서 론
건축물에서의 신·재생에너지 시스템 도입배경과 한계
초소수력 신·재생에너지와 건축물 배수 에너지
초소수력 신·재생에너지
건축물 배수에너지 잠재성
건축물 배수 사용 특성과 배수 용량
초소수력 발전시스템 시험체 측정
초소수력 발전시스템 시험체 제작
초소수력 발전시스템 시험체 측정결과
결론 및 제언
서 론
건물 부문의 에너지사용량이나 온실가스 배출량이 많아지자 정부는 최근 2030년 온실가스 감축 로드맵을 수정하면서 건축물 배출전망치(BAU) 대비 감축률을 18.1%에서 32.7%로 상향하였다. 감축률로만 보면 건물부문이 산업부문보다 높은 1위로서 감축 목표량은 9억8500만 톤이 된다. 이에 상응하기 위하여 국토교통부는 지난 2020년부터 신축하는 공공건축물(연면적 1000 ㎡ 이상)은 의무적으로 제로에너지 건축물 인증시스템을 도입하고 있다. 2025년부터는 민간 영역(연면적 1000 ㎡ 이상, 공동주택 30세대 이상)도 의무적으로 제로에너지 건축물로 지어야 한다. 앞으로 2030년에는 민간건축물이든 공공건축물이든 연면적 500 ㎡ 이상이면 제로에너지 건축이 의무화 된다. 이러한 상황에서 제로에너지 빌딩의 에너지 자립율을 높이기 위해서는 신․재생에너지의 적극적인 사용은 당연하다고 볼 수 있다.
그러나 ｢신에너지 및 재생에너지 개발․이용․보급 촉진법(이하 신·재생법)｣에 의한 신․재생에너지원은 12개 분야로 다양하다고 볼 수 있지만 실제로 신․재생에너지 설비시스템에서 건축물에 적용되는 것은 최근 소형풍력이 추가되어 현재 7개 분야로 한정되어 있을 뿐이다. 따라서 건축물에서 무한히 배출되는 배수에너지를 이용한 수열이나 초소수력 등을 다양하게 적용하기 위한 새로운 신․재생에너지의 시장 창출이 필요하다.
이에 본 연구에서는 제로에너지빌딩의 의무화가 다가옴에 따라 건축물에서 배수관으로부터 무한히 배출되는 배수 에너지의 낙차를 이용하여 배수 수평형의 수차를 통해 생산하는 전기에너지를 실측하여 초소수력 신·재생에너지 시스템의 활용에 대한 가능성에 대하여 접근하고자 한다.
건축물에서의 신·재생에너지 시스템 도입배경과 한계
현재 신·재생에너지원은 ｢신·재생법｣에 따라 태양광을 비롯한 12개 분야로 나누어져 있으나 건축물에 적용하는 신·재생에너지 인증대상 품목은 2022년 8월 개정으로 태양광 6개 시스템(집광채광 시스템 3개 포함), 태양열 5개, 지열 2개, 연료전지 2개, 수열 1개, 바이오 1개, 풍력 1개로 신·재생에너지원 7개 분야 총 19개 시스템 품목이 있다.
2011년 4월 부터 개정된 신·재생에너지 공급의무비율에 따라 해당 대상 건축물의 신·재생에너지 설치용량을 산정하기 위해서는 우선적으로 건축물 용도별 단위에너지사용량과 지역계수가 필요하고, 신·재생에너지원의 단위에너지생산량과 보정계수가 필요하다. 2012년도 1월 신설된 당시 신·재생에너지원 설비시스템의 종류는 태양광 고정식을 비롯하여 10가지 시스템으로 한정되었으나 2013년부터 신·재생에너지원의 확대에 대한 수요요구에 따라 신·재생에너지원이 새롭게 등장하기도 하였다. 특정 시스템이기도 한 연료전지시스템 PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 고분자전해질)의 경우 2013년 처음으로 도입되어 단위에너지생산량은 한 차례 걸쳐 개정되면서 현재 21.2% 감소 되었고, 수열에너지시스템은 2016년 도입되어 단위에너지생산량은 한 차례 걸쳐 개정되면서 현재 57.8% 감소 되었으며, 목재펠릿시스템은 2017년 도입되어 현재까지 단위에너지생산량의 개정은 없었다. 2018년 도입된 신설된 신·재생에너지원은 3가지 시스템으로 태양열시스템 공기식 무창형과 공기식유창형이 있으며, 집광채광시스템으로는 실내루버형이 추가되어 단위에너지생산량과 보정계수가 정립되었다(Park, 2022).
현재 2023년 사용되고 있는 신·재생에너지원의 단위 에너지생산량 및 원별 보정계수는 Table 1과 같다.
Table 1.
