[글로벌 기술 산책 4편] 전기는 여전히 나쁜가 — PER 전력계수는 어떻게 정해지는가
2편에서 PER 계수는 위치와 용도, 최종 에너지원 세 가지로만 정해진다고 말씀드렸습니다. 건물에 어떤 설비를 넣었는지는 계수에 들어가지 않습니다. 그러면 이 계수는 어떻게 정해질까요? 이번 편은 …
2편에서 PER 계수는 위치와 용도, 최종 에너지원 세 가지로만 정해진다고 말씀드렸습니다. 건물에 어떤 설비를 넣었는지는 계수에 들어가지 않습니다.
그러면 이 계수는 어떻게 정해질까요? 이번 편은 계수를 계산하는 방법을 봅니다. 계산 방법을 자세히 들여다보는 편이라 조금 딱딱하지만, 이 과정을 알면 "전기를 쓰면 무조건 불리하다"는 통념이 PER 체계에서 왜 맞지 않는지가 분명해집니다.
원문은 2015년 제19차 국제패시브하우스회의 발표 자료입니다. PHPP 9판부터 PER이 전 세계 공통의 인증 기준으로 들어갔고, 원문은 그 계수가 어떻게 만들어졌는지를 정리한 글입니다.
1. 한 시간 단위로 공급과 수요를 맞춰 봅니다
계수의 정의는 간단합니다.
PER 계수 = 재생에너지 공급량 ÷ 건물에서 쓰는 최종에너지
계수가 1.5라면 건물에서 전기 1 kWh를 쓰기 위해 재생에너지를 1.5 kWh 만들어야 한다는 뜻입니다. 저장하고 보내는 과정에서 생기는 손실이 이 차이에 모두 들어 있습니다.
계산 방법은 이렇습니다. 전기를 모두 재생에너지로 만들고 필요한 저장 설비도 다 갖춘 미래의 공급 체계를 가정합니다. 그리고 그 지역의 기후 데이터로 1년 동안의 공급과 수요를 한 시간 단위로 맞춰 봅니다.
계수를 결정하는 것은 재생에너지가 만들어지는 때와 수요가 생기는 때가 얼마나 겹치는가입니다. 겹치지 않는 만큼 저장해야 하고, 저장하면 손실이 생기기 때문입니다.
ㆍ몇 시간에서 며칠 정도의 단기 저장은 효율이 비교적 좋습니다
ㆍ여름에서 겨울로 계절을 넘기는 저장은 손실이 큽니다
그래서 난방은 재생에너지가 적은 겨울에만 생기는 수요라 재생에너지가 많이 들고, 계수가 커집니다. 냉방은 태양광이 많은 여름에 생기므로 상당 부분을 저장 없이 바로 쓸 수 있습니다. 가정용 전기나 급탕처럼 1년 내내 고르게 생기는 수요는 그 중간입니다.
2. 공급 쪽에 무엇을 넣었는가
계산에 쓴 미래의 공급 체계는 재생 전력만으로 이루어집니다. 태양광, 풍력, 수력 세 가지입니다. 바이오매스는 저장해 두었다가 필요할 때 쓸 수 있어 계산에서 따로 다룹니다. 지역난방도 이 계산과 별도로 PHPP에서 직접 다룹니다.
태양광
태양광 설비는 적도 쪽(우리나라에서는 남쪽)을 향한다고 가정하고, 그 지역 기후 데이터의 일사량으로 시간별 발전량을 계산합니다. 모듈 온도에 따른 효율 변화도 넣습니다. 경사각은 그 위치에서 연간 발전량이 가장 커지는 각도로 둡니다.
풍력
풍력도 같은 기후 데이터의 시간별 풍속을 쓰되, 급격한 변동은 고르게 다듬어 씁니다. 같은 데이터를 써야 그 지역의 바람과 햇빛, 기온이 서로 어떻게 맞물리는지가 계산에 그대로 들어가기 때문입니다.
