태양열업계 대표기업 이맥스시스템(대표 이종욱)은 제로에너지건물을 구현할 수 있는 PVT(태양광·열) 복합모듈을 이용한 건물에너지공급시스템을 개발했다. PVT는 전세계적으로 개발 및 보급 붐이 일어나고 있는 새로운 아이템으로 건물에너지부문의 Final Solution으로 자리매김할 수 있는 시스템으로 각광받고 있다. 이번 기술개발을 주도한 조성구 이맥스시스템 부사장을 만나봤다.
■ PVT를 이용한 건물에너지공급시스템 개발배경은
쏠라셀의 물리적 특성상 입사되는 태양광선의 68%는 발전과 상관없이 열로 변환돼 버려진다. 버려지는 태양에너지를 유용하게 사용할 수 있도록 해보자는 차원에서 PVT시스템의 개발이 시작됐다.
또한 저온집열을 하는 경우에는 쏠라셀의 온도상승을 억제할 수 있으므로 발전효 율 또한 증대시킬 수 있다. PVT 하이브리드시스템의 가장 큰 필요성은 역시 건물 부문의 에너지자립이다. 건물에너지는 전력 외에 필수적으로 열에너지가 필요하다. 또한 건물은 지붕이나 파사드 등의 설치 가능 면적이 제한적이다. 이에 따라 단위면적에서 보다 많은 에너지를 생산할 수 있는 기기가 필수적이며 이러한 요구조건에 부합할 수 있는 기기가 바로 PVT 하이브리드 시스템이다. 즉 하나의 패널에서 전기와 열이 동시에 생산되는 고효율의 PVT 하이브리드 모듈이 건물에너지부문의 맞춤형 제품이다.
■ PVT모듈이 꼭 필요한 이유는
2025년부터 민간부문의 제로에너지건물 의무화가 시작된다. 이에 따라 제로에너지 범위(난방, 냉방, 급탕, 조명, 환기)를 전반적으로 해결할 수 있는 신재생에너지기기의 개발은 필수적이다. 여러 가지 신재생에너지원, 예를 들면 태양광, 지열, 태양열 등을 조합, 설치해 목적을 달성할 수 있으나 건물의 특성상 설치면적이 제한적이므로 역시 컴팩트하면서 에너지생산효율이 높은 열·전 복합모듈이 주목받고 있는 이유이기도 하다.
건축물의 유휴공간인 지붕이나 파사드를 이용해 건물에 필요한 전력 및 냉온열을 공급하는 PVT 복합모듈을 이용한 제로에너지건물용 전력 및 냉온열 자립화시스템의 경우 타 신재생에너지원인 지열이나 풍력 등과 달리 지역이나 장소에 따른 에너지원의 분포가 비교적 고르기 때문에 전국적으로 고르게 적용할 수 있는 장점 또한 갖고 있다.
■ PVT는 어떻게 제조되나
PVT모듈은 한마디로 표현하자면 ‘Two in One’ 기기다. 즉 하나의 기기에서 두 가지 기능을 한다. 설명하자면 1mx2m 규격의 직사각의 PVT모듈에서 발전과 집열이 동시에 이뤄지는 제품이다. 불과 수년전만 해도 PVT의 존재가치는 PV셀의 작동온도를 낮춰 발전효율의 저하를 방지하는 보조적인 개념이었던게 사실이다. 하지만 현재시점의 PVT에 대한 개념은 크게 변화됐다.
국제에너지기구(IEA)에서 현재 PVT시스템에 대한 연구과제가 진행되고 있으며 올해말까지 완료된다. 지난 3월 열린 WEBINAR에서 이러한 변화추이가 확연히 드러나고 있다. 즉 PVT시스템에서 PV를 냉각함으로써 얻어지는 발전량 증대의 효과는 지엽적이며 직접 사용이 가능한 온수의 생산과 적정효율의 발전이 가능한 PVT만의 독자적인 영역으로 발전하고 있다는 의견이 지배적이었다.
