“스마트빌리지 E분야 총괄지원…열·전기설비 동시 최적화 운영”

ESS활용 신재생E P2P·P2B·B2B 거래로 E자립 실현

한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 에너지연)이 주관하는 저탄소 에너지효율화 에너지공유 커뮤니티 구축기술개발 연구단(단장 김종규)은 국토교통부가 지원하는 국토교통과학기술진흥원(KAIA)의 저탄소 에너지고효율 건축기술 개발사업을 수행하고 있다. 김종규 에너지연 연구단장을 만나 사업현황 및 기대효과에 대해 들었다.

■ 에너지연의 역할은

에너지연은 이번 R&D의 주관으로 한국건설기술연구원(이하 건설연), 차세대융합기술연구원(이하 융기원), GS건설, 카이스트, 연세대 등 산·학·연과 함께 연구개발을 진행하고 있다.

연구단은 건축물의 저탄소 에너지효율화 기술과 에너지공유 플랫폼 기술개발을 통해 제로에너지건축물(ZEB) 활성화 및 에너지공유 커뮤니티를 구현하며 이를 기반으로 탄소중립 커뮤니티를 실현하고자 한다.

에너지연은 진천 친환경에너지타운 등 커뮤니티 단위의 전력·열에너지설비 운영기술 및 노하우를 바탕으로 스마트빌리지의 에너지분야를 총괄해 설계에서부터 구축 및 운영에 대해 K-water를 지원하고 있다.

전력분야는 주거용 및 비주거용 건물의 건물일체형태양광(BIPV: Building Integrated Photovoltaic), 주차장 및 회랑의 태양광(PV) 구축을 총괄, 운영하고 있다. ESS는 현대차의 재사용 ESS 구축을 GS건설, 에너클과 함께 총괄하며 운영을 지원하고 있다.

열에너지분야는 지열원 히트펌프와 축열조에 대한 구축을 지엔원에너지와 함께 총괄하며 지열원 및 수열원 히트펌프와 축열조의 자동제어 운영을 위한 설비를 구축하고 운영을 지원하고 있다.

특히 에너지공유 커뮤니티의 궁극적인 목표인 전력 및 열에너지설비를 동시에 최적화 운영할 수 있도록 자동제어를 구성하는 한편 카이스트, 융기원, 대건소프트와 함께 최적화 운영이 가능하도록 구현하고 있다.

■ R&D 주안점은

기존 건물부착형 태양광설비(BAPV: Building Attached Photovoltaic) 방식은 발전효율은 높으나 심미성이 떨어진다. 건축자재와의 이질감으로 인해 태양광패널의 건물적용에 걸림돌이 돼왔다.

스마트빌리지의 태양광설비에서는 주거용 및 비주거용 건물에 BIPV를 적용해 건축물 외장재로 활용할 수 있도록 심미성을 높였다.

스마트빌리지의 ESS설비는 전기차의 사용 후 배터리를 재사용해 제작한 ESS로 용량은 400kWh다. 재사용 ESS는 스마트빌리지의 자가소비용 태양광설비와 연계해 스마트빌리지에 전력을 공급할 수 있게 했다.

이를 위해 사용 후 배터리 재사용 ESS 실증을 위한 규제특례를 산업부로부터 현대차와 에너지연이 같이 획득했으며 GS건설 및 에너클, 융기원과 함께 재사용 ESS에 대한 실증을 진행한다.

스마트빌리지의 열에너지설비는 냉방공급을 위한 기존 개별 에어컨과 난방 및 급탕공급을 위한 가스를 활용한 보일러와 달리 냉난방 및 급탕공급을 모두 전력으로 운영하며 높은 효율로 운영될 수 있도록 히트펌프를 적용했다.

주거용 및 비주거용 건물에는 4세대 지역난방과 같은 저온 열네트워크방식을 적용해 난방 및 급탕공급이 핵심이다. 냉방공급 또한 중앙의 히트펌프를 활용해 공급하게 된다. 히트펌프는 지열과 수열을 활용해 열을 생산하게 되며 지중열교환기는 스마트빌리지 내 주거용 건물의 지반에 위치한다. 150m 깊이에 각 천공의 간격은 5m, 총 72공이 설치됐다.

스마트빌리지의 에너지설비 운영측면에서도 특징적인 점이 있다. 연구단은 탄소중립 효과를 높이고 에너지공유 커뮤니티로의 구현을 위해 기존 넷제로 방식의 에너지자립뿐만 아니라 실시간 자가소비율, 즉 낮시간 발생되는 태양광을 빌리지 내에서 최대한 활용해 과도한 잉여전력 생산으로 인한 그리드의 불안정성을 해소한다. 또한 인근 커뮤니티로의 에너지 공유 및 거래를 통해 부가적인 수익을 창출할 수 있도록 운영할 계획이다.

이와 함께 단일건물의 에너지자립뿐만 아니라 커뮤니티, 나아가 도시단위 에너지자립률을 제고하기 위한 에너지공유·거래를 진행할 계획이다. 이를 위해 낮시간 잉여전력에 대해 재사용 ESS를 적극 활용, 전력 피크시간에 운영함으로써 ESS를 이용한 피크전력제어를 담당한다.

또한 히트펌프 및 축열조를 활용해 P2H(Power to Heat) 방식으로 잉여전력을 활용, 히트펌프를 운영한다. 이는 잉여전력을 냉열 및 온열로 저장했다가 피크열부하 시간에 공급토록 운영하는 것이다.

그러고도 남는 잉여전력은 EV(Electric Vehicle)에 미리 저장하거나 P2P, P2B, B2B 거래를 통해 인근 커뮤니티에 신재생에너지로부터 생산된 에너지를 공급하게 된다. 이를 통해 커뮤니티 단위 에너지자립률을 높여 탄소중립 효과를 높일 수 있다.

▲ 에너지공유 플랫폼 구현·실증 개념.

■ 탄소중립·스마트시티 확산비전은

에너지연은 기후위기 극복을 위한 2050 탄소중립에 앞장서고 에너지기술을 선도하는 연구기관으로 인류의 삶의 질을 향상시키고 지속가능한 미래를 실현하고자 한다.

이를 위해 연구원의 4대 기술개발 의제 중 ‘에너지전환 3030·5060 실현’과 ‘고효율 저탄소 사회구축’을 목적으로 온실가스 배출이 없는 자연에너지를 활용한 전력생산 비중을 높이기 위해 노력할 것이다. 다양한 신재생에너지에 대한 기술개발과 에너지생산에서 소비까지 전체 에너지시스템의 효율향상을 목표로 하고 있다.

연구단의 총괄기관으로서 에너지공유 커뮤니티의 성공적인 운영을 통해 향후 다양한 신도시의 탄소중립 실현에 필요한 기술을 제공하고 공동주택과 같이 에너지자립이 어려운 고층, 고밀도 단지의 탄소중립과 사업화 기술을 제공하기 위해 노력할 계획이다.

지금까지 개별건축물을 대상으로 적용하던 기술과 적용범위를 커뮤니티·도시로 확대하고 최적 에너지공유 기술을 적용함으로써 향후 그린에너지 스마트시티, 에너지전환 및 그린뉴딜·그린리모델링을 위한 핵심 선도기술을 개발하고자 한다.

또한 제로에너지도시 활성화를 통한 국가 건물부문 온실가스 감축, 그리고 연관산업에 대한 투자확대와 기술개발에 기여하고자 한다.

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