[신년 기획] 태양열로 ‘환경규제’ 넘는다
[신년 기획] 태양열로 ‘환경규제’ 넘는다
  • 홍시현 기자
  • 승인 2020.01.02
  • 댓글 0
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태양열, 온수·난방 최적화···보급 확대 필요
CO₂배출 없는 무공해 에너지원···집열과 축열 핵심
국내 태양광, 미국·EU·일본대비 시장·발전 현황 낮아

[투데이에너지 홍시현 기자] 1997년 12월 체결된 교토의정서의 핵심은 글로벌 온실가스 배출량을 줄이자는 것이다. EU와 영국에서는 각각 2020년까지 1990년의 온실가스 배출량대비 20%, 30%의 감축목표를 수립해 수행하고 있다. 미국은 지난해 이 협약을 탈퇴 선언을 했지만 온실가스 배출량 감축은 전세계적인 관심사다.

우리나라 역시 2020년까지 온실가스 배출량을 BAU(온실가스 배출량 전망치)대비 30% 감축을 목표로 하고 있다. 정부의 목표안에는 △산업(18.2%) △전환(26.7%) △수송(34.3%) △건물(26.9%) △농림어업(5.2%) △폐기물(12.3%) △공공기타(25.0%) 등을 통해 30% 목표를 달성하기 위한 사업들을 진행 중이다. 이들 사업을 추진하기 위해서는 화석연료 등 기존 에너지원이 아닌 태양과 풍력 등 신재생에너지원의 확대가 필수적이다.

■태양열시스템, 온수 및 난방 최적화

신재생에너지원 중 가장 대표적인 원은 태양이다. 태양열은 태양을 활용하는 신재생에너지라는 점에서 ‘태양광’과 혼동하는 경우가 많이 있는데 태양광은 태양의 빛을 활용한 에너지원이고 태양열은 태양의 복사열을 이용해 에너지를 만든다. 태양광은 열로 전환이 가능하지만 열로 전환할 경우 효율은 크게 떨어진다.

태양열은 화석연료와는 다르게 이산화탄소 배출이 없기 때문에 환경오염 없는 무공해 에너지자원으로 환경규제에 효과적으로 대응할 수 있다. 다만 한 곳에 밀집돼 열이 가해지지 않아 에너지 밀도가 낮고 생산이 간헐적이라는 점과 일사량 조건에 의해 에너지 생산이 이뤄지기 때문에 지속적인 수요에 대한 안정적 공급이 어렵다는 단점이 있다. 태양열은 집열판을 통해 집열판 내의 물 등의 온도를 직접 올려 건물 난방이나 온수로 사용하고 소음과 공해가 없다. 일반 주택에서 공장 등 산업까지 폭넓은 적용으로 에너지 절감효과가 크다.

그러나 에너지 밀도가 낮아 계절별, 시간별 변화가 심해 태양열을 모으는 집열과 태양열을 축적하는 축열이 가장 핵심 기술이다.

태양열시스템은 집열부, 축열부, 이용부, 제어장치로 구성된다.

집열부는 태양으로부터 에너지를 모아 열로 변환하는 장치로 태양열시스템의 핵심적인 부분이다. 축열부는 모아진 열을 저장했다가 필요할 경우 다시 사용하기 위한 저장 탱크 역할을 하며 이용부는 태양열을 효과적으로 공급하고 사용량이 부족할 시 보조열원에 의해 공급되는 장치다.

마지막 제어장치는 위 과정들을 효과적으로 공급할 수 있는 조정장치다.

태양열시스템은 다른 신재생에너지 설비에 비해 설치가 간단하고 저가에 공급돼 현재 보급률이 높은 상태로 그 중에서 가정용 온수 및 난방을 위한 시스템 보급률이 압도적인 비율을 차지한다.

진천 친환경 에너지타운 실증단지 태양열시스템.

진천 친환경 에너지타운 실증단지 태양열시스템.

■해외에서는 주목, 국내에서는 소외

태양열시장은 2018년도에 전세계적으로 4,700만㎡의 집열기가 설치됐으며 10년간 누적 설치량도 6억8,500만㎡에 달해 풍력, 태양광에 이어 3위 자리를 지키고 있다.

그러나 국내 태양열시장은 미국, EU, 일본 등과 비교해 시장규모 및 발전 현황은 매우 낮은 상태다. 1990년대 태양열 온수기 붐이 일어났을 당시만 해도 높은 보급률을 기록했으나 2000년대 들어서면서 보급량이 급격히 감소했다.