다만 한 지점의 풍속 자료는 그 지역 전체의 풍력 잠재력을 대표하지 못합니다. 그래서 그 지역의 장기 측정 평균으로 보정한 뒤, 허브 높이 150 m에서의 풍속으로 환산합니다. 발전기의 비출력(날개가 휩쓰는 면적 1 ㎡당 정격출력)은 바람이 센 지역은 380 W/㎡, 약한 지역은 200 W/㎡로 두었습니다.
허브 높이의 평균 풍속이 4 m/s에 못 미치면 경제성이 없어 풍력이 많이 들어서기 어렵다고 보고, 그런 지역에서는 풍력의 몫을 연간 발전량의 0.5%로 제한했습니다. 해상풍력은 넣지 않았습니다. 그만큼 보수적으로 계산한 것입니다.
수력
수력은 나라별로 앞으로 공급할 수 있는 양을 예측해 넣습니다. 앞으로의 전력 수요는 현재와 장래의 인구밀도, 1인당 전력 소비, 그리고 '2000와트 사회'(한 사람이 쓰는 에너지를 평균 2,000 W 수준으로 줄이자는 스위스에서 나온 목표)를 바탕으로 나라마다 보정합니다. 유럽 안에서는 수력이 남는 나라가 일부를 수출한다고 가정했습니다.
수력 발전량은 비와 눈, 빙하가 녹은 물의 영향을 받지만 1년 내내 비교적 고릅니다. 뒤에서 보겠지만 이 성질이 계수를 낮추는 데 크게 작용합니다.
3. 수요 쪽 — 다섯 가지 쓰임
수요 쪽은 쓰임을 다섯 가지로 나눕니다. 가정용 전기, 급탕, 난방, 냉방, 제습입니다.
가정용 전기는 20 kWh/(㎡·년)을 기준으로, 독일 에너지수도협회(BDEW)가 정한 시간별 사용 패턴을 씁니다. 급탕은 약 15 kWh/(㎡·년)이고, 물을 데우는 데 필요한 열로 계산합니다. 찬물 온도는 그 지역의 땅속 온도로 둡니다.
난방과 냉방, 제습은 그 기후에서 기준 건물의 시간별 에너지를 간이 동적 계산으로 구합니다. 전형적인 패시브하우스 한 채만 계산하지 않고, 에너지 수요가 그 여덟 배에 이르는 건물까지 함께 계산합니다. 건물에 따라 난방 기간과 냉방 기간의 길이가 달라지기 때문입니다. 열원은 히트펌프로 가정해 시간별 전기 사용량을 구합니다.
시간별 사용량은 모두 앞뒤 4시간 범위에서 고르게 다듬습니다. 집집마다 다른 생활 습관을 평균적으로 반영하기 위해서입니다.
4. 저장은 어떻게 계산했는가
공급과 수요를 각각 연간 100 kWh로 맞춰 놓고 한 시간씩 비교합니다. 겹치는 만큼은 바로 쓰고, 남으면 저장 설비로 보내고, 모자라면 저장 설비에서 꺼냅니다. 단기 저장을 먼저 채우고 먼저 비운 다음, 계절 간 저장으로 넘어갑니다.
단기 저장
전력망에 연결된 양수발전이나 기계식 저장, 배터리를 가정합니다. 용량은 연간 수요 100 kWh당 0.1 kWh, 저장 효율은 70%로 두었습니다.
여기에 급탕 탱크에 저장하는 열 20 kWh(효율 95%)와 건물 구조체가 머금는 열 22 kWh(효율 90%)를 더합니다. 이 두 가지는 수요가 늘어도 커지지 않습니다. 그래서 에너지를 많이 쓰는 건물일수록 이 저장분이 차지하는 몫이 작아집니다.
