[창간특집] PVT+히트펌프, ZEB 자립화 이끈다
[창간특집] PVT+히트펌프, ZEB 자립화 이끈다
  • 홍시현 기자
  • 승인 2021.09.27 09:08
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100% 전력화 불가능…신재생열 적용 필요
태양광모듈대비 최종에너지 약 2배 생산
주거에서 대형건물 및 고온 산업 적용 확대
제도·사업적 방향 설정 통한 보급 방안 마련

[투데이에너지 홍시현 기자] ‘지구온난화로 인한 기후위기’라는 발등에 떨어진 불로 인해 전 세계는 탄소중립을 해야 한다는 일치된 목소리와 행동을 시작했다. 대부분 국가가 2050년을 탄소중립 실현의 해로 목표를 세우고 있다. 이러한 탄소중립의 핵심으로 대부분 전력화와 에너지 효율 향상을 내세우고 있으며 IRENA(국제재생에너지기구)의 2050 탄소중립 로드맵에서도 최종에너지 기준 약 2/3를 전력화한다는 계획을 세워놓고 있다. 이를 실현하기 위해 많은 시도가 이뤄지고 있다. 그중 하나가 태양광·열(PVT) 복합 모듈을 히트펌프와 결합한 시스템이다. 아직은 초기 단계지만 성장 가능성이 높아 이를 알아보고자 한다. /편집자 주 

필요한 에너지의 100%를 전력으로 만들 수는 있지만 에너지서비스부문까지 전력화를 하는 것은 불가능하다. 즉 에너지 저장이나 열, 수송 등에의 활용 같은 에너지서비스부문에는 여전히 열에너지나 수송에너지의 형태가 필요하게 되는 것이다. 또한 2018년 현재 전 세계 최종에너지 기준 전력의 비율은 22%에 그치고 있는 점을 감안할 때 2/3 비율까지 전력화를 달성하는 것 역시 결코 쉬운 일이 아니다. 따라서 열을 필요로 하는 곳에 직접 사용할 수 있는 신재생열을 적용하는 것은 탄소중립을 달성하는 데 있어서 매우 중요하며 또한 全電化(All Electric)를 달성하기 위한 기본적인 요소라고 할 수 있다. 

PVT+히트펌프 융합시스템.

PVT+히트펌프 융합시스템.

■‘PVT+히트펌프 융합시스템’이란
수송부문은 말할 것도 없이 전기차가 핵심이 될 것이고 건물부문은 재생열 및 재생전기를 이용하는 히트펌프 융합시스템이, 산업부문의 중고온 섹터는 바이오열로 저온섹터는 재생열 및 재생전기를 이용하는 히트펌프 융합시스템으로서 탄소중립을 도모하게 될 것이다. 

건물부문의 IRENA 로드맵을 보면 전력화 목표를 56%로 잡고 있다. 전력화가 불가한 부분은 미미한 비율의 바이오 및 지열을 제외하면 태양열과 히트펌프가 열에너지의 대부분을 차지한다. 건물부문에 적용되는 급탕의 경우 저온영역이므로 일반 태양열집열기나 PVT 복합 모듈이 효율적으로 사용될 수 있다. 

또한 냉난방의 경우 효율이 높은 히트펌프를 통해 공급하는 형태로서 PV나 PVT를 통해 얻어지는 전력을 이용해 해결할 수 있게 된다. 

국내의 경우 건물부문은 이미 제로에너지건물 의무화가 시작됐다. 2025년부터는 민간건축물에까지 의무화 적용이 시작돼 에너지 자립화가 매우 중요한 이슈가 되고 있다. 

주거용 건물의 경우 37%의 전력 사용률을 제외한 나머지가 도시가스와 지역난방 등 열에너지 형태이다. 비주거용 건물의 전력사용률 72%와는 전혀 다른 양상임을 알 수 있다. 

에너지자립을 위해서는 분산화가 기본 전략이지만 건물의 경우 기기 설치를 위한 가용면적이 제한적이기 때문에 부하를 만족하는 용량의 태양광 또는 태양광과 태양열의 설치가 결코 만만치 않은 게 현실이다. 

궁극적으로 건물의 에너지자립을 위해서는 단위면적당 에너지생산량이 많으며 에너지 효율이 높은 신재생에너지원을 적용하는 것이 핵심이다. 

이러한 차원에서 국내외적으로 PVT 복합 모듈을 이용한 시스템이 많은 관심을 끌고 있다. 

