실거주 주택의 ZEH 달성도 조사로 본 ZEH의 과제와 스마트 하우스

여기에서는 가장 먼저 제로 에너지 하우스(이하 ZEH)에 관해 기술할 것이다. ZEH에는 재생가능에너지 설비가 불가결한데 그 역할을 담당하고 있는 태양광발전 시스템(이하 PV)은 2014년 후반에 시장환경이 격변했다. 두 번째로는 그 변화와 새로운 과제에 관해 기술할 것이다. 그리고 마지막으로는 PV의 과제를 해결하고 주택의 에너지 절약화(ZEH화)도 동시에 실현할 수 있는 스마트 하우스를 제안할 것이다.

ZEH, 에너지 절약 주택의 진화
주택의 에너지 절약화를 필자 나름대로 정리해 보면 표1과 같으며, 주택의 에너지 절약화에 관해서는 냉난방, 급탕, 가전 조명 3분야에서 대책이 마련되고 있다. 1997년 교토의정서(CO2 삭감)가 채택됐을 때부터 주목을 받게 된 것이 바로 재생 가능에너지를 주택에 도입하는 문제이다. 단독주택에 도입 가능한 재생가능에너지 설비로는 PV, 태양열 이용, 소형 풍력발전, 바이오매스 스토브 등이 있는데, 특히 PV의 경우 보급 확대도 진행되고 있어 기대가 크다.

이러한 일본의 주택용 PV 도입 건수 추이는 그림1에서 보이는 것과 같은데, 2009년에 시작된 보조금, ‘주택용 PV 매입제도(2012년 7월에 재생 가능에너지의 고정가격 매입제도에 통합)’를 계기로 도입량이 급속도로 확대되고 있는 것을 알 수 있다. 이렇게 진화한 에너지 절약화의 대처와 재생 가능에너지 도입의 조합이 바로 ZEH이다.

ZEH에 이르는 흐름
2014년 4월에 내각회의에서 결정된 제4차 에너지 기본계획에서는 가정부문의 에너지 절약 대책으로서 2020년까지 ‘에너지 절약 기준의 의무화’와 ‘ZEH의 보급’이 포함됐다. 에너지 절약 기준은 14년만인 2013년에 대폭으로 개정되었으며, ‘개정 에너지 절약 기준’은 건물 본체뿐만 아니라 냉난방기·급탕기·조명기구 등과 같은 설비 기기의 에너지 절약 효과에 대해서도 판정 대상에 추가돼 종합적으로 평가하는 방식으로 개정됐고, 뿐만 아니라 이 내용을 2020년에는 의무화하는 방향으로 논의되고 있다.

개정 에너지 절약 기준에서 채용되고 있는 설비도 포함해 건물 전체에서 에너지 이용을 종합적으로 평가한다는 생각이 ZEH로 이어지고 있다. ‘ZEH의 보급’에 대해선 이미 ‘에너지 기본계획’에서 “2020년까지 표준적인 신축 주택에서, 2030년까지 신축 주택의 평균으로 ZEH를 실현하는 것을 목표로 한다”고 제시하고 있다.

또한 유럽연합(EU)이 2010년 6월에 교부한 EPBD(에너지 절약 건축물 지령)에서도 ‘2020년 말까지 모든 신규 건물을 제로·에너지 건물로 할 것’이 요구되고 있어 ZEH에 대한 생각은 세계적으로 확산되고 있다.

ZEH는 무엇인가?
ZEH의 정식 명칭은 ‘넷 제로 에너지 하우스’이며 1년간의 에너지 소비량이 정미(net)로 제로인 주택을 의미한다. 이때 ’정미로 제로’라고 하는 것은 외부 에너지를 전혀 사용하지 않는다는 것이 아니라 소비하고 있는 에너지양과 PV 등에 의해 창출된 에너지양을 서로 차감해 대략 0 이하의 마이너스가 된다는 것을 의미한다. 다시 말해, 연간의 에너지 수지를 보았을 때 소비 에너지보다 창출 에너지가 큰 주택을 ZEH라고 할 수 있다.

