전기화 및 자동화를 사용하여 보다 효율적이고 지속 가능한 전력망 생성 - 2부

전통적인 전력망 에너지원을 지속 가능한 친환경 에너지원으로 대체하는 것을 전기화라고 합니다. 이 시리즈의 1부에서는 전기화와 관련된 몇 가지 과제와 자동화가 효율성과 지속 가능성에 어떻게 도움이 되는지를 논의합니다. 총 2부 중 2부를 다루고 있는 이 기사에서는 에너지 및 환경 설계 리더십(LEED)과 제로 에너지 빌딩(ZEB) 인증에 대해 논의하고, 이들이 어떻게 탄소 배출을 줄이고 지속 가능성을 개선할 수 있는지에 대해 이야기합니다.

에너지 및 환경 설계 리더십(LEED) 및 제로 에너지 건물(ZEB) 인증은 탄소 배출을 줄이고 지속 가능성을 개선하려는 사회의 바램을 뒷받침하는 중요한 노력입니다. LEED 및 ZEB 인증을 획득하려면 화석 연료 기반의 에너지 시스템을 광전지(PV) 및 전기 자동차(EV)와 같은 친환경 대안으로 대체하는 전기화와 고도의 자동화 및 제어 시스템을 결합하는 전체론적 접근 방식이 필요합니다.

미국 그린빌딩협의회(USGBC)의 LEED 프로그램에는 기존 건물과 신설 시공의 탈탄소화가 포함됩니다. ZEB의 노력은 미국 에너지부의 에너지 효율 및 재생 에너지(EERE) 사무소에 의해 조정됩니다. LEED 및 ZEB 인증을 획득하려면 건축가와 도급업자가 건물의 설계, 건축 및 운영 방식에 대한 새로운 접근 방식을 취해야 합니다. 에너지 소비에만 집중하는 ZEB에 비해 LEED는 탄소, 에너지, 물, 폐기물, 운송, 재료, 건강 및 실내 환경 품질을 다루는 보다 광범위한 개념입니다.

전기화 및 지속 가능성에 관한 2편의 시리즈 중 이 두 번째 기사에서는 먼저 상업용 및 산업용 건물에 대한 LEED 및 ZEB 인증수준과 이러한 인증을 획득하기 위해 필요한 사항을 살펴보고, ZEB의 여러 정의를 비교해 보겠습니다. 그런 다음 Phoenix Contact의 일부 제품이 프로젝트의 성공에 어떻게 기여했는지를 포함하여, 이 회사가 메인 캠퍼스에 추가한 70,000평방피트 규모의 건물에 대해 LEED 실버 및 ZEB 인증을 획득하기 위해 자동화 및 현장 PV 발전을 어떻게 사용했는지에 대한 예를 자세히 설명합니다(그림 1). 마지막으로 LEED 건물이 UN의 지속 가능한 개발 목표에 기여하는 방법을 대략적으로 살펴봅니다.

그림 1: 루프탑 PV 발전은 이 Phoenix Contact 시설이 LEED 실버 및 ZEB 인증을 획득할 수 있었던 핵심 요인입니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

전체론적인 LEED

LEED는 고성능 건물을 구축하는 데 필요한 모든 요소를 고려하는 포괄적 시스템입니다. LEED 인증은 세부적인 성능 기준을 사용하여 프로젝트에 부여되는 크레딧 또는 포인트를 기반으로 합니다. 성능 범주와 상대적 중요도(중요한 순서대로)는 다음과 같습니다¹.

• 지구 기후 변화에 대한 영향을 줄입니다.
• 개인의 건강을 향상시킵니다.
• 수자원을 보호하고 복구합니다.
• 생물의 다양성과 생태계 서비스를 보호하고 개선합니다.
• 지속 가능한 재생 재료 주기를 개선합니다.
• 커뮤니티 삶의 질을 향상시킵니다.

가장 기본적인 기준인 지구 기후 변화에 대한 영향 감소는 전체 포인트의 35%를 차지합니다. LEED 인증 수준에는 일반(40포인트 ~ 49포인트), 실버(50포인트~ 59포인트), 골드(60포인트~ 79포인트), 플래티넘(80포인트 이상)이 있습니다.