계절 간 저장
여름에 남는 전기를 겨울까지 보관하는 저장입니다. 1년 동안 넘겨야 할 양을 남김없이 저장할 수 있다고 가정합니다. 재생 전기로 메탄을 만들어 보관하는 방식이며, 메탄으로 바꾸는 효율은 57%, 복합화력발전으로 다시 전기를 만드는 효율은 50%로 두었습니다. 여름 전기 100 kWh를 메탄으로 바꾸면 57 kWh어치가 되고, 겨울에 이 메탄으로 전기를 만들면 약 28 kWh가 남습니다. 계절을 넘긴 전기의 효율은 약 30%인 셈입니다. 마지막으로 전력망을 거쳐 보내는 모든 전기에 5%의 송배전 손실을 더합니다.
태양광과 풍력의 비율은 태양광만 있는 경우, 풍력만 있는 경우, 그 사이 네 단계까지 모두 여섯 가지로 계산하고, 그 가운데 가장 유리한 조합으로 계수를 정합니다.
5. 계수가 1보다 작아지기도 합니다
계수는 수요가 늘어날 때 재생에너지 공급이 얼마나 더 필요해지는지로 정합니다. 어떤 쓰임의 수요를 0에서 패시브하우스 전형값의 여덟 배까지 단계적으로 늘려 가며, 공급이 얼마나 더 필요해지는지를 봅니다. 수요를 1 kWh 늘렸을 때 공급을 1.3 kWh 더 만들어야 한다면 그 쓰임의 계수는 1.3입니다.
이 방식에서는 계수가 1보다 작게 나오기도 합니다. 건물에서 쓰는 양보다 적게 만들어도 된다는 뜻입니다.
어떻게 그럴 수 있을까요? 새로 생긴 수요가 남아돌던 계절의 전기를 써 주어, 계절을 넘겨 저장해야 할 양이 오히려 줄어드는 경우입니다. 난방이 주된 기후에서 여름에 냉방을 더하는 경우가 그렇습니다. 여름에 남아 저장해야 했던 태양광 전기를 냉방이 바로 써 주기 때문입니다.
"전기를 쓰면 무조건 불리하다"는 전제가 맞지 않는 곳이 바로 여기입니다. 중요한 것은 전기를 쓰느냐가 아니라, 그 수요가 언제 생기느냐입니다.
6. 실제 값은 얼마인가
기후가 전혀 다른 여러 지역의 계수를 나란히 놓고 보면 이렇습니다.
가정용 전기와 급탕은 기후가 달라도 크게 변하지 않고, 대체로 1.3 안팎입니다. 건물에서 실제로 쓰는 양보다 30% 더 만들어야 한다는 뜻입니다.
난방과 냉방, 제습의 계수는 그 지역의 기후 조건에 훨씬 크게 좌우됩니다. 그렇다고 기후대에 따라 단순하게 정해지지도 않습니다. 일사량과 풍속, 수력을 얼마나 쓸 수 있는지가 지역마다 다르기 때문입니다.
큰 흐름으로는 두 가지를 말할 수 있습니다.
ㆍ난방 수요가 있는 기후에서는 난방의 계수가 냉방보다 뚜렷하게 큽니다
ㆍ수력을 많이 쓸 수 있는 곳은 대체로 계수가 낮습니다. 수력은 1년 내내 고르게 공급되기 때문입니다
PHPP에 들어가는 값은 조금 다릅니다
지금까지 설명한 방법은 그 지역의 기후 데이터 하나에만 맞는 값을 냅니다. 같은 지역이라도 다른 기간이나 다른 출처의 데이터를 쓰면 결과가 조금 달라집니다. 또 이 계산은 그 지점 하나만 보므로 주변 지역에서 만든 전기는 전혀 넣지 않습니다.
실제로 전기는 한 지점 안에서 만들고 쓰지 않고, 넓은 지역 사이를 오갑니다. 전력망이 앞으로 어떻게 짜일지는 정책과 여건에 따라 달라 확실히 내다볼 수 없습니다. 다만 한 지점 안에서만 공급을 맞춘다는 가정은 기술적으로 가능하더라도 지나치게 복잡하고 비관적이라는 것이 원문의 판단입니다.