ZEH의 에너지 수지는 그림 3에서 살펴볼 수 있다. 그림 3은 시즈오카현의 주택에서 산출된 데이터로, 해당 주택은 6.3kW 상당의 PV용량, 에코큐트(EcoCute), 간헐 에어컨에 의한 냉난방을 갖췄으며 3인 가족이 거주하고 있다. 이 주택은 완전진화주택(All electrified home)에서 ZEH를 실현한 실거주 주택의 예시이며, 완전전화주택의 경우는 에너지원이 전력뿐이며 전력 수지는 곧 에너지 수지와 동등하므로 이해하기 쉬운 모델이라고 할 수 있다.

소비전력량은 냉난방 운전이 이루어지는 겨울과 여름이 많고 기후가 온난한 중간 시기는 적다. 한편, 발전전력량은 일사량이 많은 봄부터 가을까지는 많고 겨울은 적다. 따라서 에너지 수지를 보면 봄(여름)은 발전량이 소비량보다 많으며, 겨울(가을)은 소비량이 발전량보다 많아지지만, 연간 수치를 통산한 값을 보면 발전전력량이 소비전력량을 상회해 연간 에너지 수지상으로는 ZEH가 실현되는 것이다.

ZEH의 정의와 운용
현시점에서는 ZEH에 대한 통일된 명확한 정의는 없으며, 실제의 ZEH 운용에 있어서 소비전력량에 대해선 2가지 해석이 있다. 가전을 포함해서 집 전체의 소비 에너지를 대상으로 한 ZEH, 그리고 가전을 제외하고 ZEH 보조금 대상요건에 준하는 ZEH가 그것이다.


사실 원리 원칙적으로 생각하면 ZEH는 집 전체의 소비 에너지를 대상으로 해서 평가해야 하지만 실현상에 있어서 장벽이 대단히 높다. 그래서 ZEH 보조금에서는 건축설비(공조·환기·조명·급탕)의 1차 에너지 소비량이 대략 제로가 되는 것을 보조 대상으로 하고 있으며, TV나 세탁기 등과 같은 가전기기나 조리기기의 소비 에너지는 평가대상으로 삼지 않고 있다. 급탕, 냉난방, 조명 등과 같이 집에 부대되어 있는 설비 기기는 집과 일체로 평가할 수 있지만, 가전기기와 같이 사용자의 라이프 스타일에 관련된 것은 제외한다는 생각이 가전 제외 ZEH로, 미국과 유럽지역에서 ZEH를 취급할 때는 가전을 제외하는 것이 일반적인 듯하다. 그리고 두 경우 모두 주택의 에너지 절약화를 추진해서 소비전력을 억제하는 것과 대규모의 재생 가능에너지 설비를 도입하는 것이 ZEH 실현에 있어 필수조건이 된다.

ZEH 실거주 주택 조사
당사에서는 2011년부터 HEMS(전력량 측정장치)를 적극적으로 도입해 개별 주택에서의 에너지 수지 파악이 가능해졌다. 본 지면에서는 2015년 1월에 실시한 최신 ZEH 상황 조사 결과를 보고하겠다. 이번 1월에 시행한 조사는 PV 탑재 주택의 소비전력량, 발전전력량, 전력량 수지 파악을 위해서 전국에 있는 당사의 HEMS를 설치한 완전전화주택&PV 탑재 주택(2013년에 입주)의 2014년 1월부터 12월까지의 소비전력량, 발전전력량 등을 당사의 HEMS 서버 내 데이터를 분석하는 방법으로 진행됐다.

그림 4는 이번 조사의 모집단인 3,545주택의 전력량(에너지) 수지 도수 분포를 나타낸 것으로, 동일 사양 설비(PV, 에코큐트, 에어컨 등)가 설치돼 있어도 사용자의 라이프 스타일에 따라 전력 수지가 크게 변동되는 것을 알 수 있다. 그리고 이를 다시 두 종류의 ZEH 달성도로 분류한 것이 그림5인데, 이를 통해서 가전의 소비전력을 포함한 ZEH비율(가전 포함 ZEH)은 전체의 17%를 나타내고 있으며, 또 ZEH 보조금과 거의 동등한 조건이 가전 제외 ZEH는 49%로 양쪽을 합하면 모집단의 약 66%를 차지하게 돼 과반수가 광의의 ZEH를 달성하고 있다는 것을 알 수 있다.