Unit energy production and correction coefficients of new and renewable energy sources (Revision 2022.8.17.)
최근 건축물에 주로 적용하는 신·재생에너지원의 설비시스템은 태양광 고정식과 BIPV(건물일체형), 태양열 평판형, 지열 수직밀폐형, 집광채광 실내루버형, 연료전지, 수열, 소형풍력 등을 포함하여 총 7개 분야로 증가 되었다.
그러나 태양광 고정식이나 태양열시스템의 경우 신·재생에너지 설치의무화 비율이 매년 증가되어 신축건물 옥상에 설치할 공간이 부족한 상황이고, 연료전지나 지열시스템의 경우 설치 이후 유지관리 비용 측면의 한계로 가동율이 낮아 회피하고 있는 상황이다(Park, 2022). 따라서 신·재생에너지원으로 12개 분야로 나누어 있지만 발전소가 아닌 건축물을 대상으로 적용할 신·재생에너지원의 선택 폭은 여전히 적어 새로운 신·재생에너지 설비시스템의 확대가 필요하다.
초소수력 신·재생에너지와 건축물 배수 에너지
초소수력 신·재생에너지
수력발전은 물의 위치에너지를 이용해 수차와 같은 유체기계에 회전에너지로 변환하고 이것을 다시 전기에너지로 변환하는 발전방식으로 낙차와 유량에 의해 발전설비의 용량이 결정된다. 낙차는 상부에서 하부로 이용 가능한 최대 수직거리(m)이며, 유량은 단위시간당 수차를 통과하는 물의 양(㎥/s)을 말한다. 수력발전은 수차를 회전시키는 물의 양이 많고 낙차가 클수록 발전설비 용량이 커지고 전력생산량이 많아 경제성이 좋아진다. 이론에 의한 수력 발전은 다음 식과 같다.
P: 이론 수력, 9.8: 중력가속도 (m/s2), Q: 사용수량,
H: 유효낙차, η: 효율(수차효율×발전기효율)
신·재생에너지의 한 분야인 수력은 2005년 이전에는 시설용량 10 MW 이하를 소수력으로 규정하였으나 ｢신·재생법｣에 따라 수력 설비용량 기준을 삭제하고, 심야전기를 필요로 하는 양수를 제외한 ‘물의 유동 에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 모든 설비’로 일원화해 소수력을 포함한 수력 전체를 신·재생에너지로 정의하고 있다(MOTIE and KNREC, 2018).
그러나 기술적 측면에서 발전설비 용량에 따라 수력에너지는 Table 2와 같이 분류하고 있으며, 신·재생에너지에 근거한 소수력 발전시스템의 경우 소수력(Small Hydropower), 미니 수력(Mini Hydropower), 마이크로 수력(Micro Hydropower)로 분류되어 있으나, 본 연구에서는 마이크로 수력부문에서 더 작은 용량으로 1 kW 미만을 나노(Nano Hydropower)수력으로 명명하였다.
Table 2.
Hydropower generation names according to power generation capacity
현재 신·재생에너지 연구개발 및 보급 대상은 주로 발전설비용량 10 MW 이하를 대상으로 하고 있으며, 발전차액지원제도는 5 MW 이하를 지원하고 있다.
건축물 배수에너지 잠재성
지구 온난화와 기후 변화로 인한 환경재난이 빈번해짐에 따라 물 자원의 중요성이 날로 커지고 있다. 주요 선진국은 물 위기 대응 정책을 수립하고, IT 기반의 스마트 기술 적용과 관련된 연구개발에 주력하고 있다.
21세기에 물 산업은 블루골드(Blue Gold)로 20세기의 블랙골드(Black Gold)인 석유산업만큼이나 고성장할 것이라는 전망이 나오는 등 물은 이제 산업측면 뿐만 아니라 건축 분야에서도 중요성이 더욱 강조되고 있다.
최근 Kim et al. (2022)의 서울물연구원 연구보고서에 의하면 물사용기기의 효율증가(미국과 캐나다 사례에서는 거의 20-30% 감소)와 누수 감소(2010년 대비 2019년 누수율 57% 감소)에도 불구라고, 서울시민 한명당 가정용수 일일사용량은 2010년 대비 10년간 8.4 L 증가하여 물 수요관리정책의 시급함을 보여주고 있다.
건축물에서의 배수에 의한 에너지 잠재량은 공동주택의 경우 설계기준 사용량을 결정하기 위하여 최소․최대유량 및 정상유량 발생빈도를 시간대별 사용수량 그래프의 분포면적비로 나누어 볼 때 초소수력 발전에 가능한 발전용수는 최근 물 사용량의 증가로 전체 배수 용량에서 차지하는 비율이 매우 높음을 알 수 있다.
