기후변화에 대응하여 전 세계적으로 비상이 걸렸습니다. 현재 세계에서 가장 시급한 과제는 2050년까지 탄소중립(인위적으로 배출된 온실가스가 이산화탄소 흡수량과 균형을 이뤄 더 이상 이산화탄소의 농도가 높아지지 않게 하는 것)을 이뤄내는 것입니다.
탄소중립을 이뤄내기 위해서는 1차 에너지(자연으로부터 직접 얻을 수 있는 에너지) 소비와 온실가스 배출 수준이 높은 건물 부문의 에너지 소비를 신재생 에너지로 전환하는 것이 중요합니다. 전 세계적으로 건축물에 적용할 수 있는 신재생 에너지 설비의 개발이 확대되고 있으며 건축물 부문에 신재생 에너지원을 활용할 수 있는 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
이번에 소개해 드릴 논문은 제로에너지 건축물에 적용하고 있는 주요 기술과 신재생 에너지 기술의 현황에 대한 논문입니다.
목차
1. 제로에너지 건축물이란?
2. 에너지 소비량을 줄이는 방법은?
3. 제로에너지 건축물에 적용된 신재생 에너지 기술
제로에너지 건축물이란?
제로에너지 건축물이란 건물의 에너지 사용량을 최대한 줄이고 신재생 에너지를 생산하여 에너지 사용량과 에너지 생산량의 합을 '0'으로 만드는 건축물을 말합니다. 제로에너지 건축물은 신재생 에너지 생산량을 늘려 사용량과 생산량의 합을 0으로 만들어 달성할 수도 있지만, 현재로서는 에너지 소비량 자체를 줄여 사용량과 생산량의 합을 0으로 만드는 것이 최우선의 과제입니다.
에너지 소비량을 줄이는 방법은?
에너지 소비량을 줄이는 기술로는 세 가지 방법이 있습니다. 패시브 기술, 액티브 기술, 신재생 에너지 기술로 이 기술들에 대해서 먼저 알아보겠습니다.
패시브 기술
패시브 기술은 고단열, 고성능 창호, 고기밀 등을 통해 건축물의 에너지 소비량을 줄이는 기술입니다. 즉, 건물 자체의 성능을 개선하는 기술입니다.
패시브 기술은 단열의 연속성이 깨지지 않고, 기밀 성능이 충분히 발현하고, 열교가 없도록 시공과정에서 열화상카메라 및 블로어도어 테스트 등 시공 품질을 확인할 수 있는 별도의 방법을 통해 검증 가능합니다.
액티브 기술
액티브 기술을 기계의 설비의 효율과 관련된 기술입니다. 기계의 설비(냉난방, 급탕, 조명, 환기 등)의 효율을 높여 에너지 소비량을 줄이는 기술입니다.
액티브 기술은 기계로 건축물의 일부가 되는 패시브 기술과는 다르게 교체 및 관리 주기가 짧아 정기적인 진단 및 관리를 통해 효율을 유지하고 향상시키는 것이 중요합니다.
신재생 에너지 기술
신재생 에너지 기술은 태양광, 태양열, 지열 등을 활용하여 에너지를 생산하는 기술입니다. 신재생 에너지 기술에 대해서 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.
제로에너지 건축물에 적용된 신재생 에너지 기술
건축물에 이용될 수 있는 신재생 에너지는 태양광 태양열, 풍력, 지열, 연료전지, 바이오매스 등 다양합니다. 개별적으로 자세히 알아보도록 하겠습니다.
태양광
태양광은 태양전지 모듈과 태양전지에서 발생하는 직류를 교류로 변환하는 인버터 기능을 하는 전력변환장치로 구성됩니다. 태양광 발전은 신재생 에너지 생산량 향상에 빠질 수 없는 요소입니다. 하지만 태양광 발전은 공간적 제약에 따라서 설치가 제한적이라는 한계점과 현재 태양전지의 효율이 떨어진다는 한계점을 돌파해내야 합니다. 공간적 제약을 해결하고 태양전지의 효율을 향상시키는 것이 주요 과제라고 할 수 있습니다.
현재 가장 많이 사용되고 있는 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지 모듈의 효율은 2017년 기준으로 평균 18%이며, 매년 0.5~1.0%씩 증가하는 실정입니다. 자료에 의하면 2030년 상당수 국가에서 태양광 발전은 가장 저렴한 발전 기술이 될 것이며, 2040년까지 신규 발전 설비 용량의 43%인 3.7TW를 차지할 것으로 예상하고 있습니다.
공간적 제약을 극복하기 위해서 건물 일체형 태양광 발전(BIPV;Building Integrated Photovoltaic) 형태로 태양광 발전이 응용되고 있는 분야가 다양해지고 있습니다.
또한, 최근에는 태양에너지를 포집된 CO₂ 및 물과 결합하여 메탄올 및 알코올과 같은 액체 연료를 생성하는 새로운 개념의 기술이 도입되고 있습니다. 이는 탄소중립을 달성하기 위하여 태양 에너지를 활용한 기술의 개발 및 적용이 더욱 가속화될 것으로 전망됩니다.
