주택E 관리·에너지효율 극대화 통합시스템 필요 수전해 시스템, 연료전지 등 5개 주요장치 구성

주택E 관리·에너지효율 극대화 통합시스템 필요

수전해 시스템, 연료전지 등 5개 주요장치 구성

 

▲ 이엠코리아 장봉재 전무

최근 미래 신개념의 주택에 환경 친화적인 주거환경을 위해 신재생에너지를 적용하려는 시도가 많이 이뤄지고 있다. 하지만 대부분이 단위 기술의 응용에만 그치고 있는 실정으로 주택 내에서 운용되는 모든 에너지를 통합적으로 관리하고 에너지효율을 극대화 할 수 있는 통합 시스템의 필요성이 대두되고 있다.

하이브리드 그린홈 시스템은 타 에너지원에 비해 저장이 용이하고 열, 전기, 동력 등으로 전환이 가능하며 사용 후에도 환경유해 물질의 배출이 전혀 없는 수소를 에너지원으로 한다.

주간에 태양광 발전에서 얻어진 전기 중 주택에 사용하고 남는 전기는 수전해 장치로 수소와 산소를 제조해 저장하고, 저장된 수소와 산소는 태양광이 없는 야간이나 일조량이 부족할 때 연료전지시스템을 통해 다시 전기로 변환한다.

이는 주택에 공급하는 에너지 순환 시스템으로 패시브 하우스 기술과 접목해 그린 빌리지나 그린 시티 건설을 위한 기반 기술이다.

 

가. 하이브리드 그린홈 시스템구축

하이브리드 그린홈의 운영은 주거 공간에서 일어나는 실시간 전력 부하의 변동과 이에 따른 태양광 발전 전력의 원활한 분배, 수전해 시스템의 수소생산량 제어, 수소를 이용한 연료전지의 전력 생산을 통합적으로 제어할 수 있어야 한다. 아울러 가정용 전력부하 변동과 운용특성에 적합한 내구성, 안전성 및 안정성을 갖는 시스템이어야 한다.

그린홈 통합 모니터링 시스템은 가정에서 운용하기에 적합하도록 태양광 발전에서 연료전지에 이르기까지 전 구성 시스템들의 부하량과 전력 생성량 등을 통합적으로 모니터링하고 제어할 수 있도록 한다.

각 구성 시스템의 스펙은 그린홈에서 소비되는 일일 전력량을 공급하는 것을 기초로 정해지는데 본 그린홈에 구축한 시스템별 세부사양은 다음과 같다.<표>

각 개별 요소기술의 시스템은 주거환경에 적합하도록 내구성과 안정성을 높인 시스템으로 구축했다.<그림1>

 

 

 

 

 

 

 

▲ <그림1> 하이브리드 그린홈의 구성과 에너지 흐름

 

가정용 전력사용 환경과 동일하도록 일반가전제품인 냉장고, 세탁기, 컴퓨터, 조명 그리고 홈오토메이션 시스템인 지능형 홈 기능을 수행하는 시스템으로 구성했다.

주요장치로는 태양광 발전, 통합전원분배시스템(IPD), 수소제조장치, 압축·저장시스템, 연료전지시스템이 있다.

 

■통합전원분배시스템(IPD)

통합전원분배제어시스템은 태양광발전시스템의 발전 전력을 공급받아 수전해 시스템, 수소·산소 압축·저장시스템, 연료전지시스템 그리고 그린홈에 소요되는 전력 공급을 제어하고 시스템에서 소비하고 남은 잉여 전력은 한전 그리드로 송전하는 시스템이다.

각종 시스템에 소요되는 전력을 분배하는 장치, 각종 시스템에서 받은 아날로그 및 디지털 신호를 중앙모니터링시스템으로 통신 가능하게 신호를 변환하는 장치, 연료전지에서 발전되는 전압을 그린홈이 소비할 수 있는 전압까지 상승시키는 장치, 각종 구성시스템의 운전 정지 명령 및 상태 감시, 각종 데이터의 수집, 통신, 모니터링, 기록 등 제어시스템을 총괄하는 중앙제어시스템으로 구성된다.

 

■수소제조장치

태양전지에서 생성된 전기로 물을 전기분해하여 99.9% 이상의 고순도 수소와 산소를 발생시키는 고성능 수소·산소 발생시스템이다. 기본 원리는 전기화학 반응에 의해 물이 분해되어 양극에는 산소분자와 수소이온, 전자가 생성되며 음극으로 이동한 수소이온은 전기화학적으로 전자와 결합해 수소분자가 생성되는 원리이다.

시스템의 구성은 물의 전기분해가 일어나는 전해조와 전해조에 직류 전원을 공급하는 전원 공급 시스템, 전해조에 물을 공급함과 동시에 발생된 산소와 물을 분리하는 순수탱크, 발생된 기체와 수소를 저장하기 위한 수소탱크, 물을 순환시키기 위한 순환펌프, 정수된 물을 공급시키기 위한 순수 공급 펌프, 수소가스 정제시스템, 수분제거시스템, 안전을 위한 계측시스템 등으로 구성돼 있다.

