도시를 따뜻하게 하는 거대한 열 펌프

뉴욕시에서 시골 콘월에 이르기까지 공동 열 펌프 네트워크는 도시의 고층 건물과 난방이 어려운 기타 주택 모두에서 탈탄소 열에 대한 해답이 될 수 있습니다.  또 한파가 찾아와 잉글랜드 남서부에 있는 콘월의 들판이 눈으로 뒤덮였습니다. 그러나 바람이 많이 부는 길 아래에 있는 Ceri Simmons의 집은 따스할 정도로 따뜻합니다. 그녀의 거실은 매달린 식물의 정글이며 부엌을 통해 나무가 늘어선 스튜디오가 공중 요가 교사로서의 Simmons의 직업을 보여줍니다. "따뜻한 집을 갖는 것은 나에게 사랑스러운 일일 뿐만 아니라 고객에게도 중요합니다."라고 그녀는 말합니다.

Simmons 가족이 살고 있는 영국 본토의 가장 남서쪽 끝에 가까운 Stithians의 외딴 마을은 난방을 탈탄소화하기 위한 경주에서 있을 것 같지 않은 개척지가 되었습니다. 전 세계적으로 필요한 빠른 확장의 핵심이 될 수 있는 저탄소 난방에 대한 새로운 접근 방식을 시범 운영하고 있습니다.

이 프로젝트는 개별 주택 소유자가 직면한 장애물을 축소하고 거리, 마을 및 도시 전역에 대규모로 제공할 수 있는 열 펌프 시스템을 설계합니다. 그렇게 함으로써 난방 시스템을 빠르고 효과적으로 탈탄소화하는 방법을 고민하는 전 세계 도시 공간에 모델을 제공할 수 있습니다. 오늘날 영국에서는 74%의 사람들이 가스 보일러를 사용하여 집을 난방하고 있으며 대부분 전기 히터와 석유가 나머지를 구성합니다. 이로 인해 난방 부문 은 영국 온실 가스 배출량의 3분의 1을 차지하며 이는 모든 휘발유 및 디젤 자동차의 배출량과 비슷합니다. 난방의 약 절반이 가스에서 나오는 미국에서도 비슷한 값 이 나타납니다 .

지구 온난화를 제한하기 위해서는 급격하게 변화해야 하며 많은 장소에서 더 많은 열 펌프를 설치해야 합니다. 영국 정부의 기후 자문 기구 에 따르면 2030년까지 영국 건물의 약 4분의 1이 이를 사용하여 난방해야 하며 2050년까지 52%로 증가해야 합니다. 전기 난방은 또한 미국의 건물을 탈탄소화하는 데 핵심이 될 것이라고 Melissa Lott 이사는 말했습니다. Columbia University의 글로벌 에너지 정책 센터에서 연구. 샌프란시스코에서 실시된 한 연구 에서는 열 펌프를 배출 감소를 위한 "가장 영향력 있는 단일 레버"라고 언급했습니다.

전기 공급원이 재생 가능한 경우 히트 펌프 자체는 탄소를 배출하지 않습니다.

열 펌프는 연료를 태우는 대신 공기, 땅 또는 물에 이미 존재하는 열 에너지를 집중시켜 건물의 파이프와 라디에이터를 통해 펌핑합니다.

직접 전기 히터의 경우 1kW, 가스 보일러의 경우 0.9kW와 달리 1kW 의 전기를 3~5kW 의 열로 변환하는 놀라운 효율성으로 이 작업을 수행합니다 . 이것은 그들이 실질적으로 "무료 열"을 제공한다는 것을 의미한다고 Lott는 말합니다. 그러나 모든 난방 시스템과 마찬가지로 효율성은 열 손실을 최소화하기 위해 건물이 얼마나 잘 단열되어 있는지에 달려 있다고 그녀는 지적합니다.

전기 공급원이 재생 가능한 경우 열 펌프 자체는 탄소를 배출하지 않습니다. 영국에서는 국가 전력망에 공급되는 전기의 거의 절반이 재생 가능한 자원에서 나오는데 비해 미국에서는 20%입니다 . 두 나라 모두 이 비율의 급격한 증가 를 목표 로 하고 있습니다.

Ceri Simmons의 열 펌프는 여기 그녀의 집 밖에서 볼 수 있으며 이제 거리 아래의 파이프 네트워크에서 그녀의 모든 열과 뜨거운 물을 공급합니다(Credit: Evie Townend)

Stithians의 Heat the Streets 프로젝트는 지열원 열 펌프가 작동하는 방법에 대한 완전히 새로운 템플릿을 제공합니다.

