[지식정보] 토론토의 지역 에너지(District Energy) 활용

북미에서 네 번째로 인구가 많고 가장 빠르게 성장하는 대도시인 토론토는 강력한 저탄소 에너지 용량 확장을 통해 전력을 공급하고 있다. DLWC(Deep Lake Water Cooling) 시스템을 사용하여 이 도시는 그리드에서 연간 55메가와트의 에너지를 대체할 수 있다. 이러한 결과를 달성하기 위해 DLWC는 온타리오 호수 바닥의 냉수를 활용하여 병원, 데이터 센터, 교육 캠퍼스, 정부, 상업 및 주거용 건물을 식히고 있다. DLWC는 기존 에어컨에 필요한 에너지의 1/10 미만을 사용한다. ULI 자료를 통해 관련 내용을 정리해본다.

자료: https://urbanland.uli.org/sustainability/solution-file-torontos-district-energy/?utm_source=realmagnet&utm_medium=email&utm_campaign=HQ%20Urban%20Land%2006%2E20%2E23

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토론토의 심호수 냉각 시스템은 도시 에너지의 "제3의 물결"의 한 예다.

북미에서 네 번째로 인구가 많고 가장 빠르게 성장하는 대도시인 토론토는 강력하면서도 저탄소 에너지 용량 확장을 통해 전력을 공급하고 있다. DLWC(Deep Lake Water Cooling) 시스템을 사용하여 이 도시는 그리드에서 연간 55메가와트의 에너지를 대체할 수 있다. 이는 8개의 병원에 전력을 공급할 수 있는 양이다.

이러한 결과를 달성하기 위해 DLWC는 온타리오 호수 바닥의 냉수를 활용하여 병원, 데이터 센터, 교육 캠퍼스, 정부, 상업 및 주거용 건물을 식히고 있다. DLWC는 기존 에어컨에 필요한 에너지의 1/10 미만을 사용한다.

세계 최대의 호수 동력 냉각 시스템인 DLWC는 완전히 통합된 지역 에너지 회사인 토론토에 본사를 둔 Enwave Energy Corporation에서 운영하며 2004년 시에서 2.3억 캐나다 달러(미화 1.79억 달러)의 비용으로 시작했다. 토론토에 있는 Enwave의 다른 지역 에너지 시스템과 함께 DLWC는 일반적으로 지역 에너지의 배경과 상태를 이해하는 프리즘 역할을 한다.

도시 에너지의 세 가지 물결 Three Waves of Urban Energy

중앙 집중식 에너지 ​​생산 및 멀리 떨어진 최종 사용자에게 분배하는 것과는 대조적으로 지역 에너지는 소규모 지역 에너지 생산자가 생성하고 바로 인접한 최종 소비자가 사용한다.

토론토 시의 재생 에너지 및 순 제로 개발 관리자인 Fernando Carou는 지역 에너지가 어디에서 왔고 어디로 향하고 있는지에 대한 긴 안목을 가지고 있다. 그는 오늘날의 집단 에너지를 “도시 에너지의 제3의 물결”로 보고 있다. 세 가지 물결은 다음과 같습니다.

①20세기 초에 지역 에너지의 원형은 지역 캠퍼스 규모의 전력과 열에너지를 아우르는 것이었다.

②20세기 중반에 에너지 공급은 더 큰 지역 규모로 확대되었다.

③이제 21세기 초에 Enwave와 자신의 미국 자회사인 Centrio와 같은 에너지 개발업체는 자신의 진자(pendulum)의 폭을 다시 다른 지역 에너지까지 전환하고 있다. 하지만 이번에도 여전히 토론토의 DLWC 시스템과 같은 재생 가능 에너지의 맥락에서 진행하고 있다.

지역에서 생성된 지역 에너지는 현장의 에너지이기에, 물리 과학의 기본 원리인 저항이 별로 없다. 그래서 멀리 떨어진 대형 전기 플랜트에서 생성된 에너지보다 더 효율적이고 오염이 적다. 전기가 전선과 같은 전송 매체를 통과할 때 전선의 구리 금속은 전송 속도를 늦추거나 전기 에너지 전송을 "저항"하여 생성된 에너지의 60%를 낭비한다.

에너지가 이동하는 거리가 멀수록 저항을 통해 더 많은 에너지가 손실된다. 거리가 짧을수록 에너지 손실이 적다. 따라서 지역에서 생성된 지역 에너지는 더 짧은 거리를 이동하고, 저항이 적고, 에너지 낭비가 적고, 오염이 적고, 더 효율적이다.

일반적으로 부동산 개발업체가 지역 에너지를 선택하려면 다음 세 가지 요소를 고려해야 한다.