그래서 PHPP에 들어가는 계수는 지점 하나의 계산값을 그대로 쓰지 않습니다. 전 세계 700곳이 넘는 지점의 결과를 수학적인 방법(푸리에 근사)으로 고르게 이어 만든 값입니다. 그리고 계수가 1보다 작게 나와도 PHPP에서는 1로 둡니다. 건물에서 쓰는 양보다 적게 만들어도 되는 것처럼 계산되지 않게 한 것입니다.
7. 전력망에 연결할 것인가 — 연구소의 권고
재생에너지 설비를 갖춘 집이라면, 전력망(계통)에 연결할 것인가 연결하지 않고 독립할 것인가 하는 물음이 이어집니다.
연구소 설립자인 파이스트 교수가 2020년에 이 물음에 답한 글이 있습니다. 결론부터 적으면, 계통 연결 여부는 패시브하우스 기준에 들어 있지 않습니다. 무엇을 택해도 인증에는 상관이 없습니다. 그러면서도 권고는 분명합니다. 재생에너지 설비를 갖추고 계통에 연결하라는 것입니다.
까닭을 정리하면 이렇습니다.
ㆍ기준에 넣지 않은 이유는 중요도가 낮기 때문입니다. 기후 문제의 해법은 배출을 최대한 줄이는 것이고, 그 일은 에너지 효율을 높이는 쪽이 가장 확실합니다. 원문은 효율을 열 배까지 높일 수 있다고 보고, 패시브하우스는 거기에 집중합니다.
ㆍ지붕을 새로 마감할 일이 있으면 태양광 패널로 마감하는 편이 좋습니다. 어차피 지붕 마감은 필요하고, 다른 마감재와 값 차이도 크지 않습니다.
ㆍ계통에 연결하지 않은 태양광은 투자의 상당 부분을 버리게 됩니다. 여름을 낀 반년 동안 낮에 남는 전기가 많이 생기는데, 이 전기를 버리면 태양광의 경제성이 크게 떨어집니다.
ㆍ완전한 독립도 불가능하지는 않습니다. 큰 배터리를 두면 기후에 따라 1년 가운데 6~10개월은 자체 전기로 지낼 수 있습니다. 그러나 나머지 기간에는 보조 발전 설비가 필요하고, 결국 식물성 기름 같은 연료를 사 와야 해 지속가능성의 한계에 다시 부딪힙니다. 산속의 외딴 단독주택처럼 예외적인 경우에나 맞는 방법이고, 도시에는 맞지 않습니다.
ㆍ계통 연결은 비용이 크지 않고 거의 어디서나 가능합니다.
패시브하우스는 전력망의 부담을 덜어 줍니다
원문에서 가장 눈여겨볼 대목입니다.
가장 추운 날에도 패시브하우스는 적어도 하루, 길게는 닷새까지 난방기를 돌리지 않고 지낼 수 있습니다. 거주자가 불편을 느끼지 않는 범위에서 그렇습니다. 단열과 기밀이 좋아 난방을 꺼도 실내 온도가 아주 천천히 떨어지기 때문입니다.
가장 추운 때 일반 건물에서는 건물 전체 전력 사용의 85~98%를 난방이 차지하고, 패시브하우스에서도 30~60%는 됩니다. 패시브하우스는 이 난방 전력을 전력망이 가장 힘든 시간을 피해 10~30시간 뒤로 미룰 수 있습니다. 다만 설치된 난방 출력이 미루지 않을 때의 최대 부하보다 커야 합니다. 보통 주택의 이 최대 부하는 500~2,000 W 정도입니다.
잘 지은 집은 전기를 적게 쓰는 데서 그치지 않고, 언제 쓸지를 고를 수 있는 집이 된다는 이야기입니다.
