패시브와 신재생에너지 어디까지?

안녕하세요. 

협회에서 좋은 정보 얻고 또 그걸로 내 집 고치고 있는 애기아빠입니다. 

15년 전 건축된 콘크리트 주택에 나름 실현 가능한 방법을 고민하고, 

단열, 기밀, 환기등에 관해 열심히 공부하고 수리하고 해오던 중...

최근 태양광 셀프 설치로 또 다른 고민과 상상에 빠지게 되었습니다. 

태양광을 설치하고 보니 이 또한 자재와 부자재 모두가 규격화 돼있고, 개념도 상당히 간단하다는 것을 알게 되었습니다. 그리고 태양광을 통해 사업을 하는 많은 분들을 알게 되었고, 태양광은 이제 우리가 수동적으로 받아들이는 것이 아니라 여러가지 목적으로 다룰 수 있는 수단이 되었음을 생각하게 되었습니다. 

이왕 얻어진 기술이니 어디까지 확장을 시켜 볼까 하는 많은 고민을 하게 되었고, 

최근에는 수전해 장치(전기를 이용하여 물을 수소와 산소로 분해하는장치), 수소 보일러등을 직접 생산공장까지 가서 보고 오게 되었습니다. 

당초 저의 목표는 이러한 설비를 이용하여 오프그리드를 달성할 수 있지 않을까 하는 고민이었고, 현재 단계에서 실현 가능한 방법을 생각해봤습니다. 

1. 연간 사용에너지는 얼마나 될까?

가정내 사용 에너지를 계산해 보았습니다. 한전과 우리지역 가스사업체의 어플을 통해 간단하게 열량을 계산해 볼 수 있었습니다. 

전기의 경우 연간 6000KW

가스의 경우 연간 110000MJ  전기로 환산시 30555 KW 로 계산이 되었습니다. 

저희집은 애초 패시브 주택으로 지어진 집이 아닌데다가, 추위를 많이 타는 구성원이 있어 겨울철 온도를 거의 28도로 유지하고 사는 부분이 있다는 점을 고려하더라도, 겨울 4~5개월간 연간 전기 사용량의 3배이상의 열량을 소비한다는 점에 놀라게 되었습니다. 

2. 만약 태양광으로만 에너지를 충당한다면 필요한 발전량은??

태양광 패널의 일평균 발전량(발전왕 발전여지도 참고) 

2021 년 전국 일평균 3.56 시간입니다. (발전량은 시간대별로 달라지므로 최고 출력기준입니다)

38000KW  정도를 발전하기 위한 발전량은 하루에 104KW 이고 이를 3.56 시간동안 발전시킬 수 있는 패널의 용량은 29KW 입니다. (저희집 기준입니다.)

패시브하우스가 아닌 주택이고 2층 60평 주택인걸 감안한다면, 패시브 형태의 30평 주택에서는 

20KW 이하로도 가능하지 않을까라는 생각을 하게 되었습니다. 

20KW 라는 수치는 대략 30평의 주택에서 처마를 살짝 넓히면 설치할 수 있는 태양광 패널의 면적이기도 합니다. 

3. 에너지의 잉여와 부족이 명확한 발전 시스템에서 에너지 리저버를 어떻게 가질 것인가?

아시다시피 태양광은 여름에 가까운 계절의 한낮에는 발전량이 높고, 겨울철에는 발전량이 적고 야간에는 발전이 전무하다시피합니다. 그렇다면 요구에너지량에 어떻게 대응할 것인가라는 문제가 발생을 하지요. 

오프그리드를 달성한 세계의 몇몇 사례들을 참조하게 되었구요. 제가 찾아본바 3가지 정도의 설비를 가동시키는 건축주가 있다는 것을 알게 되었습니다. 

1. 일간 에너지를 플라이 휠에 저장시켜 야간 전기로 전환시키는 방법

2. 수전해 장치와 보관 탱크, 수소연료전지로 이루어진 발전 시스템

The First Consumer Hydrogen House - Hydrogen House Project

3. ESS

이중 실현가능한 설비가  2, 3번 정도일 것으로 생각을 하고 서칭을 해봤습니다. 

 나름 국내에서 열심히 수전해 장치를 만드는 공장에 가서 수전해 장치를 보고, 수소를 사용한 보일러에 대한 가능성도 들었습니다. 

글이 길어지지만 결론은 마지막에 있으니 중간내용은 대충 보셔도 됩니다.  

 4. 태양광 에너지로 수전해 장치를 가동시켜 수소를 저장하여 에너지의 리저버로 사용하는 방법. 

위에 나와있는 ESS 는 큰 베터리입니다. 사용상에 불편한점은 많이 없습니다만, 가격이 상당하죠. 