① 대형 중앙 발전소 대비 지역 에너지의 자본 비용

② 대형 중앙 발전소 대비 지역 에너지의 운영 절감 효과

③ 개별 건물 대비 지역 에너지의 공간 절감 효과

한 가지 크기가 모든 것에 적합하지 않다 Not One Size Fits All

지역 에너지는 개발자에게 다양한 기회를 제공하는 다양한 규모로 제공된다. 지역 에너지 대상 구역은 2개 이상의 건물에도 사용되며, 또는 DLWC 시스템 서비스 지역처럼 넓은 지역에도 사용될 수 있다.

해당 구역의 크기와 구역의 소유권 및 통제의 특성 등 모두는 지역 에너지 사용 여부와 사용 방법에 대한 부동산 개발업자의 의사결정 요인이다.

구역의 크기가 작을 경우 부동산 개발업자가 직접 지역 에너지 시스템을 설계 및 시공할 수 있다. 그러므로 병원처럼 미션 수행에 필수적인 용도(mission-critical uses)에는 필요한 자체 에너지 생성 능력을 포함하여 에너지 시스템에 대한 많은 통제권을 가질 수 있다. 물론 이 시스템은 완전히 사적 용도가 된다.

그러나 DLWC 시스템 서비스 영역과 같이 해당 지역이 큰 경우, 부동산 개발자는 시스템에 대한 제어 권한이 상대적으로 거의 없어지고, 지역 에너지 시스템 "소비자(taker)"가 된다. 이 경우 시스템은 일반적으로 공개되거나 대중을 대신하여 Enwave와 같은 민간 회사에서 운영한다.

함께 묶다 Banding Together

여러 부동산 개발업자가 지역 에너지가 해당 시장 지역에서 추구할 가치가 있다는 데 동의하면, 효과적인 지역 에너지 시스템을 위해 함께 뭉쳐, 지자체에 로비할 수 있다.

이것은 민간 프로세스보다 훨씬 느리지만, DLWC와 같이 지역 에너지 시스템처럼 절감 효과가 매우 클 경우, 다른 이웃이나 도시보다 상당한 경쟁 우위를 제공하며 추구하는 데 시간과 비용을 들일 가치가 있다. 그래서 부동산 개발자, 엔지니어, 정치 지도자 및 여러 사람들이 DLWC 시스템을 만들기 위해 함께 뭉쳤다.

DLWC 시스템은 토론토 호숫가에서 경사가 빠르게 하강하면서 뻗어 있는 수중 선반(underwater shelf)을 따라 설치되어 지질학적 이용을 하고 있다. 토론토 도심의 여러 고객 건물들로부터 아주 가까운 곳에서 차갑고 깊은 물을 사용하고 있다. 수중 선반의 경사가 비교적 완만한 곳에서는 심층수 냉각이 불가능하다. DLWC 시스템은 도심 건물의 기존 냉각탑 및 장비에 대한 아웃소싱 대안을 제공한다. 그래서 대형 빌딩들은 자본 및 운영 비용을 크게 절감하고 있다.

일반적 건물 내 냉각기와 비교하여 DLWC 시스템은 전기 사용량을 약 80%까지 줄일 수 있다. DLWC 냉각 시스템은 깨끗하고 재생 가능하며 신뢰할 수 있는 에너지원이다. 또한 물 소비량과 운영 비용을 줄이고, 보다 예측 가능한 에너지 비용을 제공하며 복원력을 개선한다.

이 시스템은 온타리오 호수로 83m 깊이까지 5km를 연결하는 3개의 대형 파이프를 사용한다. 이곳의 물은 4℃로 일정하며 Toronto Water의 정수장과 호숫가에 있는 펌프장으로 연결된다. 그곳에서 대형 열 교환기를 통해 시스템 간에 열에너지를 전달한다. 식수로 공급하는 물은 최소로 가열된다. 반면, 도심 건물에 공급되는 냉각수는 건물을 순환 냉각시킨다. 이때 흡수한 열로 따뜻해진 물을 재활용하여 Enwave는 펌핑 스테이션으로 되돌려 프로세스를 반복한다.

Enwave의 상업 운영 수석 부사장인 Amy Jacobs는 이 시스템은 온타리오 호수물을 활용한 냉각 효과 외에도 난방 중인 건물에서 폐열을 회수할 수 있다고 지적한다.

시스템 확장

2019년 토론토와 Enwave는 초기 시스템 비용의 절반인 1억 캐나다 달러(미화 7,760만 달러)의 비용으로 DLWC 시스템의 확장을 시작했다. DLWC 공급의 확장은 그리드의 피크 수요를 줄이도록 설계되어 최대 70%의 피크 수요 절감 효과를 가져온다.

