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[지식정보] 빌딩 탄소 넷 제로를 위한 5가지 기술

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도시부동산 연구단체인 ULI2021년 봄에 순 제로 에너지 건물(net-zero-energy buildings)을 가능하게 하는 데 도움이 되는 5가지 기술을 다룬 자료를 발표하였다. 넷 제로 빌딩은 에너지 효율이 높으며 태양 전지판과 같은 현장의 재생 에너지를 통해 필요한 에너지를 생산하여 현장에 그린에너지를 공급한다. 특히 다섯 가지 기술이 함께 작동하면서, 건물의 자산 가치는 높이고 비용을 낮추면서 순 제로에 도달하도록 돕는다. 기존 건물이나 신축 건물 모두에서 구현할 수 있다. 5가지 기술은 고성능 빌딩 외벽(high-performance building envelopes), 에어 소스 열펌프(Air Source Heat Pumps), 현장 태양에너지(On-Site Solar), 빌딩 센서와 사물인터넷(Building Sensors and the Internet of Things), 현장 배터리 저장(On-Site Battery Storage) 등을 말한다. 

 

자료: https://urbanland.uli.org/sustainability/five-cost-effective-technologies-enabling-buildings-to-reach-net-zero/

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1. 고성능 빌딩 외벽(high-performance building envelopes)

 

건물 외벽부터 시작하는 것이 필수다. 건물 에너지 수요의 50%는 외벽을 통한 열 손실에서 기인한다. 순 제로가 매우 중요한 이유다. 고도로 절연되고 잘 밀봉된 외벽을 설계하거나 개조함으로써 열 손실이 크게 감소하고, 입주자의 편안함도 향상되며, 에너지 비용이 크게 절감된다. 더운 기후에서 열 증가도 마찬가지다.

 

작동하는 데 있어 에너지가 필요하지 않기 때문에 고성능 외벽은 운영 비용이 필요 없고, 영구적으로 그대로 받아들이기만 하면 되는 "수동적(passive)" 전략이다. 빌딩 순 제로를 달성하는 데 도움이 되며, 건물 수명주기 전반에 걸쳐 투자 효과가 나타난다. 패시브 설계 전략은 인류 역사 수천 년 동안 현지 설계자들이 사용해 왔다. 하지만 성능 분석 기술은 최근에 지속 발전하고 있어, 이제는 최고의 비용 효율성을 보장하는 여러 옵션을 조합하는 모델링을 할 수 있다.

 

패시브 외벽은 건물 냉난방에 필요한 에너지의 기준선을 고효율 수준으로 낮춘다. 이로 인해 난방, 환기 및 공조인 HVAC(heating, ventilation, and air-conditioning)의 시스템 규모를 크게 줄일 수 있다. 그리고 에어 소스 열펌프(ASHP. air source heat pumps)에 기반하여, 다양한 효율적 모델을 선택할 수 있다.

 

2. 에어 소스 열펌프(Air Source Heat Pumps)

 

에어 소스 열펌프(ASHP. 이하 열 펌프)는 넷 제로로 이끄는 HVAC 솔루션이다. 가정용 온수도 제공할 수 있는 가열 및 냉각 솔루션으로, 일반 보일러보다 3~4배 더 효율적이며 완전히 다른 원리로 작동한다. 열펌프는 에너지 생성을 위해 화석 연료를 태우는 대신, 전기를 사용하여 한 곳에서 다른 곳으로 에너지를 이동하며 덥거나 추운 날씨 모두에서 작동한다.

 

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추운 날씨에도 열펌프는 압축된 냉매를 사용하여 외부 공기에서 에너지를 끌어와 실내에서 열로 펌핑한다. 더운 날씨에는 냉매 흐름 프로세스가 역전되어, 에너지는 냉각 공간과 실내 공기의 온도를 낮추는 전달 역할을 한다.

 

전기를 에너지원으로 사용하고 현장에서 탄소 배출을 전혀 발생시키지 않기 때문에, 열펌프는 순 제로로 가는 과정의 핵심 자원이다. 재생 가능 자원에서 전기를 사용하기에 전적으로 탄소가 없다. 또한, 모든 전기 건물에 공통으로 채택을 할 수 있다.

 

시장에서 채택이 증가하면서 2023년 연간 매출은 950억 달러가 될 전망이다. 열펌프 개조는 특히 노후화된 HVAC 시스템, 높은 유틸리티 요금과 유지 관리 비용이 많이 드는 건물에 적합하다. 그래서 건물의 개조 사업이 많이 진행 중이다. BlocPower 같은 관련 기업들은 적격 건물에 대해 시공 계약금 없이 설치를 해주면서 프로세스를 더욱 단순화하고 있다.

 

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3. 현장 태양 에너지(On-Site Solar)

 

태양 에너지를 전류로 변환하는 태양 전지판은 무 탄소 에너지를 제공하여 건물이 순 제로에 도달하도록 돕는 데 큰 역할을 한다. 고성능 외벽과 열펌프와 같은 HVAC 시스템이 건물 에너지 수요를 줄이지만, 현장의 태양열은 건물의 에너지 니즈를 충족시킬 수 있다. 이를 통해 건물의 넷 제로 달성이 가능할 수 있다. 오늘날에는 태양열로 건물운영 에너지의 100%를 공급할 수도 있다. 다만 현지의 일조량과 태양 패널 설치 공간의 충분 정도에 따라 다르다.

