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신재생E 활용성 제고기술 공유

‘2021년 설비공학회 동계학술발표대회 재생에너지세션’ 개최



탄소중립 기조 강화에 따라 확산필요성이 강조되는 재생에너지의 활용성을 높이는 기술을 공유하는 자리가 마련됐다. 

11월19일 세종대 컨벤션센터에서 개최된 ‘2021년 설비공학회 동계학술발표대회’의 재생에너지세션은 △열전소자와 상변화물질을 적용한 건물일체형 태양광열 발전시스템 발전성능 분석(강용권 한양대 학생) △고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 동적 모델링을 통한 운전조건에 따른 운전특성 분석(임현성 서울대 학생) △TRNSYS를 활용한 지역난방·신재생열에너지 연계시스템의 양방향 열공급에 관한 연구(서예본 한국지역난방공사 연구원) △열원보상운전을 이용한 하천수 열원 히트펌프 성능평가(신현호 고려대 학생) 등의 발표가 진행됐다. 

PCM 적용통한 태양E 효율 향상
강용권 한양대 학생은 ‘열전소자와 상변화물질을 적용한 건물일체형 태양광열 발전시스템 발전성능 분석’ 발표를 진행했다. 

제로에너지 건축물을 구현하기 위한 신재생에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 신재생에너지 설치면적이 부족한 도심 내 건물의 에너지 생산효율 향상을 위한 기술개발이 진행되고 있다. 

이러한 신재생에너지 중 열전소자를 활용한 온도차 회수기술이 주목받고 있으며 건물외피 적용을 통한 적용면적 확보가 제안되고 있다. 다만 열전소자 효율이 낮아 소량의 발전이 가능한 상황이다. 

열전소자를 통한 발전효율을 높이기 건물일체형 태양광패널의 방열에 상변화물질(PCM) 적용하는 시도가 이뤄졌다. 

강용권 학생은 “PCM적용을 통해 건물일체형 태양광패널 온도를 최대 20℃ 낮출 수 있었으며 열회수를 통해 낮 시간 열전소자 한 개당 하루 약 0.005wh의 전력을 추가생산할 수 있었다”라며 “이번 연구결과를 토대로 전기회로, 방열구조를 개선한 시제품을 제작할 계획”이라고 밝혔다.

PEMFC 수소이용률 향상 핵심 ‘목표온도’
임현성 서울대 학생은 ‘PEMFC의 동적 모델링을 통한 운전조건에 따른 운전특성 분석’ 발표를 통해 PEMFC 수소이용률 향상 가능성을 설명했다. 

PEMFC는 시동준비시간이 짧고 저온에서 운전이 가능해 자동차, 드론, 버스 등 모빌리티 동력원으로 주목받고 있다. 이와 함께 자율주행에 대한 기술발전이 이뤄지면서 향후 개발될 5단계 자율주행기술의 경우 기존 차량대비 최대 35% 많은 전력을 사용할 것으로 전망돼 수소차의 연비향상이 중요해지고 있다. 

연구는 PEMFC 시스템을 모델링해 고속주행모드 사이클에서 연료전지 목표온도 및 외기온도에 따른 수소사용량 변화를 확인했다. 그 결과 PEMFC의 목표온도가 상승함에 따라 출력이 증가하기 때문에 수소사용량은 동일 외기온도 조건에서 목표온도가 증가할수록 수소사용량이 감소하는 것을 확인했다. 

임현성 학생은 “동일 목표온도의 경우 외기온도가 올라갈수록 연료전지의 냉난방에 필요한 에너지가 증가했으며 수소사용량이 증가했다”라며 “외기온도가 0℃ 이하일 경우 냉매로 사용된 물이 얼 가능성이 있어 난방에너지소비가 발생하며 우리나라의 특성상 40℃ 이상으로 온도가 상승하는 경우가 적어 PEMFC 목표온도를 높게 설정하는 것이 수소사용량을 줄일 수 있는 방안”이라고 밝혔다. 

지역난방·신재생열E 최적 운전모델 제시
서예본 지역난방공사 연구원은 ‘TRNSYS를 활용한 지역난방·신재생열에너지 연계시스템의 양방향 열공급에 관한 연구’ 발표

우리나라는 2050 탄소중립 달성을 선언한 후 다양한 정책을 추진하고 있으며 신규건축물은 제로에너지건축 의무화를 통해 에너지사용을 최소화하고 기축건축물은 그린리모델링 등 에너지성능 개선을 통해 도시 저탄소화정책을 시행하고 있다. 

도시 내 체계적인 신재생에너지시설 공급을 통해 에너지자립률을 높이고 수소도시 등 생산, 공급, 사용 등 친환경에너지 사용을 확산시키고 있다. 신재생에너지 중 태양열은 주간에 열을 많이 사용하는 상업시설, 공공시설 등의 전력의존도를 줄이며 히트펌프를 함께 사용할 경우 효율적인 난방 및 온수공급이 가능해 지역난방과의 연계를 통한 활용효과가 기대된다. 

서예본 연구원은 “지역난방·신재생열에너지 연계시스템을 통해 신재생열에너지의 공급과 수요의 시간적, 공간적 차이를 극복하고 안정적인 열공급을 위해 TRNSYS를 통해 분석했으며 효율적인 열공급을 위한 양방향 열공급 방법을 제안하고자 한다”라며 “제안되는 시스템은 지난방을 비롯해 태양열, 연료전지, 지열열교환기, 저장탱크 등으로 구성되고 시뮬레이션 결과를 바탕으로 열공급, 운전계획을 수립하고 실증사이트를 통해 비교검증할 계획”이라고 밝혔다. 

동절기 수열E 활용 한계 극복
신현호 고려대 학생은 ‘열원보상운전을 이용한 하천수 열원 히트펌프의 성능평가’ 동절기 수열시스템을 운영하기 위한 방안에 대한 연구를 소개했다.

하천수 열원 냉난방시스템은 물을 열매체로 활용함으로써 높은 열전달성능을 가지며 하천수의 온도가 공기대비 겨울철에는 높고 여름철에는 낮기 때문에 에너지절약이 가능할 것으로 기대받고 있다. 

그러나 겨울철 하천수 온도가 0℃에 가깝게 떨어질 경우 하천수로부터 열을 회수하기 위해서는 히트펌프 열원 측 이차유체의 온도는 더 떨어지게 된다. 또한 증발기 표면은 영하가 될 가능성이 있기 때문에 운전에 제약이 발생한다. 

신현호 학생은 “이번 연구에서는 하천수 열원, 수절환방식 히트펌프에 대해서 축열조의 열을 이용해 일부 열을 보상하는 방식에 대한 시뮬레이션을 수행했으며 열원보상방식 및 히트펌프의 증발기 출구온도 하한값에 따른 성능변화를 확인했다”라며 “이를 통해 별도의 열원기기 없이 열원보상운전만으로 이용해 99.2%의 부하를 만족할 수 있었으며 직접공급방식이 축열조 재공급방식대비 3.9%의 에너지를 절감했다”고 밝혔다. 

이어 “또한 수열활용율이 클 때 더 많은 에너지절감이 가능했으며 최대 2.0의 SPF가 가능해졌다”고 덧붙였다.