DLWC 시스템 확장은 The Well이라는 대규모 복합 용도 개발과 밀접하게 연결되어 있다. Enwave는 Riocan Real Estate Investment Trust 및 Allied REIT와 협력하여 개발 지하 몇 층 높이의 열 "배터리"를 구축하고 운영했다. 그런 다음 차가운 호수 물은 밤에 축적되어 한낮의 더위를 식히기 위해 방출되어 또 다른 효율성을 추가할 수 있다.

현재 시스템 확장 외에도 토론토시와 Enwave가 토론토의 경제 및 인구 성장과 이러한 성장에 대한 자금 조달 능력에 비례하여 약 10년에 한 번씩 DLWC의 향후 주요 확장을 수행할 것으로 보인다.

2050년까지 토론토의 목표는 바닥 면적의 30%(도시 건물 공간뿐만 아니라 모든 상업 공간)를 저탄소 난방 및 냉방에 연결하는 것이다.

지역 에너지 및 유틸리티 인프라

지역 에너지는 100년 전 처음 개발된 이래 열·전기 동시 공급하는 열병합 발전(CHP. Combined Heat and Power), 기존 지역 냉방(DLWC 제외), 지역난방 등 점점 더 다양한 유틸리티 인프라에 적용되고 있다. Enwave는 DLWC 외에도 광역 토론토에서 이러한 모든 유형의 지역 에너지 시스템을 운영하며 지역 에너지의 진정한 리빙랩 역할을 하고 있다.

CHP는 천연가스를 사용하여 열과 전력이라는 두 가지 제품을 만든다. 기존 전통적인 발전소의 단점은 연료 에너지의 40%만 전기로 변환하는 반면, 생성된 에너지의 60%는 열로 낭비되고 배출된다.

지역 시스템의 일부로 CHP 장치를 보유하고 있는 Enwave와 같은 회사는 생산된 열을 고객에게 분배하고 전력도 사용할 수 있다. 따라서 CHP는 일반적으로 매우 효율적인 형태의 지역 에너지다.

CHP 플랜트에서는 폐열을 회수하여 증기, 온수, 냉각수를 생성하여 주변 지역 에너지 건물 네트워크를 가열하거나 냉각한다. 발전의 열 부산물을 사용함으로써, CHP 발전소는 정기적으로 70~80%의 연료 효율성을 달성한다. 이는 순수 발전의 일반적인 40% 비율보다 훨씬 높은 효율이다.

열에너지는 전기와 같이 장거리 전송이 불가능하다. 때문에, CHP의 주요 제약 사항은 열 부산물의 생산은 최종 사용자와 가까운 위치에서 만들어야 한다는 것이다. 따라서 지역 에너지는 밀집된 도심 지역, 대학 캠퍼스 또는 열에너지에 대한 수요가 집중된 산업체를 위한 매력적인 솔루션이다.

그러나 그리드에 연결되고 총 4메가와트(MW)의 용량을 가진 Enwave와 같은 CHP 시스템은 일반적으로 개발밀도가 낮은 커뮤니티, 특히 토론토의 깨끗한 그리드보다 상대적으로 화석연료를 사용하는 더러운 전기 그리드가 있는 장소에서 매력적이지 않다. 그러나 CHP는 발전소 효율을 극적으로 증가시켜 연료 비용, 탄소 배출량 및 오염을 줄인다. CHP 지역 에너지 시스템은 잠재적 열부하를 확장하고 자본 투자를 줄이며 규모의 경제를 제공한다.

*1MW(=1,000kW) 개념

1MW 태양광 발전소에서 생산되는 전기로 약 461가구가 생활하는 전기량이다.

1MW 태양광 발전소에서 한 달 동안 생산할 수 있는 전력량을 계산해본다.

평균 발전 시간을 3.5시간으로 가정하면, 한 달 동안 생산하는 전력량은 1,000(kW) × 3.5 (시간) × 30 (일) = 105,000kWh다. 월 105MW 생산한다.

​전국 가구당 2017년 10월~2018년 10월 평균 전력사용량(kW)은 월 227.79kWh다. 따라서 1MW 태양광 발전소에서 생산되는 전기로 약 461가구가 생활할 수 있다.

1MW의 월평균 전기 생산 105,000kWh ÷ 가구당 월 227.79kWh 소비 = 460.95 가구.