지열 열 펌프는 공기 열원보다 더 효율적 입니다. 이는 땅의 온도가 일정하기 때문입니다. 대부분의 지열원 열 펌프에는 수직 배관이 있어 땅 속으로 60-200m(200-650ft) 깊이의 값비싼 시추공을 뚫어야 합니다. 또는 지면에서 훨씬 더 얕은 수평 루프를 사용할 수 있지만 특히 도시에서 대부분의 사람들이 가지고 있지 않은 넓은 표면적을 필요로 합니다.

게다가 열 펌프 설치는 개인 주택 소유자의 책임인 경향이 있습니다. 영국의 보일러 업그레이드 계획 및 Biden의 인플레이션 감소법 에 따른 미국 연방 세금 공제 와 같은 인센티브에도 불구하고 광범위한 롤아웃에 상당한 장벽 이 남아 있습니다 . 기술에 대한 이해와 인식이 부족한 경우가 많으며, 이는 많은 초기 비용과 숙련된 설치자가 거의 없기 때문에 주택 소유자가 변경을 하지 못하게 할 수 있습니다. 건축 또한 장벽이 될 수 있습니다. 주택에는 열 펌프를 설치할 수 있는 충분한 야외 공간이 필요합니다. 아파트와 밀집된 도시 환경에서는 분명히 부족한 것이 있습니다.

[가스]보일러가 고장 나면 이제 단순히 교체하는 대신 대안이 있습니다 – Max Bridger

그러나 Heat the Streets는 각 가정에서 하나의 열 펌프를 위해 하나의 시추공을 뚫는 대신 거리 아래 100m(330ft)에 뚫린 200개 이상의 시추공을 사용하여 거대한 공동 네트워크에 연결합니다. 히트메인.

무취, 무독성, 점성 액체인 글리세롤은 시추공을 통해 수직으로 통과하여 열을 흡수한 다음 이러한 수평 파이프에서 순환시켜 전체 거리를 따라 개별 부동산에 열 펌프를 공급하고 궁극적으로 이웃 전체에 공급합니다. .

일반적인 가스 보일러보다 크지 않은 열 펌프는 건물의 크기, 적합성 및 소유자 선호도에 따라 개별 주택 내부 또는 외부에 장착됩니다.

Heat the Streets의 프로젝트 운영 관리자인 Max Bridger는 Cornwall 표면에서 불과 몇 미터 아래에 있는 지면은 수천 년 동안 햇빛을 흡수하여 약 11C(52F)의 일정한 온도를 유지하며 히트메인에 의해 수확되는 열이라고 말합니다. .

열 손실을 최소화하기 위해 건물을 단열 처리하면 열 펌프가 더 효율적으로 작동합니다(제공: sturti/Getty Images)

그런 다음 열 펌프는 온도를 약 50C(122F)로 만드는 또 다른 일련의 교환, 압축 및 증발을 수행합니다. 마지막으로, 이 열은 집의 특별히 업그레이드된 파이프와 라디에이터를 통해 펌핑되는 물로 전달됩니다.

Stithians에 네트워크 설치를 담당하는 Kensa Utilities는 인프라의 소유자로 남게 됩니다. 거주자의 경우 히트메인에 연결하는 것은 광대역 또는 수도와 같은 다른 유틸리티와 마찬가지로 작동합니다. 주민들은 개인 열 펌프를 소유하고 준비가 될 때마다 연결 비용을 지불합니다.

Bridger는 "[가스] 보일러가 고장나면 단순히 교체하는 대신 대안이 있을 것입니다. 그러나 이 시스템은 사람들이 대규모 초기 인프라 비용을 지불하거나 한 번에 모두 연결할 필요가 없음을 의미합니다."라고 Bridger는 말합니다.

지열 히트 펌프는 집에 필요한 모든 난방과 온수를 제공하고 배출되는 온실 가스 배출량을 70%까지 줄입니다. 주민들은 난방을 완전히 통제하고 원할 때마다 에너지 공급자를 전환할 수 있습니다.

Simmons는 궁극적으로 현재 National Grid에 전기를 판매하도록 설치된 그녀의 태양 전지판을 사용하여 열 펌프에 직접 전력을 공급할 계획입니다.

Simmons의 집에는 여러 이웃과 열선을 공유하는 열 펌프가 장착되어 있습니다. 내부 및 외부 작업을 수행하는 데 약 1주일이 걸렸으며 "정말로 방해가 되거나 시끄럽지 않았습니다"라고 그녀는 말합니다. 오래된 리넨 찬장 안에 자리 잡은 물통은 일반 보일러와 거의 똑같은 크기입니다.