특히 전력화의 핵심기기인 고효율 히트펌프와 연동해 사용할 수 있는 PVT+히트펌프 융합시스템이 관심의 중심에 있다고 말할 수 있다. 

응용형태는 다양하게 구성할 수 있으며 PVT에서 얻어진 열을 직접 사용하는 시스템과 히트펌프의 열원으로써 사용하는 시스템으로 나눠질 수 있고 지열 등의 타 열원과도 융합해 사용할 수 있다. 

기본적으로 PVT에서 생산된 전력은 히트펌프의 구동원으로 사용된다. PVT의 경우 태양광모듈대비 최종에너지 기준으로 약 2배 가까운 에너지를 생산할 수 있기 때문에 건물부문의 에너지 자립화에 최적의 솔루션으로 여겨진다. 이 솔루션은 건물부문의 공간적인 제한과 분산화라는 두 가지 문제를 두루 해결할 수 있는 장점을 갖고 있다. 

또한 건물효율 향상에 따라 냉난방 부하는 현저히 작아지고 급탕 부하의 비율이 높아지게 되므로 이 또한 PVT에서 얻어지는 열과 전기를 효율적으로 적용할 수 있는 환경이 된다. 

■국내 연구 실증 사례
1998년 초 에너지절약형 실험용 건물을 지어 에너지자립주택 연구를 해 온 한국에너지기술연구원은 2002년 국내 최초로 개발한 ‘제로에너지 솔라하우스1(Zero Energy Solar House; ZeSH-1)’과 2005년 당시 독일의 패시브하우스를 능가하는 신·재생하이브리드 시스템을 적용해 개발한 ZeSH-2에, 주택 자가소비율 및 커뮤니티 에너지자립률을 고려한 설계로 최신기술을 접목해 플러스에너지하우스(KIER Energy Plus Solar House; KePSH-1 & 2)로 탈바꿈시켰다. 

지붕형 건물일체형 태양광(BIPV) 및 지붕거치형 PVT 모듈로 총 6.6kW의 신·재생에너지 설비를 갖췄던 ZeSH-1에는 총 21.4kW의 신·재생에너지 생산설비(15.1kW BIPV+4.3kW BIPVT+2kW PEMFC)뿐만 아니라 전기저장(BESS), 열저장(TESS), P2H(Power to Heat, 잉여전기열변환), 히트펌프 활용기술 등을 적용해 KePSH-1 리모델링을 완료했다. 

또한 지붕형 BIPV와 벽면형 BIPVT 모듈로 총 6.45kW의 신·재생에너지 용량을 보유했던 ZeSH-2가 고도의 에너지 자립율을 갖는 KePSH-2로 변모하는 데에는 8.3kW BIPV, 3.3kW BIPVT, BESS, TESS, P2H, 지열 냉난방 히트펌프 등이 적용됐다.

연구진은 1차년도(2020년)에 리모델링한 주거용 건물 KePSH-1과 KePSH-2를 올해 1월부터 4월까지 시운전해 일반적인 가구의 소비량 기준으로 144%의 에너지 자립률을 실증했다. 이를 건축물 에너지효율등급 인증평가 프로그램(ECO₂)을 이용해 시뮬레이션했을 때 연간 에너지자립률 166.3%를 얻었다.

IRENA 글로벌 에너지전환 2050 로드맵.

IRENA 글로벌 에너지전환 2050 로드맵.

■PVT 기술 및 시장 동향
2018년 이후 유럽을 중심으로 PVT 복합 모듈을 이용한 시스템이 건물적용을 목적으로 급격히 보급되고 있다. 특히 각국의 제로에너지건물 정책에 부응해 개발 및 보급이 활기를 띠기 시작했다. 

2019년 말 기준 PVT시스템의 보급은 608MWth+208MWel 정도로 추산된다. 이를 집열면적으로 환산하면 약 100만㎡를 상회하는 규모로서 산업용 태양열시스템의 보급 규모와 맞먹는 규모이다. 

또한 2020년까지의 직전 5년간 누적보급량은 약 200만㎡(1400MWth+270MWel)로서 탄소중립 및 제로에너지건물 관련 정책에 따라 그 수요가 급격히 증가하고 있다.

