에너지공유 플랫폼을 적용한 수소에너지 타운의 온실가스 감축효과 산정

2.1. 에너지 플랫폼의 개념

플랫폼이란 단어는 16세기에 처음 사용되었으며 그 이후 우리의 일상생활이나 예술 및 비즈니스 분야 등 다양한 분야에 적용 가능한 보편적인 개념으로 확대되어 널리 사용되기 시작했다(Baldwin and Woodard, 2008). 최근 들어서는 이러한 개념들은 다양한 비즈니스의 구현 및 활성화를 위한 사업자와 고객의 만남의 장으로 확장되고 있다. 또한 기존의 경제적 비즈니스적 관점과 컴퓨터 분야의 공학적 관점에서 더 나아가 서비스와 ICT 산업까지 그 개념이 확장되고 있는데 이러한 관점에서는 플랫폼은 소비자와 생산자를 연결하는 시장의 개념으로 볼 수 있다.

에너지 관점에서는 플랫폼에 대한 명확한 정의를 내리기 어려울 수 있으나 플랫폼의 개념이 다양한 분야에서 응용되어 사용되고 있다. 또한 ICT와 같은 최첨단 기술을 기반으로 소비자와 사용자를 연결하고 새로운 가치를 창출한다는 점에 그 개념이 다소 복잡할 수 있으나 결국 에너지 플랫폼은 에너지 사업이나 그와 관련된 사업과 서비스의 계약이 이루어지는 공간으로 정의될 수 있다.

2.2. 에너지 플랫폼 구축사례

에너지 플랫폼에서의 핵심 요소는 데이터, 전력망, 고객관리, 시장거래 및 에너지 서비스 등으로 구성되어 있으며 또한 플랫폼의 형태는 크게 서비스, 전력망 및 데이터의 3가지 플랫폼으로 구성이 가능하다(KEMRI, 2017). 서비스 플랫폼은 서비스 활동에 공통적으로 필요한 환경을 고객과의 접점에서 제공하고, 전력망 플랫폼은 전력설비의 운영관리에 초점을 두며 데이터 플랫폼의 경우는 서비스 제공에 필요한 정보 및 S/W를 활용하는 토대가 될 수 있다.

국내의 경우 이러한 내용을 기반으로 한국전력공사는 서비스, 전력망, 데이터의 개별 플랫폼으로 구성된 에너지 플랫폼 안을 제시한 바 있다(KEPCO, 2018). 한전은 이를 토대로 에너지와 관련된 새로운 비즈니스와 서비스가 이루어질 수 있는 토대를 마련하고 에너지 산업의 직·간접 이해관계자들 간의 만남을 중개하며 다양한 에너지 비즈니스 모델을 구현하는 협력적 공생생태계를 구현하고자 한 바 있다. 또한 2019년 8월부로 고객들에게 에너지서비스를 중개하고 비즈니스 매칭서비스와 고객편의 서비스를 제공하기 위해 에너지 비즈니스 플랫폼 ‘EN:TER’을 구축해 운영하고 있으며 최근 들어서는 해당 플랫폼에 신재생에너지 거래 서비스를 신설한 바 있다.

이 외에도 국내에서는 산업통산자원부에서 스마트 E-Market을, KT (Korea Telecom)에서는 KT-MEG (Micro Energy Grid) 플랫폼을 운영하고 있는데 산자부에서 2018년 5월부터 운영하는 스마트 E-Market에서는 에너지데이터 확보 절차를 간소화하기 위한 앱·웹 기반의 에너지 신서비스 거래장터 사업을 진행하고 있다. 또한 KT는 KT-MEG을 통해 에너지 생산-소비-거래를 통합 관제하는 에너지 통합관리 플랫폼을 운영하고 있다.

