탄소중립을 위한 친환경 기술 혁신 중 스마트 그리드

스마트그리드(Smart Grid)란 전력망(Grid)에 ICT(Information & Communication Technology) 기술과 전력망을 결합해 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환해 에너지 효율을 최적화하고 새로운 가치를 창출할 수 있는 차세대 전력망을 말합니다. 스마트그리드 시스템은 정보통신 기술 개발 이전에 가능해졌으며, 기존 에너지 공급의 에너지 효율을 높이고 재생에너지를 활성화하는 데 초점을 맞춘 시스템으로 미국과 유럽에서 차세대 전력망으로 주목받고 있습니다.

 

미국은 2003년 에너지부(DOE)를 중심으로 한 국가통합 스마트그리드 구축계획으로 그리드 2030을 제시한 것. 10년간 3단계로 구성된 이 사업은 전국 어디서나 깨끗한 저탄소 에너지를 사용할 수 있도록 모든 소비자의 에너지 사용량을 모니터링하고 관리하는 전력망의 자동화를 목표로 하고 있습니다. 유럽 국가들은 신재생에너지를 중심으로 분산형 에너지원을 확대하고 EU 국가 간 전력 거래를 중심으로 스마트그리드를 추진하고 있습니다.

신재생에너지 복합 적용의 의미

미래의 도시 전력 공급 시스템은 에너지 생산뿐만 아니라 에너지 생산을 위한 공급 기능을 수행하고 서로 운영하는 도시 전력 공급 시스템을 구현할 것입니다. 분산형 전력 공급시스템, 마이크로그리드, 스마트그리드는 효율적인 전력수요와 공급이 충족되는 도시 전력공급 시스템의 한 형태로 주목을 받고 있습니다. 이러한 방법은 재생에너지를 이용해 소규모 에너지 수요와 공급을 연결해 에너지를 종합적으로 관리하는 개념입니다. 따라서 도시 에너지의 원천으로서 신재생에너지의 역할이 증대되고 재생에너지의 결합한 적용이 도시 에너지 공급의 효과적인 방법이 될 것으로 보입니다.

신재생에너지의 개요

태양광 발전시스템은 반도체 소재인 태양전지의 광전자 효과를 이용해 태양에너지를 전기에너지로 전환하는 기술. 태양전지는 서로 다른 전기적 성질의 N형 반도체와 P형 반도체를 결합하는 구조로 두 개의 반도체 경계를 p-n 결합이라고 합니다. 태양전지에 빛이 흡수되면 반도체 내 구멍(+)과 전자(-) 전기를 가진 입자가 생성돼 p-n 접합부에 존재하는 전기장의 영향으로 반대 방향으로 흐르게 됩니다.

 

풍력발전시스템은 공기흐름 운동에너지의 공기역학적 특성을 이용해 로터를 기계 에너지로 변환하고 이 기계 에너지로 전기를 얻는 시스템. 풍력 발전 시스템은 로터 직경과 공칭 전력에 따라 시스템 크기로 구분되며, 소형 풍력 발전 시스템은 주로 10kW 이하의 등급으로 분류됩니다. 이전에는 주로 산간과 해안 지역의 대형 단지에 적용되었습니다. 그러나 최근에는 분산 에너지가 있는 건물에 사용할 수 있는 소형 풍력 발전 시스템의 사용이 증가하고 있습니다. 10kW 이하 발전기는 배터리를 충전할 수 있는 시스템이 장착되면 널리 적용할 수 있는 독립적인 에너지원이 됩니다. 소형 풍력 발전 시스템은 주 발전기와 타워, 배터리 및 충전 컨트롤러로 구성되어 있으며 기존 전력망과 연계하여 사용할 수 있습니다. 소형 풍력 발전 시스템은 칼날의 종류, 설치 방법 및 형태에 따라 다양한 방법으로 건축의 대통령 및 기능 요소로 사용될 수 있으므로 도시 환경에서 적용하기에 적합한 시스템입니다.

 

지열에너지는 지구(대지, 지하수, 지표수 등)가 태양복사 에너지나 지구 내부의 마그마 열에 의해 소유하는 에너지를 말하며 지표면의 깊이에 따라 지구와 토양의 열로 나눕니다. 현재 지열 계통은 히트펌프의 열원(10℃에서 20℃)에 열을 공급하는 지열 히트펌프 계통으로 가장 많이 사용되고 있습니다.