또한 2015년 기준으로 세계시장 보급량 1%도 안 될 정도로 점점 태양열산업이 성장 중인 세계시장 비해 매우 대비되는 모습을 보이고 있다. 2018년 총 시장규모가 2만㎡도 안 되는 매우 초라한 규모이며 가장 활발했던 2009년의 총 설치면적도 기껏해야 11만㎡ 남짓할 정도로 시장상황이 열악하다. 이러한 현상이 나타나게 된 이유는 계절마다 다른 일사량으로 인한 에너지 불균형과 타 열원과 연동해야 하는 번거로움, 건물의 미관 손상 등이 걸림돌이다.

업계의 관계자는 “정책과 기술, 관리의 모든 측면에서 오류가 있었다”라며 “앞으로 산
···관이 합심해 정책적인 면과 제품적인 면 및 사후관리적인 면에서의 전면적인 보완을 통해 시장을 재창출해야 할 것”이라고 조언했다. 

최근 세계적으로 지구온난화와 이산화탄소 감축에 대한 중요성이 높아지면서 우리나라도 태양열시스템 보급 확산을 계획하고 있는데 2020년까지 매년 11.6%, 2030년까지 매년 6.9%의 증가량을 기록할 것으로 전망된다. 

해외 국가들의 태양열시스템 대부분은 가정용 온수기로 활용되며 일반적으로 소비량의 40~80%를 담당하고 있다. 이외 호텔, 학교 등 대규모 단지에서는 대규모 온수시스템을 도입, 유럽 최대 태양열 설치 국가인 독일은 온수와 난방을 병행하는 콤비시스템(Combi systems)이 40% 이상을 차지하고 있다.

2014년 말 기준으로 유럽 국가에서 227개의 태양열 지역난방 발전소(Solar Thermal District Heating Plants, 551MWth)가 가동 중인데 이중 최근 유럽 11개 신규 발전소는 모두 덴마크에 설치됐으며 기존에 비해 43%가 상승한 61개 발전소로 총 389MWth를 기록했다.

또한 태양열 냉방시장은 아직까지는 미미한 수준이지만 2004년 이후 연평균 40%를 초과하는 성장률을 기록 중이다.

태양열을 활용한 냉방시장은 피크 전력수요를 낮추는 잠재량이 있으며 냉방수요가 높은 국가에 필요한데 2014년 남아공의 첫 태양열에너지를 활용한 냉방설비사업이 요하네스버그에서, 세계 최대의 설비가 미국 애리조나주의 학교에 완공됐다. 뿐만 아니라 소규모 태양열 냉방 설비의 경우 중부 유럽과 타 지역에서 주목을 받고 있다.

■변화하는 태양열시장

신재생에너지의 성장 전망에는 큰 이견은 없으나 지난 4개년간의 신재생에너지 열원별 보급률을 보면 태양광도 성장세가 둔화됐고 태양열과 풍력도 미세하게 감소했다.

대체적으로 시장추이를 보면 역시 중국시장의 포화 및 건설경기 위축으로 온수급탕시장 수요가 크게 감소해 중국시장은 약 5% 정도 줄어든 것으로 알려지고 있으며 반면에 타 국가들의 시장은 약 4% 성장한 것으로 알려지고 있다.

이러한 상황에 따라 글로벌 태양열시장이 변화하고 있다. 

첫째 대용량시스템으로의 변화다. 당연한 결과이지만 소형 온수급탕기시장이 축소됨에 따라 대용량시장이 열리고 있다. 2018년 말 현재 500㎡ 이상의 대용량 시스템 339개가 가동 중에 있으며 올해 43개의 시스템이 신규로 설치됐다.

둘째 산업공정열 태양열시스템의 증가이다. 2018년 말 전세계적으로 약 736개의 산업공정열 시스템이 가동 중이다. 2018년 한 해에만 104개 시스템이 설치됐으며 주로 식음료, 기계, 광업, 직물산업부문에 적용되고 있다.

셋째 태양열 지역난방시스템의 활황세를 꼽을 수 있다. 주로 북유럽국가에서 많이 설치되고 있었지만 최근에는 남유럽과 중국에서도 붐이 일고 있는 상황이다.

2016년 덴마크에서만 31개의 신규 플랜트에 50만㎡의 집열기가 설치된 바 있다. Silkeborg지역의 한 개 플랜트의 규모가 15만6,694㎡나 되는 매우 큰 시스템들이 설치되고 있다. 2018년에 오스트리아의 Graz에는 22만㎡ 규모의 계간축열시스템 설치계획이 발표된 바 있다.

넷째 PVT(태양광열 복합모듈)시스템의 개발이 활기를 띠고 있다. 2017년에 전세계적으로 107만5,247㎡의 PVT모듈이 설치됐다.

