Assessing Waste Heat Utilization in Power-to-Heat-to-Power Storage Systems for Cost-Effective Building Electrification

기술 요약: 비용 효율적인 건물 전기화를 위한 전력-열-전력 저장 시스템(PHPS)의 폐열 활용 평가

문제 정의
건물 부문의 탈탄소화는 태양광(PV) 자가 소비와 히트펌프의 광범위한 도입을 필요로 하며, 이를 뒷받침할 비용 효율적인 에너지 저장 장치가 필수적이다. 리튬 이온(Li-ion) 배터리는 단기 고출력 애플리케이션에는 널리 사용되지만, 장기 저장을 위한 낮은 에너지 비용 측면에서는 한계가 있다. 반면, 열 저장 방식은 에너지 비용은 낮으나 일반적으로 전기 화학 시스템만큼의 출력 밀도나 효율성을 갖추지 못한다. 전력-열-전력 저장(PHPS), 즉 "카르노 배터리(Carnot batteries)"는 장기 저장이 가능한 하이브리드 솔루션을 제시한다. 그러나 PHPS 시스템은 일반적으로 왕복 전기 효율이 50% 미만으로 낮으며, 열-전력(H2P) 변환 과정에서 상당한 양의 저온 폐열을 발생시킨다. 폐열을 건물 난방 수요를 충족하는 데 활용하는 것에 대한 기술 경제적 평가에 관한 문헌 연구는 현재 공백 상태이다. 기존 연구들은 서로 다른 H2P 기술(예: 브레이튼, 랭킨, 스털링, TPV)이 다양한 온도의 폐열을 생성한다는 운영상의 실태를 고려하지 않고, 폐열이 요구되는 설정 온도에서 가용하다고 가정하는 경우가 많다.

연구 방법론
본 연구는 마드리드(스페인)와 베를린(독일)의 완전 전기화된 건물을 시뮬레이션하기 위해 기술 경제 최적화 모델을 채택하였다. 분석은 세 가지 시스템 구성을 비교한다:

1. 기본 케이스(Base-case): PV, 리튬 이온 배터리, 히트펌프, 그리고 저온 에너지 저장(LTES, 온수 탱크)으로 구성된 시스템.
2. 하이브리드-60(Hybrid-60): PHPS와 리튬 이온 배터리를 통합한 하이브리드 시스템으로, 폐열이 수요 설정 온도(60°C)에서 생성되어 LTES 탱크에 직접 저장되는 방식.
3. 하이브리드-T(Hybrid-T): 설정 온도보다 낮은 온도($T < 60^\circ\text{C}$)에서 폐열이 생성되어 별도의 탱크에 저장된 후, 히트펌프의 성적계수(COP)를 높이는 데 사용되는 하이브리드 시스템.

모델은 LCOE(균등화 발전 비용)를 최소화하기 위해 PV 용량, 리튬 이온 배터리 용량, PHPS 용량(에너지 및 출력), 히트펌프 출력, 그리고 열 저장 용적의 크기를 최적화한다. LCOE 계산에는 25년의 수명 주기 동안의 자본 지출(CAPEX), 운영 지출(OPEX), 가중 평균 자본 비용(WACC)이 포함된다. 시뮬레이션은 PV 발전량과 건물 에너지 수요(전기 및 난방)에 대해 시간 단위 해상도의 데이터를 활용하며, 네 가지 건물 유형(아파트, 병원, 호텔, 사무실)을 대상으로 한다.

주요 기여

• 폐열 활용 전략 평가: 본 논문은 두 가지 폐열 활용 전략, 즉 설정 온도에서의 직접 공급과 히트펌프 효율을 높이기 위한 저온 폐열 활용을 명시적으로 대조한다.
• 기술 경제적 임계값: 리튬 이온 배터리 및 히트펌프와 통합되었을 때 PHPS가 경제적으로 생존하기 위해 필요한 최소 H2P 변환 효율을 정량화하며, 특히 폐열 회수가 이 임계값을 어떻게 낮추는지 분석한다.
• 기후 및 건물 유형 민감도: 본 연구는 단일 주거 건물 연구를 넘어 다양한 건물 유형과 기후로 범위를 확장하여, 태양광 자원 가용성과 난방 수요 프로파일이 최적의 저장 조합에 미치는 영향을 평가한다.
• 하이브리드 시너지: "고에너지" PHPS와 "고출력" 리튬 이온 배터리 간의 운영 시너지를 통해 PV 자가 소비를 극대화하고 전체 시스템 비용을 절감하는 과정을 입증한다.