따라서 건축물에서의 배수관을 통한 낙하에 의한 위치에너지를 이용하여 초소수력에 의한 발전시스템의 가능성은 높다고 볼 수 있다. 최근 인천 송도에서 완공된 국내 최초 고층형 제로에너지 공동주택(36층) 등장으로 건축물내의 배수를 이용한 낙차에 의한 초수력발전 시스템의 신․재생에너지 활로 개척 가능성은 높아졌다고 볼 수 있다(Park and Jung, 2022).
건축물 배수 사용 특성과 배수 용량
환경부 ‘상수도통계’에 따르면 2002년 264 L였던 1인당 하루 평균 물 사용량은 매년 조금씩 늘어서 2016년 기준 287 L였고, 2015년 기준으로 국내의 물 사용량을 1로 잡으면 독일 0.49, 프랑스 0.57, 스위스 0.85, 일본 0.97 등의 외국에 비해 우리나라의 물 사용량이 많은 것으로 나타났다(Seoul Water Research Institute, 2018).
최근 서울시 소재 아파트 1,825세대 4,679명을 대상으로 공동주택 가구별 물 사용특성을 조사한 결과, 1인당 하루 물 사용량은 평균 222 L로 1인 가구 438 L, 2인 가구 266 L, 3인 가구 191 L, 4인 가구 176 L로 나타나 1, 2인 가구에서 물 사용량이 높은 것으로 나타났다.
또한 공동주택 가정용으로 사용패턴에 대해서 3가정(3-5인가구)을 대상으로 디지털계량기와 데이터로거를 설치하여 실측 조사를 한 결과, Table 3과 같이 물 사용량에 대한 용도별 사용량은 주중의 경우 샤워기(욕조) 27%, 양변기 25%, 세면대 17%, 세탁기 14%, 싱크대 12%로 나타났다. 주말에 대한 용도별 사용량은 싱크대 25%, 샤워기 20%, 양변기와 세면기 각각 19%, 세탁기 10%로 나타났다(Kim et al., 2022).
Table 3.
Drainage usage by condominium building use (1 person per day)
공동주택에서의 1일 1인 배수량은 주중과 주말을 포함한 평균 전체 사용량은 Table 3과 같이 178.0 L(한국수자원공사에서 조사한 2002년에서 2006년도 자료의 151.0 L에 비해 약 15% 증가됨)로 양변기의 평균 오수용 39.1 L (22.0%)을 제외하고는 샤워기 등의 일반 배수용으로 사용된 양은 138.9 L로서 전체 배수량의 78% 이상을 보여주고 있다.
따라서 이와 같은 조사결과에서 공동주택 이나 오피스텔의 1인 가구의 건축물 배수량은 438 L, 2인 가구는 266 L로 양변기의 오수용 22%로 가정할 때 1인 가구의 오수용 96 L와 2인 가구의 오수용 59 L를 제외하면 주거용 건축물에서 초소수력 발전시스템을 이용하여 사용될수 있는 잠재에너지인 일반용 배수량은 1인 가구 약 340 L, 2인 가구 207 L로 건축물 배수용 잠재 에너지를 확보할 수 있다.
현재 서울시 가구시 비율은 총 가구수 3,792,104가구수를 기준으로 볼 때 1인가구는 31.3%, 2인가구 25.9%, 3인가구 21.4%, 4인가구 16.6%, 5인가구 3.7%, 6인이상 1.1%로 1인가구와 2인가구의 증가로 전체 세대 비율이 57.2%로 과반수를 넘고 있다.
초소수력 발전시스템 시험체 측정
초소수력 발전시스템 시험체 제작
초소수력 발전시스템의 시험체 제작은 건축물에서 무한히 배출되는 배수에너지의 낙차로 배수 수직관에 부착된 수차를 통해 생산되는 전력을 측정하기 위하여 이루어졌다.
초소수력 발전시스템의 시험체 측정에 대한 계통도는 Figure 1과 같이 상부수조에서 공급펌프를 통한 수량을 전자유량계로 측정한 후 4.0 m의 높이에서 섹스티아 조인트를 통과한 배수를 자연 낙하하여 수평형 초수력 발전시스템의 수차를 통해 하부수조로 전달하여 다시 환수펌프를 통해 상부수조로 전달하도록 하였다.
이때 수평형 초소수력 발전시스템의 수차의 회전에너지에 의하여 발생한 전력은 제어기를 통해 배터리로 저장하도록 하였으며 클램프 미터계를 설치하여 각 변위의 전류강도를 측정하였다. 초소수력 발전시스템의 측정은 유량 범위를 0.5~10.0 ㎥/h로 분류하여 전자유량계로 유량을 변경하면서 발전기를 통해서 생산되는 전력의 상태를 모니터링 하는 방식으로 진행하였다. 변동 유량의 안정화 시간은 매 유량 마다 30초의 간격을 주어 밸브 개폐시간과 유량 증가 시점 간의 물리적 위치 거리의 오차를 해결하였다.