이와 같이 국내의 에너지 플랫폼의 경우 구상단계이거나 에너지 데이터를 이용한 서비스 사업, 또는 고객 맞춤형 에너지 설비 최적 제어기능을 제공하는 수준인 것으로 나타났다. 그러나 국외 사례를 살펴보면 미국의 경우는 수익 증대와 함께 비용절감에 초점을 맞추어 플랫폼을 구축하는 특성을 나타내었으며 유럽의 경우는 신산업 사업선점 및 수익증대와 더불어 소비자 연결에 초점을 맞추는 특징을 보이고 있다.

미국의 경우는 전력망 플랫폼과 서비스 플랫폼 비즈니스로 구분이 가능한데 미국 뉴욕의 DSP (Distributed System Platform)가 대표적인 전력망으로 언급되고 있다. 뉴욕은 DSP를 통해 9백만 명 이상에게 서비스 제공하고 있으며 분산형 에너지자원(DER : Distributed Energy Resources) 최적화, 고객과 DER 사업자간의 거래 등 다양한 플랫폼 프로젝트 추진하고 있다. 또한 장기적으로 2030년까지 에너지효율을 3배 증가시키고 2040년까지 100% 친환경에너지를 제공하는 계획을 함께 추진하고 있다(Consolidated Edison, 2020).

앞서 언급한 바와 같이 유럽의 에너지플랫폼은 분산자원 등 신산업 융복합을 통한 사업선점과 수익증대에 초점을 두고 있다. 유럽 전력회사는 에너지 플랫폼이라는 개념을 정확히 상용화하고 있지 않으나 생산자와 소비자를 연결시켜 주는 역할을 해 나감으로 플랫폼 형태를 가지고 있다. 유럽의 대표적인 사례로 언급되는 프랑스 에너지 회사 엔지의 Blu.e Digital Platform은 Digital Factory 구현의 일환으로 개발된 데이터 플랫폼으로 다양한 에너지 및 외부 데이터를 수집, 분석해 에너지 효율 컨설팅을 제공하고 있다(Blu.e by Engie hompage).

3.1. 도시단위 에너지 수요발생 구현을 위한 에너지 사용량 기초자료조사 및 분석

삼척 수소에너지 타운 조성에 앞서 평균 에너지 소비량 산정을 위해 7,510세대의 사전분석 대상단지를 선정해 분석을 진행하였으며 그 결과를 Fig. 1에 도시하였는데, 그 결과 평균 에너지 소비량이 평방미터당 171 kWh로 분석되었다.

Fig. 1.

Analysis results of actual energy consumption compared to the design for certification

사전분석을 수행한 대상단지는 국민임대 4개 단지, 분양 3개 단지, 혼합 1개 단지 등 총 8개 단지 7,510세대를 대상으로 하였는데, 총 에너지 사용량은 설계안(인증용) 대비 평균 59% 수준을 사용(난방 42%, 급탕 74%, 조명 79%)하는 것으로 나타나, 난방에너지 부문에서 설계값과 실사용량의 차이가 크게 나타나는 것으로 분석되었다.

단지별 주거밀도에 따른 차이를 파악하기 위해 8개 단지 중 3개 단지를 선정하여, 동당 150세대 수준을 보이는 A단지를 표준형으로, 동당 217세대 수준을 보이는 B단지를 고밀형으로, 동당 91세대 수준을 보이는 C단지를 저밀형으로 구분하여, 에너지 사용량을 분석한 바 있으며 그 결과를 Table 1에 정리하였다.

Table 1.

Results of energy usage analysis for type representative

에너지 맵 구현을 위한 에너지 수요량 파악을 위해, 에너지 사용량 기초자료분석 결과(2017 ~ 2018)에 따른 주거단위별 원단위 데이터를 도출하여, 기초자료와 예측계산식을 비교한 결과 오차율 1.4% 수준으로 확인되었으며 그 결과를 Table 2에 정리하였다.

Table 2.

Comparison between energy demand forecast calculation and real data

3.2. 실증 추진계획 수립 및 기본설계

Fig. 2에 도시된 바와 같이 수소 시범도시 인프라 기술개발을 위해 조성된 삼척 수소에너지 타운 실증단지는 고압가스 안전관리법 준용, 주민 수용성 제고 등을 고려해 에너지자립률 130%를 목표로 초기 설계가 진행되었다.