결과

• 직접 폐열 활용 (Hybrid-60): 폐열을 수요 설정 온도(60°C)로 직접 공급하는 것이 가장 비용 효율적인 통합 전략으로 식별되었다. 이 접근 방식은 PHPS의 경제적 타당성을 위한 최소 H2P 효율을 (폐열이 없을 때의 약 30%에서) 약 15%까지 크게 낮춘다.
• Hybrid-T 성능: 저온 폐열을 사용하여 히트펌프 COP를 높이는 것이 경제적 이득을 제공하지만, 직접 공급보다는 최적화 수준이 낮다. 그러나 이는 특히 저온 작동 온도에서 효율이 극대화되는 H2P 기술(예: TPV)의 경우 유효한 전략이다.
• 최적 시스템 구성: 최적의 솔루션은 종종 PHPS와 리튬 이온 배터리를 하이브리드화하는 것이다. PHPS는 장기 저장(방전 시간 14~18시간)을 제공하고, 리튬 이온 배터리는 피크 전력 수요(방전 시간 약 5시간)를 처리한다. 이 조합은 최대 90%의 PV 자가 소비율을 달착할 수 있다.
• 기후 영향: PHS 통합은 마드리드와 베를린 모두에서 LCOE를 감소시키지만, 그 상대적 감소 폭은 마드리드(남부의 태양광 풍부 지역)에서 더 뚜렷하게 나타난다. 베를린의 경우, 낮은 PV 가용성으로 인해 장기 저장이 그리드 의존도를 낮추는 효과가 제한되어, 폐열 회수의 잠재적 이점에도 불구하고 절대적인 LCOE 값은 더 높게 나타난다.
• 건물 유형 변화: 열 에너지 대비 총 에너지 수요 비율이 높은 건물(아파트 및 호텔)이 병원이나 사무실에 비해 폐열 활용으로부터 더 큰 이득을 얻는다.

의의 및 주장
저자들은 폐열을 활용하는 것이 PHPS 시스템을 건물 전기화에 경제적으로 실현 가능하게 만드는 핵심 요소라고 주장한다. 본 연구는 다음과 같이 단언한다:

1. 생존 임계값: 폐열을 활용하면 PHPS가 리튬 이온 배터리와 경쟁하거나 이를 보완하기 위해 필요한 기술적 장벽(H2P 효율)을 크게 낮출 수 있다.
2. 비용 절감: PHPS를 리튬 이온 배터리와 하이브리드화하는 것은 특히 태양광 잠재력이 높은 지역에서 비용 효율적인 대규모 에너지 저장을 위한 강력한 솔루션을 제공한다.
3. 전략적 통합: 폐열을 설정 온도에서 직접 사용하는 것이 비용 최소화를 위한 우월한 전략이지만, 히트펌프 COP를 높이는 방식 또한 특정 기술에 대해서는 가치 있는 대안이 될 수 있다.
4. 확장성: 본 연구의 결과는 PHS가 폐열을 효과적으로 활용할 수 있다는 전제하에, PV 자가 소비율을 높이고 균등화 발전 비용(LCOE)을 낮춤으로써 건물 부문의 탈탄소화를 수행하는 데 중추적인 역할을 할 수 있음을 시사한다.

본 논문은 결과가 구성 요소 비용, 전기 가격, 그리고 준정상(quasi-stationary) 모델의 특성에 따른 가정에 따라 달라질 수 있음을 인정하며 신중한 입장을 유지한다. 또한 본 연구가 건물 수준의 응용에 집중하고 있음을 언급하며, 향후 연구에서 PHPS를 지역 난방 네트워크 및 감축이 어려운 산업 부문에 적용할 수 있음을 시사한다.