그녀는 궁극적으로 현재 National Grid에 전기를 판매하기 위해 설치된 태양열 패널을 사용하여 열 펌프에 직접 전력을 공급할 계획입니다.

작업자들이 고층 아파트에 지열 열 펌프를 설치하고 있는 런던 Enfield의 시추공을 위한 굴착 장비를 작동하고 있습니다(제공: Kensa Utilities)

공동 도로 아래에 매설된 히트본선 개념은 결코 Simmons와 같은 단층 부동산에만 국한되지 않습니다. 런던 Enfield의 또 다른 Kensa 프로젝트 는 고층 아파트에 지열 열 펌프를 설치하고 있습니다.

Heatmains는 총 400개의 플랫에 해당하는 8개의 타워 블록 각각 아래에 개발되었으며, 필요한 시추공을 뚫기 위해 주차장을 사용합니다.

서비스 라이저 로 알려진 건물 전체에 다른 유틸리티를 운반하는 데 사용되는 수직 샤프트는 Stithians에서 사용되는 기술을 다층 건물에 사용할 수 있게 해준다고 Bridger는 말합니다. 더 작은 공간에서 "신발 상자" 열 펌프로 각 아파트를 개조하면 내부에서 차지하는 공간을 최소화하면서 충분한 열을 공급할 수 있다고 그는 덧붙입니다.

고층 건물의 히트 펌프의 미래는 전 세계적으로 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 뉴욕시에서 도시의 6,000개 고층 건물 을 탈탄소화하려는 노력의 초점이 된 것은 공기열 열 펌프입니다 .

열 펌프의 장점은 역으로 동일한 프로세스를 사용하여 공간을 가열하고 냉각할 수 있다는 것입니다. – Melissa Lott

현재 이들 중 대부분은 전체 건물의 난방을 제어하는 ​​하나의 대형 가스 보일러를 가지고 있습니다. 각 개별 아파트는 또한 난방 시스템과 별도로 작동하는 실외 창에 부착된 에어컨 장치를 사용합니다.

2021년 뉴욕시 주택협회는 2024년부터 건물의 온실가스 배출을 제한하는 다가오는 현지법 에 따라 산업 혁신을 장려하기 위한 대회 인 Clean Heat for All Challenge를 시작 했습니다. 우승자로 떠오른 디자인은 Lott는 빛을 차단하거나 아파트 내부 공간을 차지하지 않고 아파트 창문 바닥에 "말 안장 가방처럼"매달린 공기열 열 펌프라고 말합니다.

Lott는 "히트 펌프의 장점은 동일한 과정을 역으로 사용하여 공간을 가열하고 냉각할 수 있다는 것입니다."라고 덧붙입니다. "두 가지 기능을 수행하는 하나의 모듈식 장치입니다."

이 디자인은 또한 아파트가 자체적으로 난방 및 냉방을 제어할 수 있도록 합니다. Lott는 "겨울에 과열된 아파트에서 더 이상 창문이 열리지 않도록 자신의 편안함에 맞게 아파트를 맞춤화할 수 있기 때문에 더 효율적입니다"라고 말합니다.

  지난 겨울 허리케인 아이다(Hurricane Ida) 이후 주민들이 난방과 온수 없이 지냈던 퀸즈(Queens)의 20개 벽돌 건물 단지인 우드사이드 하우스(Woodside Houses)에서 새로운 열 펌프가 올해 시험용으로 출시되고 있습니다.

지역 전력망 인프라를 즉시 업그레이드해야 할 필요 는 없지만 전기 수요 증가는 일반적으로 열 펌프 사용 증가에 있어 중요한 고려 사항입니다.

RAP(Regulatory Assistance Project) 의 유럽 프로그램 책임자인 Jan Rosenow 는 영국이 향후 20~30년 안에 그리드에 2배 또는 3배의 압력을 가할 수 있다고 말합니다. "사람들의 가정에 대용량 배터리가 아닌 전기를 저장하는 방법이 필요할 것입니다."라고 그는 말합니다. 흐름 배터리 및 녹색 수소와 같은 다양한 유망한 기술이 있다고 그는 덧붙입니다. ( 중력 배터리가 에너지 저장 문제를 해결할 수 있는지에 대해 자세히 알아보십시오 .)

스톡홀름의 지역 난방 네트워크는 산업 규모의 열 펌프 및 기타 열원을 사용하여 800,000가구에 전기를 공급합니다(Credit: Christine Olsson/Getty Images)

어떤 의미에서 Heat the Streets는 저탄소 세계에서 주택 난방을 위한 또 다른 주요 솔루션인 지역 난방을 활용합니다.

