2022.08.08 (월)

  • 흐림동두천 25.2℃
  • 흐림강릉 30.4℃
  • 천둥번개서울 25.1℃
  • 흐림대전 29.7℃
  • 흐림대구 34.0℃
  • 흐림울산 31.8℃
  • 구름많음광주 31.5℃
  • 구름많음부산 30.4℃
  • 흐림고창 30.6℃
  • 구름많음제주 36.5℃
  • 흐림강화 25.7℃
  • 흐림보은 28.5℃
  • 흐림금산 30.2℃
  • 구름많음강진군 32.5℃
  • 흐림경주시 33.6℃
  • 흐림거제 30.4℃
기상청 제공

커버스토리

[인터뷰] 강용태 고려대 기계공학부 교수

플러스에너지빌딩 혁신기술 개발, 국가에너지시스템 안정화 기여
건물발생 변수예측 대응시스템 활용 플러스E 20% 달성

열공학을 세부전공으로 연구에 매진하고 있는 강용태 고려대 기계공학부 교수는 탄소중립에 기여하기 위해 친환경 냉매개발 및 성능평가, CO₂ 나노흡수제 개발, CO₂포집·연료화 기술개발, 플러스에너지빌딩(PEB) 혁신기술개발을 수행하고 있다. 관련 연구분야에서 학술적 성과를 인정받아 최근 5년간 59편의 SCI 논문을 게재했으며 이중 세계적 권위지에 게재된 상위 10% 이내 논문은 45편에 달한다.

현재 2020년에 선정된 연구재단 선도연구센터인 고려대 PEB 혁신기술연구센터 선터장을 맡아 제로에너지빌딩(ZEB)을 넘어 미래를 대비하는 PEB 혁신기술 개발을 선도하고 있는 강용태 교수를 만나봤다.

■ 관련분야 현안은
삶의 질 향상과 산업발달의 고도화로 에너지사용량은 매년 증가하는 추세다. 2016년 대한민국 1인당 에너지소비는 세계 15위에 해당하며 부문별 에너지소비량은 석유 8위(123만톤), 전력 7위(544TWh)를 기록했다. 서울 에너지소비 부문에서 가정·산업용 건물이 55.9%로 가장 높은 비율을 차지하며 이산화탄소 배출도 상응하게 지배적이다. 이를 고려해 정부는 건물에너지소비를 중대한 사안으로 인식하고 있으며 ZEB 의무화 로드맵을 장기적인 목표로 제시했다.

ZEB를 달성하려면 신재생에너지 활용이 필수적이지만 국내에서는 활용도가 낮은 실정으로 공급의 6.5%를 차지하고 있다. 신재생에너지 활용이 미미한 이유는 기존 에너지원에 비해 공급이 불안정하고 에너지 생산밀도가 낮으며 에너지 저장기술 적용이 어렵기 때문이다.

ZEB는 신재생에너지원의 공급 불안정성과 낮은 에너지 생산밀도, 태양에너지에 대한 높은 의존 및 타에너지원 미활용, 에너지 생산·부하간 매칭 불안정성, 기술간 연계 미비로 인한 문제점이 있다. 이러한 기술 한계점의 극복이 절실한 시점에 건물에서 필요로하는 에너지보다 더 많은 에너지를 생산하고 주위 건물에 공급할 수 있는 PEB 혁신기술을 개발 중이다.

■ PEB 개념 및 필요성은
ZEB는 패시브 디자인기술을 기반으로 에너지부하를 저감시키고 신재생에너지원을 기반으로 일부의 에너지를 충당한다. 하지만 국내 기술력 한계로 에너지자립률 100%인 ZEB 1등급을 달성한 건물은 극히 드물다. 에어가전혁신센터가 에너지자립률 84%를 달성한 것이 국내 최고 수준이다.

기존 ZEB에서 신재생에너지생산은 태양광에 집중돼 있으나 태양광의 발전량은 443kWh/m²·년으로 공공건축물의 평균 1차 에너지소비량인 501kWh/m²·년에 비해 낮아 단일 에너지원으로는 자립률 100% 달성이 불가능하다. 태양광은 시간·계절·기후에 따라 발전량이 크게 변화
해 에너지 생산·부하간 불안정성을 해소해야 할 기술이 절실하다. 건물의 에너지소비 관점으로는 사용되는 열-전기에너지소비패턴이 계절간 상이해 열-전기에너지 간 효율적인 변환기술이 필요하다.