또한 응용분야도 히트펌프열원으로 사용이 가능한 20℃ 이하의 저온영역부터 산업공정열에 적용이 가능한 120℃ 영역까지 광범위하게 개발되고 있는 상황이다. 이맥스시스템이 개발한 제품은 급탕과 난방, 일부 산업공정열분야까지 적용이 가능한 40∼80℃ 영역의 제품이다.
제조는 태양열집열기부문과 태양광모듈부문이 합쳐진 공정이다. 태양열부문은 흡수판과 집열관이 레이저 용접된 집열모듈을 제조한다. 태양광부문은 솔라셀의 태빙 & 스트링 작업을 진행한다. 이후 집열모듈과 솔라셀 스트링을 레이업해 라미네이팅 공정으로 들어간다. 이 공정에서 진공 및 고온압착 공정에 의해 레이업된 모든 부품들이 하나로 결합되며 최종적으로 프레임에 조립돼 완제품이 만들어진다.
PVT의 특성상 집열관에서의 누수는 치명적으로 작용될 수 있기 때문에 누수를 원천적으로 방지할 수 있는 구조를 가져야 하며 라미네이션의 필수 부품인 봉지재(Encapsulant material)도 고온고습 환경에서 장기간 성능을 유지할 수 있는 적합한 재질을 사용해야 한다. 한마디로 PVT모듈의 제조는 태양열집열기나 태양광모듈의 제조에 비해 훨씬 고난이도의 공정이다.
■ 타사 PVT대비 차별성은
PVT모듈의 종류는 굉장히 다양하다. 우선 크게 나누면 집열매체의 구분에 따라 액체식과 공기식이 있다. 액체식은 전면에 커버유리가 있느냐 없느냐에 따라 유창형과 무창형으로 나뉜다.
무창형의 경우 일반 PV모듈의 뒷면에 흡수판 또는 집열관을 접착해 열을 얻어내는 방식으로 얻어지는 온도가 매우 낮기 때문에 대부분 히트펌프의 열원으로 사용된다. 반면에 유창형은 일반 태양열집열기의 구조와 유사하게 전면의 커버유리 밑으로 일정간격의 공기층을 두고 라미네이팅된 PVT흡수모듈이 위치한다. 이에 따라 비교적 높은 온도의 열이 얻을 수 있다.
제조방식은 PVT흡수모듈을 어떻게 제조하느냐에 따라 구분된다. 즉 일반적인 PV모듈 완제품의 뒷면에 흡수판과 집열관을 접착하는 방식과 제조공정상에서 솔라셀과 흡수판 및 집열관을 기계적으로 라미네이팅하는 방식으로 설명할 수 있다. 전자의 경우 추가적인 제조설비투자가 거의 불필요하단 장점이 있는 반면에 얻어지는 온도가 비교적 낮고 양산성이 부족하단 단점이 있다고 할 수 있다.
후자의 경우는 PV모듈이나 태양열집열기가 아닌 새로운 제품을 제조하는 형태이므로 신규설비투자가 필요하단 단점이 있다. 또한 이에 수반하는 생산기술 또한 필수적이다. 반면 80℃대에 달하는 높은 온도를 얻을 수 있으며 기계적인 제조이므로 양산성이 뛰어나고 균일한 품질을 얻을 수 있는 장점이 있다. 물론 제조원가 또한 양산공정에 의해 낮아질 수 있다고 볼 수 있다.
집적되는 기술로 본다면 후자의 경우 태양열집열기 제조나 태양광모듈 제조기술보다 훨씬 더 높은 기술의 집약체라고 할 수 있다. 즉 누수가 전혀없는 태양열집열기와 고온고습의 환경에 적합한 태양광모듈을 제조해야 하기 때문이다.
■ 작동원리 및 주요기능은
PVT모듈은 태양광모듈과 태양열집열기 각각의 작동원리와 동일하다고 볼 수 있다. 단 태양열집열의 경우 직접적인 태양광선의 입사에 의한 집열보다는 솔라셀과의 열전도에 의한 집열이 대부분이다. PVT모듈의 주요기능은 발전과 집열이며 발전된 전력은 인버터를 통해 계통으로 송전되거나 별도로 설치되는 ESS에 저장한 후 필요한 시간에 사용할 수 도 있다.
