고려대학교(연구총괄 강용태 교수)가 주관하고 조선대학교, 한국에너지기술연구원, 한국건설기술연구원 등이 공동연구기관으로 참여하고 있는 ‘플러스에너지빌딩 혁신기술 연구센터’(이하 PEB센터)가 과학기술정보통신부가 선정하는 선도연구센터로 선정됐다.
PEB 기술개발 필요성 커져
2015년 신기후체제 기반이 된 파리협정(COP21)을 통해 CO₂ 세계배출 순위 6위인 우리나라는 2030년까지 온실가스 배출전망치(BAU)대비 37%의 온실가스 배출 감축 목표를 제시했다. 건물분야가 우리나라 온실가스 배출 감축 목표에 기여하기 위해서는 BAU대비 32.7%의 온실가스를 감축해야 하는 상황이다.
하지만 삶의 질 향상과 산업발달 고도화로 에너지사용량은 매년 증가하는 추세다. 2016년 대한민국의 1인당 에너지소비는 세계 15위에 해당하며 부문별 에너지소비량은 석유 8위(123만톤), 전력소비량 7위(544TWh)를 기록했다. 서울의 에너지소비부문에서 가정·상업용 건물이 55.9%로 가장 높은 비율을 차지하며 배출량도 상응한다.
정부는 건물 에너지소비를 중대한 사안으로 인식하고 있으며 제로에너지건축의무화 로드맵을 장기적 목표로 제시했다. 제로에너지빌딩(ZEB: Zero Energy Building)을 달성하려면 신재생에너지활용이 필수적이나 아직 국내에서는 활용도가 낮은 실정으로 공급의 6.5%에 불과하다. 보급이 확대되지 못하는 것은 △기존 에너지원대비 공급 불안정 △낮은 에너지 생산밀도 △에너지저장기술 적용 어려움 등을 지적하고 있으며 또 해결해야 할 과제이기도 하다.
환경 영향이 낮은 신재생에너지원을 기반으로 에너지부하를 충당할 적정양의 에너지를 생산하는 건물이 ZEB다. 국내 기술력 한계로 에너지자립률 100%(제로에너지 1등급)을 달성한 건물은 현재까지 없으며 에어가전혁신지원센터가 에너지자립률 84%를 달성한 것이 국내 최고 수준이다.
기존 ZEB에서 신재생에너지생산은 태양광에 집중돼 있으나 태양광의 에너지 발전량은 443kWh/m²·년으로 공공건축물의 평균 1차 에너지소비량인 501kWh/m²·년에 비해 낮아 단일 에너지원으로는 자립률 100% 달성은 불가능하다. 특히 태양광은 시간·계절·기후에 따라 발전량이 크게 변화해 에너지생산·부하간 불안정성을 해소해야 할 기술이 절실한 상황이다.
건물의 에너지 소비 관점으로는, 사용되는 열-전기에너지 소비 패턴이 계절간 상이해(여름철 최대: 가스 100만톤, 전력 320만kW 및 겨울철 최대: 가스 300만톤, 전력 8,00만kW) 열-전기에너지간 효율적인 변환 기술개발이 필요한 상황이다. 또한 기존 ZEB는 에너지 공급·수요간 시간적 격차의 대응 기술인 에너지저장기술이 부족하고 에너지 활용 및 시스템 최적화 기술을 포함하고 있지 않아 기술개발이 필요하다.
ZEB 넘어 PEB 구현
PEB센터는 건물에너지 자립을 위해 신재생에너지 생산 및 변환성능 고효율화, 건물에너지 고밀도 저장, 패시브·액티브 핵심기술 개발 및 최적화를 통해 ZEB을 뛰어넘어 플러스에너지빌딩(PEB)을 구현하는 것이다. 이를 통해 국가의 정책적 로드맵 의무를 달성하고 세계적인 플러스에너지 혁신기술 주도권을 장악하는 것이 비전이다.
