과거 에너지 소비만 하는 공간이었던 건물이 이제 에너지를 생산하고 남는 에너지를 외부에 공급할 수 있는 에너지 프로슈머로 거듭나고 있다. 국내 연구진은 건물을 탄소중립 실현을 위해 신규건축물뿐만 아니라 노후화된 기존 건축물, 나아가 도시단위의 커뮤니티 에너지 공유를 위한 플랫폼을 개발하며 에너지 프로슈머 건물을 실현하고 있다.
한국에너지기술연구원(KIER, 김종남 원장)은 도시형 신재생에너지 플러스에너지커뮤니티 에너지공유 플랫폼(K-PEC: KIER Plus Energy Community) 개발을 위해 대전 본원 내 기존 노후건축물을 리모델링했다. 태양광, 태양광·열, 연료전지, 에너지저장장치 등 신재생에너지 융복합기술을 적용해 실증한 결과 144%의 높은 에너지자립률을 보였다.
KIER은 기관 주요사업인 ‘도시발전을 위한 신재생에너지 기반 플러스 에너지커뮤니티 플랫폼 개발사업’의 소규모 에너지공유 커뮤니티 실증대상인 건물 4채(주거용 2채, 비주거용 건물 2채) 중 제로에너지하우스(ZEH)인 주거용 건물 2채에 태양광(PV), 태양광·열(PVT), 고분자 연료전지(PEMFC), 에너지저장장치 등 신·재생에너지 최신기술을 접목했다.
1998년부터 초에너지절약형 실험용 건물을 지어 에너지자립주택 연구를 해 온 KIER은 2002년 국내 최초로 ‘제로에너지 솔라하우스1(Zero Energy Solar House; ZeSH-1)’를 개발했으며 2005년 독일의 패시브하우스를 능가하는 신재생하이브리드시스템을 적용해 ZeSH-2를 개발한 바 있다.
이를 발전시켜 주택 자가소비율 및 커뮤니티 에너지자립률을 고려한 설계로 최신기술을 접목해 플러스에너지하우스(PEH)인 ‘KIER Energy Plus Solar House(KePSH-1 & 2)’로 탈바꿈시킨 것이다.
지붕형 건물일체형 태양광(BIPV) 및 지붕거치형 태양광열(PVT) 모듈로 총 6.6kW의 신재생에너지 설비를 갖췄던 ZeSH-1에는 총 21.4kW의 신·재생에너지 생산설비(15.1 kW BIPV + 4.3 kW BIPVT + 2 kW PEMFC)뿐만 아니라, 전기저장(BESS), 열저장(TESS), P2H(Power to Heat, 잉여전기열변환), 히트펌프 활용기술 등을 적용했다.
또한 지붕형 BIPV와 벽면형 BIPVT 모듈로 총 6.45kW의 신재생에너지 용량을 보유했던 ZeSH-2에는 8.3kW BIPV, 3.3 kW BIPVT, BESS, TESS, P2H, 지열냉난방히트펌프 등이 적용돼 KePSH-2로 거듭났다.
연구진은 1차연도인 지난해 이와 같이 리모델링한 주거용 건물 KePSH-1과 KePSH-2를 지난 1~4월 시운전해 일반적인 가구의 소비량 기준으로 144%의 에너지자립률을 실증했다. 이를 건축물 에너지효율등급 인증평가 프로그램(ECO2)을 이용해 시뮬레이션하면 연간 에너지자립률은 166.3%에 달한다.
연구진은 에너지공유 커뮤니티 실증대상인 건물 4채 중 비주거건물 2채에 대해서도 오는 8월까지 리모델링을 완료해 에너지자립 및 자가소비에 대한 시운전을 시작할 계획이다. 이를 통해 주거건물 KePSH-1 & 2와 비주거건물 KPEB-1 & 2 등 총 4채로 이뤄진 소규모 커뮤니티에서 전체 에너지자립률 100% 달성을 목표로 하고 있다. 또한 2단계(2022~2023년)에는 에너지공유 통합 운영시스템을 구축해 최적화 실증을 추진할 계획이다.
특히 이번 리모델링 과정에서 도시형 BIPV를 시범적용하고 발전성능 측정을 통해 실증을 거친 차세대기술이 실제로 보급될 수 있도록 산·연협력을 진행했다.
비주거건물 KPEB-2에는 코오롱글로벌과 신성이엔지에서 개발한 유색 태양광 패널인 ‘솔라스킨’ 4.8kW를 에이비엠과 협업해 적용했으며 KPEB-1에는 벽면형 컬러BIPV 40kW와 히트펌프를 적용해 오는 8월까지 리모델링을 완료할 예정이다.
연구진은 향후 솔라스킨을 비롯해 적용된 건물에너지 요소기술들의 내구성 및 에너지 발전성능 등 장기 성능평가를 진행한다. 2022년부터 시작되는 2단계 연구에서는 1단계에서 적용된 신재생에너지 요소기술들과 연구원의 태양광 예보기술을 활용해 전체 커뮤니티 에너지자립률 향상과 에너지공유를 통한 자가소비율 향상, 커뮤니티 에너지 운영시스템 최적화, 커뮤니티 내 열에너지 네트워크 검증 등을 수행한다.
이를 통해 차세대 기술이 도심 에너지공유 플랫폼 구축의 에너지생산 요소기술로 효율적으로 활용될 수 있도록 통합적 연구를 수행할 계획이다.
에너지연은 플러스에너지커뮤니티 플랫폼 연구결과를 활용해 향후 도시재생을 통한 에너지자립률 향상, 공공부지 또는 노후 캠퍼스를 활용한 도시 에너지공급 플랫폼 구축, 리모델링을 통한 건축시장 활성화 및 신도시 에너지 자립화 등에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
연구책임자인 김종규 책임연구원은 “이번 과제를 통해 커뮤니티 단위 제로에너지 1등급 설계, 전기·열 복합에너지공유 플랫폼설계 등을 적용·구현 중”이라며 “소규모 커뮤니티에서 확보되는 핵심기술들은 실제 도시단위의 스마트빌리지 실증을 통해 검증되고 활용될 수 있도록 대내·외 관련 연구를 연계해 진행하고 있다”고 밝혔다.
김종남 KIER 원장은 “이번 연구를 통해 커뮤니티 에너지의 자가소비율을 높이는 실효성 있는 다양한 실증운영으로 제로에너지 커뮤니티 보급모델을 확보해 재생에너지의 도시보급 잠재력을 높이고 탄소중립 및 그린뉴딜에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
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