또한 집열된 열은 축열조에 저장한 후 필요시 급탕이나 난방에 사용하게 된다. 급탕이나 난방용도 이외에도 80℃대까지 가열된 온수를 산업용으로 사용할 수 있다. 특히 산업용의 경우 연중 균등한 부하패턴을 가지므로 매우 효율적으로 PVT시스템을 운용할 수 있다.
■ 어떻게 적용할 수 있나
신축이든 기축이든 적용에 특별한 제한은 없다. 다만 신축단열주택의 경우는 공기열 히트펌프와 연동해 사용하면 PVT시스템에서 생산되는 전기와 열을 이용해 주택의 냉난방 및 급탕의 자립이 가능하며 매우 편리하게 사용할 수 있다.
기축의 경우 대부분 냉방기가 이미 설치돼 있으며 보일러에 의해 급탕 및 난방이 공급되기 때문에 PVT시스템을 기존 보일러와 연동해 사용할 수 있다. 결론적으로 기존주택의 경우 PVT시스템으로 급탕 및 난방을 보조하면서 생산된 전력은 주택의 전력요금을 저감할 수 있도록 사용하는 것이 가장 효과적이며 신축단열주택의 경우 PVT모듈과 PV모듈을 적절히 조합, 설치ㅎ에너지를 완전 자립할 수 있다.
공공주택의 경우 지붕 또는 파사드 전체면적에 PVT를 설치하고 생산되는 전력은 공용전기로 사용하고 열은 개별가구에 공급하는 것이 효과적이다. 비주거용 건물 즉, 산업체나 목욕탕, 스포츠시설 등 온수 다량사용건물의 경우 온수부하에 적합토록 PVT모듈을 설치해 생산된 온수와 전력을 건물의 사용처에서 사용하게 된다.
공공건물의 경우도 마찬가지로 열부하에 맞도록 PVT용량을 설정해 설치 및 사용하면 된다. 특히 단위면적당 에너지 생산량이 많기 때문에 해당건물의 의무화비율을 맞추는데 매우 유리하다.
■ 모니터링시스템도 구축했는데
PVT시스템의 작동성능 확인과 시스템 신뢰성 확보 차원의 고장진단을 목적으로 모니터링시스템을 구축했다. 기존 IoT모니터링 방식인 Cloud computing 방식대신 Edge Computing 방식을 채용했다. Cloud server가 아닌 개별 Home server에서 데이터 취득과 처리를 담당하므로 처리해야하는 데이터양이 줄고 보안이 향상됐다.
openHAP based system을 사용해 http에서 구현되므로 별도의 서드파티 프로그램없이 스마트폰 및 PC 등의 브라우저를 통해 시스템 현황파악이 가능하며 데이터베이스를 포함하고 있어 사용자가 원하는 기간의 데이터를 선정, 다운로드해 분석 등의 용도로 활용이 가능하다.
현재 6개소의 실증사이트에 대해 모니터링을 실시 중이다. 즉 각부의 온도와 유량, 일사량, 순간발전량 및 누적발전량, 발전효율 등이 표시돼 현재의 작동상황을 손쉽게 확인할 수 있다. 모니터링은 스마트폰이나 PC로 실시간 이용이 가능하다. 또한 데이터 관리모드를 이용하면 모든 데이터 및 차트를 다운로드 할 수 있다. 과거부터 현재까지의 데이터 등을 이용하여 시스템 분석이 가능하다.
■ 실증 운전결과는
현재 6개소의 실증사이트에서 2020년 3월부터 실증운전을 시작했으며 현재는 1개소를 운용 중이다. 나머지 5개소는 PVT모듈 교체공사로 인해 운전이 잠시 중단된 상태이며 교체완료 후 8월부터 운전이 재개될 예정이다. PVT모듈 교체는 R&D의 일환으로 PID-FREE 모듈을 제작 및 시험가동을 위해 준비 중이다.
실증시스템의 운전결과는 PVT모듈 성능시험(옥외 발전·집열 동시 성능시험)의 결과와 거의 일치된 결과를 보여주고 있으며 사용자도 온수가열성능과 발전성능에 대해 만족을 나타내고 있다.