 

데이터 센터와 같이 에너지를 많이 사용하는 건물이나 고층 공동주택 건물과 같이 에너지 사용량에 비례하여 패널 설치면적이 적은 건물은 건물에 필요한 에너지를 100% 생산할 수 없다. 하지만, 그래도 어느 정도 생산 기여는 한다. 또는 패널 설치가 가능한 지붕 공간을 제3 자에게 임대하여 건물 부대수입을 올릴 수도 있다.

 

높이가 높지 않은 사무실 건물은 에너지 사용량이 적고, 외벽과 지붕 공간에 건물의 에너지를 충족할만한 충분한 공간을 차지하는 경우가 많다. 주차건물의 경우는 더욱 장점이 있다. 향후 창문 내장이나 파사드 부착 패널이 보편화 되고, 비용과 패널 자체의 효율성 개선이 되면서, 현장에서의 에너지 생산량 계산 데이터가 좋게 바뀔 것으로 보인다.

 

건물이 자체 태양열 재생 에너지를 모두 소진하면, 화석 연료를 태우지 않고도 나머지 필요 에너지를 외부의 재생 에너지로 들여와 순 제로에 도달할 수 있다.

 

4. 빌딩 센서와 사물인터넷(Building Sensors and the Internet of Things)

 

건물 외벽, 열펌프, 재생 에너지는 순 제로 달성을 위한 3가지 중요 기술이다. 빌딩 센서와 배터리 스토리지 기술은 순 제로에 도달하는 프로세스를 보다 효율적으로 만들거나, 다른 기술의 이점과 비용 효율성을 확장해준다.

 

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건물 센서는 스마트 건물을 생성하고 건물이 어떻게 작동하는지에 대한 방대한 데이터를 수집하고 분석할 수 있도록 돕는다. 건물 센서는 사물인터넷을 통해 실제 건물 구성 요소를 클라우드 기반 관리 시스템과 무선으로 연결하는 소형 처리 장치다. 건물 센서는 효율성을 높이는 조정을 가능하게 한다. Siemens는 넷 제로를 실현하는 건물 센서를 공급하고 있다.

 

센서와 스마트 빌딩은 다양한 건물자산에서 데이터를 수집하여 개발자, 소유자, 거주자가 건물 내에서 실시간으로 모니터링과 분석을 가능하게 한다. 센서를 설치하면 건물 시스템 관리에 막연한 추측이 필요 없으며, 건물은 환경에 반응하여 변화하는 조건에 적응하여 실내의 편안함을 유지할 수 있다.

 

조명, 전력 공급, 냉난방과 같은 주요 에너지 사용을 보장하기 위해, 빌딩 자동화 시스템으로 조정할 수 있다. 조명 수준, 건물 공간 내의 점유 패턴, 전력 수요와 온도 제어를 측정하는 센서의 기능은 그래서 중요하다. 작지만 강력한 센서는 매우 세분된 수준에서 건물 관리를 미세 조정하는 데 도움을 주며, 에너지와 관련 비용을 훨씬 효율적으로 절감해준다.

 

5. 현장 배터리 저장(On-Site Battery Storage)

 

배터리 저장 장치는 실제로 전기를 생산하거나 필요한 총 전기량을 줄이지는 않지만, 재생 에너지의 간헐적 부족 현상을 처리하는 데 필수적이다. 이를 통해 전력 그리드가 미래의 순 제로(net-zero future)를 달성할 수 있다. 태양열과 풍력 같은 재생 에너지는 화석 연료만큼 생산량이 일정하지 않다. 그래서 에너지 생산량이 많을 때 이를 보관하다가 생산량이 적을 때 에너지를 끄집어 쓰는 배터리 저장소가 중요하다. 에너지가 종일 고르게 분배되고 에너지 그리드에 도움을 주는 역할을 한다.

 

특히 배터리는 최대 수요가 가장 높고 에너지가 가장 비싼 시간대에 에너지를 공급하여 높은 에너지 비용 절감에 도움이 된다. 수요 피크시간에 현장 배터리를 사용하면 peak shaving이라고 하여 전기 사용이 절감되고, 유틸리티가 수요가 낮고 비용이 낮은 시간에만 사용을 확인하고 충전할 수 있다.

 

건물 소유주는 태양열 생산이 증가함에 따라 배터리가 표준이 되고 있다는 사실을 인식해야 한다. 엄청난 양의 태양에너지를 생산하는 하와이와 같은 곳은 전력 그리드로 시장에 남는 에너지를 내놓는 것(discharging)이 어렵다. 전력 그리드가 추가 전력을 입력하는 처리 여부가 명확하지 않더, 그러하기에 건물 자체의 배터리가 더 필요해지고 있다. 재생 에너지 사용이 증가함에 따라 배터리는 탄력적이고 비용 효율적인 에너지 공급을 위한 필수 보충제가 되고 있다.

 

결론을 내려보자. 넷 제로 빌딩으로 가는 길은 벅차게 들릴 수 있다. 하지만, 이 다섯 가지 기술은 건물 에너지 수요를 최대한 줄이고, 센서를 사용하여 제거할 수 없는 요소를 최적화하고, 재생 에너지로 전환하여 남아있는 수요를 충족시킬 수 있다. 특히 전력이 필요할 때 배터리에 남아있는 전력을 확인하면서 현장과 현장 외 전력 옵션을 선택할 수 있게 한다.

 

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