연중 에너지 요구량이 크지 않은 곳에서, 우천시 처럼 태양광을 얻을 수 없는 날을 대비해서 몇일치의 용량은 현실적이지만 우리처럼 계절적 변동이 큰 곳에서 그 에너지를 저장하기에는 현실성이 없습니다. 

그래서 생각해낼 것이 수소를 저장하는 방식이었습니다. 이미 이를 실현시킨 건축주도 세상에 존재하고 있거든요. 

수전해 장치는 전기로 정제수를 수소와 산소로 분리시키는 설비입니다. 

5kW의 장비가 시간당 1000L 의 수소와 500L 의 산소를 발생시킵니다. 여기 들어가는 물은 매우 소량이니 어려운 부분이 아닙니다. 다만 생성되는 기체의 부피가 어마어마합니다. 물론 저장시에는 100~700bar 까지 압축이 가능하다고 하니 어느정도의 여유는 있습니다. 

그렇다면 과연 잉여 전력으로 겨울철 전기+ 난방에너지를 감당하려면 어느정도의 수소가 필요한것인가...

*먼저 저희집을 기준으로, 2021년 6월부터 2022년 5월까지의 전기와 가스 사용량을 전력에너지로 계산하였습니다. 

*태양광 발전량은 발전왕이라는 어플에 나온 전국 평균 발전시간을 월별로 대입시켜산출했습니다. 

표를 정리하고 나서 저희집에는 최소25KW  의 태양광 발전시설이 있어야 함을 깨닫게 되었구요. 

그렇게 발전할때 최대의 잉여전력은 12123KW 였습니다. 

이 전기로 생성되는 수소는 2,424,600L 산소는 1,212,300L 입니다. 

* 이중 산소를 전부 필요한 곳으로 판매 할 수 있다면 물류비를 제외한 수익이 될 것입니다. (물론 정제수 비용을 상계하여야 하겠죠.)

250만 리터의 수소를 1000bar 로 압축한다고 하면 2500L 짜리 탱크가 될것이고, 그나마 수소를 안전하고 훨씬 압축된 형태로 저장할 수 있는 수소저장합금탱크가 있는데, 이는 비용이 상상하시는 x 100 정도일것이라 또한 현실성 면에서 어렵다고 생각을 했습니다. 

따라서 수전해 장치로 오프 그리드를 달성하기 위해서는 연중 발전량의 차이와, 기온의 차이가 심하지 않아서 에너지 부하를 일정구간이내로 끌고 올 수 있는 기후적인 요소가 먼저 뒷받침 되거나, 뚜렷한 계절 차이에도 에너지 요구량의 차이가 크지 않은 잘 지어진 패시브 하우스에서 가능한 이야기로 생각을 하였습니다. 

그리고 저장된 수소는 수소보일러를 통해 연소되는 형태여야 그나마 현실성이 있으며, 수소연료전지의 경우 고용량의 발전시 에너지 효율이 감소하고, 일단 비용이 억대를 예상하여야합니다. 

 5. 태양광 상계거래가 가장 쉬운대안

 우리나라에는 태양광 상계거래 제도가 있습니다. 물론 주요선진국들에도 비슷한 형태의 제도들이 있습니다. 사업자 등록을 해서 모든 태양광 에너지를 파는 방법도 있고, 내가 발전해서 사용하고 남은 전기를 적립해 두었다가, 추후에 전기사용이 많아졌을때 상계처리 하는 방식으로 할 수도 있습니다. 

위의 수소발전과 비교하자면 수소발전은 전기와 가스를 완전히 끊을 수 있는 온전한 의미의 off grid 형식이고, 상계거래 방식은 어쨌거나 한전이라고 부르는 중앙 전기공급자와 연결이 되어있어야 한다는 차이점은 있습니다. 

다만 어마어마하게 커다란 이점은, 아까 말씀드린 잉여 에너지량을 저장 보관 혹은 수송하는 비용이 사라지며, 어떠한 loss 없이 내가 발전한 전기만큼을 온전하게 되 돌려 받을 수 있다는점이 되겠습니다. 

태양광 에너지로서는 1000kw 설비까지 상계처리가 가능하다고 하니, 가정용으로 사용하는 20kw 정도의 전력은 아주 무난한 정도라고 봐도 무방할 것입니다. 10KW 까지는 신청과 사용이 매우 간단하고, 10kw 이상의 설비는 주기적인 점검을 받아야 하는 것으로 생각되니 만약 그린에너지, 에너지 자립 이러한 목표를 정부가 가지고 있다면 이부분도 현실적인 용량까지는 일상적인 수준에서 사용 가능하도록 설치와 시방에 관한 표준을 만들고 제도도 좀 완화해주는것도 좀 필요할 것 같습니다. 메인까지 3상전기를 인입해서 사용하면 옥내는 일반적인 220V 를 사용할 수 있고, 태양광을 통한 송전 설비가 좀더 가벼워지는 이점이 있을거라 생각합니다. 