2020년에 종료된 IEA SHC TASK60 on application of PVT collector 과제에서 PVT의 기존 솔루션을 평가하고 제로에너지건물을 위한 건물일체형 PVT(BIPVT) 및 히트펌프와 조합된 새로운 솔루션 개발 등을 추진한 바 있다. 최근에는 제로에너지건물 보급에 따라 소규모 주거용 건물부터 대형건물 및 고온 산업용으로까지 용도가 확대되고 있는 추세이다.

국내의 경우 정부의 연구과제를 통해 7개의 PVT 관련 프로젝트가 완료 또는 진행 중이다. 실증용 시스템의 운전은 진행 중이나 아직 본격적인 상업용 보급은 이뤄지지 않고 있다. 

7개의 프로젝트 중 2개는 공기식이고 나머지는 액체식 모듈타입이며 자연순환형 PVT 온수기와 PVT 방음벽 시스템 외 나머지는 공기열 또는 지열 히트펌프와 연동하는 시스템이다.

PVT의 상용화 및 본격 보급을 위해 한국에너지공단에서 KS인증기준 마련을 위한 기준안 제정을 2022년 말까지 완료 계획이다. 

주택이나 연중 온수사용량이 많은 상업용 건물에 수요가 집중될 그것으로 전망하며 향후 농업용이나 저온 산업공정열의 공급에 필요한 120℃ 이하 고온용 PVT시스템의 개발이 요구되고 있다.

PVT 모듈의 분류는 기존 스탠다드 PV모듈과 열흡수기(Thermal absorber)를 그대로 사용하는 저온(LT)타입, 단열이 돼 있고 정체온도에 대한 안전장치가 있는 고온(HT:protect)타입, 고온저항성이 있는 PV모듈 재료를 사용하며 특히 고온용 봉지재(Encapsulant film)를 사용하는 고온(HT:resist)타입으로 나눠진다. 저온타입과 고온(HT:protect)타입은 이미 개발돼 사용 중이거나 현재 개발 중인 타입이다. 새롭게 고온용 PV를 개발하는 차원의 고온(HT:resist)타입은 향후 산업용 등의 용도를 위해 개발돼야 할 부분이다. 특히 고온(HT:resist)타입은 PV(태양광모듈)와 ST(태양열집열기)의 통합된 디자인에 따라 Factory-made 타입으로 제작할 수 있으므로 제작비용면에서 가장 유리할 것으로 예측된다. 

일반 PV모듈에서도 주목하고 있는 PID(Potential Induced Power Degradation) 현상에 대해 PVT모듈의 경우 일반 PV모듈보다 훨씬 더 심각한 환경에서 사용되기 때문에 PID에 대한 근본적인 대책이 강구돼야 한다. 

PV Cell 재료에서부터 봉지재(Encapsulant material), 백시트(Back sheet) 등에 대한 고온저항성 및 내습 재료화와 열과 전기의 상반된 특성 즉, 좋은 열전도 구조는 나쁜 누설전류 구조가 될 수 있으므로 이에 대한 최적구조의 개발과 대지간 전위차에 의한 누설전류의 발생 등을 시스템적으로 해결하는 방법 등에 관한 연구가 필요하다. 

특히 고온 저항성이나 내습특성을 갖는 Cell이나 봉지재, 백시트 등의 개발은 일반 PV부문에서도 개발이 필요한 부문이므로 부문 간 협력을 통한 좋은 결과를 기대할 수 있을 것이다.

국내의 경우는 본격적인 개발이 진행된 지 10년 이내로서 선진국과 비교하면 기술의 숙련도가 높지 않은 수준이다. 

현재 저온(LT)타입과 고온(HT:protect)타입이 주로 개발됐거나 개발 중이며 신뢰성 측면에서의 접근은 이뤄지지 않은 단계라고 할 수 있다. 대부분의 개발제품은 저온(LT)타입으로서 열흡수기가 금속제인 것과 폴리머를 이용한 제품으로 나뉘며 고온(HT:protect)타입도 개발되고 있으나 일반 PV 개발부문과 공동연구 등을 통해 재료와 구조, 시스템 등에 대한 개발과 고온집열에 따른 셀 표면의 열 축적(Heat build-up) 최소화 등의 연구가 필요할 것이다. 고온과 다습 환경 및 금속제 열흡수판의 존재 등을 감안한 PVT모듈의 PID에 대한 신뢰성 확보 또한 앞으로 해결해야 할 과제이다.