특히 유럽지역에서는 PVT의 붐이 일어나고 있는 상황이다. 특히 한 개의 모듈에서 전력과 열이 동시에 얻어지는 장점을 이용해 건물부문에서 각광을 받고 있으며 제로에너지건물 시대에 부합되는 솔루션으로 주목받고 있다. 국내에서도 PVT시스템에 대한 R&D가 많이 이뤄지고 있다. 특히 제로에너지건물 의무화와 맞물려 큰 시장이 열릴 것으로 예상된다. 세계의 PVT시장은 이제 겨우 도입기라고 볼 수 있으며 국내 기술도 개발 수준에 따라 Global Top 기술로 자리매김할 수 있는 여지가 충분하다. PVT 기술은 대부분 유럽의 주요 국가들에 의해 개발되고 있으며 보급 역시 주로 유럽 국가들에서 이뤄지고 있는 실정이다.

2016년 프랑스의 경우 국가전체의 태양열 집열기 보급량과 맞먹는 약 5만5,000㎡의 단독주택용 PVT모듈이 설치된 바 있으며 같은 해에 스위스에는 약 300개의 PVT시스템이 설치된 바 있다. 이와 같이 전세계적으로 제로에너지건물의 의무화와 맞물려서 PVT모듈 및 시스템의 보급이 점차 활기를 띄고 있는 것을 알 수 있다.

국내 PVT부문의 경우 보급시장은 아직 열리지 않은 상황이며 여러 기관(기업)에서 다양한 형태의 PVT모듈 및 시스템에 대한 R&D가 진행되고 있다. 2020년부터 제로에너지건물에 대한 의무화가 부분적으로 시작되고 또한 2025년부터는 전면적으로 제로에너지주택 의무화가 개시된다는 점을 고려할 때 본격적인 PVT모듈 및 시스템에 대한 시장은 2020년부터 활성화될 것으로 예측된다.

이에 따라 여러 기업들이 관련 R&D 프로젝트들의 성공적인 초기시장 진입을 위해 개발에 박차를 가하고 있다.

■PVT 시장 진출 초읽기…인증제도 ‘ing’

현재 국내에서 개발 중인 PVT 관련 기술 및 제품들은 각기 다른 특성을 갖고 있다.

크게 구분하면 공기식과 액체식, 주택용과 건물용, 단일제품과 에너지자립형시스템 등으로 나눌 수 있으며 PVT모듈 제조방식에 따라 Cell-Absorber 일체형 라미네이팅 타입과 본딩형 타입으로도 나뉜다.

먼저 공기식 PVT시스템의 경우 공기를 가열하는 방식으로서 건물의 공조설비와 연결하거나 건조용으로 사용되는 것이 일반적이며 히트펌프와 결합하면 액체식 냉난방도 가능하게 된다. 장점은 액체식과 대비해 누수, 동파에 대한 우려가 없어 제품의 신뢰성이 높다.

액체식 PVT시스템의 경우 액체를 가열하는 방식으로서 온수공급 및 냉난방 보조가 가능하고 역시 히트펌프와 결합해 다양한 용도로 사용이 가능하다. 장점은 공기식에 비해 집열효율이 높아 동절기에도 온수공급이 가능하므로 시스템의 경제성을 높일 수 있다. 또한 액체식으로서 자연순환형 온수기용 PVT 제품이 개발 중에 있으며 100% 에너지 자립형 온수기를 목표로 하고 있다.

PVT모듈 제조방식에 따른 분류를 보면 먼저 PV Cell과 Thermal absorber를 기계적으로 라미네이팅해 일체화시킨 타입으로서 생산성과 품질의 균질화 및 전도효율의 극대화가 특장점이다.

PV Cell 후면에 Thermal absorber를 열전도 접착제를 이용해 본딩하는 타입이 있으며 기계식에 비해 설비투자비를 절감할 수 있다.

제로에너지 건물용 에너지 자립형 타입은 PVT모듈과 히트펌프가 내장된 열공급패키지와 계통전력과 양방향으로 충?방전이 가능한 ESS로 구성되며 PVT모듈에서 생산된 전력 및 열을 이용해 건물에 필요한 전기 및 냉온열 에너지 공급을 자력으로 할 수 있는 주택용 통합 에너지 공급시스템이다.

특히 양방향으로 제어가 가능하므로 계통으로의 방전 및 계통전력의 충전까지도 가능하므로 계통전력의 첨두부하 해소에도 일조할 수 있는 PVT시스템이다.

현재 PVT 관련한 많은 R&D가 진행 중에 있어 아마도 2∼3년 내에 다수의 제품이 시장에 진입할 것으로 보인다. 그러나 이에 대한 정부인증제도가 없어 많은 혼란이 올 것으로 예상된다. 업계의 관계자는 “산업통상자원부와 에너지공단은 더 늦기 전에 PVT와 관련한 인증제도를 마련해야 할 것”이라며 인증제도 부재를 지적했다.

올해 에너지공단의 정책과제로서 PVT 인증시험기준 마련을 위한 기초연구용역이 완료돼 PVT 관련 인증시험기준 제정 및 보급지원제도까지 향후 2∼3년 이내에 완료될 수 있을 것으로 기대된다.

