건물부문은 운영단계에서 장기에 걸쳐 많은 에너지를 소비하므로 탄소중립을 달성하려면 운영단계에서 신재생에너지를 최대한 적용함으로써 온실가스 간접배출을 줄여야 한다. 또한 건물마다 신재생에너지 적용성이 다르므로 각 건축물은 경우에 따라 에너지소비량을 생산량으로 모두 충당하기 어렵거나 반대로 생산량이 많아 잉여에너지가 발생하기도 한다.
이러한 특성에 따라 국가적 차원에서 건물부문 탄소중립을 달성하기 위해서는 효과적인 건물 신재생에너지 적용기술을 비롯해 도시‧커뮤니티 단위에서 에너지를 효과적으로 이용하는 기술이 필수적이다.
과학기술정보통신부는 이러한 필요성에 따라 건물 신재생에너지 및 에너지융합시스템을 탄소중립 100대 핵심기술로 선정했다. 선정위원으로 활동한 김민휘 한국에너지기술연구원 선임연구원에게 기술개념과 글로벌 동향에 대해 들었다.
■ 건물 신재생에너지융합시스템 선정배경은
탄소중립 100대 핵심기술로 지정된 건물 신재생에너지 및 에너지융합시스템은 크rp 3가지로 구성된다. △건물 및 커뮤니티 에너지의 넷제로를 넘어 플러스에너지 달성을 위해 건물일체화된 신재생에너지시스템 개발 △건물에서 소비되는 전기와 냉난방, 급탕 및 환기에 소비되는 열의 에너지자립 및 효율향상을 위한 재생에너지 융합시스템 개발 △커뮤니티단위 건물간 잉여에너지공유 및 분산 수요자원에 대한 최적화된 운영기술 개발 등이다.
국가단위 탄소중립을 달성하기 위해서는 건물분야 탄소중립을 달성하는 것이 매우 중요하다. 지금까지는 건물분야에서 단일 건물에 대한 패시브와 액티브 성능강화와 더불어 신재생에너지를 활용해 넷제로 달성이 주요 목적이었다. 그러나 도시에서 국가단위로 넓은 범위에 대한 탄소중립을 달성하기 위해서는 복잡하게 연계된 다양한 건물을 포괄하는 커뮤니티 및 도시단위 탄소중립을 목표로 노력해 나아가야 한다.
이러한 도시단위 탄소중립을 위해서는 대규모 태양광 및 풍력단지도 필요하겠지만 결국 자연훼손을 최소화하고 수요과 공급의 일치를 위해 건물의 지붕 및 벽면을 최대한 활용하는 방향에 대한 기술개발이 필요하다. 건물의 지붕과 벽면을 활용해 태양광, 태양열 및 태양광·열시스템을 최대한 설치해 친환경에너지를 생산해야 한다.
특히 기존 BIPV와 같이 전력만 생산하는 시스템은 낮은 효율로 인해 설치면적대비 많은 에너지를 생산하기 어려운 단점이 있다. 이에 따라 더 빠르고 효율적인 탄소중립을 달성하기 위해서는 같은 설치면적에서 전력과 열에너지를 동시에 생산할 수 있는 태양광·열시스템(PVT)에 대한 연구가 필요하다.
이와 함께 건물일체형 태양광·열시스템(BIPVT)과 수소연료전지 등을 결합함으로써 재생에너지로부터 생산된 전력과 열에너지를 효과적으로 활용할 수 있는 융합시스템을 구현하며 건물간 잉여에너지를 공유 및 거래할 수 있는 멀티 에너지 네트워크를 구현하는 것으로 커뮤니티 및 도시단위 탄소중립을 달성할 수 있을 것이다.
■ 이번 선정기술의 확장성은
건물 신재생에너지는 단일건물의 넷제로에서 커뮤니티의 넷제로로 이어진다. 건물부문 탄소중립을 달성하기 위해 건물 신재생에너지 적용 확대는 당연한 수순이다. 이 과정에서 에너지소비량대비 생산량 확보가 용이한 저층 및 저에너지 건물은 넷제로를 넘어 플러스에너지를 달성하도록 에너지생산을 확대해야 한다는 요구가 등장할 것이며 이를 실현하기 위한 노력이 뒤따를 것이다.
이 경우 어떤 건물은 에너지를 초과생산할 것이며 어떤 건물은 넷제로 달성이 어려운 경우도 있을 것이다. 이에 따라 제로에너지가 어려운 고층건물로 전력 및 열에너지 네트워크를 통해 에너지가 공유 및 거래돼야 한다.
이는 기축건물과 신축건물을 모두 포용해야 한다. 신축건물은 기축건물보다 더 효율적이고 친환경적인 에너지를 더 많이 생산해 기축건물이 모두 리모델링되지 못하는 상황에도 대비해야 한다.
이러한 커뮤니티단위 신재생에너지 활용을 위해 에너지저장 및 공유기술을 적용함으로써 분산자원 및 수요자원 최적운영이 가능하다. 최근 신재생에너지 활용에 난제로 작용하는 부분은 간헐성 및 수요공급 불균형 문제다. 분산자원 및 수요자원 최적운영은 신재생에너지에서 생산된 전력과 열에너지의 간헐성 및 수요공급의 불균형을 건물 및 커뮤니티단위로 해결할 수 있는 대안이 될 것이다.