표 2는 구분별 전력 수지 중간값을 보여주고 있으며, 이번에 조사한 모집단의 중간값(평균상)은 PV 탑재 용량은 4.80kW로, 발전전력량 연간 5,877kWh로, 소비전력량은 연간 8,123kWh로, 그리고 전력량 수지는 연간 +2,246kWh로 나타났다. 그리고 가전 포함 ZEH의 중간값은 PV 탑재 용량은 5.51kW, 발전전력량은 연간 6,794 kWh로 다소 용량이 큰 PV가 설치돼 있기에 발전량이 약 15% 정도 높게 나타났으며, 소비전력량은 연간 5,482kWh로 모집단의 중간값보다 33%나 적었다. 이는 단지 대용량 PV를 설치하는 것뿐만 아니라, 평소에 에너지 절약형 생활을 실천하고 있는 사용자는 소비전력이 적고, 이것이 가전 포함 ZEH의 실현에 크게 기여하고 있다는 것을 의미한다.

표 3은 표 2의 전력량 수지 조사 결과를 간이계산으로 전력요금 수지로 환산한 결과인데, 모집단 전체의 광열비는 판매 전력 금액과 구입 전력 금액이 거의 등가에 가까운, 즉 광열비가 0에 가까운 것에 비해, 가전 포함 ZEH 달성 주택에서는 연간 약 11.4만엔의 마이너스를 기록한 것을 볼 수 있다. 이는 판매 전력 수입이 지출보다 많다는 것을 의미하며, 곧 ZEH주택이 사용자의 경제적 이점으로 직결된다는 것을 잘 보여준다.

ZEH의 전망과 과제
2012년도부터 시작된 ZEH에 대한 보조금은 금년도도 계속되고 있으며 ZEH에 대한 인지도는 물론, 기대도 높아지고 있다. 그리고 2015년 4월부터 경제산업성은 ZEH의 보급을 위한 로드맵 검토를 시작했으며 늦어도 연도 내에는 로드맵을 제시할 예정이다. 에너지 기본계획에 기재된 ZEH의 목표는 ‘2020년까지 표준적인 신축 주택에서, 2030년까지 신축 주택의 평균으로 ZEH를 실현하는 것을 목표로 한다’고 애매하게 표현돼 있지만, 로드맵 검토위원회 내에서 ZEH의 정의와 2020년, 2030년의 명확한 목표 제시가 이루어질 것으로 기대돼 ZEH 추진이 가속화될 것으로 전망된다.
ZEH를 실현하기 위해서는 소비 에너지와 동등한 양의 재생 가능에너지를 도입할 필요가 있다. 그리고 현시점에서 대량의 재생 가능에너지를 확보하기 위해서는 PV가 필수적인 상황이다.
하지만 이를 위해선 PV 분야에서 해결해야 하는 문제가 많은 상황이다. 우선 PV 분야 전체적으로 보자면, 현재 일본의 PV는 주택용, 비주택용 양쪽으로 빠르게 보급이 확대되고 있는데, 확대 속도를 전력계통망의 정비, 증강 속도가 따라잡지 못해 출력 억제문제가 발생하고 있다. 예를 들어, 전력회사의 공급지역 내 총 전력 수요는 냉난방을 사용하지 않는 중간 시기(봄, 가을)와 사무소, 공장 등이 가동하지 않는 휴일에 최소가 되고, PV의 발전량은 일사량이 많고 바깥 기온이 여름에 비해 낮은 봄 쾌청한 날에 최대가 되는데, 이처럼 양자의 균형이 깨졌을 때는 출력 억제가 필요하다.

그림 6은 출력 억제문제가 발생하는 메커니즘을 나타내고 있다. 모 전력회사의 공급지역 전체 수요량(5월 맑은 날: 평일, 휴일), 발전전력량의 추이를 꺾은선 그래프로 표기한 것으로, PV가 대량으로 도입됐을 경우 전력 총수요가 적은 날에 최소한의 발전(베이스 전원) 이외의 화력발전소 등을 모두 정지해도 베이스 전원의 발전량과 PV 발전량의 합계가 낮에 전력 수요를 넘어버릴 우려가 있으므로 PV의 출력 제어가 필요한 것을 보여준다.

이것이 2014년 가을에 규슈전력에서 문제를 제기한 것을 발단으로 도쿄, 주부, 간사이 전력을 제외한 전국의 전력회사로 파급된 PV 출력 억제문제다. 이러한 억제는 항상 필요한 것은 아니며, 전력 수급 균형이 깨져서 출력 억제가 필요한 경우는 전력 수요가 적은 봄과 가을, 휴일, 맑은 날씨와 같은 제반 조건들이 모두 겹쳤을 경우가 억제가 필요한 상황이라고 할 수 있다.