그렇게 해서 30평 주택의 지붕은 대략 20kw 의 태양광 설비를 설치할 수 있는 면적이므로, 좋은 방향과 각도를 구상해서, 가스 대신 전기를 통한 난방시설을 갖추는 모델이 어떨까 하는 구상을 해보았습니다. 

패시브 건축이 필요한 이유는 단순히 에너지에 대해 사용자가 지출하는 비용의 측면만은 아닐겁니다. 

저역시 욕심내서 집을 수리하면 수리할 수록 삶과 건강의 질이 올라가는 것을 경험했기 때문이죠. 

다만 패시브 건축이 어느단계를 넘어가면 비용대비 얻을 수 있는 효과가 작아지는 지점에 도달하게 될 것입니다. 그럼에도 불구하고 많은 분들이 한계를 뛰어넘기 위해 많은 도전을 하고 계시는 모습도 보고 존경심이 드는걸 마지 않을 수 없습니다. 

물론 비용도 만만찮게 들어갈 것으로 생각이 됩니다. 

그 노력의 과정 중에 태양광 설비 약 2~3000 만원 정도를 투자하여 친환경의 에너지 자립(100%의 의미는 충족시키지 못하지만) 을 위한 지점이 분명히 있을 것이라는 생각이 들어서 주제넘게 긴글을 남겨 보았습니다. 

단순히 손익분기점과 얻을 수 있는 비용을 생각하기보다는 이 방향이 우리가, 그리고 건축물들이 가야할 길이 아닌가 하는 생각이 들어서요. 그리고 많은 분들이 계산하고 있는 손익분기점들은 그 기준가격이 2022년이라는 사실을 생각하셔야 합니다. 지금 사용하고 계시는 전기와 난방에너지 가격이 현재수준이 어떻고 미래에는 어떻게 될거라고 보시나요?

 패시브를 넘어서, 에너지가 만들어지고 자가 소비되는 에너지 생태적인 집. 에코 하우스의 시대가 오려나요?

p.s - 제가 지금 집을 떠나 언젠가 신축을 하게 되는 날이 온다면, 기본적으로 패시브하우스를 목표로 건축을 하겠습니다만, 한정된 예산이라면 90%의 패시브 건축 + 전체 지붕 태양광 패널을 설치 할 수 있도록 설계하고자 하는 생각이 들었습니다. 

p.s 2 - 태양광 상계거래의 모순점이 존재하는데요. 난방에너지로 사용하는 도시가스의 가격이 같은 열량으로 대비했을때 전기 에너지보다 훨씬 저렴합니다. 두번째는 누진구간 아래쪽에 있는 전기 소비가격이 전력을 한전에 파는 도매가격보다 저렴합니다. (2022년 6월기준) 

여기서 생기는 모순점은, 가능하다면 태양광을 한전에 팔면 에너지 비용을 충당하고도 돈이 남는다는 사실입니다. 즉 상계거래가 불리하다는 점이지요.(물론 둘다 건축주에게는 이익이긴 하지만요)

다만 꼭 생각하셔야 할 부분은, 전기도매가격은 늘 변동되는 부분이고, 가스 가격은 지금도 도시가스 외에는 무지 비싸다는 점이고, 현재 국내 에너지 가격 또한 무지 싸기 때문에 미래의 에너지 가격을 고민해 보셔야 한다는 점입니다.

 p.s. 3 - 태양광 패널은 발전모듈을 양면으로 강화유리가 접합되어 있는 형태인지라 자체적인 부식, 부패의 위험성은 거의 없다고 봐야 할 것입니다. 따라서 투습, 방습, 방수, 기밀 과 같은 구조적인 부분이 기초단계에서 잘 구현되어 있다면 차후에는 지붕재를 대체할 수도 있겠다는 생각을 해보았습니다. 구성과 기능에 비해 가격도 그리 나쁜편이 아니거든요

p.s 4 - 위에 설명드린 수소저장합금 탱크는 약 1루베 (1세제곱미터) 에 50kg 의 수소를 저장할 수 있다고 합니다. 50000g = 수소 25000 mol = 25000 * 22.4 = 560,000 리터를 저장할 수 있는 양입니다. 따라서 2루베용량의(가로 2미터 높이와 깊이가 각각 1미터) 수소저장합금탱크가 있다면 연간 잉여수소를 저장할 수 있는 용량입니다. 다만 가격은 억대가 넘어갑니다.