설비부문

건물의 물리적 성능 개선을 통하여 건물에서 요구되는 에너지 부하를 최대한 억 제하고 추가적으로 에너지 효율화를 유도하기 위하여 건축설비의 적극적인 도입 이 필요하다. 일반적으로 건축설비의 경우 에너지를 소비하기 때문에 최대한 에 너지 소비량이 발생하지 않고, 새로운 에너지원을 발굴하는 것이 필요하다. 이러 한 측면에서 우리나라는 신재생에너지개발 및 이용·보급촉진법 제 2조에 의거하 여 미래에 사용될 신재생에너지로 석유, 석탄, 원자력, 천연가스 등 화석연료가 아닌 에너지로 표 2-14 같이 신재생에너지 12개 분야를 지정하고 있다. 한편, 주택 및 단지규모에 적용할 수 있는 설비기술로는 난방, 급탕 및 전력 수요에 대응할 수 있는 시스템을 제시할 수 있으며, 구체적으로는 태양광, 태양열, 지열, 연료전지를 제시할 수 있다. 본 연구에서는 유지관리 및 기존 설치 사례 등을 바탕으로 태양광, 지열 및 연료전지에 대한 검토를 실시하였다.

구분 종류 생산에너지 적용대상

전력 열 주택 단지 상업건물 도시

신 에너지

연료전지 ● ● ● ● ● ●

석탄, 액화 가스화 ● ● ●

수소에너지 ● ● ●

재생 에너지

태양광 ● ○ ● ● ● ●

태양열 ○ ● ● ● ● ●

풍력 ● ●

수력 ● ●

해양 ● ●

지열 ● ○ ● ● ● ●

바이오 ● ○ ●

폐기물 ○ ● ● ●

수열 ○ ● ●

※ ● : 주, ○ : 부

[표 2-14] 신․재생 에너지의 종류 및 대상

(1)연료전지

연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 통해 발생하는 전위차를 이용하여 전력을 생산하는 시스템이며, 이때 발생하는 열을 회수하거나 고온의 동작온도를 회수 하여 열 수요에 대응하는 일종의 열병합발전 시스템이다.

[그림 2-12] 연료전지의 발전 원리(한국에너지공단)

한편 연료전지는 화학반응을 통하여 발전과 배열회수가 가능하여 종합효율이 60~85% 수준으로 매우 높으며 온실가스배출량이 없기 때문에 친환경 설비로서 주목 받고 있는 상황이다. 이러한 특성을 이용하여 최근에는 발전용 연료전지 시스템을 설치하여 도시 단위에서 On-site 형태로 에너지를 공급하는 등 분산 형 에너지 공급시스템으로서의 역할과 도시 단위의 에너지 자립률 확보에도 기 여하고 있다.

[그림 2-13] 연료전지의 역사 (Doosan Fuelcell)

특히, 2011년 3월 11일 동북대지진 이후 일본에서는 1kW급의 PEMFC의 보급 확대가 지속적으로 증가하고 있으며 최근에는 자체 발전기능도 포함하고 있는 제품이 보급되고 있다.

[그림 2-14] 도시가스를 이용한 수소개질 및 주택 적용

이는 연료전지 시스템이 기존의 에너지원을 대체하는 것을 포함하여 자체적으로 재난 발생 시 방재기능을 제공함을 의미한다. 2011년 1만대를 시작으로 2012년 2만대, 2013년 3만대, 2017년 기준으로 누적 20만대의 연료전지 시스템이 주택 부문에 보급되었다. 한편, 주택에 설치되는 연료전지는 수소를 직접공급받기 어 렵기 때문에 도시가스를 개질하여 수소를 제조한 후 전해질에 공급하고 있다.

일반적으로 가가호호에 설치되는 용량은 1kW급의 시스템이 적용되며, 발전효율 35%, 배열회수효율 50% 수준의 시스템이 보급 중에 있다. 생산된 전력은 계통 전력과 연계하여 주택내의 전력부하에 대응하게 되며, 배열의 경우 200~400L 급의 저탕조에 축열 후 보조열원 등을 통하여 승온 후 급탕 및 난방 부하에 활 용하게 된다.

[그림 2-15] 주택용 연료전지 적용 사례

표 2-15는 전해질의 종류에 따른 연료전지 시스템이 특성을 나타내고 있다. 일 반적으로 건물 부문에 사용하기 위해서는 발전효율과 배열회수 효율 뿐만 아니 라 동작온도를 고려할 필요가 있다. 그 이유로는 동작온도가 높을수록 발전에 소요되는 시간이 길어지기 때문이다. 이러한 이유로 건물 및 도시 부문에서는 고체 산화물형(SOFC)와 고분자 전해질형(PEMFC),융융 탄산염형(MCFC)이 주 로 사용되어 왔다. 다만, 전술한 바와 같이 배열회수 온도 및 작동온도가 주택내

의 난방 및 급탕 수요에 대응하기 위한 측면에서 단독주택, 공동주택에서는 주 로 PEMFC가 보급되어 왔으나, 최근 발전효율 측면에서 다소 유리한 SOFC의 적용도 검토 중에 있다.

