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[인터뷰] 이호성 고려대 기계공학부 교수

“연료전지 중심 E기술 적용…건물 탄소중립 기준 제시할 것”
전력·열 동시활용 플러스에너지빌딩 구현

최근 2030 국가온실가스감축목표(NDC) 및 2050 탄소중립 시나리오가 확정되면서 건물부문 탄소배출을 감축하기 위해 제로에너지빌딩이 주목받고 있다. 제로에너지빌딩은 단열재, 창호 등 건물에너지소비를 최소화할 수 있는 패시브디자인과 태양광, 풍력 등 건물에서 소비하는 에너지를 자체 생산할 수 있는 액티브시스템을 통해 에너지자립을 실현하는 건물을 의미한다.

그러나 가장 많이 활용되고 있는 태양광, 풍력 등 재생에너지가 가지고 있는 변동성, 간헐성 등으로 인해 에너지자립을 실현하기 어렵다. 이에 따라 현재 제로에너지빌딩에서 나아가 패시브·액티브기술을 극대화해 건물에서 사용하는 에너지대비 생산하는 에너지가 더 많은 플러스에너지빌딩을 구현하기 위한 접근이 주목받고 있다.

이호성 고려대 교수는 플러스에너지빌딩 에너지시스템 최적화 연구를 비롯해 △재생에너지를 활용한 유기랭킨 사이클 △에너지저장시스템 효율향상 △건물 및 수소전기차 열관리시스템 기술 △응용 히트펌프 사이클 효율향상 등에 대한 연구를 활발히 수행하고 있다.

최근에는 수소연료전지를 비롯해 태양광, 히트펌프 등 건물에너지 저감기술을 활용해 플러스에너지빌딩을 실현하는 ‘플러스에너지빌딩 수소설비기술’ 연구를 수행하며 건물부문 탄소저감방안을 제시하고 있다.

이호성 교수를 만나 건물부문 탄소중립의 필요성, 수소기술 적용을 통한 플러스에너지빌딩 구현방안에 대해 들었다.

■ 건물부문 탄소중립 중요성은
전 세계적인 인구증가와 경제성장으로 에너지소비량이 지속적으로 증가하고 있다. 에너지소비량 증가에 대응하기 위한 에너지생산량 또한 증가하고 있으며 주로 화석연료기반 에너지생산방식을 사용함에 따라 탄소배출량 증가로 이어지고 있다. 불가피한 에너지소비량 증가와 이에
따른 환경악화로 심화되고 있는 기후위기에 전 세계는 경각심을 높여가고 있다.

세계 각국은 기후위기에 공동으로 대처하기 위해 온실가스 감축목표를 수립하고 이를 달성하기 위한 다양한 방안을 제시하고 있다.

우리나라도 2030년까지 기준연도인 2018년대비 40% 온실가스 감축이라는 국가적 목표를 제시했다. 특히 건물부문에서는 32.8%라는 높은 목표치가 제시됐으며 이에 대한 대안마련이 시급한 상황이다.

이에 더해 최근에는 현재 제시된 목표를 더욱 강화해야 한다는 국내·외 시민사회의 요구가 발생하면서 건물부문 탄소중립 달성방안 강구는 더욱 중요해지고 있다.

■ 플러스에너지빌딩 수소설비기술이란
플러스에너지빌딩에서의 수소설비기술은 수소연료전지를 활용해 건물에 전기와 냉난방 및 급탕을 동시에 공급하는 고효율 발전시스템을 의미한다.

현재 우리가 사용하는 상용전력은 대규모 에너지생산시설인 발전소에서 생산된 전력을 공급받아 사용하는 것으로 발전소의 전력 생산과정에서 발생하는 열에너지는 거의 사용하지 못하고 있는 실정이다. 발전과정에서 생성된 열에너지를 버림으로써 매우 큰 에너지손실이 지속적으로 발생하고 있는 것이다.

중앙집중식 발전시설대비 수소연료전지는 건물내부에 설치돼 열과 전기를 동시 생산하면서 열은 건물의 난방 및 급탕에, 전력은 기저전력부하에 모두 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 즉 수소연료전지시스템은 고효율 에너지를 생산하면서 건물의 에너지사용량을 줄일 수 있는 시스템이다.

현재까지 수소연료전지를 건물에 플러스에너지빌딩 용도로 적용한 연구는 제한적이었다. 이번 연구에서는 수소연료전지 이외에도 △태양광패널 △흡수식 축열시스템 △패시브전략 △고효율 히트펌프시스템 등 플러스에너지빌딩을 달성하기 위한 다양한 건물에너지 저감기술을 통합함으로써 현실적인 플러스에너지빌딩 달성 가능성을 판단할 수 있을 것으로 예상된다.

또한 국내·외에서 주목받는 고효율 에너지기술의 통합적용을 통해 플러스에너지빌딩을 구축함으로써 실질적인 건물 탄소배출량 저감의 이론적 한계점을 파악하고 향후 탄소중립을 위한 건물에너지분야의 구체적인 기준과 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.



■ 건물부문 수소에너지 적용 한계점은
현재 국내 건물의 수소적용에는 수소생산방식이 장애요소로 여겨진다. 현재 수소는 생산방식과 친환경성 정도에 따라 그레이수소, 블루수소, 그린수소 등으로 구분된다. 현재 생산되는 수소의 약 96%는 화석연료로부터 수소를 생산하는 그레이수소다.

그레이수소는 천연가스의 주성분인 메탄과 고온의 수증기를 촉매 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소(CO₂)로 치환하는 원리로 생산한다. 약 1kg의 수소를 생산하는데 CO₂ 10kg이 생성된다.

블루수소는 그레이수소와 생산방식은 동일하지만 생산과정에서 발생하는 CO₂를 대기로 방출하지 않고 포집 및 저장기술인 CCS(Carbon Capture System)를 이용해 CO₂를 따로 저장한다.

블루수소는 그레이수소보다 CO₂ 배출이 적어 친환경성이 높고 CCS 또한 높은 성숙도와 경쟁력이 확보돼 가장 현실적인 대안으로 주목받고 있다. 다만 CO₂를 완전히 제거하지 못하는 한계도 존재한다.

수소에너지 중에서도 궁극적인 청정에너지원으로 각광받는 수소가 그린수소다. 그린수소는 CO₂를 다량배출하는 화석연료 기반이 아닌 신재생에너지를 통해 얻은 전력으로 수소를 생산하는 것이 핵심이다. 그린수소는 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로 태양광, 풍력 등 신재생에너지를 통해 수소와 산소를 생산하기 때문에 CO₂ 배출이 전혀없다.

그러나 그린수소는 높은 생산단가와 그린수소를 생산하는 수전해기술의 효율이 낮아 많은 전력을 필요로 한다는 점 등 경제적, 기술적 한계가 있어 앞으로 넘어야할 도전과제로 꼽힌다.



■ 향후 연구계획 및 전망은
국내 건물 설계조건에서 수소연료전지를 비롯해 건물에서의 에너지소비를 감축할 수 있는 고효율 에너지시스템들에 대한 최적화를 진행할 예정이다.

여기서 최적화는 엔지니어링 설계에서 상충되는 다양한 요구사항에서 최상의 타협점을 모색하는 과정으로 이를 통해 에너지소비량·탄소배출량·경제성 등 건물에너지 성능에 요구되는 여러 변수들에 대해 최적의 건물설계조건을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.


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