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고속도로 유지관리 시설물을 위한 재생가능 에너지 가이드
조회수2,590 다운로드수0 등록일2015-04-23
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글로벌리포트 정보 - 리포트 구분, 콘텐츠 구분, 출처, 원문 제목, 언어, 국가, 등록일, 발행일, 과학기술 분류, 저자, 전문가칼럼, 키워드, 첨부파일
리포트구분 기술리포트 콘텐츠구분 도로교통, 기타
출처 TRB(2013), 미국
원문제목 Renewable Energy Guide for Highway Maintenance Facilities원문보기
언어 - 국가 미국
등록일 2015-04-23 발행일 2013-07-07
첨부파일 등록된 첨부파일이 없습니다.
□  서론
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주 교통부(state of department of transportation: DOTs)들은 몇몇 예외주들을 빼고는 전례가 없는 재정적, 에너지, 그리고 환경적 난제에 직면하고 있음.
그들은 조명, 난방 및 냉방, 그리고 도로 유지관리 시설 등에 대한 에너지 필요도 저감을 위해 노력하고 있음.
동시에 주 정부들은 에너지 보전, 에너지 효율화, 그리고 풍력, 태양력, 지열 등과 같은 신재생에너지 이행을 권고하고 있음.
이들 목적에 부합하기 위해 주 교통부처들은 도로 유지관리 시설물에 대한 신재생에너지 자원의 적용가능성들을 활발히 평가하고 있음.
적용성 평가 메트릭스는 오염배출 저감, 긴급 대응, 신뢰도, 실행력, 그리고 비용 효율성 등을 포함
전통적인 에너지에 대한 이와 같은 대체재들은 단일하게 효과적일수 있으며 또한 서로 조합할 수 있으며 시설물 운영에 필요한 에너지 이상의 생산이 가능할 수도 있음.
이러한 상황에 대응하여 본 연구의 목적은 도로 유지관리 시설물에서의 에너지 사용 저감 및 에너지 저장 모두에 적용하거나 건물에 반영한 우수 사례 및 신재생에너지원에 대한 우수 사례 개발 및 인지에 있음.
본 보고서는 유지관리 시설물의 설계, 건축, 그리고 운영에 대한 신재생에너지 정보 등을 포함

도로 유지관리 시설물은 차량 및 장비의 보수 및 유지관리, 수선에 사용되는 건물과 가계, 사무소, 다른 점유 장소 등과 관련된 건물 등을 포함하여 정의됨.
신재생에너지는  태양, 풍력, 지열 등 에너지 건물 수요에 부합할 수 있는 에너지 등으로 언급됨.
건물의 에너지 수요는 신재생에너지 자원을 전력이나 열에너지로 전환하는 다양한 기술을 통해 달성하여 태양광(PVs: solor photovoltaics), 집광식 태양열, 지열 펌프, 수동식 태양 전략 등이 존재
본 가이드는 특히 신규 시설물 또는 주요 재건축 상황에서 시설물의 에너지 및 환경 목적 달성을 위한 수단으로서 전 건물 설계 및 에너지 효율성 문제를 다루고 있음.
본 가이드 제공 사례 연구들은 미국내 다양한 위치에서 차량 유지관리 시설물의 신재생에너지 기술 및 전략 사례를 보여주고 있음.

