에너지 효율이 좋은 주택이 그 다음 전력 시장이 될 수 있을까요?

가정에서 풀어야 하는 과제는 무엇일까요?

코로나 펜데믹이 3년째 접어들었지만 바이러스 확산을 억제하기 위한 전 세계적인 봉쇄는 여전히 진행 중입니다. 여러 번의 봉쇄로 수천 개 사업장이 문을 닫고, 공급망이 붕괴되고, 반도체 공급이 줄고, 일하지 못하는 시민들에게 보조금을 주기 위해 각국 정부가 거액의 자금을 차용하면서 경기 성장이 저조해졌습니다.

인플레이션과 함께 생활비가 인상하면서 사람들의 지출 능력은 저하되고 있으며, 임금은 인상되지 않아 먹고 살기가 더욱 힘들어지고 있습니다. 설상가상으로 러시아-우크라이나 전쟁으로 에너지 원가가 인상되면서 각 가정은 난방을 포기해야 하는 심각한 지경에 이르고 있습니다.

마지막으로 일반인을 대상으로 하는 효율 관련 법률이 지속적으로 도입되면서 팔 수 있는 것과 팔지 못하는 것이 제한되고 있습니다. 이러한 법률은 에너지 요금을 줄이고 국내 탄소 배출을 줄이는 데 도움이 되지만 이것이 엔지니어들에게는 설계 상 풀기 어려운 제약이 되고 있습니다.

가정에서 주로 에너지가 낭비되고 있는 곳은 어디일까요?

가정의 에너지 효율을 개선하려면 먼저 에너지가 낭비되는 모든 출처를 찾아야 합니다. 에너지가 가장 많이 낭비되는 부분은 단열 부족에 따른 열 손실입니다. 따라서 모든 최신 주택은 상층과 벽면에 상당량의 단열재를 사용해야 합니다(흥미롭게도 습기가 쌓이지 않도록 벽 공간을 비워두어야 한다는 주장이 있습니다).

추운 지역에서는 뜨거운 공기가 주택에서 바로 새어 나가거나 주택 내부 말단부에서 따뜻한 공기가 열 전달에 의해 식는 경우가 열 손실이 될 것입니다. 더운 지역의 열 손실은 이와 정반대입니다. 즉, 내부의 차가운 공기가 밖으로 새어 나가거나 건물 말단부가 뜨거워 내부 공기가 더워지는 것입니다. 어느 경우든 내부 온도를 안정적으로 유지하기 위해서는 에너지가 필요하고, 단열이 잘 안 될 경우 이러한 열 전달로 인해 에너지 요금이 많이 나올 것입니다.

조명도 최신식 주택에서 에너지가 많이 소모되는 부분입니다. 전통적인 텅스텐 필라멘트 등은 효율이 너무 낮아 미국과 영국을 포함해 전 세계 대부분의 시장에서 점차 사라지고 있지만 LED 조명과 형광등도 에너지가 많이 소모됩니다. 이런 점에서 사용하지 않는 실내 전등은 끄는 것이 에너지 요금을 줄이는 좋은 방법인 것입니다.

대기 상태의 기기는 원칙적으로는 "꺼진 상태"이지만 에너지를 소모할 수 있습니다. 잘 설계된 전력 공급 회로는 대기 모드일 때 전류를 거의 끌어오지 않겠지만 저렴한 전원 어댑터는 사용하지 않을 때도 뜨거워질 수 있습니다(일반적으로 선형 조정기를 사용하고 전력 관리가 미흡할 때).

세탁기, 진공 청소기, 식기 세척기 같은 고전력 기기도 전력 변환을 통한 전력이 낭비될 수 있습니다. 이러한 가전기기는 유도 장비(모터, 솔레노이드 등)을 구동하는 데 DC 전압이 소요되는데 이 변환 과정에서 상당량이 낭비될 수 있습니다.

마지막으로 재생 가능 에너지원(예: 태양광과 풍력)을 사용하는 가정에서 배터리 저장 시스템이 없는 경우 전력이 낭비될 수 있습니다. 에너지로 최대 발전이 이루어질 때 재생 에너지원으로 생산되는 전력이 사용되지 않는다면 낭비되고 있는 것입니다.

가정에서 가능한 에너지 기회는 무엇일까요?

문 하나가 닫힐 때 다른 문이 열린다면 에너지 효율의 측면에서 의미가 없을 것입니다. 기기 효율에 관한 규정이 엄격해지고 에너지 가격이 인상되고 있는 지금이야말로 엔지니어들이 에너지 효율을 개선하는 최신 방법을 찾아야 할 때입니다.

열이 가장 큰 요인이라는 점에서 엔지니어들은 온도 구배에서 에너지를 회수하고 추출할 수 있는 큰 기회를 찾을 수 있습니다. 예를 들어, 히트 펌프는 전기, 안전한 설치, 가스 보일러보다 효율적으로 열 에너지를 가동할 수 있는 능력(히트 펌프는 난방과 냉방에 모두 사용할 수 있음)에 전적으로 의존하기 때문에 가스 보일러를 대체하기 시작했습니다.