8. 우리 상황에서 달리 읽어야 할 대목
1.3과 2.75는 다른 성격의 수입니다
가정용 전기의 PER 계수 1.3과 국내 1차에너지 환산계수의 전력 2.75를 나란히 놓으면 차이가 커 보입니다. 그러나 두 수는 서로 다른 것을 재고 있습니다.
ㆍ2.75는 지금의 발전 방식으로 전기 1 kWh를 만드는 데 드는 1차에너지를 따진 값입니다
ㆍ1.3은 100% 재생에너지 공급을 가정하고, 저장과 송배전 손실까지 넣은 값입니다
같은 전기를 두고 두 체계가 전혀 다른 숫자를 내는 이유가 여기에 있습니다. 어느 쪽이 틀린 것이 아니라 전제가 다릅니다. 보고서에 숫자를 적으실 때 어느 체계의 값인지 밝혀 두어야 하는 이유이기도 합니다.
우리 기후는 어느 쪽에 가까운가
난방 수요가 있는 기후에서 난방의 계수가 냉방보다 크다는 흐름은 우리에게도 해당합니다. 다만 우리는 겨울과 여름이 모두 뚜렷합니다. 난방이 주된 기후에 냉방을 더하면 계수가 1 아래로 내려갈 수 있다는 원문의 내용이, 난방과 냉방이 모두 큰 우리 기후에서 어떻게 나타날지는 단정하기 어렵습니다. 국내 지점의 PHPP 계수를 직접 확인해 보아야 할 부분입니다.
독립형보다 눈여겨볼 것
국내에서 전력망과 연결하지 않고 독립형으로 갈 이유는 거의 없습니다. 전력망이 촘촘하게 깔려 있기 때문입니다.
그보다 앞에서 본, 난방 전력을 미룰 수 있다는 대목을 눈여겨보시면 좋겠습니다. 외피가 좋은 집이 난방 전력을 열 시간 넘게 미룰 수 있는 것은 실내 온도가 천천히 변하기 때문인데, 이 성질은 여름에도 그대로 작용합니다. 냉방을 몇 시간 미루어도 실내 온도가 급히 오르지 않습니다. 우리 전력망은 여름과 겨울 모두 최대부하가 나타나므로, 두 계절 모두에서 같은 이야기가 성립합니다.
다만 이것은 원문이 난방에 대해 적은 것을 제가 냉방으로 옮겨 본 것입니다. 구체적인 시간 수치는 원문에 없습니다.
참고한 자료
이 글은 패시피디아(Passipedia)의 다음 항목을 바탕으로 정리했습니다.
ㆍPER-factors for electricity use: Location & application specific decarbonisation
(Grove-Smith / Feist 2015, 제19차 국제패시브하우스회의)
ㆍPassive House — On-grid or Off-grid? (Wolfgang Feist, 2020)
국내 1차에너지 환산계수는 한국에너지공단 제로에너지건축물 인증시스템이 안내하는 값을 따랐습니다. 4절의 계절 간 저장 예와 5절의 계수 예는 원문의 숫자로 제가 계산한 값입니다. 8절에서 냉방으로 옮겨 적은 대목은 원문에 없는 저의 해석이며 본문에 그렇게 밝혀 두었습니다. 원문 : https://passipedia.org
이 글이 만들어진 과정
이 연재는 독일 패시브하우스연구소가 운영하는 기술 자료집 패시피디아를 교재로 삼습니다. 항목을 순서대로 짚어가며 다룰 주제를 나누고, 각 주제가 우리 기후와 국내 기준에서 어떻게 달리 읽혀야 하는지를 함께 정리합니다.
원문을 요약하고 얼개를 잡는 초벌 작업에는 생성형 AI의 도움을 받았습니다. 다만 원문을 그대로 옮기지 않도록 문장은 새로 쓰게 하였고, 마지막으로 제가 내용을 확인하고 다듬은 뒤 올립니다. 국내 기준과 수치는 따로 확인하여 덧붙였습니다.