 

■압축·저장시스템

수전해시스템에서 발생된 수소가스와 산소가스를 100bar의 고압으로 압축·저장해 필요시 연료전지시스템에 공급하는 시스템으로 수소압축저장패키지, 산소압축저장패키지, 제어시스템, 가스분석시스템, 가스 및 화염감지시스템, 각종 안전장치로 구성된다.

내부 폭발 시 외부가 안전하도록 설계된 방호벽 시설 내에 설치된 수소압축저장패키지가 가동되면 최대 2㎥의 저압수소를 저장할 수 있는 버퍼탱크에 저장된 약 8bar의 저압수소가 수소압축기 내의 다이어프램 상부로 흡입된다. 이 때 수소압축기 내 모터 구동력에 의한 피스톤 왕복 운동으로 구동 오일을 압축기 내 다이어프램 하부로 밀어 낸다. 그러면 다이어프램 상부로 흡입된 저압 수소는 약 100bar의 고압수소로 압축되는 원리로 고압 수소는 41.6리터 9개의 고압저장탱크에 저장된다.

 

■연료전지시스템

수소·산소 가스압축·저장시스템에서 공급되는 수소와 산소를 이용해 시간당 1kW의 전력과 온수를 생산할 수 있는 시스템이다. 기본 원리는 수전해 시스템에서 일어나는 전기화학반응의 역반응으로 스택 내에서의 수소가스와 산소가스의 전기화학반응에 의해 전기와 온수를 생산하게 된다.

시스템의 구성은 연료인 수소와 산소가스를 공급할 수 있는 수소공급계, 산소공급계, 공급된 수소와 산소가 전기화학 반응에 의해 전기, 온수를 생성시키는 핵심 부품인 스택 및 주변장치의 적정 온도를 유지시키는 열 관리계, 스택에서 발생된 열을 외부의 난방보조로 사용할 수 있게 하기 위한 외부 열 교환계, 연료전지 스택에서 발생된 물을 수거하기 위한 기/액 분리기 및 수거된 물을 수전해 시스템으로 공급하기 위한 물 공급계로 구성됐다.

 

나. 그린홈 시스템 운영

<그림2>은 총 500시간의 실증 연구기간 내에 이뤄진 하이브리드 그린홈을 구성하는 모든 개별요소에 대한 운전 결과 및 통합 모니터링 시스템을 통합 종합적인 부하량의 분산과 제어에 관한 운전 결과를 나타낸 것이다. 여기서 통합 모니터링 시스템은 별도의 중앙 제어실에 구축해 보다 정확한 평가와 시스템의 운전환경 측정을 위해 별도의 전력으로 운용했다.

하이브리드 그린홈의 운영은 IPD(Integrated Power Distributor)에서 태양광 발전량의 분석은 물론, 부하량의 변동을 측정하고 수전해 시스템의 가동에 따른 수소와 산소의 생산과 압축장치의 가동에 따른 전력을 분산시키며, 일몰 이후의 소요 전력을 분석해 연료전지의 발생전력을 가정에 공급하는 역할을 수행한다.

▲ <그림2> 태양광발전에 의한 전력 생산량

▲ <그림3> 수전해에서 수소 생산에 사용된 전력량

<그림2>의 발전량과 <그림3>의 수전해에 소모된 전력과의 차이는 하이브리드 그린홈의 소비 전력과 압축과 저장을 위한 장비 운용에 사용된다.

<그림4>에 통합 모니터링 시스템을 이용해 실증기간 총 500시간 동안 운영된 하이브리드 그린홈 내 총괄 에너지 운영을 나타냈다. 태양광 발전량에 맞춰 수전해 시스템의 가동과 압축저장 시스템의 가동에 따른 전력소비량과 일몰 이후 저장된 수소와 산소를 이용해 가정용 전원으로 공급해 사용된 전력량에 대한 모니터링 결과를 나타낸다.

 

▲ <그림4> 하이브리드 그린홈 통합 데이터

다. 결론

500시간의 그린홈 실증을 통해 그린에너지인 수소를 에너지 캐리어로 하여 태양광 발전 전력의 잉여 전력을 수전해 시스템을 통해 수소로 변환, 저장하고 다시 저장된 수소를 열과 전기로 변환, 사용하는 에너지 순환형 시스템이 국내 최초로 완성됐다.

또한 하이브리드 그린홈의 기술 축적으로 그린 빌리지 및 그린시티 등을 구축할 수 있는 토대가 마련되었으며 향후 정부 주도로 완전한 의미의 그린홈, 그린빌리지 시범사업 또는 보급사업으로 확대되기를 기대한다.

 

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