최신 버전인 LEED v4.1에서는 대부분의 포인트가 운영 탄소량 및 체화 탄소량과 관련되어 있습니다. 운영 탄소량은 난방, 환기, 냉방(HVAC), 조명 및 기타 에너지 소비가 많은 건물 시스템에서 발생하는 이산화탄소(CO₂) 배출량입니다. 체화 탄소량은 건물의 전체 수명 주기 동안 건축 자재 생산 및 건물 공사 과정과 관련된 배출량입니다.

LEED 인증은 친환경 사회를 조성하는 데 중요한 역할을 합니다. 건물은 전세계 CO₂ 배출량의 39%를 차지하며, 건축 공사에서 28%, 체화 배출량에서 11%를 차지합니다(그림 2). 건물 부문은 전세계 CO₂ 배출량에서 가장 큰 비중을 차지하므로 제로 에너지 건물 개발을 장려하기 위한 특별 프로그램도 개발되었습니다.

그림 2: 건축 공사와 재료 및 건축은 글로벌 CO₂ 배출량에서 큰 비중을 차지합니다. (이미지 출처: new buildings institute)

제로 정의

제로 에너지는 간단한 개념처럼 보이지만 여러 정의를 포함합니다. 가장 많이 인용되는 세 가지 정의에는 LEED 제로 에너지 프로그램, 국제생활미래연구소(ILFI)의 제로 에너지, 캘리포니아 건물 에너지 표준으로 채택된 건축 2030 조직의 이니셔티브인 제로 코드 재생 에너지 조달 프레임워크(제로 코드)가 있습니다. '제로'를 정의하는 방식에는 상당한 차이가 있습니다.

LEED 제로 에너지 인증을 받으려면 건물의 현장 발전량과 외부에서 생산(소싱)된 에너지를 포함하여 12개월 동안 에너지 균형이 제로(0)여야 합니다. 현장 화석 연료 연소는 금지되지 않습니다. 총 에너지 소비량은 현장 또는 외부에서 생산된 재생 에너지 또는 탄소 상쇄로 구성되어야 합니다.

ILFI 제로 에너지 인증은 가장 제한적인 표준입니다. 건물의 에너지 필요량을 100%를 공급하기 위해서는 현장 재생 소스가 필요합니다. 연소는 허용되지 않으며, 인증은 실제 성능을 기반으로 합니다. 모델링은 허용되지 않습니다.

제로 코드는 특히 새로운 상업용, 기관용, 중고층의 주거용 건물을 대상으로 합니다. 제로 코드는 제로 탄소 건물을 현장에서 화석 연료를 사용하지 않고 건축 공사 에너지 수요를 충족할 수 있는 충분한 양의 무탄소 재생 에너지 또는 탄소 배출권을 현장에서 생산하거나 조달하는 건물로 정의합니다. 제로 코드는 또한 건물 효율성에 대해 건물이 ASHRAE 표준 90.1-2019를 충족하도록 요구합니다. 제로 코드는 에너지 효율이 크거나 같은 경우 다른 에너지 효율 표준으로 대체할 수 있도록 합니다.

LEED의 응용 예

Phoenix Contact는 최근 미국 본사 캠퍼스의 물류 센터 지붕에 961킬로와트(kW) 규모의 PV 시스템을 설치했습니다. 이 시스템은 시설 에너지 요구량의 약 30%, 즉 연간 약 160가구의 에너지 소비량에 해당하는 전력을 충분히 생성합니다. 이 건물은 LEED 실버 및 제로 에너지 인증을 획득했습니다.

현장의 천연가스 연소 1MW 마이크로 터빈 열병합 발전 시스템이 PV 시스템과 통합되었습니다. 중앙 에너지 제어 시스템은 PV 발전소의 생산량과 건물의 에너지 소비량을 실시간으로 모니터링합니다. 마이크로 터빈 발전기는 전체 에너지 요구량이 PV 시스템의 출력을 초과할 때 사용됩니다. PV 시스템과 마이크로 터빈을 함께 사용하여 순 계량을 통해 전력망에 전기를 공급하여 회사에 수익을 창출하는 경우가 있습니다.