초소수력 발전시스템의 시험체 측정 도면과 측정장치 및 시험체 모델의 개요는 Figure 2와 같다. 배수 수직관에 부착된 수평형 초소수력 발전장치는 배수관 하단의 유입부에 45° 각도로 설치하여 유속 증가의 효율을 높혔고 수차인 블레이드는 12개 날개로 제작하여 회전 효율을 높혔다.
초소수력 발전시스템 시험체 측정결과
수평형 초수력 발전시스템 시험체를 통해 낙하 높이 4.0 m에서 유량 0.5 ㎥/h~10.0 ㎥/h의 분류에 따라 측정한 전력은 Figure 1의 측정 계통도에서와 같이 컨트롤러 박스내에 콘덴서 부착 유무에 따라 전력을 실측하였다.
측정 초기에 컨트롤러 박스내에 콘덴서를 부착하지 않고 측정한 결과 컨트롤러가 배터리를 충전하기 위해 전력이 순간적으로 소비되어 초소수력 발전기에 브레이크가 발생하여 충전에 문제가 발생함을 알 수 있었다. 이를 보완하기 위해 컨트롤러 박스내 콘덴서(50 V/1,000 uF)를 5병렬로 사용하여 충전된 전류가 초소수력 발전기의 갑작스런 브레이크 현상을 방지하도록 하였다.
콘덴서를 부착하지 않은 채 측정한 전력의 평균 값은 Table 4에서와 같이 유량 3.5 ㎥/h ~10.0 ㎥/h의 범위내에서는 변동 없이 12 W~13 W의 전력을 발생하는 것으로 나타났다.반면에 콘덴서를 부착하여 측정한 전력의 평균 값은 유량 2.0 ㎥/h에서 19 W 전력을 생산하고, 유량의 증가에 따라 비례적으로 전력의 증가세를 보여 유량이 10.0 ㎥/h에서 33 W를 생산하게 되어 콘덴서를 부착하지 않은 상태보다 약 2.5배의 발전효율을 보였다.
Table 4.
Actual power energy production with or without condenser in test model of Horizontal Nano hydropower generation system
결론 및 제언
본 연구에서는 제로에너지빌딩의 의무화가 다가옴에 따라 건축물에서 배수관으로부터 무한히 배출되는 배수 에너지의 낙차를 이용하여 배수 수평형의 수차를 통해 생산하는 전기에너지를 실측하여 초소수력 신·재생에너지 시스템의 활용에 대한 가능성에 대하여 접근한 결론은 다음과 같다.
첫째, 공동주택 이나 오피스텔의 1인 가구의 건축물 배수량은 438 L, 2인 가구는 266 L로 양변기의 오수용 22%로 가정할 때 1인 가구의 오수용 96 L와 2인 가구의 오수용 59 L를 제외하면 주거용 건축물에서 초소수력 발전시스템을 이용하여 사용될수 있는 잠재에너지인 배수량은 1인 가구 약 340 L, 2인 가구 207 L로 건축물 배수용 잠재 에너지를 확보할 수 있다.
둘째, 초소수력 발전시스템에 콘덴서를 부착하여 실측한 전력의 평균 값은 유량의 증가에 따라 비례적으로 전력의 증가세를 보여, 유량이 10.0 ㎥/h에서 전력 33 W를 생산하여 콘덴서를 부착하지 않은 상태보다 약 2.5배의 발전효율을 보였다.
이는 콘덴서를 부착함으로써 충전된 전류가 초소수력발전시스템의 갑작스런 브레이크 현상을 차단한 결과라고 볼 수 있다.
셋째, 신·재생에너지의 한 분야인 수력은 주로 발전소를 대상으로 10 MW 이하를 연구개발 및 보급 대상으로 보고 있으나 건축물을 대상으로 할 경우 과대한 용량이 되어 활용하기가 어려우므로 초소수력 발전용량을 1 kW 이하로 하여 나노(Nano)수력으로 명명하고 이를 연구개발 및 보급대상으로 확대함이 바람직하다고 볼 수 있다.
향후 초소수력 발전장치 시스템을 수평형 뿐 만 아니라 수직형도 보완하고 개발하여 건축물의 배수에너지를 활용하여 수차에서 발생하는 전력을 에너지저장시설(ESS)에 두어 건축물내 지하주차장 조명등, 가로등 등에 사용함으로써 새로운 신·재생에너지의 시장을 창출하고자 한다.