실제로 3kW(18㎡모듈, 640리터축열조) 용량을 설치한 주택의 경우 3월의 발전량은 393kWh, 4월에는 405kWh의 발전량을 기록했다. 3월의 쾌청일에 축열조 온도는 오전 9시에 19℃에서 시작해 오후 2시에 49℃를, 4월의 쾌청일에는 오전 9시에 27℃에서 시작해 오후 2시에 56℃를 기록했다. 이같은 결과에서 알 수 있듯 발전량은 일반 PV모듈에 비해 뒤떨어지지 않았다. 온수가열 또한 바로 사용할 수 있을 정도의 온도까지 가열됐다.
결론적으로 사용자 입장에서의 사용성능은 매우 고무적이며 PVT모듈에 대한 경년변화에 따른 신뢰성만 더 확보된다면 성공적으로 시장에 진출 가능하다는 결론을 얻었다. PVT모듈의 신뢰성 측면에서 현재 추진 중인 PID-FREE 모듈을 적용할 경우 고온 및 고습환경에서도 20년 이상 초기 성능을 유지할 수 있을 것으로 예측되고 있다.
또한 시스템에 적용된 일체형 공기열 히트펌프의 경우 주택용 전력의 누진요금제를 감안할 때 기존 주택에의 적용은 무리일 것으로 판단되며 기존 보일러 시스템과의 연동이 유리할 것으로 보여진다. 다만 PV모듈 및 PVT모듈로서 히트펌프의 전력사용량이 커버될 경우는 적용이 가능할 것으로 판단된다.
■ 상용화 및 중장기사업 계획은 신재생에너지기기의 특성상 정부의 보급제도가 준비되어야만 상용화가 이루어질 수 있다. 양산준비는 2021년 상반기 중 완료할 계획이며 하반기부터는 생산이 가능해진다. 제조 Space 확충과 설비보완, 제조인력에 대한 교육 등 제반사항에 대해 준비하고 있다.
상용화의 1단계는 먼저 2021년에 에너지공단의 시범사업을 통해 상업보급을 시작하고 2단계로 2022년부터는 주택지원 및 건물지원사업을 통해 보급을 시작할 계획이다. 이번 사업적용은 태양열부문 전문기업에게 PVT모듈 및 관련기기를 공급하는 형태로 이뤄질 것이며 영업 및 시공은 전문기업이 수행하게 된다. 3단계는 공공기관 의무화사업 등 일반 건설사를 대상으로 한다. 정부차원의 관련 표준과 기준제정이 완료되면 사업시행이 가능해진다.
특히 제로에너지건물 의무화 시행과 연계해 중소건설사에 PVT모듈을 판매하는 형태의 사업 또한 중점적으로 이뤄질 것이다. 해외시장 또한 현재 초기시장 단계로서 체계적인 해외 마케팅을 통해 수출할 수 있도록 추진할 것이다. 특히 에너지공단의 해외시장 마케팅지원 프로그램과 연계해 신재생에너지부문의 수출효자상품이 될 수 있도록 추진하겠다.
■ PVT보급 확대 절차는
신재생에너지기기는 대부분 정부의 보급프로그램에 의해 보급된다. 특히 신제품의 경우 관련 기준이나 표준이 없기 때문에 보급제도를 준비하는데 많은 시간이 소요된다. 인증기준, KS표준, 보급제도, 시공기준 등이 만들어져야 하고 관련 제품에 대한 에너지생산량 기준이라든지 보조금산정기준 등이 추가적으로 필요하다. 단계적으로 본다면 인증기준 제정 이전에 주택지원이나 건물지원사업을 추진하기 위해서는 우선적으로 시공기준이 있어야 하며 또한 보조금에 대한 기준이 만들어져야 한다.
다음으로 인증기준이 제정된 후 인증을 취득하면 모든 사업에 적용이 가능해진다. 그리고 최종적으로 공공기관의무화사업을 위해서는 에너지생산량 기준과 다른 열원과의 비교 가중치 등이 만들어져야 한다. 이처럼 하나의 신재생에너지 관련 신제품이 시장에 진출하기 위해서는 많은 과정을 거쳐야 가능해진다.