구분 알카리

(AFC)

인산형 (PAFC)

융융 탄산염형 (MCFC)

고체 산화물형

(SOFC)

고분자 전해질형 (PEMFC)

직접 매탄올 (DMFC)

전해질 알카리 인산염 탄산염 세라믹 이온

교환막

이온 교환막 동작온도

(C) 100이하 220이하 650이하 1,200이하 80이하 80이하

효율(%) 85 70 80 85 75 40

용도 특수용 중형건물

(200kW)

중·대형건물 (100kW~MW)

소·중·대용량 발전 (1kW~MW)

가정·상업용 (1~10kW)

소형이동 (~1kW)

선진수준 우주선 200kW MW이상 MW이상 1~10kW

보급중 500W

국내수준 - 50kW 250kW 1kW 3kW 50W

[표 2-15] 연료전지의 종류별 특성

한편, 연료전지를 적용할 경우의 에너지 절감효과를 비교하기 위한 개념도를 그 림 2-16에 나타내고 있다. 구체적으로는 난방과 급탕에 효율 95%의 가스 보일 러를 설치하고, 발전효율 38%의 계통 전력시스템을 연결한 경우와, 발전효율 35%, 배열회수효율 50%의 연료전지 시스템을 비교하였다.

[그림 2-16] 기존 에너지 설비와 열병합 발전 설비의 에너지 소비량 비교

열병합 발전 시스템의 경우, 발전된 전력과 배열회수의 관계에서 기존 시스템과 의 에너지 소비량을 비교하게 되며, 이를 열전비(열/전력)라고 한다. 그림 2-17 는 열전비에 따른 1차 에너지 소비량의 절감 수준을 나타내고 있으며, 열전비 1.25~1.75 수준에서 1차 에너지 소비량의 절감량이 약 22~32% 수준으로 분석 되었다. 한편 주거용 건물의 경우 계절별로 차이가 발생할 수 있으나 열전비가 1.5~2.5 사이에서 움직이므로 발생하는 전력에 대하여 배열회수가 충분히 이루 어진다면 1차 에너지 소비량의 약 25% 이상을 절약할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

[그림 2-17] 열전비에 따른 1차 에너지 절감량

(2) 태양광발전 시스템²⁶⁾

태양광발전 시스템은 태양 복사 에너지를 이용하여 금속중의 전자가 빛에너지를 흡수할 때 밖으로 튀어 나오는 광기전 효과를 기본원리로 하고 있다. 구체적으 로는 빛에너지가 흡수될 경우 광전효과에 의해서 전자는 N형 반도체로, 정공은 P형 반도체로 분리되게 되면서 전위차를 발생하며, 이때의 전위차를 이용하여 전력을 얻게 되며, 이러한 전위차를 발생시키는 반도체를 P/N 접합형 반도체라 고 한다.

[그림 2-18] 태양전지의 발전 원리

(공동주택의 태양광, 태양열 시스템 유지관리 방안 수립 연구, 토지주택연구원, 2014)

한편, 태양광발전 시스템 중 태양전지의 최소 단위를 셀(CELL)이라고 하며 셀 을 규정출력을 확보할 수 있도록 유니트화하고 수지, 강화유리 등의 외피로 밀 봉한 것을 모듈(MODULE)이라고 한다. 최근의 모듈은 약 2㎡ 당 350~450W를 발전하는 성능을 가지고 있다. 아울러 모듈을 연계하여 기계적으로 일체화하고 결선한 집합체를 어레이(ARRAY)라고 하며, 일반적으로 태양광 전지는 이러한 어레이를 연결하여 전력을 생산하게 된다. (그림 2-18)

26) 태양광발전 시스템 표준유지관리 매뉴얼, 토지주택연구원, 2015의 내용중 일부를 발췌

[그림 2-19] PV Cell, Module, Array의 개념

태양전지의 종류로는 그림 2-19와 같이 결정계와 박막계로 구분할 수 있지만, 최 근에는 단결정 실리콘 전지가 대부분을 차지하고 있다 특히 최근에는 태양광발전 시스템에 대한 설치 요구가 확대됨에 따라 유기화합물을 이용한 색소증감형 전지 를 이용한 BIPV의 설치도 증가하고 있다. 이러한 색소증감형 전지의 경우 투명성 을 확보하고 있어 건물의 외피, 자동차의 지붕 등에도 널리 활용 중에 있다.

