에너지 투입량과 전기와 열 생산을 통한 열과 전기 에너지 모두를 고려하였으며, 개별난방은 열에너지 생산 콘덴싱 보일러와 전기에너지는 국내 전력생산 활용을 적용하였다.

에너지 생산 효율을 계산하기 위하여 식 (1)을 사용하였으며, 여기서 F_S(Btu)는 총 연료 소비감소량이며, F_T(Btu)는 열생산을 위해 소비되는 연료량, F_G(Btu)는 전력생산을 위해 소비되는 연료량, F_CHP(Btu)는 지역난방에너지 생산을 위해 소비되는 연료량이다.

열 생산을 위해 소모되는 연료량 F_T(Btu)는 CHP의 열출력(Btu)에 열 생산설비의 예상 효율(%)(ex. 천연가스 연소 보일러 80%, 바이오매스 보일러 75% 등)을 나누어 식 (2)와 같이 산정한다. 전기 생산을 위해 사용된 에너지 소비량 F_G(Btu)는 송전 전력(E_G, kWh)과 전기열량(HR_G, Btu/kWh)을 곱하여 식 (3)과 같이 계산한다.

전체 연료 소비량에서 지역난방에 사용되는 연료의 에너지 함량(Btu)은 식 (4)와 같이 지역난방 연료사용량(V_F, Nm³)에 연료의 에너지 밀도(ED_F, Btu/Nm³)를 곱하여 계산하였다. 천연가스의 에너지 밀도는 36,303 Btu/Nm³이다.

온실가스 배출량 계산은 식 (5)를 이용하였으며, 여기서 C_S(kg CO₂)는 총 CO₂ 배출 저감량이며, C_T(kg CO₂)는 열 생산으로 배출되는 CO₂ 배출량, C_G(kg CO₂)는 전력생산을 통해 배출되는 CO₂량, C_CHP(kg CO₂)는 지역난방에서 에너지 생산을 통해 배출되는 CO₂량이다.

열 생산으로 배출되는 CO₂ 배출량 C_T(kg CO₂)는 소모 연료량에 2015 EPA 온실가스 산정 가이드의 천연가스 CO₂ 배출계수(EF_F)는 53.0249 kg/MMBtu를 곱하여 식 (6)과 같이 산정하였다. 전력 생산 시의 CO₂ 배출량 C_G(kg CO₂)는 식 (7)과 같이 송전전력(E_G)에 국가전력배출계수(EF_G)를 곱하여 산정하였으며, 국가 전력배출계수(EF_G)는 2011년 전력거래소 전력부문 온실가스 배출계수인 0.4428 kg/kWh를 적용하였다.

지역난방의 에너지 생산과정에서 배출되는 CO₂ 배출량(kg CO₂)은 소비되는 연료의 유형과 양에 따라 달라지며, 배출량 계산을 위하여 식 (8)을 적용하였다.

본 연구에서는 국내 집단에너지(지역난방)과 개별난방을 비교하여 온실가스 감축 잠재력을 분석하고, 집단에너지가 저탄소 에너지 정책에 미치는 영향을 평가하였으며, 국내 집단에너지의 지속가능한 발전을 위하여 필요한 사항을 정리하였다.

• 1. 국내 집단에너지(지역난방)와 개별난방을 비교 분석을 통해 온실가스 감축 잠재력 분석결과, 지역난방의 에너지 생산효율은 67.9%(열에너지 30.2%, 전기에너지 37.7%)로 나타났으며, 개별난방은 총 에너지 투입량 대비 에너지 생산 효율이 54.1%인 것으로 산출되어 동일 에너지 투입 시 지역난방의 에너지 생산 효율은 개별난방의 에너지 생산 효율에 비해 13.8% 높은 효율을 나타내는 것으로 분석되었다.
• 2. 지역난방과 개별난방의 열에너지와 전기에너지 생산을 통해 방출되는 온실가스 발생량을 산정하여 비교한 결과, 지역난방을 통한 열에너지와 전기에너지를 생산할 경우, 온실가스 381,311 ton CO_2e(4.1%)가 저감되는 것으로 분석되었다.
• 3. 결론적으로 지역난방의 에너지 효율이 개별난방의 생산 효율적 측면에서 13.8% 높은 에너지 생산효율을 가지며, 온실가스 감축효과도 4.1% 높은 것을 알 수 있었다.
• 4. 집단에너지 사업의 경제성 문제를 효율적으로 해결하기 위해 국내에서는 공공기관을 통한 지역난방 공급사업의 역할이 매우 중요하며, 이를 위해서 공공기관을 통한 지역난방 공급 사업을 확대하여 열에너지의 생산 단가를 낮추면서 집단에너지 민간사업과 열 수요자인 지역주민들이 함께 이익을 획득하는 방안이 필요하다.
• 5. 열에너지가 사회기반시설의 기본적 요소라는 특수성을 고려하여 열에너지 생산은 공공기관이 지역난방 공급 사업을 담당하도록 하여 생산 단가를 낮추면서 지속적으로 신규 열 수요를 찾아 초기 투자비가 높은 열 네트워크(Heat networks)를 구축하도록 유도하며, 지속적인 저가 열원을 확보로 경쟁력을 강화시키고, 온실가스 발생량도 낮출 수 있도록 노력을 기울일 필요가 있을 것이다.