본질적으로 지역 열 네트워크는 "부동산을 함께 연결하는 빈 용기를 때리는 것"이라고 리즈 대학의 열 탈탄소화 전문가인 David Barns는 말합니다. "그 열 네트워크에 열 에너지를 얻는 방법은 관련이 있지만 별개의 질문입니다."

지역 난방 은 1970년대 석유 위기 동안 북유럽 국가에서 붐을 일으켰지 만 시스템은 대부분 대형 열병합 발전소에서 화석 연료를 태워 동력을 공급받았습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 단일 중앙 집중식 시스템 설계는 수천 개의 보일러를 "제거"하지 않고도 상당한 수의 가정을 저탄소 난방으로 훨씬 쉽게 전환할 수 있다고 Barns는 말합니다.

예를 들어, 스톡홀름의 지역 난방 네트워크에는 3,000km(1,860마일)의 파이프가 있으며, 이제 소각된 재활용 불가능한 폐기물 및 산림 바이오 연료와 함께 가정용 폐수, 데이터 센터 및 해수에서 열을 포착하는 산업용 열 펌프를 사용하여 800,000가구에 전기를 공급합니다. .

Stithians의 Heat the Streets 모델은 열 펌프 기술과 결합된 지역화된 네트워크인 "5세대 지역 난방"을 사용합니다. 이러한 종류의 거리별 프로젝트의 장점은 근처에 있는 모든 에너지 자원에 집중하여 최적의 매치를 만들 수 있다는 것이라고 스웨덴 Rise Research Institutes의 에너지 기술 연구원인 Caroline Haglund Stignor는 말합니다. "작게 시작한 다음 조금씩 구축합니다."라고 그녀는 말합니다.

이를 통해 런던 지하철 터널의 뜨거운 흐름에서 열을 활용하는 Islington의 네트워크 또는 오래된 광산의 홍수 물 과 같은 보다 혁신적인 열 소싱 방법을 허용할 수 있습니다 .

그러나 영국에서는 지역 난방에 대한 인식과 규제가 부족하여 확장이 지연되고 있다고 Barns는 말합니다.

영국 정부는 2025년까지 열 네트워크 구역 을 지정하여 열 네트워크를 최적의 장소에 배치하고 사람들이 열 네트워크에 연결하도록 의무화하기로 약속했습니다. 이것은 열 네트워크 구축을 위한 비즈니스 모델을 재정적으로 보다 실용적으로 만드는 데 도움이 될 것이라고 Barns는 설명합니다. 개인 투자자가 사람들이 사용할 것이라는 확신이 더 커질 것이기 때문입니다.

이러한 유형의 대규모 작업은 중단을 줄이기 위해 전기 자동차 충전 지점용 케이블과 같은 다른 기초 공사와 조정할 수 있다고 Rosenow는 말합니다. 그러나 지역 수준에서의 이러한 롤아웃은 아직 정책이나 프레임워크에 반영되지 않은 계획에 "급격한 변화"가 필요하다고 그는 덧붙였습니다.

아파트 블록보다 개별 주택에서 공기열 열 펌프를 보는 것이 훨씬 더 일반적입니다(Credit: Mark Morgan/Alamy)

그러나 지역 난방이 모든 곳에서 반드시 정답은 아닙니다. 고온의 물을 장거리 운송하는 데 따른 열 손실이 크기 때문에 인구 밀집 지역에 가장 적합합니다.

밀워키 와 볼티모어 와 같은 일부 미국 도시에는 지역 난방이 이미 존재 하지만, 몇 가지 예외를 제외하면 영국 및 대부분의 서유럽과 인구 밀도가 같지 않다고 Lott는 말합니다. "대부분의 미국에서 우리는 개별 건물 난방에 대해 이야기하고 있으므로 지역 열 네트워크는 의미가 없습니다. [개별] 열 펌프(공기 또는 지열 모두)가 우리에게 훨씬 더 나은 옵션입니다."

탈탄소 가열로의 길은 간단하지 않지만 열 펌프는 비용 장애물이 뚫릴 수 있는 한 어느 정도 준비되고 기다리고 있는 하나의 기술입니다. 그러나 에너지 안보, 연료 가격 및 기후 관련 극한 기후에 물음표가 걸려 있어도 Simmons 가족의 집에 있는 요가 스튜디오는 불확실성을 극복할 수 있는 매력적인 장소처럼 느껴집니다.