[그림 2-20] 태양전지 종류

가장 일반적인 실리콘계 태양전지는 크게 단결정형, 다결정형 및 박막형으로 구 분할 수 있으며 단결정형은 200㎛ 정도의 얇은 실리콘 웨이퍼를 이용하여 변환 효율과 신뢰성이 확보되었지만 다른 전지에 비하여 상대적으로 비용이 높은 것이 과제로 지적되어왔다. 한편, 다결정형은 작은 결정으로 구성된 다결정의 웨이퍼 를 사용하고 있으며 단결정에 비하여 제조가 쉽고 비용이 싸지만 상대적으로 온 도상승에 대한 효율저하가 두드러지는 특성을 가지고 있기 때문에 최근에는 제품 으로 생산을 하고 있지 않다.²⁷⁾²⁸⁾ 태양전지별 장단점은 표 2-7과 같다.

27) 태양광발전 시스템의 계획과 설계, 2008.1

28) Planning and Installing Photovoltaic Systems A Guide for Installers, German Solar Energy Society, Architects and Engineers, Stylus Pub Lic, 2007.11

태양전지

종류 장점 단점

단결정

실리콘 변환효율이 높고 장기 사용 실적이 있 다.

실리콘 재료의 공급량에 제약을 다결정 받는다.

실리콘 리본 결정

실리콘

단·다결정 실리콘에 비해 재료의 사용 량이 적다.

단·다결정 실리콘에 비해 변환 효율이 낮다.

구형 실리콘

단·다결정 실리콘에 비해 재료의 사용 량이 적으며, 플렉시블한 태양전지도 가능하다

단·다결정 실리콘에 비해 변환 효율이 낮고 공을 나란히 늘어 놓는 공정이 복잡하다.

HIT 특수품을 제외하고 시판품에서는 최고 의 변환효율을 가진다.

실리콘 재료의 공급에 제약을 받는다.

아몰퍼스 실리콘

실리콘 재료의 공급부족에 대한 걱정이 없 다. 온도상승에 강하고 재료의 사용량이 적 다.

변환효율이 낮고 초기 열화가 있 다.

턴뎀형 박막 실리콘

아몰퍼스 실리콘의 장점을 가짐과 동시 에 비교적 변환효율이 높다. 유리, 금 속, 플라스틱 등 기판을 가리지 않는다.

변환효율이 아몰퍼스보다는 좋 지만, 단·다결정에 비하여 변환 효율이 낮다.

GaAs 고효율이며, 우주용에 적합하다. 고가이기 때문에 특수 용도로만 사용할 수 있다.

CIGS 실리콘 재료의 영향을 받지 않고 색이 좋다. 인듈의 공급량이 걱정.

CdTe 진공장치를 필요로 하지 않고 저렴해질 가능성이 크다.

카드뮴에 대한 부정적인 반응이 있다.

염료감응형 색을 선택할 수 있고 저렴해질 가능성이 크다. 변환효율이 낮고 내구성에 우려가 있다.

유기 저렴해질 가능성이 크다. 고효율화가 필요하다.

[표 2-16] 태양전지의 종류별 특성

한편, 태양광 발전시스템은 그림 2-21과 같이 발전을 담당하는 태양전지, 직류 를 교류로 전환해 주는 인버터, 각 어레이를 연계하는 접속함 및 시스템의 운전 현황을 관측하는 모니터링 시스템으로 구성되어 있다.

[그림 2-21] Typical Grid-Connected Photovoltaic System (www.wbdg.org)

설치된 태양광 발전시스템은 기존 전력공급망과의 연계 형태에 따라 독립형 시 스템과 계통연계형 시스템으로 구분할 수 있다 (그림 2-22). 독립형 시스템은 발전한 전력을 2차 전지(ESS)에 축전하고 야간이나 악천후 시에 태양광발전만 으로 전력을 공급하는 것을 목적으로 설치하며 도서산간 등의 계통 전력과의 연 계가 어려운 지역에 설치하게 된다. 다만, 발전된 전력을 야간, 우천시 등에 활 용해야 하므로 계통연계형에 비하여 축전설비에 대한 추가 부담이 발생하며, 특 히 최근에는 2차전지(ESS)의 화재가 빈번하게 발생함에 따라 설치 및 관리에 대한 면밀한 검토가 요구된다. 계통연계형의 경우 기존의 전력공급망인 계통전 력과 연계하여 주간에 발전된 전력은 해당 시점에 발생하는 전력부하에 대응시 키며 잉여전력은 매전을 할 수 있도록 구성한다. 건물, 시설 등에 설치할 경우 해당 대상의 전력부하를 100% 태양광발전 시스템으로 감당하기 어렵고, 시스템 고장에 따른 단전도 발생할 수 있기 때문에 계통 연계형으로 설치하게 된다.