이에 따라 PEB 혁신기술 연구센터는 △신재생에너지원의 다각화를 통한 불안정성 및 낮은 에너지밀도 해결 △열-전기 간 효율적인 변환시스템 연계 △에너지의 생산-부하간 매칭 불균형을 해결하기 위한 고효율 에너지 저장·활용 시스템 △각 요소기술의 연계를 통한 최적화 시스
템 모듈화를 수행하고 있다. PEB는 건물내 필요로 하는 에너지보다 더 많은 에너지를 생산해 주위에 공급하는 것이 목표이며 에너지소비 저감은 물론 불균형에 적극 대응할 수 있는 미래를 선도할 수 있는 기술이다.

에너지사용량을 최소화하는 패시브 디자인설계를 통해 건물에서 발생하는 에너지부하 50%를 저감하고 능동적으로 에너지를 생산하는 액티브시스템의 에너지효율 향상으로 에너지레벨 70%를 달성해 최종적으로 신재생에너지생산을 통해 최종에너지레벨 120%를 달성할 계획이다.

■ 현존 기술과의 차별성은
PEB는 기존 ZEB의 한계점을 극복하기 위해 그룹을 체계적으로 구성했다. 1그룹은 신재생에너지 생산의 다각화(태양에너지, 수소에너지, 폐에너지 하베스팅 기술)를 통한 낮은 에너지 생산밀도 및 불안정성 극복을, 2그룹은 에너지저장 및 활용기술을 통한 에너지 생산-부하간 시간적 격차 해결을, 3그룹은 PEB 최적화 기술을 통한 핵심기술 연계를 수행한다.

기존에는 핵심요소기술단위의 개별 연구가 수행됐지만 이를 모듈화해 최종적으로 PEB 달성을 목표하는 것은 최초로 시도되는 것이다. 구체적으로 핵심요소기술 단위의 세계 최고 수준을 확보하고 이를 연계해 플러스에너지까지 달성할 수 있을 것으로 기대한다.

또한 PEB 혁신기술 연구센터 내에 산업-대학-정부출연 연구소를 연계함으로써 요소기술개발부터 건물시스템 최적화 및 통합검증까지 가능토록 체계화돼 있다.

핵심요소기술에 대한 성능분석을 대학기관에서 수행할 수 있으며 정부출연 연구소에서의 실증 규모 실험 및 성능평가, 산업연구소 지원을 통한 산업화 전략까지 포함하고 있다. 이에 따라 단일 기관·연구자가 절대 실현할 수 없는 목표를 적절하게 분배된 기관 구성으로 달성하고자 하는 것이 가장 큰 차별성이다.

■ 기술개발 진행 방향성을 제시한다면
필요로하는 에너지보다 더 많은 에너지를 생산하기 위해서는 세계 최고 수준의 핵심요소 기술개발을 시작으로 각 기술 간 모듈화를 통한 최적화가 중요하다.

1그룹에서 에너지공급의 불안정성과 에너지 밀도가 낮다는 단점을 극복하기 위해 신재생에너지생산을 다각화하는 기술을 복합적으로 개발해 건물에 사용하기 적합한 열·전기 형태의 에너지를 생산할 수 있다. 2그룹은 에너지를 저장하고 활용하는 기술을 개발한다. 신재생에너지원의 생산·수요간 격차를 해결하기 위해 높은 효율의 에너지저장기술을 개발하고 저장된 에너지를 이용한 고효율 에너지 변환시스템을 구축한다.

3그룹은 시스템을 최적화 설계한다. 에너지 사용량 절감 등을 통한 패시브 기술로 1차 에너지 저감, 신재생에너지생산 등을 통한 액티브 기술로 2차 에너지 생산·저감을 포함하는 핵심요소기술을 모듈화한다. 최종적으로 건물 발생 변수의 예측 대응 시스템을 활용해 플러스에너지 20%를 달성하고자 한다.



■ 사회·경제적 기대효과는
PEB 개발을 통해 하절기 전력피크 저감과 국가차원 에너지부하 저감 및 온신가스 감축 효과를 기대할 수 있으며 결과적으로 건물간 에너지 트레이드를 통해 국가에너지시스템 안정을 가져올 수 있다. 플러스에너지 20% 달성 시 에너지공급 및 부하의 시간적·공간적 불일치 문제를 건물 간 에너지그리드 형성으로 유연하게 해소할 수 있다.

공급 에너지원의 다양화·다각화 기술로 현재 편중돼 있는 에너지원 문제를 해결해 에너지안보를 확보하며 국가경쟁력이 향상된다. 국내 에너지산업분야 기여는 물론 국제 에너지기술을 선도할 수 있는 주도권을 확보해 국제 산업기술의 초석도 마련할 수 있다. 핵심요소기술에 대한 산업·학문적 연구가 병행되고 기술간 유기적 연계를 통해 새로운 학문분야와 일자리 창출 및 이로 인해 파생되는 매출액 증대 효과도 기대할 수 있다.

관련기사