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스페셜리포트

태양열산업 미래 ‘ZEB‧스마트팜‧냉방‧산업용’ 주목

고품질 신뢰성 높은 제품 상용화 집중해야
PVT, 제로에너지건물 의무화 최적시스템
태양열+계간축열, 친환경 미래형 온실 구현



REN21(Renewable Energy Policy Network for the 21st Century)이 펴낸 ‘2018 재생에너지 현황보고서’에 의하면
전 세계 많은 국가에서 재생에너지가 온실가스 배출이 없는 청정에너지로서 가치뿐만 아니라 경쟁력있는 에너지원으로 확고히 자리 잡고 있다. 또한 관련 사업의 높은 시장성으로 선진국에서는 재생에너지 기술개발과 수출산업화를 본격적으로 추진하고 있다.

우리나라의 에너지소비량은 2016년 기준 2억8,200만TOE로 세계 8위이며 석유소비는 7위, 전력소비는 7위 규모다. 이는 경제규모에 비해 높은 수준으로 재생에너지의 폭넓은 보급이 절실한 실정이다.

이에 따라 지난 2019년 6월 발표한 정부의 제3차 에너지기본계획(2019~2040년)에 따르면 신재생에너지 비중을 2040년까지 30~35%까지 확대하기로 발표했다. 

특히 108개국 및 22개 주요 도시 대표가 참가한 2019 서울 세계재생에너지총회에서는 글로벌 에너지전환을 가속화하기 위해 국제기구 및 범부처간 협력을 강조한 바 있으며 올해 그린뉴딜정책 추진으로 재생에너지보급은 더욱 가속화될 전망이다.

국내 태양열, 글로벌시장서 ‘미미’
글로벌 태양열시장은 지난 십수년간 많은 성장해 왔다. 최근 10년간 누적설치용량은 480GWt로 6억8,500만m²의 집열시스템이 설치됐다. 이는 태양열시장이 결코 작은 시장이 아니라는 것을 보여주는 결과이며 풍력, 태양광과 거의 맞먹는 누적보급량을 기록하고 있는 것을 알 수 있다.



재생에너지 중 국내에 가장 먼저 보급된 열원은 태양열시스템이다. 초창기 기술력과 사후관리 대응 부족으로 태양열시장이 위축된 것이 사실이다.

국내의 태양열시장은 초라하게 느껴지는 이유는 결국 정책과 제품의 포트폴리오에 문제가 있었기 때문이라는 평가다.

업계의 한 관계자는 “국내시장에 적합한 제품과 이 제품을 공급할 수 있는 적절한 정부정책의 부재가 현재의 태양열시장의 현실로 나타났다고 해도 과언이 아닐 것”이라며 “최근 국내 신재생에너지보급정책이 풍력, 태양광, 지열에너지 등에 집중됨에 따라 국내 태양열관련 시장이 지속적으로 위축되고 관련 시장이 침체돼 있는
상황”이라고 지적했다.

실제로 현재 국내 태양열시장 규모는 2018년 기준 2만㎡ 미만으로 세계 시장규모의 1% 미만에 불과하다.



특히 해외시장을 보면 국가별로 중점 보급하는 분야가 다 다르다. 예를 들면 중국은 가정용 태양열온수기, 북유럽은 계간축열 등을 이용한 지역난방시스템, 멕시코‧인도 등은 산업용 태양열시스템 등 국가별 특성에 맞는 제품을 공급해 성공적인 시장을 구축한 바 있다. 

하지만 우리나라는 수십년전 시장초기부터 오로지 태양열온수기와 난방겸용기기만 보급했다. 이마저도 약 20여년전 심야전력기기의 대두와함께 몰락했다.

태양열시장 침체 이유 ‘결국 경제성’
국내 신재생에너지 보급정책에 있어서 태양열에너지산업이 침체된 사유는 독일, 덴마크 등 해외 태양열에너지 활용 선진국가의 경우 소규모 난방 및 급탕으로의 활용이외에도 대규모 상업시설에도 적용하고 태양열발전소 등에도 적용해 보급을 확대하고 있는 추세이나 국내의 경우 소규모 난방 및 급탕으로의 활용에 그치고 있기 때문이다.

또한 중대형 건물에 열에너지로 활용하는 경우 태양열 집열기를 난방 및 급탕수요 건물의 지붕이나 바닥에 설치해야 하는데 도심지역의 경우 많은 설치면적에 따른 경제성 저하와 민원발생이 문제가 되고 있다. 태양광발전설비가 교외에 설치돼 비교적 민원발생이 적고 통합 전력망을 통해 에너지이송이 쉽다는 장점과 대비되는 상황이다.