Fig. 2.

Blueprint of Samcheok Hydrogen Energy Town Demonstration Complex

먼저 고압가스 안전관리법 준용을 위한 수소생산시설 배치를 위해, 방폭 구역으로부터 17 m 이격을 확보하고 주변 실증단지 요소들과의 영향을 반영하여 수소생산시설을 배치하였으며, 주민기피시설 및 주변영향을 최소화하기 위하여 충분한 이격거리를 확보하되, 상징성있는 시설이 될 수 있도록 계획되었다.

Fig. 3에는 삼척 수소에너지 실증단지의 복합 설계도를 도시하였는데 주민 수용성 제고를 위하여 홍보관, 캠핑장 등 주민편의시설을 포함한 실증단지 계획이 수립되었다. 실증단지 운영 후 삼척시 기부체납에 따른 주민활용성 제고를 위하여 홍보관, 캠핑장을 실증단지 내에 배치하여 수소사회 도래에 따른 교육시설 및 주민여가시설을 설계하였고, 삼척시가 제시한 5,300 ㎡ 이외에 추가적인 시유지를 가용함으로서 주민 편의성을 극대화 한 바 있다.

Fig. 3.

Samcheok hydrogen demonstration city complex design (plan)

타운하우스는 제로에너지 건축물 인증제 1등급 및 에너지 자립률 130% 달성 실증단지 구축을 위해, 제로에너지건축물 인증제 2등급(에너지 자립률 83%) 달성 로렌하우스를 바탕으로 태양광 발전 시스템의 적용용량을 당초 4.2 kW에서 8.0 kW 수준으로 상향 조정해서 설치하였으며, 그 외 수소연료전지 15 kW급을 설치하여 에너지 자립률 130%를 확보하도록 설계되었다.

3.3. 삼척 수소에너지 타운 자립화 및 에너지공유플랫폼

전술한 바와 같이, 삼척 수소에너지 타운은 사전조사 결과를 근거로 예상에너지 사용량을 추정하여 시범단지 내 에너지 소비예상량 대비 130%의 에너지 확보를 위해 8.0 kW의 태양광 및 15 kw의 연료전지를 적용하여 에너지를 생산하도록 설계되었다.

이에 생산된 에너지 중 100%는 자가 사용을 하고, 잉여 에너지인 30%는 에너지공유 플랫폼을 이용하여 판매하는 모델을 개발 중에 있다.

3.4. 전력소비에서의 온실가스 감축잠재량

전력은 사용단계에서 온실가스가 배출되지는 않으나 생산단계에서 온실가스를 배출하게 되는데, 실제 온실가스가 배출되지 않는 소비단계의 배출량을 산정하는 이유는 에너지 사용량 가운데 전력이 차지하는 비율이 높고 향후 지속적으로 증가할 것으로 예상되고 있어 전력 사용을 온실가스 배출의 주요 원인으로 간주하고 있기 때문이다.

전력부문의 온실가스 배출량은 전력 소비량에 배출계수를 곱해서 산정하며, 전력소비량에 따라 배출량이 좌우되므로, 전력소비량을 감소시키게 되면 감소한 양에 배출계수를 곱한 양 만큼 온실가스가 감축되는 것으로 판단할 수 있다.

본 연구에서는 온실가스 배출량을 산정하기 위해 온실가스종합정보센터에서 2014 ~ 2016년 기간 동안 공표한 국가전력배출계수의 평균값을 적용하였다.

• 여기서, Emission : 온실가스 배출량(tCO₂,eq)
• power consumption : 전기소비량(MWh)
• EF : 전력배출계수(0.4594 tCO₂,eq/MWh)

전력부문의 온실가스 배출량 산정방법과 동일한 방법으로 전기소비량 대신 절감한 전력량을 대입하면 전력 절감량에 대한 온실가스 감축량을 산정할 수 있다.