시공기준은 업계에서 초안을 작성했으며 현재 에너지공단에서 검토 중이다. 인증기준은 역시 에너지공단에서 기준제정을 위한 용역이 이미 착수됐으며 2022년말까지 기준안이 마련될 것이다. 이에 따라 빠르면 2023년, 늦어도 2024년부터는 전반적인 보급사업이 가능해질 것으로 예상된다.
단 예외적으로 주택지원이나 건물지원사업은 그보다 빠른 시기에 시행이 가능할 것으로 보여진다. 개인적으로 보조금에 대한 기준은 어렵지 않게 만들어질 것이라고 생각한다. 왜냐하면 기존에 태양광이나 태양열에 대한 보조금 기준이 있기 때문에 이 기준들을 준용해서 적용하면 비교적 손쉽게 객관적인 잣대로 보조금기준을 만들 수 있을 것이기 때문이다.
■ PVT 보급 활성화 방안을 제안한다면
이제 바야흐로 제로에너지건물 시대가 열리고 있다. 국가적인 온실가스감축 목표달성을 위해서도 건물부문의 에너지효율화는 필수적이다. 이에 따라 제로에너지건물에서 액티브부문의 스마트한 제품이 필요한 건 당연한 현실이다. 이에 따라 신재생에너지생산량 측면에서 우위를 가지며 공간효율적인 PVT시스템이야말로 건물에너지 부문의 최적 솔루션이다.
정부는 가장 조속한 시간에 보급을 위한 모든 제도를 정비해야 한다. 민간부문의 제로에너지건물 의무화가 2025년부터 시행되므로 시기적으로 현재시점이 딱 적합한 때로 보여진다. 해외상황을 벤치마킹 하는 것도 좋지만 PVT부문은 세계적으로 초기시장 단계이기 때문에 대한민국이 세계시장을 이끌고 간다는 자세로 임한다면 매우 좋은 결실이 맺어질 것으로 예상된다.
인증기준과 관련해 제품품질의 초점이 신뢰성에 맞춰져야 한다. 초기시장을 안정적으로 이끌며 지속성장시키기 위해서는 시장에서의 제품 신뢰성이 가장 중요한 요소이기 때문이다.
시장을 조기에 확대시키고 싶은 산업계의 입장은 충분히 이해가 가는 대목이지만 신제품의 시장진입 시기에 시장확대에 주력하다 보면 어떤면에서 품질은 도외시될 수 있다. 아마도 태양열업계에 종사자들은 뼈저리게 느꼈을 것이다. 그러므로 산업계에서는 초기시장 진입 시 품질위주의 전략으로 사업을 수행해야 하며 시장에서의 신뢰가 쌓이게 되면 자연적으로 관련 시장이 확대성장될 것입니다.
마지막으로 사용자 측면이다. 사용자는 사실 가격경쟁력 있고 성능 좋고 품질 좋은 제품이 출시된다면 자발적으로 관심을 갖게 될 것이다. 문제는 성능이나 품질을 인식하는데 많은 시간이 소요된다는 것이다. 이를 앞당기기 위해서 홍보라는 행위가 필요하게 된다. 모든 홍보수단을 활용해 제로에너지건물시대에서의 PVT시스템의 당위성, 필요성, 효용성 등을 사용자그룹에게 인식시킨다면 아주 빠른 시기에 PVT시스템의 시장이 활성화되지 않을까 생각한다.
태양열업계 대표기업 이맥스시스템(대표 이종욱)은 제로에너지건물을 구현할 수 있는 PVT(태양광·열) 복합모듈을 이용한 건물에너지공급시스템을 개발했다. PVT는 전세계적으로 개발 및 보급 붐이 일어나고 있는 새로운 아이템으로 건물에너지부문의 Final Solution으로 자리매김할 수 있는 시스템으로 각광받고 있다. 이번 기술개발을 주도한 조성구 이맥스시스템 부사장을 만나봤다. 
■ 상용화 및 중장기사업 계획은 
목록