또한 국내의 경우 태양열에너지 활용을 대부분 난방 및 급탕에만 활용함으로 인해 하절기 열부하 감소 시 태양열 재생열원을 거의 활용하지 못해 투자비대비 경제성이 떨어진다.

특히 하절기 잉여 태양열 온수를 이용한 저온수 냉동기시스템도 일부 보급됐으나 일사량 부족 시 냉난방을 위한 보조 열원설비(보일러)가 추가로 필요해 기존 도시가스나 전기를 이용한 냉난방기기에 비해 많은 설비투자가 요구된다.

업계의 한 관계자는 “만약 당시에 산업용 태양열이나 계간축열시스템 등 새로운 제품이 적기에 개발돼 보급됐다면 현재 태양열시장 상황은 크게 달라졌을 것”이라며 “이제 과거에서 얻은 교훈으로 국내의 태양열시장을 부흥시켜야 한다”고 밝혔다.

결국 침체된 시장의 부흥은 기존 제품의 개선이나 사후관리 개선만으론 한계가 있으며 소비자의 눈을 번쩍 뜨이게 할 수 있는 새로운 제품군의 등장만이 시장에 불을 붙일 수 있다.

R&D만이 태양열시장 부흥 열쇠
2017년까지 태양열분야 R&D 지원실적은 728억원 규모에 달한다. 저온 태양열 집열‧축열기술과 대규모 태양열 복합화 및 산업이용 기술이 주를 이뤘다.

지난 2005년 이전에는 주로 저온 태양열집열‧축열기술과 시스템 운영기술에 중점적으로 기술개발사업이 진행돼 왔다.

2008년부터 태양열발전과 관련해 타워형, 태양열 반사판 등의 기술개발이 이뤄졌으나 사실상 실패한 R&D로 기억 속에 남아있다.

또한 2009년 창호일체형 태양열 집열기 및 시스템, 하이브리드 흡수식 냉방시스템 개발 등이 완료됐으며 에이팩은 국내 최초로 단일 진공관형 집열기 개발 완료 및 양산설비도 구축했으나 현재 에이팩은 태양열시장에서 보이지 않는다.

특히 태양열발전기술은 200kW급 타워형 태양열발전시스템과 반사판 코팅 기술개발을 완료했으나 화재로 인해 사실상 태양열발전시설은 국내에 남아있지 않다.

태양열의 건물적용과 발전 등에 대한 관심이 높아지면서 건물 적용 복합기술, 다양한 형태의 집열기 개발, 태양열 에너지 활용처 다양화 등을 위한 지원이 이뤄지면서 2014년에는 태양열 주열원식 캐스케이드 제습냉방시스템 개발, 10kW급 태양열발전용 고효율 저중량 집열시스템 개발, 2015년에는 태양열 및 공기열 선택 가능한 복합집열기, 태양열 주열원식 하이브리드 냉난방 및 열발전시스템 실증 기술개발 등이 추진됐다.

2017년 250℃ 이하의 산업공정열 공급용 집광형 태양열 플랜트 핵심기술 개발(주관기업: 선다코리아)과 온수자립형 태양열‧광 복합 일체형 온수기 개발(주관기업: 세한에너지)이 추진돼 성공적인 기술개발로 평가받고 있다.

또한 실증과제인 ‘PVT(태양광+태양열) 복합패널과 축열 및 지열히트펌프를 활용한 제로에너지타운 실현을 위한 신재생 융복합 열에너지 공급시스템 개발(주관기업: 장한기술)’을 통해 국내 최초로 BTES(Borehole Thermal Energy Storage)방식 계간축열을 실증단지에 구축해 유효성을 확인하는 성과도 올렸다.

과학기술정보통신부가 지원하고 에너지기술연구원이 실증연구를 수행하고 있는 진천 친환경에너지타운도 태양열산업의 미래를 보여준 대표 현장이다.

국내 최초로 다양한 신재생에너지 융복합 기술을 활용해 에너지수요를 자체적으로 충당하는 미래형 에너지단지로 구축됐기 때문이다.

특히 에너지기술연구원의 분석 결과 실증 1년간 계간축열조와 연계된 태양열시스템으로부터 약 63%의 난방 및 온수급탕 열원이 직접 공급됐으며 남은 열을 히트펌프의 저온열원으로 활용해 만든 에너지까지 포함하면 약 80%의 열에너지(약480MWh)를 공급한 것으로 나타났다.