저전력 기기와 함께 IoT 산업이 급속히 확장되고 있어 에너지 수확기의 사용이 늘 것입니다. 따라서 엔지니어들은 보행할 때 전기가 생산되는 피에조 바닥재와 고온 파이프에 부착하여 에너지를 생산할 수 있는 열전 발전기 등과 같은 보다 생소한 에너지원을 찾아볼 수 있습니다.

그리고 스마트 홈의 등장도 에너지 효율에서 새로운 기회를 열어줍니다. 가정에서 사용되는 기기가 늘면서 영구 전원을 찾기가 어려워져 에너지 수확 기술에 더욱 의존하게 될 수 있습니다.

전기차 사용 증가도 전력망용 재생 가능 에너지 분야에서 큰 기회를 열어줍니다. 최대 생산 시점에 재생 가능 에너지를 절약하지 못하기 때문에 재생 가능 에너지원에 의존하기가 어렵지만 전력망에 연결된 전기차는 충전과 방전을 통해 전력을 안정시키는 가상의 배터리 역할을 할 수 있을 것입니다. 이 시스템에 기여하는 전기차 소유자들에게는 차량을 무료로 충전할 수 있는 크레딧을 제공하거나 재정적 인센티브를 제공할 수 있을 것입니다.

미래의 스마트 홈에서는 커넥티드 기기에서 가격을 실시간으로 확인하면서 세탁기와 식기 세척기 같은 기기를 돌리기에 최적인 시간을 알 수 있을 것입니다. 스마트 홈은 와셔를 장착하고, 친환경 시동 모드로 설정한 후 최대 에너지가 생산될 때(즉, 에너지가 가장 저렴한 시점에) 이 기기를 가동할 수 있습니다.

에너지 효율이 좋은 주택이 전력 소자의 그 다음 큰 시장이 될 수 있는 이유는?

그 이유가 환경적이든, 정치적이든, 경제적이든 일상 생활에서 반드시 에너지 효율을 높여야 합니다. 전자 엔지니어들에게 다행히도 대부분의 소자의 1차 전력원이 전기로 바뀌고 있어 미래의 주택에는 가스를 연결할 필요가 없어질 수 있습니다. 이 경우 에너지를 생산하고 사용하는 모든 수준에서 전력 소자가 중요한 역할을 하게 될 것입니다.

가정에서 사용하는 모든 기기는 배터리가 없는 저에너지 IoT 센서에서 히트 펌프와 세탁기에 있는 고전력 모터까지 에너지를 적게 소비하는 장치를 포함해 최대한 효율적이어야 할 것입니다. 에너지 수확기를 사용하는 저에너지 기기는 진동과 스트레이 RF 소스에서 수 나노와트의 에너지를 추출할 수 있어야 하며, 이 경우 좁은 공간에도 설치할 수 있는 효율적인 DC-DC 변환기가 필요할 것입니다. 고에너지 기기는 대량의 전류와 전압을 효율적으로 처리하려면 새로운 솔루션이 있어야 하는데 SiC와 GaN이 전도 유망한 후보입니다.

전기차도 환경에 좋지만 충전하는 데 매우 많은 전류와 전압이 사용되기 때문에 손실도 클 수 있습니다. 따라서 전기차 충전기는 에너지 효율 개선을 겨냥한 전력 소자의 주요 시장이 될 수 있으며, 실제로 가상 배터리 사용이 시작될 경우 이러한 전력 소자는 양방향성을 갖고 변환 손실을 크게 낮춰야 할 것입니다.

가정의 전원 소켓과 조명 스위치 역시 또 다른 잠재 시장을 지닌 전력 소자가 될 수 있습니다. 가정 내에서 사용되지 않는 영역의 전원을 끄면 에너지가 상당히 절약될 수 있으므로 실내에 사람이 없을 때 전원이 자동으로 차단되는 스마트 소켓과 스위치도 사용될 수 있을 것입니다. 스마트 센서와 클라우드 기반 인프라를 갖춘 주택은 거주자의 행동 패턴을 예측하여 전력이 필요할 때를 예측할 수 있어 에너지 사용을 최소화하도록 전력을 공급하는 최상의 방법을 결정할 수도 있습니다.

결론

에너지 효율은 언제나 중요했지만 생활비 인상, 연료 가격 인상, 엄격해진 정부 규정이 제품 설계에서 중요한 고려 요인이 되고 있습니다. 그러나 궂은 일이 있으면 좋은 일도 있듯이 효율을 높여야 하는 필요성 때문에 전력 증폭기와 변환기에 대한 수요가 상당할 것입니다. 가스 보일러를 히트 펌프가 대체하면서 전자 엔지니어들이 난방 시스템 효율에 큰 영향을 줄 수 있으며, 가정에서 IoT 기기를 사용하면서 가장 작은 에너지원에서 전력을 끌어낼 수 있는 에너지 수확 시스템이 필요하게 되었고, 현재 전기차가 대규모로 보급되면서 전력을 최대한 이용할 수 있는 충전 시스템을 각 가정마다 구비해야 할 상황이 되었습니다.