4.1. 국가 건물 부문 탄소중립 계획

우리나라 2050 탄소중립 시나리오에 의하면, 건물 부문의 온실가스 감축 시나리오는 2018년 배출량인 52.1 백만톤CO₂,eq을 기준으로 2030년도에는 2018년 대비 32.8%, 2050년도에는 88.1%를 감축하는 것을 목표로 하고 있다(Joint operation of related ministries, 2021).

이를 달성하기 위해, 일정규모 이상의 신축건물에 대해서는 1등급 제로에너지 건축물을 적용하도록 하고 있으며, 기존 건축물은 그린 리모델링을 통해 가정부문의 건축물은 에너지 효율등급 1++, 상업부문의 건축물에 대해서는 1+를 100% 달성하도록 하여 2018년 대비 냉·난방 에너지 사용 원단위 30% 이상 개선하는 것을 목표로 하고 있다.

특히 건물 에너지 효율 및 수요관리를 위해 그린 리모델링 로드맵 수립 및 온실가스 배출량 제한기준 등의 마련, 제로에너지빌딩 인증 대상 확대(주거·상업용 → 기타 건물¹⁾) 및 에너지 감축 인증범위 확대, 민간부문 그린 리모델링 확산 등을 위한 법적 근거를 마련하고 있다.

현재 탄소중립 국가 목표 실현을 위해 건물 부문의 경우 탄소중립 건물로의 전환이 빠르게 진행 중인데, 수소에너지 도입은 이러한 탄소중립 계획의 주요한 옵션으로 작용이 가능할 것으로 판단된다.

현재 수소에너지는 수소생산의 방식에 따라 그린수소, 블루수소 및 그레이수소로 분류되는데, 그레이수소는 도시가스나 천연가스를 열분해하여 수소를 생산하는 기술로써 수소 생산 과정을 통해 온실가스가 발생하게 되어 그레이수소라고 불리고 있다.

탄소중립의 목표를 달성하기 위해서는 생산 과정 중에 온실가스가 발생되지 않는 그린 또는 블루수소가 사용되어야 하지만, 현재 그린수소 및 블루수소 생산에 대한 인프라는 아직 미약한 수준이므로, 먼저 그레이수소로 인프라를 구축하고, 향후 국가의 수소경제로드맵 등에 의해 그린수소 또는 블루수소를 공급하는 방안으로 수소에너지의 적용이 시도되어야 할 필요가 있다.

우리나라 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’에 의하면, 2050년까지 연간 2,790만 톤의 수소를 모두 그린·블루수소로 공급하는 것을 목표로 하고 있으며, 그린수소의 생산단가는 1 ㎏당 2,500원 수준까지 낮추는 방법을 통해 ‘수소경제’ 활성화를 목표로 하고 있다.

이에 수소에너지를 건물 부분에서 먼저 소비되도록 하는 인프라를 우선적으로 구축할 필요가 있는데 삼척 수소에너지 타운도 국가의 이러한 정책방향을 달성하기 위한 방안 중의 하나로 진행되고 있다.

따라서 본 연구에서의 온실가스 감축 효과는 수소타운을 최종적으로 구축한 이후 사용되는 수소를 초기 그레이수소에서 점진적으로 그린·블루 수소로 대체한다는 것을 가정하여 온실가스 감축잠재량을 산정하였다.

4.2. 신규건축물 적용 시의 온실가스 감축잠재량

기초지자체의 신규 건축물에 대한 자료는 건축행정시스템인 세움터를 통해 매년 상세히 제공되고 있는데 전체 건축물의 연 면적도 함께 제공되고 있다(Architecture administration system (Syeumteo) homepage). 따라서 매년 신규 건축물 총면적에서 전년도의 건축물 총면적을 빼면 해당연도에 신규로 건축된 건축물의 연면적을 구할 수 있다.

이러한 방법으로 구축된 연도별 신축 건물의 연면적 자료를 통해 신규 건축물에 대한 1년단위의 연면적 증감의 경향을 통계적으로 추정할 수 있다.