에너지기술연구원의 관계자는 “진천에너지타운의 핵심은 계간축열조”라며 "봄부터 가을까지 생산된 태양열에너지 중 사용되지 않고 버려지는 잉여 태양열을 저장했다가 겨울철 난방 및 온수급탕에 이용하기 위해 사용되는 열저장조가 바로 계간축열로 태양열시스템의 열원생산 불균형을 해결할 수 있는 솔루션”이라고 강조했다.

특히 신재생 및 미활용에너지 기반의 에너지공급시스템을 갖춘 진천 친환경에너지타운은 정부가 추진 중인 스마트 제로에너지시티(Smart ZEC) 연구개발의 테스트베드로도 활용되고 있어 다양한 에너지원의 효율적인 융복합 이용과 에너지거래의 실증사이트를 더욱 주목받고 있다.

‘제로에너지건물 구현을 위한 0.8kW/m²급 모듈화형 태양광‧태양열 융합시스템 및 운영기술 개발(주관기업: 이맥스시스템)’을 통해 제로에너지건물 의무화에 최적인 열‧전기 융합시스템으로써 PVT가 건물의 전력 및 냉난방부하를 자립할 수 있는 경제적인 시스템임을 알렸다.

특히 복합 계간축열식 태양열 및 지열원 히트펌프가 적용된 재생에너지 융복합시스템 기반 ‘에너지자립형’ 스마트팜 실증사업도 본격적으로 추진된다. 

에너지자립형 스마트팜은 비닐하우스 같은 시설이나 기계장치를 설치하는 시설농가에서 사용되는 에너지를 화석연료 대신 태양광‧열(PVT), 지열 등 다양한 신재생에너지원으로 대체해 에너지를 저장 및 공급하는친환경적이고 효율적인 미래형 온실로 평가받고 있다.

스마트팜에 적용될 ‘태양열을 활용한 에너지 생산‧저장‧관리 및 실증모델 구축(주관기관: 에너지기술연구원)’ 과제도 주목받고 있다. 시설원예에 태양열을 적용해 농촌 에너지자립을 돕기 위한 실증형 연구과제로 신재생에너지 저장기술과 농업기술과의 융합형 산업화 모델이 개발된다.

특히 여름철 남는 열을 저장했다가 겨울철 온실 열공급에 활용할 수 있는 계간축열시스템이 적용된다. 이를 통해 태양열 계간축열을 더욱 효과적으로 이용하기 위해 히트펌프와 계간축열을 연계한 고효율시스템이 개발될 것으로 기대된다.

한편 산업부는 최근 ‘제5차 신재생에너지기본계획’을 발표하며 태양열분야 중장기 기술개발 계획을 발표했다. △집열기70% 수준 저가화 과열동파방지 예지 사용화를 위한 ‘전일사 고효율 집열, 저가화 및 고신뢰성 기술’ △열‧전기 복합에너지효율 70% 120℃ 중온 집열효율 60%의 ‘건물용 태양열기반 냉온열공급시스템 고신뢰성 및 지능화 기술’ △150kWh/m³ 이상 수준 소재기반 장기열저장 실용화를 위한 ‘고밀도 저손실열에너지 저장기술’ △태양열기반 냉온열공급 보급형 상용화모델 다양화를 위한 ‘지열 및 산업용 대규모 태양열기반 냉온열공급시스템 기술’ △시스템인증 및 장기신뢰성 평가기반 구축을 위한 ‘태양열설비 성능 및 품질인증평가 고도화
기술’ 등이다.



최근 10여년간 관련기업들의 투자와 기술개발로 태양열분야 보급 확산이 증가추세다. 특히 한국에너지공단 보급사업을 통해 주택, 복지시설, 의료시설, 공공시설 등 다양하게 보급이 이뤄지고 있으며 대규모 공장 산업열에도 많은 보급이 이뤄지고 있다.

또한 급탕 및 난방, 산업공정열뿐만 아니라 중온용 집열장치를 이용한 농수산물 및 하수슬러지 건조시스템, 계간축열조를 이용한 태양열시스템 등 다양한 분야로의 기술개발을 추진하고 있어 앞으로 태양열분야 보급 확산을 크게 기대할 수 있다.

업계의 한 관계자는 “현재 산업용 태양열, 계간축열시스템, PVT융합시스템, 태양열냉방 등 국가과제로 많은 제품들이 개발됐거나 개발 중”이라며 “산업계에서는 고품질의 신뢰성 높은 제품을 상용화하고 정부는 적절한 보급정책으로 시장을 이끈다면 머지않은 미래에 대한민국의 태양열시장이 재생에너지시장의 자이언트가 될 것”이라고 확신했다.