마포구민 체육센터 태양열시스템.

마포구민 체육센터 태양열시스템.

■제로에너지건물과 태양열

전세계적인 제로에너지건물 의무화는 태양열시장 확장에 기여할 것으로 기대된다. 제로에너지건물은 외부로 손실되는 에너지양을 최소화하고 태양열·태양광·지열 등과 같은 신재생에너지를 활용해 냉난방 등에 사용되는 에너지를 충당함으로써 에너지소비를 최소화시킨 건물이다.

태양열은 제로에너지건물(예, 아파트)에서는 아파트 최상층세대 태양열 집열기 설치, 중간층 외벽 활용한 태양열 집열기 설치로 온수를 공급할 수 있다. 태양열 계간축열을 이용해 계획도시 및 스마트시티, 제로에너지건물 등 조성 시 난방과 급탕을 담당할 수 있다.

이러한 태양열 활용을 위해 전세계에서는 인센티브제도와 연계, 제로에너지건물의 대한 관심 유도 등의 정책을 내놓고 있다.

국제에너지기구 태양열분야 국제협력기구(IEA SHC)는 2050년 건물 냉방 및 난방 에너지수요의 50% 이상을 태양열로 공급하고 농업 및 산업분야의 태양열 공급에 기여해 태양열 냉난방을 통해 전세계적인 이산화탄소 감축과 파리국제협약의 목표 도달을 위한 프로그램을 운영 중이다.

태양열 집열기, PVT, 태양열-히트펌프 복합시스템, 지능형 제어, 대규모 태양열, 계간축열 등 다양한 요소기술 및 시스템 레벨 연구를 진행하고 있다. 또한 건물단위 제로에너지 주택(단독, 공동주택), 건물태양열시스템 적용, 저온 지역난방시스템 등과 태양열 연계 등 지역에너지시스템 효율화가 그 예다.

우리나라에서도 태양열은 타(신재생) 에너지원과의 융복합시스템 방식의 기술 개발, 태양열시스템의 비용저감, 신뢰성 향상, 디지털 지능화 연구가 추진되고 있다. 세종, 부산 스마트시티 시범사업지에 계간축열을 이용한 지역난방 및 급탕시스템이 추진되고 있는 상황이다. 

■태양열 보급 확대 위해

우리나라의 신재생에너지사업은 태양광에 쏠려 있어 이를 우려하는 목소리가 각계각층에서 들려오는 게 현실이다. 국가적인 차원에서 볼 때 신재생에너지의 위기관리 차원에서라도 태양광일변도의 정책은 심각한 결과를 초래할 수 있다는 지적이 나오는 이유다.

업계에서는 정부주도의 태양열분야에 대한 적극적인 사업 발굴과 엄격한 관리, 신재생에너지 관련 제도 활성화 등을 주문하고 있다.

 

업계의 관계자는 “태양열 계간축열시스템, 태양열 스마트팜, 제로에너지건축, 스마트시티 구축사업의 영역확보 등 신규사업 발굴이 필요하다”고 강조했다. 이는 정부주도의 태양열분야의 사업이 태양열 활성화의 기반이 된다는 뜻이다.  

전문성 결여된 업체의 부실시공 및 사후관리로 소비자들의 태양열에 대한 부정인식을 초래하는 것을 방지해야 한다. 이를 위해서는 입찰단계에서부터 실질적이고 엄격한 시공관리 기준과 사후관리 방안이 요구된다. 

현재 신재생에너지 활성화를 위한 △RHO(신재생열에너지 공급의무화) △RPS(신재생에너지 공급의무화) △RFS(신재생연료 공급의무화) 등이 대표적인 제도다. 그러나 RPS와 RFS에 비해 상대적으로 소외받고 있어 RHO 제도를 적극적으로 추진해 열에너지원에 대한 활성화 유도가 절실하다.

또한 PVT시스템은 이러한 현실적인 문제점을 한방에 해결할 수 있는 좋은 사업 아이템으로 꼽힌다. 즉 하나의 모듈에서 발전과 집열을 동시에 함으로서 전력과 열의 생산이 어우러지는 아주 합리적인 대안이 될 수 있는 것이다.

따라서 관련시장의 활성화를 위해 정부차원에서의 인증시험기준 및 보급제도 등의 기반 마련이 필요한 이유다. 보급지원제도 등을 통한 조기보급 확산으로 정부의 신재생에너지보급률 달성목표에도 상당한 기여를 할 것으로 기대할 수 있다.

결론적으로 태양열 보급 확대를 위해서는 정부주도의 사업과 정책 지원을 바탕으로 민간영역으로 확대가 이뤄져야 하면 업계에서도 전문성을 함양해 태양열에 대한 소비자 인식 개선에 적극 나서야 하는 것이 태양열산업이 앞으로 나아가야 할 방향이다.     


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