1MW 태양광 발전소 규모는

- 면적: 약 3,000~4,000평 = 축구장 1.5개 정도 넓이

- 전기 생산량: 약 461가구 생활 가능, 한 달 105,000kWh 생산

- 이산화탄소 감축량: 소나무 213,957 그루 효과, 연간 502.8톤 감축

기존 지역 냉방

토론토의 DLWC 시스템은 매우 효율적이지만 DLWC는 다른 유틸리티 자산과 마찬가지로 최대 용량에 한계가 있다. 따라서 DLWC 외에도 Enwave는 상당한 기존 지역 냉방 자산을 운영한다.

Enwave는 우선 보다 효율적인 DLWC 자산의 사용을 최적화하기 위해 동기화된 방식으로 DLWC와 기존 지역 냉방 자산을 모두 운영한다. 그다음, DLWC가 한계용량에 도달하면 기존 지역 냉방으로 전환한다.

토론토 또는 다른 지역에서 DLWC를 사용할 수 없는 경우, 지역 냉방은 건물 네트워크를 냉방하는 효율적인 방법이다. 중앙 냉각 플랜트에는 단열 배관과 열 교환기를 통해 고객 건물로 흐르는 냉각수를 생산하는 장비가 있으며 건물 공간에서 열을 흡수한다.

냉각은 일반적으로 최고 전력 수요의 50~75%를 소비하다고 한다. 건물 네트워크 간에 냉방 수요를 집계하는 지역 냉방은 효율성을 높이고, 전기 부하의 균형을 맞추며, 연료 비용을 줄이는 등 규모의 경제를 창출한다.

지역난방

지역 에너지의 원형인 지역난방은 건물 네트워크를 난방하는 효율적인 방법이다. CHP와 달리 지역난방은 열만 생산한다. 중앙난방 플랜트에서 생산된 증기 또는 온수는 단열 열 배관을 통해 고객 건물로 전달되고 그 결과 열에너지는 건물 난방 시스템으로 전달된다.

건물 네트워크 간에 난방 수요를 집계함으로써 지역난방은 효율성을 높이고 전기 부하의 균형을 맞추며 연료 비용을 줄이는 규모의 경제를 창출한다.

Enwave는 불과 몇 년 정도 토론토에서 물 난방 서비스를 운영했다. 하지만, Prince Edward Island의 Charlottetown 지역에서는 25년 이상 온수 서비스를 운영해 왔다. 법으로 인정하는 탄화수소 연료 시스템(hydrocarbon-fueled system)은 현재 열펌프와 같은 저탄소 소스로 보완된다.

지역 에너지의 미래

지역 에너지 분야의 많은 전문가가 지역 에너지를 위한 법으로 인정하는 에너지 시스템(legacy energy systems)을 再최적화(retrofitting)하는 데 관심이 있다. 그러한 再최적화가 지역 에너지의 미래에 대한 핵심이다.

예를 들어, 필라델피아에서는 PGW(Philadelphia Gas Works)가 보유한 타인 소유지 내의 통행권(right-of-way)을 사용하여 인근 단독주택 단지 지하에 지열 열펌프(ground-source heat pumps)를 배치하는 방법을 연구하고 있다. 이러한 방식으로 개조하면 에너지 소비자뿐만 아니라 유틸리티에도 도움이 될 수 있다. PGW는 회사에서 공급하는 가스를 사용하는 고객 수가 꾸준히 감소하고 있어, 가스 시스템 운영 비용을 감당 능력이 감소하고 있다. 하지만 히트 펌프 배치를 통해 비용 일부를 회수하고 있다.

지역 에너지를 위해 레거시 에너지 시스템(legacy energy systems)을 개조하면 신규 건설에 필요한 탄소 매립 환경 비용을 포함하여 새로운 지역 에너지 시스템의 전체 초기 비용을 부담하지 않아도 되는 이점이 있다.

에너지 수요가 증가하고 재생 에너지의 가용성이 더욱 널리 보급됨에 따라(이 두 가지 모두 토론토에서 두드러지게 나타나고 있다) 부동산 개발업체들은 제3의 재생 에너지인 지역 에너지를 재발견하고 적절한 프로젝트에 활용하고 있다.

현재 장거리 메인 전력 그리드(long-distance main electric power grid)는 의도한 용량보다 훨씬 더 많은 부담을 받고 있는 게 현실이다. 그래서 별도의 현지 그리드(local grid)인 지역 에너지를 사용하면서, 비용 없이 메인 그리드(main grid)에 대한 부담을 줄이고 수명을 연장할 수 있다. 메인 그리드가 추가 사용자를 흡수할 수 없는 지역에서는 지역 에너지가 유일한 해결책이 되고 있다.

발전 장소를 지역화하여 에너지를 절약하는 것만으로도 부동산 업계가 에너지 전환을 관리하는 데 큰 도움이 된다.