한편, PV 고정가격 매입제도의 경우 설비 인정, 즉 매입제도 이용을 위한 사전등록 신청이 선행되고 있으며, 신청 완료의 약 1~2할이 실제로 공사가 완료된 상태다. 그리고 경제산업성은 2015년 1월에 장래에 신청 완료 PV가 모두 가동될 경우엔 출력억제가 필요하므로 그 예방책으로서 매입제도 규정을 재검토했다. 실제로 출력 억제가 PV 설치자에게 어느 정도의 영향을 미칠 영향에 관해서는(일반사단법인) 태양광발전협회(JPEA)가 ‘출력 제어 시뮬레이션’을 실시해 그 결과를 공표했다. 시산에 의하면 출력 억제 영향이 크다고 알려진 규슈전력에서 억제율은 13% 정도의 시산 값을 보였다. 단 억제율은 설정조건에 따라 변동된다.
주택용 PV의 경우, 출력 억제에 관해서 10kW 미만의 주택용 PV에서는 10kW 이상의 비주택용 PV의 출력 억제를 실시해도 대응할 수 없을 경우에 억제 대상이 되기 때문에 비주택에 비해 억제의 영향은 작아질 것이다. 그러나 장기적으로 보면 PV 도입량이 확대될 경우엔 문제가 가시화될 가능성은 있다.

사실 주택용 PV에서 보다 빠르게 가시화되고 있는 과제는 고정가격 매입제도의 매입기간이다. PV의 기대 내구연수인 20~30년에 대한 매입기간은 10년으로 짧기 때문에 11년째 이후엔 전력시장에서 자유거래가 이뤄질 것으로 예상된다. 그리고 당초 10년간은 PV의 잉여전력을 비교적 고가의 고정가격으로 판매할 수 있기에 PV 설치비용을 상각할 수 있게 되겠지만, 11년째 이후엔 잉여전력을 어떻게 현명하게 활용할 것인가가 과제가 될 것이다.

스마트 하우스로의 전개
매입기간 종료 후 PV 잉여 전력의 효과적인 활용이 PV, ZEH의 매력을 향상시키게 될 것이다. 2016년부터 시작되는 소매 전력의 자유화에 대한 상세내용은 아직 확정되지 않았지만, 예상되는 자유거래 시장에서는 PV 도입량 확대에 따른 수급 밸런스의 변화(계절, 휴일, 날씨 등)가 전력의 매매 단가에 영향을 미쳐 안정적인 판매 수입을 확보하기 어려워질 우려도 있다. 그 때문에 단순한 판매뿐만 아니라 외부 변동요인의 영향을 잘 받지 않는 자급 자족형 에너지 활용이 효과적일 것이다.

그림 7은 앞서 설명한 ZEH 실거주 주택의 하루(24시간) 에너지 수지 추이 모델을 표시한 것인데, ZEH 주택에 1일 소비전력, 발전전력이 계절과 날씨 조건에 의해 어느 정도 변동하는지를 보여주고 있다. 우선 케이스A는 냉난방 운전이 없고 소비전력이 적은 5월이며 발전량이 최대가 되는 쾌청한 날의 모델이다. 이 경우 1일 전력량 수지는 발전전력량이 소비전력량보다 22.7kWh 많아 낮에 대량의 잉여 전력이 발생하는 것을 볼 수 있다.

그리고 케이스B는 냉방 운전으로 비교적 소비전력량이 많고 날씨가 흐려 발전량이 맑은 날의 절반 정도이다. 이 경우 1일 전력량 수지는 소비전력량과 발전전력량이 거의 동등하다. 케이스C는 난방에 의한 소비전력이 많은 겨울이며 우천이 발생한 최악의 조건이다. 이 경우 PV의 잉여 전력은 거의 생기지 않으며 전력량 수지는 29kWh로 큰 폭의 소비 과다를 보이고 있다. 즉, 실거주 주택에서는 이처럼 계절, 기상조건 등에 따라 전력량 수지가 매일 변동하게 된다.