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□  재생가능에너지 적용 사례
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⊙  에너지 효율성 및 수요 저감
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에너지 효율화 전략은 일반적으로 보다 빠른 보상이 뒤따르고 신재생에너지보다 더 높은 투자 수익률을 야기하는 가장 효과적인 투자인 경우가 종종 발생
덜 효율적인 건물은 에너지 효율 개선에 더 많은 여지가 존재
에너지 효율성이 개선되면 추가적인 효율화 사업은 그 영향을 덜 받으며 신재생에너지 시스템은 좀 더 매력적인 투자가 될 것임.
총 건물 커미셔닝(total building commissioning)은 건축물의 설계과정에서부터 완공 후 최소 1년 이내까지 인증 및 서류검토에 의해 보증되는 체계적 과정으로 건물 커미셔닝에 관한 국가 회의에 의해 정의
모든 참여진들은 건물의 운영 준비를 포함해 소유주의 운영 필요성, 설계 문서 및 계획에 따라 상호 협력적 과정 실행
커미셔닝으로부터의 야기되는 에너지, 수자원, 생산성, 그리고 운영적 절약분은 건물 커미셔닝 과정 이행 비용을 상쇄
최근 연구에서는 평균적으로 커미셔닝 절차 이행 건물의 운영 비용이 그렇지 않은 건물 대비 평균적으로 약 8-20%까지 낮음을 제시
사업 초기 커미셔닝에 대한 한번의 투자는 건물 생애 기간 동안의 운영비 절감 결과를 야기
지속적인 커미셔닝 또는 주기적 건물 권고안 제시는 일반적으로 운영진과 관리진의 유지관리를 보다 효율적으로 강화하는데 기여
커미셔닝 비용은 건물 규모, 복잡성, 건물의 재개발 또는 신규 건설 등을 포함한 다양한 요인에 의존
일반적으로 신규 건물의 커미셔닝 비용은 총 건물 건설비용의 약 0.5-1.5%로 산정
이전에 커미션 과정이 없었던 기존 건축물의 경우 커미셔닝 도입, 이행 비용이 총 운영비의 약 3-5% 범위로 나타남.
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⊙  주광조명(daylighting)
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주광조명은 실내 공간에 빛을 제공하기 위해 통제된 방식으로 건물 안으로 자연광(natural light)을 사용하는 방식임.
이러한 자연광 사용 전략 목적은 내부 조명제공을 위한 전력 소비 절감과 동시에 의도된 점유공간 사용을 위한 적절한 비 수준을 제공하는 것임.
주광조명 설계는 난방과 냉방 상의 잠재적 영향을 가지는 조명 시스템 제공을 위한 에너지 하중 절감을 균형이 요구됨.
예를 들면 냉방 시즌 동안 빛은 공간의 열을 차단하고 난방 계절에는 자연광 유입으로 편익을 유발하도록 설계하고자 함.
전력 조명 저감에 의해 주광조명 시스템은 빛 관련 열 소득을 절감, 그러나 만일 주광조명 설계가 대상 공간에 직접적인 해빛에 노출될 경우 태양열 이득을 증가시킬 수 있으며 이는 냉방하중 절감 능력과 상쇄됨.
주광 조명은 또한 건물 점유자로 하여금 건물 외부 경관 가치 기회를 제공

주광 조명 시스템은 벽이나 지붕 등 건물 주변 시스템을 활용하는 방식이 주료 사용되고 있음(그림 1 참조).
주광조명은 차량 유지관리 시설물, 사무실, 저장창고, 그리고 판매처 등을 초함한 비 주거용 공간에서 대부분 적용되고 있음.
이러한 공간들의 주광조명 도입은 전기 빛 운영에 필요한 에너지 절감에 기여
차량 유지관리 시설에 관한 사무 지역은 제한적 규모가 될 수 있으며 벽면 구간의 주광조명 설치로 적절히 운영이 가능
차량 유지관리, 저장고, 창고 공간 등은 1, 2개 층 규모가 대부분이며 차량 지원 공간보다 약간 더 큰 규모의 건축물이 대부분
따라서 이와 같은 건물은 지붕 공간 또는 지붕과 벽면을 을 조합한 주광장치 도입이 최선의 사례로 알려져 있음

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< 그림 1. 건물 외부 시스템(수직 조명 방식의 지붕 간격 설계) >
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⊙  자연형 태양열
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자연식 태양열은 태양으로부터 수집된 열의 분배, 저장, 그리고 수집을 위해 건물의 다양한 용소를 사용하는 것으로 정의
자연광 시스템은 일반적으로 다음의 전략으로 분류가 가능
 - 직접방식 및 태양 완화식(Direct Gain and Sun Tempered)
 - 간접방식(Indirect Gain)
 - 고립방식(Isolated Gain)
 - 열식 질량(Thermal Mass)