태양열
태양열 발전은 건물에서 주로 난방 및 급탕에 활용됩니다. 태양열 발전기는 태양광 발전기와 마찬가지로 대지와 건축물 옥상에 설치 가능합니다.
태양열 에너지는 여름에 생산되고 남은 태양열을 배터리에 저장하여 동절기에 사용하는 계간축열(STES;Seasonal Thermal Energy Storage)의 방식으로 기술이 발전되었습니다.
풍력
전 세계적으로 건축물에 연계된 풍력발전 건축물의 시공 사례가 증가하고 있습니다. 이는 풍력 터빈이 풍력을 통한 청정에너지 생산뿐만 아니라 건축물의 디자인 요소로 대중들에게 인식되고 있기 때문에 가능했습니다.
건축물에 풍력 발전을 연계할 경우엔 건축물 주변의 풍속과 풍향, 높이에 따른 바람의 특성, 풍력 터빈이 건축물에 미치는 소음 및 진동과 풍하중을 철저히 분석해야 하며, 풍력 발전 설비 연계에 따른 추가 비용 및 유지 보수 비용을 고려해야 합니다.
지열
지열 발전은 천연 지열 증기를 이용하여 터빈을 구동하여 에너지를 생성하는 방식입니다.
지열 발전은 지구 내부에 포함된 열 에너지로 안정성, 연속성, 고용량이라는 특징이 있어서 안정적이고 지속적인 에너지를 공급 가능하다는 장점이 있습니다.
지열 발전을 가장 많이 사용하는 아이슬란드의 경우 지열 발전이 2020년 기준 국가 에너지 생산의 무려 62%나 제공했습니다. 중국에서는 지열 발전을 통해 연간 약 1억 톤의 CO₂ 배출량 감소를 달성하였습니다.
하지만 지열 발전의 경우엔 대도심권에 적용 시 천공에 따른 지반 침하와 소음 등으로 인한 분쟁이 일어날 여지가 있다는 단점이 있습니다.
바이오매스
바이오매스는 식물에서 유래한 재생 가능한 에너지원입니다. 바이오매스에서 가장 중요한 공급원은 농업 및 임업의 잔류물, 도시 고체 폐기물의 생화학적 물질, 동물 폐기물, 인간 하수, 산업 폐기물입니다.
바이오매스는 생소하지만 이미 연간 전 세계 에너지 소비량의 13~14%를 제공하고 있습니다.
바이오매스를 위의 언급한 공급원을 이용하여 건축물에 적용하긴 어렵습니다. 바이오매스를 건축물에 적용할 땐 조금 다른 방식으로 적용합니다. 목재를 활용하여 구조체에 이용하는 방법으로 이용됩니다.
목재는 50%의 탄소와 4%의 수소, 46%의 산소로 구성되어 있으며, 목재 1m³에는 250kg의 탄소를 저장이 되어 있으며, 이를 CO₂로 환산 시 917kg에 해당하는 수치입니다.
목조주택의 경우 탄소 저장량의 약 6톤일 때 같은 면적의 철골조립식 주택은 1.5톤, 철근 콘크리트로 지어진 주택은 1.6톤의 탄소를 저장합니다.
하지만 목재를 구조체로 이용할 경우엔 습기에 약하다는 단점이 있어, 정기적인 유지 보수가 필요하다는 단점이 있습니다.
연료전지
연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시키어 전기에너지를 발생시키는 장치입니다. 보통의 전지보다 높은 발전 효율과 전기와 열을 동시에 생산한다는 특징이 있습니다.
연료전지를 건축물에 적용했을 시 질소산화물의 배출량은 1/38, 이산화탄소의 배출량은 1/3로 줄일 수 있습니다. 또한 화력발전에 비해 소음이 매우 작으며, 출력용량에 상관없이 일정하게 높은 효율과 설치 장소에 제약이 적다는 장점이 있습니다.
이러한 장점으로 국내에 많은 건축물에 연료전지가 적용이 되었습니다. 하지만 정부의 신재생에너지 적용 의무만 둘 뿐 기존의 기술보다 많은 관리비용이 드는 연료전지의 관리에 관여를 하지 않고 있습니다. 2021년 기준으로 관리비용의 부담으로 전국의 건물용 연료전지의 62.6%가 가동을 중지했습니다.
신재생 에너지 기술에는 많은 장점이 있지만 많은 문제들도 있습니다.
아마도 가장 큰 문제는 기존의 화석연료 발전에 비해 신재생 에너지 발전의 단가가 너무 높다는 것이지 아닐까 싶습니다.
정부는 신재생 에너지 적용 건축물을 계속해서 증가시키기 위해서는 신재생 에너지 적용 의무만 둘 것이 아닌 비용 지원 및 관리 의무를 두어야 합니다.
*본 게시물은 [정수광.(2023).탄소중립 실현을 위한 제로에너지 건축물 적용 신재생에너지 기술현황.건축,67(2),17-20.] 논문을 참고하여 작성하였습니다.
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