■PVT 해외 적용 사례
전 세계적으로 기후위기에 따른 탄소중립 개념의 전파와 더불어 기기 설치를 위한 가용공간이 제한적인 주거용 건물 및 상업용 건물을 주축으로 PVT시스템의 보급이 급격히 확산되고 있다. 

보급통계에 따르면 2020년에 PVT모듈의 총 설치면적은 127만5,431㎡이며 열 및 전기 용량으로 환산하면 712MWth+232MWpeak이다. 

역시 유럽이 73만2,955㎡로 가장 많이 설치됐다. 중국을 제외한 아시아 국가가 30만6,098㎡, 중국이 14만1,966㎡, 중동지역 5만8,309㎡, 아프리카 2만2,783㎡, 미국 7,248㎡, 호주 1,639㎡, 라틴아메리카 537㎡로 뒤를 잇고 있다. 유럽 시장에서는 프랑스가 50만992㎡를 설치해 독보적으로 앞서고 있으며 독일과 네덜란드가 그 뒤를 잇고 있다. 

현재 설치되고 있는 PVT모듈의 형태를 보면 약 60%가 커버글래스가 없는 액체식 모듈이며 37%가 공기식 모듈, 2%는 커버글래스 타입의 액체식 모듈이며 나머지는 집광형 및 진공관형 모듈이다. 현재 개발되는 모듈의 추이는 커버글래스 타입의 고온용 액체식 모듈로서 산업용으로도 적용이 가능한 타입으로 120℃까지 집열이 가능하다. 커버글래스 없는 타입 중 36%는 주택이나 병원, 호텔 등의 온수공급용으로 사용됐고 33%는 가정에 열과 전기를 공급하거나 급탕이나 난방용 전기히팅용으로 사용됐다.

PVT 시장은 2018~2020년 사이 연평균 9%의 견고한 성장을 하는 것으로 나타나고 있다. 

2020년에 전 세계적으로 약 2,052개의 신규 시스템이 설치됐으며 2020년 말 기준 작동되는 누적 설치 시스템은 약 2만7,920개로 파악된다. 주거용 건물의 온수 및 전력 공급에서부터 산업용 공정수 공급까지 다양하게 이뤄지고 있다.

향후 PVT는 히트펌프와 융합시스템을 구성해 주거용 건물 및 상업용 건물에 저온열을 공급하는 시스템과 산업분야에 120℃ 정도의 고온열을 공급하는 시스템으로 확대될 것으로 예상된다. 특히 건물분야는 가용 설치면적의 제한에 따른 PVT의 효율성과 전력과 열을 모두 분산화할 수 있다는 장점으로 제로에너지건물의 확실한 액티브시스템으로서 자리매김할 것으로 기대된다. 

또한 전력화가 가장 어려운 분야인 산업부문에서는 150℃ 이하의 저온열의 공급원으로서 히트펌프와 융합시스템을 구성해 전체 산업공정열의 약 1/3을 차지하는 저온분야를 책임질 것으로 기대된다. 

남아공 케이프타운 힐튼호텔 집광형 PVT모듈 설치 모습(좌)과 브라질 상파울로 호텔 PVT 온수공급시스템 모습.

남아공 케이프타운 힐튼호텔 집광형 PVT모듈 설치 모습(좌)과 브라질 상파울로 호텔 PVT 온수공급시스템 모습.

■건물에너지 최적 솔루션
탄소중립은 구호만이 아닌 반드시 달성해야만 하는 절박함으로 바뀌었다. 제로에너지건물은 건물부문의 탄소중립을 위한 필수조건으로 됐다. 

국가적인 온실가스감축 목표달성을 위해서도 건물부문의 에너지 효율화는 필수적이다. 이에 따라 제로에너지건물에서 액티브부문의 스마트한 제품이 당연히 필요하며 신재생에너지 생산량 측면에서 우위를 가지며 공간효율적이고 분산에너지원인 PVT시스템이야말로 건물에너지부문의 최적 솔루션이라고 할 수 있다. 

시장확대를 위한 구체적인 방안은 여러 가지가 있겠지만 우선적으로 PVT시스템이 최대한 빨리 시장에 진입돼야 한다. 이미 세계시장에서는 발 빠르게 대응이 이뤄지고 있으며 초기시장에서의 좋은 평판이야말로 가장 훌륭한 홍보수단이라고 할 수 있다. 