이러한 신축 건축물의 연면적에 대해 과거 에너지 소비 기준에 대비하여 효율성이 높은 기준을 적용할 경우, 에너지 효율의 향상으로 인한 에너지 절감량을 산출할 수 있으며 최종적으로는 온실가스 감축효과 산정도 가능하다.

정부에서는 에너지 효율등급별 온실가스 감축 원단위를 주거용과 비주거용으로 구분해 제공한 바 있는데, 감축 원단위는 에너지 효율등급별 단위면적당 전기에너지 사용량을 기준으로 산정해 제공한 바 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2020).

제공된 자료를 통해, 에너지 효율 등급을 받지 않은 건축물의 등급과 제로에너지 등급에 해당되는 건축물 간의 평균 에너지 소비량 차이를 통해 에너지 절감량 산정이 가능하며 최종적으로 이를 온실가스 감축잠재량으로의 변환이 가능하다.

본 연구에서는 삼척시의 신규 건축물을 전량 삼척 수소에너지 타운의 제로에너지 주택 효율 1+++ 등급으로 신축한다고 가정하고, 이에 대한 온실가스 감축잠재량을 추정하였다.

Table 3에는 각 연도별 삼척시 전체의 총 건축물 면적을 정리해 제시하였으며 Table 4에는 삼척시의 신규건축물 면적을 정리해 제시하였다. Table 4를 보면 2016년 삼척시의 주거용 신규건축물은 75,676 ㎡ 수준인 것으로 나타났다.

Table 3.

Total building area (cumulative) in Samcheok(unit: ㎡)

Table 4.

New building area by year in Samcheok(unit: ㎡)

국토교통부 보도자료에 의하면, 미인증 신규 건축물 중 주거용 건축물은 1년간 평방미터당 약 173 kWh의 전력을 사용하고, 비주거용 건축물은 평방미터당 159 kWh의 전력을 사용하는 것으로 조사된 바 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2020).

일반적으로 새로운 건물의 건축은 비용 효율성을 최우선적으로 고려하기 때문에, 공사비용을 과도하게 투자하면서까지 기존 건축물 대신 에너지를 절약할 수 있는 제로에너지 빌딩과 같은 건물을 자발적으로 건축하지 않는다.

따라서, 신축되는 일반 건축물의 에너지 소비량 수준을 기본 Baseline으로 간주하고, 신축 건축물의 에너지 소비량(baseline)과 삼척 타운하우스 수준으로 건축물을 공급할 경우의 에너지 소비량과 비교할 경우 이들의 에너지 소비량 차이를 에너지 절감량으로 볼 수 있는데, 여기에 3.4절에 제시된 방법을 적용하면 절약된 에너지 소비량만큼의 온실가스 감축량을 산정할 수 있다.

Table 4에 제시된 삼척시의 주거용 신축 건물에 대해 미인증 건축물의 평균 에너지 소비량을 적용할 경우, 2016년도 주거용 신규건축물 75,676 ㎡의 연간에너지소비량은 13,091,948 kWh 수준이 되는데, 이를 삼척수소에너지 타운에 건축되는 에너지 효율 130%의 건축물로 대체해 건축할 경우 약 17,019,532 kWh의 에너지 절약이 가능할 수 있는데 그에 따른 각 연도별 온실가스 감축량 산정 결과는 Table 5에 제시하였다.

Table 5.

Energy savings and GHGs potential reduction when applying the hydrogen energy town model to new buildings in Samcheok

삼척 수소에너지 타운의 경우 기존 에너지 소비량의 130%에 달하는 에너지 자립률을 갖고 있으므로 이를 Table 4에 제시된 연도별 신규 건축물 면적에 적용해 에너지 절감량 및 온실가스 감축잠재량을 산정할 경우 Table 5와 같은 결과를 도출할 수 있다.