ZEH에 관한 전력량 수지는 전력회사에서 구입하는 전력량과 PV 잉여 전력량이 같은 kWh 단위이기 때문에 단순하게 비교, 평가할 수 있다. 또, 기기, 라이프 스타일에 큰 변화가 없다면 초년도와 거의 같은 수지가 매년 계속되게 된다. 한편, 전력요금 수지의 경우는 상황이 복잡해진다. ZEH를 실현하기 위해서는 대용량 PV의 도입이 필요하고, 맑은날 낮에 대량의 잉여 전력이 발생하는데, 그에 대한 유효 활용안은 그림 8에서 볼 수 있다.

고정가격 매입제도를 적용할 수 있는 동안은 전력의 판매 단가가 전력의 구입 단가보다 높아지기 때문에 잉여 전력을 판매하는 것이 경제적으로는 유리하므로 대부분의 사용자가 현시점에서는 전력을 판매한다. 단, ‘전력의 판매 단가가 전력의 구입 단가보다 낮아질 경우에는 PV에서 발전한 전력을 자가에서 소비해 아침, 저녁의 구입 전력을 억제하는 편이 경제적으로 이익이 될 가능성이 있다. 그리고 구체적으로는 에코큐트 등의 설비 기기 운전시간 변경, 축전지 도입에 의한 자가 소비전력량을 확대하는 것 등의 방법이 있다.

이는 대용량 PV로 ZEH를 달성할 수 있는 창출 에너지양을 확보하고, HEMS로 자택의 소비전력 패턴을 정확하게 파악해 발전과 소비의 시간적인 갭을 축전지의 충·방전 컨트롤로 해소함으로써 자택의 소비 에너지(전력)를 최적화하는 대처이며, 이를 스마트 하우스라고 볼 수 있다. 다시 말해, 스마트 하우스는 자연을 활용해서 직접 만든 에너지를 자기 자신이 사용해 쾌적하게 생활하는 주거형태를 의미하며, 앞에 기술한 ‘광열비가 들지 않는 점, ‘CO2를 배출하지 않아 환경에 좋은 점’은 물론이고, 재해나 정전 시에도 안심하고 살 수 있고 연료(전기)값의 상승 등에도 좌우되지 않는다는 등의 이점이 있다.

한편, 태양광발전은 당연히 낮에만 발전하기 때문에, 발전한 전기를 축전지에 모아 밤에 사용함으로써 PV의 잉여 전력을 효과적으로 활용한다. 냉난방을 이용하는 여름과 겨울은 야간의 소비전력이 비교적 많기 때문에 축전지는 완전 가동으로 충·방전할 수 있지만 중간 시기(봄과 가을)는 소비전력이 적어 가동율이 떨어진다. 흐리거나 비가 내리는 날은 PV의 발전량이 적은 등 자연조건에 맞춘 축전지의 충방전 컨트롤이 어렵다. 또 소비전력도 손님이나 외출 등에 따라 항상 변화되므로 그 변동에도 대응할 필요가 있다.

이와 같이 아직 과제가 많지만 2012년부터 축전지에 대한 보조금제도가 도입되는 등 가정용 축전지 시장은 확실하게 확대되고 있다. 뿐만 아니라 그 응용형으로서 전기자동차와의 연계(V2H) 도입도 시작되고 있다. 전기자동차에는 정치형 축전지의 3∼4배 용량 전지가 탑재되어 있어 주택 측에서 보면 백업 전원으로서 큰 매력이 있다.

장기적인 대응책 마련이 관건
가정부문의 에너지 절약화에 있어서 ZEH의 보급 확대는 중요한 사항이며, 동시에 유효한 대책이라고 볼 수 있다. 단, 장기적인 시점에서 ZEH의 보급을 생각하면 장래 발생할 가능성이 있는 과제에 대해서도 대응책을 마련해 둘 필요가 있으며 이러한 사항을 만족해야 스마트 하우스라고 할 수 있으며, 이는 곧 에너지 절약, 창출 에너지(재생 가능에너지), 비축 에너지 분야의 각 기술을 조합함으로써 에너지와 관련된 문제들을 해결하고 사용자의 이익으로 연결시킬 수 있다는 것을 의미한다. 아직 실현을 향한 과제는 아직 많지만 ‘에너지 활용의 최적화’라는 관점에서 앞으로도 진화를 기대할 수 있다고 본다.

시오 쇼이치(Shio Shoichi)
세키스이화학공업 상품기획부 기술섭외그룹장

SOLAR TODAY 편집국(st@infothe.com)

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