대한설비공학회 미래성장특별위원회에서 활동하고 있는 허연숙 고려대 교수는 설비공학회가 선정한 12개 미래설비기술 중 하나인 ‘복합에너지 공급네트워크 설계 및 운영최적화’ 연구개발을 진행하고 있다.
2018년 9월부터 고려대 건축사회환경공학부에서 부교수로 재직인 허연숙 교수는 지속가능한 도시를 위한 에너지 및 기후관련 정책·기술 개발 연구에 매진하고 있다.
고려대 재직 이전에는 5년간 영국 캠브리지대 건축학과에서 조교수로, 2년 동안 미국 아르곤국가연구소에서 박사 후 연구원으로 활동했다. 특히 2013년 International Building Performance Simulation Association에서 이 분야 전세계 젊은 연구인들 중 1명만을 선정해 수여하는 ‘Outstanding Young Contributor Award’를 수상한 바 있다.
현재 수행 중인 주요 연구과제로는 △도시 확대적용을 위한 수소단지 설계·운영 가이드라인 및 비즈니스모델 개발(국토교통과학기술진흥원, 연구책임자) △빅데이터 융합모델 기반 3D 도시 열환경 예측시스템 개발(한국연구재단, 연구책임자) △확장형 리빙랩을 통한 노인맞춤형 주거복지 통합서비스 개발(한국연구재단, 연구책임자) △플러스에너지빌딩 혁신기술 연구센터(한국연구재단, 참여연구원) 등을 진행하고 있다.
허연숙 교수를 만나 ‘복합에너지 공급네트워크 설계 및 운영최적화’의 연구개발 목표 및 파급효과를 들어봤다.
■ 관련분야 현안은국제적으로 주요이슈로 대두된 탄소중립화 달성을 위해 다양한 신재생에너지 시스템 기술 개발 및 시스템 고도화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
국내에서도 울산, 안산, 전주·완주 등 3곳의 수소시범도시가 추진되고 있으며 국토교통부, 산업통상자원부의 여러 실증사업을 통해 수소생산·저장, 연료전지, 축열조 등 신재생에너지를 활용할 수 있는 신기술이 개발되고 실증단지에 적용되고 있다.
현재까지 이러한 연구개발사업을 통해 신재생에너지 기반 요소기술이 개발되고 특정 실증단지를 통해 성능이 검증된 성공적인 사례들을 확인할 수 있다.
하지만 이렇게 개발된 요소기술들은 실증단지 외 단지규모 및 위치, 건물믹스 등에 따라 다른 지역에 효과적으로 적용하는데 필요한 지식베이스가 부재한 상황이다. 현재 개발된 기술들을 지역, 도시로 확대 적용하지 못하는 주요이유 중 하나로 분석된다.
■ 연구 필요성과 차별성은
다양한 신재생에너지 시스템이 도시에 확대 적용되기 위해서는 다양한 지역의 특성을 고려해 복합에너지 네트워크 설계 및 운영전략이 도출돼야 한다. 이 과정에서 필수적 요인이라고 볼 수 있는 단지특성을 고려한 에너지공급 설비타입, 설비믹스, 개별설비의 용량이 미치는 영향을 에너지공급뿐만 아니라 경제성 분석이 요구된다.
단지특성이 반영된 복합에너지 네트워크 설계 및 운영전략을 제공하는 평가시스템과 가이드라인을 개발하는 것이 ‘복합에너지 공급네트워크 설계 및 운영최적화’ 연구과제의 목표다. 신재생에너지 네트워크 최적화는 다수의 국제 및 국내 논문에서 중요한 이슈로 다뤄지며 활발한 연구가 진행되고 있다.
이번 연구의 차별성은 크게 두 가지면에서 설명할 수 있다. 첫째, 에너지 공급설비를 단계적으로 추가한 여러 개의 네트워크 시나리오를 개발해 개별 설비용량뿐만 아니라 설비믹스도 동시에 최적화할 수 있는 연구를 진행하고 있다. 기존 연구는 특정 설비 조합을 가정한 네트워크 내에서 개별설비의 용량을 최적화하는 내용이 주를 이루고 있다.
이러한 경우 개별 설비용량 최적화는 가능하지만 어떤 설비의 조합이 대상지역의 건물에너지 수요에 대한 공급을 효과적으로 최적화할 수 있을지 알지 못한다는 한계를 가진다.
둘째, 특정단지를 위한 최적설계가 아닌 단지규모, 건물용도, 건물믹스 등을 다양한 사례에 적용해 단지특성별 복합에너지 네트워크 설계 및 운영최적화가 가능한 종합적인 지식베이스를 구축할 계획이다.
■ 연구개발 진행상황 및 남은 과제는
현재까지 진행상황은 최종 연구결과물인 커뮤니티 특성별 복합에너지 네트워크 설계 및 운영 가이드라인 도출에 필요한 모델링 및 분석 방법론이 완성된 단계다.
AMI 데이터 및 시뮬레이션을 활용해 주거, 업무, 교육, 판매, 문화시설의 시간별 전력요구량 및 냉난방에너지 요구량을 예측하는 모델개발이 완료돼 다양한 단지특성에 맞춰 시간별 열, 전력 요구량 프로필을 생성할 수 있다.
또한 연료전지, 축열조, 지열히트펌프, 태양광, 배터리, 전해조, 수소저장시스템이 단계적으로 추가되는 총 4단계의 네트워크 시나리오를 구성해 시뮬레이션 모델 기반 민감도분석을 통해 각 시나리오별 설계 및 운영전략이 에너지공급 성능 및 경제성에 미치는 영향을 분석했다.
현재까지는 12가구로 구성된 주거커뮤니티를 사례로 복합네트워크 설계 및 운영최적화 연구를 진행하고 있다.
향후 GIS 데이터를 바탕으로 다양한 건물용도와 믹스로 구성된 커뮤니티 사례들을 생성하고 커뮤니티 특성별 설계 및 운영최적화로 확장해 연구를 진행할 계획이다.
■ 사회·경제적 기대효과는
현재 개발 및 사용가능한 신재생에너지 설비기술을 도시전역에 확대적용하는 기반을 마련하는 것이 이번 연구의 목적이며 이러한 결과물은 향후 국내 다양한 지역에서 신재생에너지 설비적용 시 유용한 자료로 활용될 수 있다.
개발이 완료된 복합에너지 네트워크 평가시스템은 독립형 설계지원 소프트웨어로 제공할 계획이다. 이 소프트웨어는 실무에서 제로에너지 커뮤니티, 신재생에너지 기반 공급에너지 네트워크 설계를 지원하는 유용한 툴로 사용될 것으로 기대된다.
■ 향후 관련 연구개발 계획은
개발 중인 가이드라인은 네트워크 설계에 초점이 맞춰져 있으며 설비시스템 운영 우선순위를 정하는 운영전략을 고려하고 있다.
향후에는 복합에너지 네트워크를 동적으로 변화하는 건물에너지 요구량 및 생산량에 대응할 수 있도록 동적 제어 알고리즘을 개발할 계획이다.
현재 연구 중인 네트워크 시나리오는 전력과 열을 생산하는 설비를 중심으로 구성돼있다. 열을 이용해 냉방할 수 있는 흡수식냉동기와 같은 설비를 추가해 냉방이 주요한 커뮤니티에 보다 효과적으로 대응할 수 있는 네트워크 설계 및 운영에 대한 연구도 진행할 예정이다.
■ 관련분야 현안은
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