PVT시스템의 빠른 국내 시장 정착과 향후 해외 시장 진출을 위해서는 PVT 제품 보급확대가 이뤄질 수 있도록 제도적인 부분과 적용 범위에 대해 서둘러야 한다. 

■제도·사업적 방향 설정 ‘시급’
먼저 제도적인 인프라 구축 부분으로서 두말 할 것 없이 가장 조속한 시일 내에 보급을 위한 모든 제도를 정비해야 한다.

민간부문의 제로에너지건물 의무화가 2025년부터 시행되므로 시기적으로 현재 시점이 매우 적합한 때로 보이며 해외상황을 벤치마킹하는 것도 좋지만 PVT부문은 세계적으로 초기시장 단계이기 때문에 우리나라가 이 세계시장을 이끌고 간다는 자세로 임한다면 매우 좋은 결실이 맺어질 것으로 예상된다. 

정부 ZEB 의무화 추진 로드맵.

정부 ZEB 의무화 추진 로드맵.

보급 관련해 KS인증기준에 의해 제품보급을 추진하게 되면 시장진입 일정이 너무 지연될 것이 확실하다. 

현재 한국에너지공단에서 진행 중인 인증기준 용역안이 2022년 말에 나오게 되고 공청회 등을 거쳐 기준이 확정된 후 인증시험을 거쳐 제품이 보급되는 시점은 2025년에나 가능할 것이기 때문이다. 따라서 KS인증은 계획된 일정대로 추진해 나가되 KS인증 이전에 보급하는 방안을 찾아 조기에 시장이 열릴 수 있도록 해야 한다. 

BIPV나 공기식 태양열집열기 등 KS인증 이전에 보급되는 기존 사례가 있으므로 실질적인 보급을 위한 기준 즉, 시공기준, 신재생에너지기기 인정기준(성능, 품질) 등을 조속히 제정해 조기 보급에 나서는 것을 적극적인 검토가 필요하다. 

다음은 제품의 장점을 적극적으로 살릴 수 있는 적용처 확대가 이뤄지도록 해야 한다. 

PVT가 갖는 장점은 한 장의 모듈에서 열과 전기가 동시에 생산된다는 점이며 또한 타 단일 신재생에너지원에 비해 에너지생산량이 탁월하다는 것이다. 바꿔 말하면 공간효율적인 장점이 있으므로 기기 설치면적이 제한적인 건물에너지부문에 적용 시 가장 효과를 발휘할 수 있으며 또한 연중 온수사용량이 지속해서 많이 소요되는 곳에 적용 시 모듈 온도를 낮게 유지할 수 있으므로 열성능은 물론이고 발전성능도 높게 유지할 수 있는 장점이 있다. 

따라서 이러한 장점을 발휘할 수 있는 용도에 적용할 수 있도록 보급 방향이 바로 세워져야 하며 시장 초기에 이렇게 PVT사업이 적절한 적용처로 방향이 설정돼야 시행착오 없이 시장에 연착륙되고 또한 관련 시장이 확대될 것이다. 

PVT가 장점을 살릴 수 있는 적용처는 △단독주택의 급탕, 난방용(히트펌프와 융합시스템을 구성해 급탕 및 난방을 자립할 수 있고) △공동주택의 급탕 및 공용전기 공급용(아파트의 옥상에 설치해 세대별 온수공급 및 공용전기를 사용할 수 있고) △상업용 건물의 급탕 및 공용전기 공급용(기존 열원설비와 연동해 급탕을 공급하고 공용전기를 사용할 수 있고) △연중 온수 다소비 건물의 급탕 및 공용전기 공급용(목욕탕, 호텔, 복지시설 등에 온수를 공급하고 공용전기를 사용할 수 있고) △산업체의 60℃ 이하 저온 공정수 공급용(히트펌프와 융합시스템을 구성해 산업시설에 저온 공정수를 공급) 등이 있을 수 있다. 또한 설치의무화 기기로 편입될 경우 단위면적당 에너지생산량이 많으므로 공공건물의 의무화 비율을 충족하는데 매우 효과적일 것으로 예상되고 있다. 

조성구 (주)이맥스시스템 부사장은 “정부의 제도적인 뒷받침과 보급기관 및 업체에서의 올바른 사업 방향 설정에 의한 본격적인 보급이 이뤄지면 PVT시스템은 건물부문과 산업부문의 탄소중립을 위한 최적의 솔루션으로 자리매김할 것으로 확신한다”라고 밝혔다.


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