4.3. 노후 건축물 적용 시의 온실가스 감축잠재량

2015년 ~ 2020년 기간 동안의 삼척시의 30년 이상 된 건축물 면적과 그에 따른 각 연도별 건축물 면적변화 결과를 각각 Table 6와 Table 7에 정리하였다. 건축 후 30년이 경과한 노후 건축물에 대한 통계도 이미 앞서 언급한 바와 같이 세움터에서 연도별 및 기초자치단체별로 제공하고 있다. 따라서 해당연도의 노후 건축물 총면적과 전년도의 노후 건축물 총면적의 차를 통해 해당연도의 30년 이상 된 노후 건축물의 연면적을 구할 수 있다.

Table 6.

Total building area aged over 30 years (cumulative) in Samcheok(unit: ㎡)

Table 7.

Building area aged over 30 years (cumulative) by year in Samcheok(unit: ㎡)

노후 건축물의 경우는 에너지 효율 미인증 신규건축물에 비해서도 훨씬 낮은 에너지 효율을 나타내기 때문에, 노후 건축물에 대한 그린 리모델링 또는 재건축 등의 정책들은 신규 건축물을 제로 에너지 건축물로 신축하는 정책보다 에너지 절감량이 더 효율적일 것으로 예상되며 건물 부문의 탄소중립계획의 효과적인 정책이 될 것으로 판단된다.

이에 신규 주택과 동일한 방법으로 기존의 노후 건축물 면적을 그린 리모델링 또는 재건축 등의 과정을 거쳐 수소에너지 타운의 에너지 자립률을 130% 수준으로 높인다고 가정한 후, 삼척시의 30년 이상 노후 건축물에 대한 온실가스 감축 잠재량을 추정하였다.

건축물 에너지효율등급은 1++ 등급부터 7등급까지 등급별로 구분되는데, 30년이 경과한 노후주택의 에너지 소비량에 대한 자료가 구축되어 있지 않아, 인증기준 중 가장 낮은 7등급(주거용은 395 kWh/㎡, 비주거용의 경우는 655 kWh/㎡)을 30년이 경과한 노후주택의 에너지 소비량으로 가정하였다.

따라서 노후 건축물의 에너지 소비량인 7등급 수준을 기준으로 본 연구에서 고려하는 삼척 수소에너지 타운의 130% 에너지 자립률을 적용하여 재건축이나 그린 리모델링을 추진할 경우, 7등급 에너지 소비량의 130%에 해당하는 에너지 절감을 도모할 수 있다.

이러한 내용들을 삼척시의 30년 이상 노후건축물 전체를 대상으로 재건축이나 그린 리모델링을 추진하는 것에 대해 삼척 수소에너지 타운 수준의 에너지효율을 적용하였으며, 온실가스 감축잠재량을 추정하여 Table 8에 제시하였다.

Table 8.

Energy savings and GHGs potential reduction when applying the hydrogen energy town model to building of aged over 30 years in Samcheok

4.4. 온실가스 외부사업 추진 가능성에 따른 효과분석

지자체에서 시행하는 에너지 절감 사업을 명확하게 모니터링 할 수 있을 경우, 이를 외부사업으로 등록이 가능하며, 외부사업으로 등록될 경우 매년 인증량에 대한 상쇄배출권 수익을 추가로 확보 가능하게 된다(Kim and Lee, 2019).

외부사업에 의한 배출권 가격은 2020 ~ 2022 평균가격이 톤당 35,000원이므로, Table 5에 제시된 신규건축물의 에너지효율향상으로 절감 가능한 전력소비량과 Table 8에 제시된 2020년도 30년 이상 노후건축물을 대상으로 에너지효율향상으로 절감 가능한 전력소비량에 대해 3.4절에서 제시한 전력부분의 온실가스 배출량 산정식을 활용하여, 절감된 전력양에 대한 온실가스 감축량을 추정하였다.

2020년도 활동자료에 대한 온실가스 감축량 추정결과 약 4만 4천여 톤이 감축 가능한 것으로 산정되었으며, 배출권 가격으로는 약 150억 원의 추가적인 수익이 발생할 것으로 추정되었다.