■ 해외 커뮤니티 신재생E 공급망 기술동향은
해외 선진국은 우리나라에 비해 탄소중립과 신재생에너지에 대한 관심도가 높으며 이미 재생에너지로부터 공급받는 에너지비율이 50%를 넘어가는 국가도 있으므로 이러한 재생에너지 공급망 체계를 유지하기 위한 기술적 수준은 높다고 평가된다. 유럽을 중심으로 신재생에너지를 효과적으로 사용하기 위해 단일건물과 더불어 커뮤니티 및 도시단위 에너지계획을 중심으로 기술개발이 이뤄지고 있는 상황이다.
커뮤니티단위 제로에너지를 위한 전력 및 열에너지공급도 유럽을 중심으로 활발하게 이뤄지고 있다. 유럽은 오래전부터 지역난방에 대한 적용이 비교적 보편화됐다. 소규모부터 대규모까지 건물이 모여있는 커뮤니티나 작은 도시단위에서도 소규모 열병합발전을 기반으로한 지역냉난방 열네트워크를 구축해 운영되는 사례가 다수 있다.
또한 대형 건물‧상업시설 등에 대한 열네트워크까지도 보편화돼 있다. 기존 지역난방 배관에 신재생에너지를 활용하는 방식이나 신규 소규모 지역냉난방에 신재생에너지로 생산된 열을 적용해 건물의 냉난방 및 급탕에너지를 공급하는 방식 등에 대해 활발하게 연구와 실증이 이뤄지고 있다.
■ 집단E 네트워크도 각광받는데
유럽은 기존 4세대 지역난방을 넘어 5세대 지역냉난방에 대한 연구 또한 활발하게 진행되고 있으며 이를 기반으로 커뮤니티 및 도시단위 탄소중립 달성을 이뤄내고 있다.
유럽에서 이러한 소규모 커뮤니티단위 에너지공급부터 도시단위 열에너지공급사업이 가능한 이유는 지금까지 다양한 실증사례를 통해 구축뿐만 아니라 운영에 필요한 다양한 노하우를 보유하고 있기 때문이다.
특히 이러한 커뮤니티 에너지공급에는 운영사업자를 통해 안정적인 운영이 필수적이다. 유럽에는 이러한 재생에너지기반 에너지 네트워크에 대한 운영사업이 잘 유지되고 있어 재생에너지 적용성도 높아지는 선순환 고리를 구축했다.
■ 히트펌프도 활성화되는 추세인데
해외에서는 건물의 전기화를 통해 태양광과 히트펌프를 활용, 건물에 필요한 에너지를 공급하기위한 기반을 잘 마련해두고 있다. 유럽을 중심으로 단일건물에서 태양광과 히트펌프 및 ESS를 패키지화해 제로에너지주택을 구현하는 패키지시스템은 이미 상용화돼 있다.
국내에서는 판매되고 있지 않으나 한화큐셀이 태양광을, 삼성전자가 히트펌프와 ESS를 패키지상품으로 구성해 유럽시장을 중심으로 판매하고 있으며 LG전자도 국내에서는 판매하고 있지 않은 가정용 ESS, 히트펌프 및 히트펌프 일체형 급탕탱크 등이 상용화돼 판매되고 있다.
이러한 히트펌프 보급활성화가 PVT 활용증대에 영향을 주고 있다. PVT기술은 해외에서도 다양한 연구가 진행돼왔었는데 최근 PVT산업이 유럽을 중심으로 다시 각광받고 있다. PVT의 생산이 자동화되면서 퀄리티가 증가한 점도 있지만 히트펌프 열원으로 PVT가 사용되면서 히트펌프의 효율을 증대시키는 방향에 대한 연구 및 사업화가 활발하게 진행되고 있다. 또한 히트펌프 열원이 공유되는 방식인 5세대 지역냉난방시스템의 연구도 활발하게 진행됨에 따라 태양열집열기에 비해 낮은 온도를 생산하는 PVT도 활용도가 증대되고 있다.
■ 국내 신재생E‧E융합 기술동향은
우리나라는 소규모 열네트워크 적용이 활발하지 않다. 아직 개별 가스보일러에 대한 활용사례가 많으며 난방 및 급탕열 생산을 위한 히트펌프 사용과 보급이 지연되면서 열네트워크에 대한 관심도 낮은 것으로 보인다.
소규모 건물에서는 공기열원 히트펌프가 초기투자비용 측면에서 저렴하며 삼성, LG 등 국내 공기열원 히트펌프 성능이 우수하기 때문에 굳이 신재생에너지를 활용하지 않았던 측면이 있다. 전력요금이 비교적 저렴한 우리나라는 공기열원 히트펌프와 지붕태양광을 선정하는 것이 초기투자비용측면에서도 저렴하며 운영비용측면에서도 가장 유리하기 때문이다.
정책측면에서도 마찬가지다. 정책적으로 100% 넷제로 달성이 아닌 에너지자립률 20%를 요구하므로 이를 달성하기에는 지붕태양광과 공기열원 히트펌프를 활용하는 방안이 가장 경제적인 것이 사실이다. 이에 따라 다양한 신재생에너지원을 적용할 이유가 없어 활성화되지 않은 측면이 있다.
PVT도 국내에서는 전력과 열을 동시에 생산하는 방식에 대해 비용적인 이점을 찾지 못했으나 탄소중립을 위한 고효율시스템의 적용 측면에서 다시 주목도가 높아지는 추세다.
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