비전달성을 위해 패시브 디자인기술에 의한 50% 에너지저감, 액티브시스템기술에 의한 20% 에너지저감 및 신재생에너지 생산·변환 및 저장기술을 통한 플러스에너지 20% 달성을 목표로 설정했다.
목표 달성을 위해 건물에서 발생하는 열에너지의 장기간 상온 저장기술을 개발해 열에너지 공급에 대한 시간적 한계를 극복하고 저장한 열에너지로 구동하는 냉난방시스템을 개발해 건물 냉난방 부하변동에 능동적인 대처가 가능케 할 계획이다.
PEB센터는 3개 연구그룹으로 구성돼 있으며 1그룹은 신재생에너지 생산·변환 성능 고도화 기술개발을 맡는다. 건물일체형 태양광·열발전(BIPVT) 성능을 극대화(열에너지 변환율 100% 향상, 생산량 350W/m²)하고 잉여전력 연료화(수소 변환효율 75%) 및 연료전지 발전기술을 통해 에너지생산량을 향상(0.3W/cm²)시키는데 집중한다.
또한 두 기기에서 발생하는 중-저온 폐열을 통해 전기에너지를 생산하는 열-전기화학 전지(30mV/K, ZT>3.3 이상)를 개발해 신재생에너지 생산·변환 성능 고도화를 실현한다.
2그룹은 고밀도 건물에너지 저장·활용기술을 적용한 냉난방 겸용 혼합축열 기술개발에 나선다. 냉매·이온성 액체 혼합물을 활용한 열에너지 저장기술(저장밀도 550 kJ/kg)과 H₂O/LiBr 용액의 상온 농도차 포텐셜을 이용한 열에너지저장(SSA)기술을 개발한다.
또한 SSA를 통한 냉난방 동시 활용시스템(COP 0.5)과 솝션 열배터리 시스템(COP 0.4)을 개발해 건물 냉난방 부하변동에 유동적으로 대응한다. 고효율 혼합축열조(축열밀도 50 kWh/m³)를 개발하고 부하 특성을 고려한 운용기술도 개발해 고밀도 건물에너지 저장·활용 기술을 적용한 냉난방 겸용 혼합축열기술을 개발한다.
3그룹은 패시브·액티브 핵심 원천기술 및 건물유형별 통합시스템 최적설계 기술개발에 집중한다. 패시브 디자인과 액티브시스템 핵심기술 개발을 통해 건물에너지 부하를 저감하고 건물유형별 통합시스템 설계를 최적화한다. 실증데이터 기반 통합 최적화 플랫폼을 구축해 최종적으로 주거 및 비주거 건물에 대해 플러스에너지 20%를 달성하는 것이 연구목표다.
연구를 총괄하는 강용태 고려대 교수는 “플러스에너지빌딩 혁신기술 개발을 통해 생산한 에너지를 거래하는 새로운 시장이 형성되고 핵심기술에 대한 신진인력양성 및 일자리 창출 효과를 기대하고 있다”고 밝혔다.
강 교수는 이어 “신재생에너지 생산·변환 성능고도화 실증데이터 DB화를 통해 설계예측과 최적화 방안을 제시해 타 분야에 대한 광범위한 확장적용이 가능할 것”이라며 “폐열이 발생하는 모든 지역에 잠열저장기술을 적용해 폐열회수기술을 통해 발전이 가능하며 수송기술 접목을 통해 신재생에너지 공급의 시간적·공간적 한계를 극복할 수 있을 것”이라고 강조했다.
강 교수는 특히 “이번 연구를 통해 석사 168명, 박사 210명, 연구교수 20명 등 신진 연구인력을 대거 양성해 배출할 수 있을 것”이라며 “PEB 연구분야와 관련된 대학교-정부출연연구소-기업간 유기적인 연계를 통해 양질의 연구결과를 도출하고 특허출원 및 기술이전으로 시장경쟁력 확보가 가능하다”고 덧붙였다.
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