이 시스템은 주간 일조 시간에는 천연가스 소비를 줄이고 주로 야간에 마이크로 터빈 발전기를 작동시켜 전체 에너지 효율을 극대화하고 전체 CO₂ 발생을 최소화하도록 설계되었습니다. 어느 날에는 천연가스 소비량을 0에 가깝게 줄일 수 있습니다. PV 시스템의 일부 통계에는 다음이 포함됩니다.

• 태양광 패널 2,185개
• 연간 생성 전력 1,214,235kWh
• CO₂ 배출량 감소 1,939,279파운드

전력 생산의 효율성과 가용성을 최대화하려면 이와 같은 대규모 설치에서 개별 PV 시스템 세그먼트를 지속적으로 모니터링하고 제어해야 합니다.

실행 가능한 정보를 필요로 하는 자동화

PV 설치와 같은 전기화 시스템을 효과적으로 자동화하고 제어하려면 포괄적이고 실행 가능한 정보가 필요합니다. PV 패널의 각 스트링을 실시간으로 모니터링하여 생산량을 최대화하고 예방적 유지보수를 지원할 수 있습니다. 예기치 않게 스트링이 끊어질 경우 수천 킬로와트의 전력이 손실되고 그에 따른 금전적 손실이 발생할 수 있습니다.

Phoenix Contact의 미국 메인 캠퍼스에 있는 961kW PV 시스템에는 12개의 인버터와 각 인버터에 전력을 공급하는 6개의 PV 패널 스트링이 포함되어 있으며, 패널 마운트 2908286과 같은 2세대 EMpro 에너지 계량기를 시작으로 여러 회사의 제품이 통합되어 있습니다. 이러한 계량기는 주요 에너지 파라미터를 측정하여, 모든 시스템 요소의 원격 모니터링을 지원하는 클라우드 기반 플랫폼으로 전송하도록 설계되었습니다. EMpro 에너지 계량기는 단상, 2상, 3상 설치 및 구성을 포함한 다양한 전력 시스템 설계에 사용할 수 있습니다. 이 시스템은 다음과 같은 여러 시스템 요소와 운영 상태를 실시간으로 모니터링합니다.

• 인버터는 DC 입력 전력, AC 출력 전력, 유효 및 무효 전력, 오류 및 작동 상태에 대해 개별적으로 모니터링됩니다.
• 각 PV 스트링은 전류 및 전압 출력에 대해 모니터링됩니다. 해당 데이터의 평가를 통해 스트링 상태와 가능한 유지보수 필요성이 결정됩니다.
• 패널 온도는 설치에 전반적으로 퍼져 있는 수많은 센서를 통해 모니터링됩니다.
• 풍속과 방향, 온도, 상대 습도, 기압과 같은 기상 조건이 수집됩니다.
• 일사량은 패널의 설치 각도와 일치하는 10도 각도로 설치된 피라노미터와 가로로 설치된 피라노미터 두 개로 측정합니다.
• 오염 센서는 PV 패널 표면의 먼지 및 오염물로 인한 광 손실을 측정합니다.
• 카메라는 시스템에 대한 보안 모니터링을 제공합니다.

시스템에는 데이터 로거와 인터페이스도 필요합니다. 예를 들어, 이 회사의 Radioline 무선 모듈(예: 모델 2901541)은 케이블 없이 RS-485 프로토콜을 사용하여 PV 모듈 온도 및 오염 센서와 무선으로 통신합니다. 다른 경우에는 이더넷을 통한 전력 공급(PoE)을 사용하여 전력과 데이터를 동시에 전송합니다. 침입 방지는 방화벽 보안 및 사용자 관리를 제공하는 FL mGuard 1000 계열 보안 라우터(예: 1153079 모델)를 통해 제공될 수 있습니다.