직접방식에서 태양은 남향 창에 대응한 공간으로 유입되며 태양 유입 공간에서 창은 일반적으로 남향 표면에 집중
또한 태양 집광의 크기 및 공간은 수집기간 동안 안락한 수준으로 유지되도록 균형을 이루게 됨.
간접방식은 집광 지역 및 태양 유입 간의 고질량 물질(벽의 형태로) 배치를 포함
따라서 간접방식은 질량 벽(mass wall)으로 알려져 있음, 유입면 뒤의 열식 질량 측면은 태양에 의해 직접 열이 가해지며 저장된 태양열은 반대쪽 변면으로부터 점유 공간의 유입방사선에 의해 방출
가장 잘 알려진 간접적 방식은 Trombe wall로 그림 2에서 보듯이 소규모 상업용 사업 및 주거용 건물에 성공적으로 장착됨.
난방이 요구되는 미국의 기후/자원 영역에서 자연식 태양 전략은 주거용 및 소규모 상업건물에서 잘 적용되고 있음.
성공적인 시스템은 흐린 기후를 가진 오리곤 주에서부터 애리조나 및 뉴멕시코와 같은 남서부지역 온난 기후지에 이르기까지 전 국토에서 건설되고 있음.
자연형 태양에너지 저장을 위한 건물 질량 필요성 때문에 물적 에너지가 높은 건물은 자연형 태양에너지 병합이 경제적
그러나 에너지 질량이 낮은 건물들은 정제된 태양에너지 분배 및 저장을 위한 분리된 물리적 벽 결합이 가능

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< 그림 2. Trombe wall 기본개념 및 Zion 공원 방문자 센터의 응용 사례 >
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⊙  태양광(PV:Photovoltaics)
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PV시스템은 태양빛을 전력으로 전환하는 태양 전지 모듈로 구성
생성 전력은 배터리 충전 또는 직류 전력 장비에 활용될 수 있는 DC(direct current)임.
대부분의 경우 DC 전력은 AC(alternating current) 전력 장치 및 전기격자(electric grid)와 호환 가능하도록 변환장치 사용을 통해 AC로 전환
PV시스템은 전기 격자로 추진가능하거나 격자가 없는 상황에서로 사용 가능
격차 연계의 주요 편익은 PV시스템 산출물이 시설물 용량과 충분히 부합하지 않을 시점에서 해당 시점에서 활용가능한 전력을 제공할 수 있다는 것임.
격차 연계가 없는  PV시스템은 일반적으로 만일 햇빛이 없는 기간 동안 PV 형성 전력을 활용하고자 할 경우 배터리를 사용 가능
태양광 모듈은 빛 에너지에 노출되었을때 전기를 생성하는 반도체 물질인 태양 전지로 구성
PV모듈의 가장 많은 형태는 크리스탈 실리폰 물질(단결정 및 다결정 실리콘-monocrystalline or polycrystalline)에 기반하고 있음.
몇몇의 산출 모듈은 보다 많은 전력을 생산하지만 일반적인 건물 부문의 적용 모듈은 약 125W에서 300W급으로 활용(그림 3 참조)
비결정실리콘 기반 PV모듈 또한 유연한 입자(금속 박막 물질-metal roofing materials)에 적용가능하도록 활용 가능
이러한 실리콘 물질 유형은 효율성이 낮은 경향이 있으며 개발 면적 단위 당 비용이 약간 저렴
실리콘 외에 카드뮴 용(cadmium telluride:CdTe, cadmium sulfide:CdS), 구리-인듐형(CIS: Copper indium diselenide, CIGS:cooper indium gallium diselenide) 등의 물질들이 사용
이러한 PV 모듈 유형을 결정형 실리콘 모듈보다 덜 반도체 물질이 요구되기 때문에 박막형(thin-film) PV 모듈로 분류
이상의 특정 물질을 이용한 PV모듈은 여러개를 결합한 형태로 구조화 할 수 있으며 유지관리용 건물벽 또는 주차장 지역 음영 구조물 등의 형태로 구축 가능(그림 4)
이 밖에 트랙킹 시스템은 태양광 시스템의 산출량 증가를 위한 평평한 플레이트 모듈(plate module)과 함께 사용될 수 있음.
예를 들면 얇은 박막형 무정형 실리콘 PV패털은 통합적 외부 지붕형 막 형성을 위해 금속 지붕 물질에 부착하여 설치 가능(그림 5)
또한 태양의 이동 노선을 추적하는 태양열 충전형 이동식 태양광 추적형 PV 시스템 등의 사례가 적절히 개발, 활용되고 있음(그림 6).
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< 그림 3. 결정형 실리콘 PV 모듈 사례(table Mountain facility) >
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< 그림 4. 밸라스트 장착 지원 구조(ballested mounting support structure) >
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< 그림 5. 무정형 실리콘 PV 물질 및 금속 지붕형 적용 >
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< 그림 6. 태양 추적 PV 시스템 (애리조나 국가 친환경 건물) >
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⊙  풍력에너지
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풍력 터빈은 바람의 운동에너지를 운동에너지로 전환
풍력 터빈은 전송 단계 또는 배분 단계에서 격자로 연결될 수 있으며 배분 수준에서는 고객 또는 미터 단위 효율화 장비와 연계될 수 있음(본 보고서의 가이드는 고객 측면과의 연계성에만 중점).
그림 7은 두 개의 날개 회전축과 단일 타워 꼭대기에 형성기가 결합된 모형의 소규모의 수평축 풍력 터빈 형태를 보여주고 있음.
일반적으로 기둥은 최소 지상으로부터 30ft 이상 높이로 세워지며 풍력 유입 장애를 회피하기 위해 300ft이상 장애물과 떨어져 설치되어야 함.
소규모 마파람 기계는 타워 전면에 회적 날개를 배치하고 바람과 직면한 터빈 유지를 위해 꼬리(tail)를 활용
꼬리부문의 풍력은 모터의 도움 없이 수동적으로 터빈을 움직임.
대형 시스템은 통상적으로 터빈을 기울이기 위해 바람 센터에 의해 직접 조달되는 전기 모터를 활용함.
시장 활용도가 낮은 순방향(downwind) 기계들은 마파람 기계에 비해 소음이 심하고 날개 휨 현상으로 인해 문제점이 발생하기도 함
또한 회전 날개 상의 기둥으로부터 원드섀도(wind-shadow)효과의 결과로 전력 산출량이 저감됨.
이 밖에 수직 축 풍력용 기계(그림 8)와 다리어스 형 풍력 터빈(그림 9)이 교통관련 시설물에서 활용되고 있음.
그림 10은 국가신재생연구소가 작성한 미국의 풍력 자원의 고간적 분포도를 보여주고 있음.
동 지도에서는 미국 풍력 에너지 개발을 위한 가장 큰 자원보유 지역이 중서부 주의 택사스, 오클라호마, 캔사스, 네브라스카, Wyoming, 몬타나, 미네소타, 아이오와, 그리고 Dakotas 등으로 나타남.
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< 그림 7. Upwind(수평축 풍력 터빈) >
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 자료출처: TRB(2013), Renewable Energy Guide for Highway Maintenance Facilities, p. 108.