신재생에너지 시스템의 건축물 적용 방법

도시 재생에너지의 효율적인 적용을 위한 기초연구에서는 에너지 시스템의 적용, 에너지 생산 특성, 고려 사항 및 건물의 적용 방법을 분석하였습니다. 또한 에너지 생산의 종류에 따라 태양광 시스템, 태양 및 지열 시스템의 에너지 보충 가능성이 클 것으로 예상할 수 있습니다. 도심 건물에 대한 재생에너지 시스템 적용을 위한 각 시스템의 주요 고려 사항은 도시 외부 환경의 영향을 고려하여 도출되며, 이러한 요소들이 시스템 에너지 생산의 효율성과 실질적인 적용을 결정합니다.

 

도시 환경에서 건축물 시스템 적용은 제한적이며 단점은 새 건물에 적용하는 것보다 새 건물과 통합하기가 더 어렵다는 것. 태양광 발전 시스템의 경우 건물 상부 표면과 하부 표면을 모두 사용할 가능성이 높고, 태양 및 소형 풍력 발전 시스템의 경우 건물 지붕 표면에 적용하는 것이 효과적일 것으로 판단됩니다. 신건물에 대해서는 시스템의 기능성과 의장 성 관점에서 시스템의 통합적인 적용이 바람직하다고 생각됩니다.

도시 특성에 따른 신재생에너지 적용가능성

저층 주거단지는 저밀도 도시형 특성을 가지며 에너지 소비 비율이 7:3으로 상대적으로 열에너지 소비가 우세함. 에너지 소비 특성과 단지의 잠재력 평가 결과를 고려할 때 에너지 효율 측면에서 태양열 및 지열 시스템을 적용하는 것이 효과적일 것으로 보입니다. 초고층 주상복합단지는 고비용 아파트 단지를 대표하는 유형으로 도시 특성이 높고 대형 단독건물이 많아 열에너지 소비가 높습니다. 높은 수준의 집단 주거단지의 경우 적용할 수 있는 태양열 및 지열 시스템이 우선돼야 하지만 에너지 수요를 고려할 때 사용 가능성이 높은 풍력 시스템 적용을 고려해야 합니다.

 

복합단지는 매우 밀도 높은 저층 비밀의 형성적 특성을 가지고 있으며, 열과 전기에너지 소비 비율은 6:4입니다. 신재생에너지 시스템 적용 시 태양광 시스템을 안정적인 태양에너지를 얻을 수 있는 옥상 표면에 먼저 배치하고 건물 꼭대기에 태양광 시스템을 설치해 총 에너지 생산과 수요의 균형을 맞춰야 합니다. 또한 지열 시스템을 사용하여 주거용 건물의 열 수요에 안정적인 에너지 공급을 가능하게 하고, 상업용 건물의 경우 태양열 및 풍력 시스템을 먼저 사용하는 것이 바람직합니다. 사업 단지는 도심 속에 위치한 일종의 극비리에 위치한 것으로, 건물 규모의 변동이 크고 에너지 소비 비중이 훨씬 높은 에너지 소비 특성을 가지고 있습니다. 상업단지의 경우 건물 입구에 태양광 발전 시스템을 적용하고 활용도가 가장 높은 건물에 풍력 발전 시스템을 우선 배치하는 것이 바람직하다고 판단됩니다.

결론

지구의 기후변화 문제와 지속적인 에너지 소비 증가로 기존 화석에너지를 대체할 청정에너지인 재생에너지 시스템 활용의 중요성이 높아지고 있습니다. 전 세계 에너지 소비량의 절반 이상을 차지하는 도시의 경우 분산형 에너지 공급 시스템과 스마트 그리드 도입으로 재생 에너지를 도시 에너지원으로 사용해야 합니다. 그러나 재생에너지 시스템은 외부 환경 조건에 따라 에너지 생산에서 휘발성이 있으므로 모든 생산 시스템 간의 상호 보완성을 고려한 신재생에너지 적용 방법이 요구됩니다. 또한 도시 환경에서의 재생 에너지 시스템 적용은 다양한 도시 특성에 영향을 받기 때문에 도시 시스템 적용은 개별 건물 적용과는 다른 접근 방식을 요구합니다.