이 모두를 하나로 묶으려면 Phoenix Contact의 PLCnext 기술을 기반으로 하는 DIN 레일 실장 모델 1069208과 같은 컨트롤러가 필요합니다(그림 3). 입력/출력(I/O) 모듈(예: 모델 2702783)과 페어링되면 컨트롤러가 센서 네트워크의 데이터를 집계하여 클라우드 서비스 제공업체로 전송합니다. 또한 산업용 PC가 Phoenix Contact의 Solarworx 소프트웨어를 실행합니다. 포함된 소프트웨어 도구 및 라이브러리는 태양광 산업에서 채택되는 통신 프로토콜 및 표준을 지원합니다. 이 시스템은 PV 시스템 운영의 맞춤형 자동화 및 시각화를 지원하며, 성능 최적화를 위해 과거 및 실시간 데이터를 분석할 수 있는 타사 소프트웨어 패키지와 호환됩니다. 라이브러리에는 프로그래밍 가능 컨트롤러에 대한 IEC 61131 표준의 요구 사항을 충족하는 기능 블록이 포함되어 있습니다.

그림 3: 대규모 PV 발전 시스템에 적합한 DIN 레일 실장 컨트롤러. (이미지 출처: Phoenix Contact)

피드인 제어는 PV 어레이와 같은 분산 에너지원(DER)을 전력망과 통합하기 위한 전기화 퍼즐의 마지막 조각입니다. Phoenix Contact의 PGS 컨트롤러는 그리드 연결 지점에서 전압 및 무효 전력 수준을 모니터링하고 인버터에 필요한 제어 값을 결정하여 중전압 및 고전압 그리드로의 전력 피드인 관리를 지원할 수 있습니다.

LEED 및 지속 가능한 개발

유엔(UN)은 2030년까지 세계적인 빈곤을 종식하기 위한 17가지 지속 가능한 개발 목표²(SDG)를 선정했습니다. USGBC에 따르면 LEED 건물에 내재된 전기화 및 자동화는 다음을 포함하여 17개 SDG 중 11개 목표를 달성하는 데 기여할 수 있습니다.

목표 3: 건강 및 웰빙

목표 6: 수질 오염 방지 및 위생

목표 7: 경제적인 클린 에너지

목표 8: 지속적이고 포괄적이며 지속 가능한 경제 성장, 완전하고 생산적인 고용, 모두를 위한 양질의 일자리 촉진

목표 9: 복원력 있는 인프라 구축, 포괄적이고 지속 가능한 산업화 촉진, 혁신 촉진

목표 10: 국가 내 및 국가 간 불평등 감소

목표 11: 지속 가능한 도시 및 커뮤니티

목표 12: 책임 있는 소비 및 생산

목표 13: 기후 행동

목표 15: 육상 생태계의 지속 가능한 이용 보호, 복원 및 촉진. 산림을 지속 가능하게 관리, 사막화 방지, 토지 황폐화 및 생물다양성 손실 중단 및 되돌림

목표 17: 지속 가능한 개발을 위한 글로벌 파트너십의 이행 수단 강화 및 활성화

기업 전략은 보다 지속 가능한 사회에도 기여할 수 있습니다. 예를 들어, Phoenix Contact가 미주 지역 물류 센터에 대해 LEED 실버 및 제로 에너지 인증을 획득한 것은 전세계 모든 지사에서 탄소 중립을 달성하려는 초기 목표의 일환이었습니다. 이 회사의 다음 목표는 2030년까지 완전히 기후 중립적인 부가가치 사슬을 만드는 것입니다.

결론

건물 부문은 전세계 CO₂ 방출량에서 가장 큰 비중을 차지합니다. LEED 및 ZEB 인증은 전기화 및 자동화를 사용하여 보다 효율적이고 지속 가능한 건물을 구축하는 데 성공했는지 여부를 측정하는 중요한 도구입니다. 위에서 설명한 바와 같이 현장 열병합 발전 용량과 통합된 대규모 PV 발전 설치는 보다 친환경적인 사회에 기여할 수 있습니다. 또한 LEED 인증 건물은 2030년까지 세계적인 빈곤을 퇴치한다는 UN의 17가지 SDG 및 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다.

참고 자료

1. LEED rating system, Green Building Council
2. Sustainable Development Goals, United Nations