 

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< 그림 8. 수직축 풍력 터빈 >
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< 그림 9. Darrieus 형 풍력 터빈 활용(미저리 주 교통부 Conway Welcome Center) >
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< 그림 10. 미국 풍력 자원 지도 >
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⊙ 기타 신재생에너지 활용 
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그 외에도 태양에너지 집광시설, 지열에너지, 바이오메스, (소)수력, 그외 대안에너지 기술 등을 통해 교통부문 시설물 및 관련 시설에 다양한 신재생에너지 분야가 활용되고 있음.
그림 11은 미국의 평균 지구 온도 배치도를 보여주며 이러한 지열을 활용가능한 시스템 비용은 냉방 용량용으로 톤 당 4000$~6000$정도가 소요되는 것으로 나타남(유지관리 비용은 시스템 비용의 약 2% 수준임).
바이오매스도 시설물의 난방과 전력부문에 활용되고 있는데, 난방시설 에너지 공급을 위해 팔렛(pellets) 또는 목재 잔폐물 등이 가장 많이 활용됨.
소수력 부문은 강의 위치 및 수력 제공 위치에 따라 그 크기에 차이가 발생하며 수력 터빈 비용은 1MW와 10MW용 생산터빈의 가격은 약 2000$/kw~4,000$/kw 수준으로 나타남.
이 밖에 부각되는 대체가능한 신재생에너지 부문으로는 난방과 전력을 조합한(CHP:Combined Heat and Power) 시스템, DC 분배 시스템, 미세격자(microgrid) 부문등이 있음.
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