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[인터뷰] 김준태 공주대학교 공과대학 교수

“BIPVT+히트펌프, 재생E 융복합기술 자리매김”

산업통상자원부와 한국에너지기술평가원이 지원하는 2019년도 에너지국제공동연구사업 중 국립 공주대학교 김준태 교수연구팀의 ‘BIPVT 히트펌프 시스템이 연계된 스마트그리드 기술 개발’ 과제가 선정됐다. 이로써 3년간 총 33억3,000만원의 사업비를 지원받게 됐다. 

이번 과제는 지난 2014~2018년 수행한 ‘모듈러 방식의 공기식 건물일체형 외피(BIPVT: BIPV Thermal) 시스템 개발’이 국내 최초 BIPVT 시스템(10kWp급)을 실증건물에 설치하고 산업부 장관상을 수상하는 등 우수한 성과로 종료된 이후 BIPVT기술과 연계된 후속사업이라는 점에서 주목받고 있다. 이번 과제를 총괄하고 있는 김준대 공주대 공과대학 교수를 만나봤다.  

■ 개발한 BIPVT는 어떤 제품인가 
개발한 BIPVT 패널(집열기)은 태양광발전 모듈과 공기식 태양열시스템을 결합한 형태로 집열효율을 높이기 위해 전면부 PV모듈과 후면부 배플(baffle)을 적용한 새로운 방식의 태양광·열(PVT) 융복합장치다. 이는 캐나다와 공동연구로 진행한 국제연구개발 사업의 성과물로 BIPVT 패널은 건물의 공조시스템과 연동해 제어가 가능한 시스템으로 적용이 가능하다. 

패널의 성능검증 및 교육용 건물에 실증 적용돼 시운전되고 있는 단계로 적용된 공기식 PVT는 패널내부 베플 적용을 통해 공기유동 균일화 및 획득열량을 극대화하기 위한 구조로 설계됐다. 현재 이 패널의 표준화된 성능검증과 실증적용을 통한 성능평가 등이 이뤄지고 있어 제품화를 위한 마무리 과정에 있다. 

■ 실증사이트 운영 현황은 
공기식 BIPVT 패널과 시스템 기술은 천안소재 한 초등학교 건물 증축부에 국내 최초로 실 규모 실증으로 적용됐다. BIPVT 실증시스템의 규모는 PV기준으로 약 10kWp이며 설치패널의 면적은 약 120m², 4개 교실에 환기 및 난방 예열원으로 이용하기 위한 시스템에 연동돼 있다. 현재 실증시스템의 태양광발전과 공기식 태양열시스템의 에너지성능은 자동 계측되고 있으며 향 후 그 결과는 논문을 통해 발표할 예정이다.



■ 국제공동연구사업을 진행하는데  
KETEP(한국에너지기술평가원)을 통해 수행하고 있는 에너지국제공동연구사업은 한국-캐나다간 국제공동연구로 ‘BIPVT 히트펌프시스템이 연계된 스마트그리드 기술개발’ 사업이다. 이번 사업은 태양광·열 융복합 기술인 BIPVT 맞춤형 히트펌프를 개발하는 기술영역과 이 시스템을 스마트그리드와 연계해 운영하는 제어시스템 개발이 포함돼 있다. 

개별 단위의 태양에너지시스템을 계통과 연계해 에너지생산과 이용을 균형있게 조절하는 기법을 적용하고 있다. 이 시스템이 적용되는 건물뿐만 아니라 에너지 수요대응 기법을 통해 에너지공급망의 효율을 증진시키는데 공헌할 것으로 기대하고 있다. 

특히 이번 과제는 청정에너지 R&D 국제협력체인 ‘미션이노베이션(Mission Innovation)’의 첫 번째 주제인 스마트그리드분야에서 캐나다 등 기술선진국과의 협력을 통해 선진기술을 공유하는데도 의미가 있다.

■ 히트펌프와 어떻게 연계되는가 
BIPVT 패널에서 생산되는 공기열원과 히트펌프시스템을 연동하는 것이 중요한 영역이다. 건물에서 필요한 열원과 전기를 동시에 생산하는 BIPVT의 열원특성을 반영해 건물의 냉난방 부하에 대응이 가능토록 특화된 히트펌프 냉난방시스템을 개발하는 것이다. 이와 함께 히트펌프와 열저장탱크(전기온수탱크)의 전력그리드를 제어해 건물에서 재생에너지의 자체 소비를 최대화하고 그리드부하를 억제해 전력계통에 유연성을 제공하는 BIPVT 공기열원 히트펌프시스템이 연계된 스마트그리드 기술이다. 

즉 BIPVT 히트펌프 냉난방시스템에 ICT기술이 통합돼 재생에너지 이용효율을 극대화하는 것이다. 또한 전력계통의 에너지사용을 최소화하고 피크부하를 낮추는 방식으로 재생에너지 냉난방시스템의 경제성을 향상시키는 기술이다. 

■ 파트너국가로 캐나다가 선정된 배경은
주관기관인 공주대학교 산학협력단은 2014~2018년 한-캐나다 국제공동 연구과제를 통해 공기식 BIPVT 컬렉터를 이용한 AHU시스템 연구개발을 성공적으로 수행한 바 있다. 이를 계기로 기관간 지속적인 기술 협력방안을 논의하며 PVT기술뿐만 아니라 건물에서 BIPV 및 PVT 통합, 건물 냉난방부하 저감을 위한 최신의 선도적인 연구방법을 타진하고 있었다. 

캐나다는 미국 국제무역관리국의 ‘스마트그리드 Top Market Report’에서 스마트그리드 정보통신기술(ICT)분야에서 3년 연속 1위를 차지하는 등 스마트그리드분야에서 우수한 기술을 보유하고 있다. 뿐만 아니라 상업, 산업 및 주거부문의 수요대응(demand response) 파일럿 프로그램을 통해 전력계통의 유연성을 탐색하고 있다. 게다가 연방 및 지방정부 차원에서 재생에너지 사용을 늘리기 위해 많은 투자가 이뤄지고 있으며 스마트그리드 프로젝트에 약 2억4,000만달러가 투자되는 등 재생에너지 스마트그리드에 대한 기술 및 시장잠재력이 높은 국가다. 

■ 참여기업 및 기관은 
이번 사업의 주관기관인 공주대학교 산학협력단을 포함해 히프펌프분야는 (주)이너지테크놀러지, 시스템제어분야는 (주)비온시이노베이터가, 해외 참여기관으로 캐나다 CanmetENERGY 등 국내외 4개 기관들이 컨소시엄을 구성해 참여하고 있다. 

■ 기대효과는
이번 과제를 통해 태양광발전과 공기식 태양열을 결합한 건물일체형 PVT 패널의 상용화가 촉진될 것이다. 응용방법으로 건물용 히트펌프와의 연계 및 전력계통 제어기술을 접목해 하나의 시스템 패키지로 성과물을 검증해 조기 상용화 추진이 가능할 것으로 기대하고 있다. 해외 기관과의 협력을 통해 선진기술을 도입하고 해외시장에 접목이 가능한 비즈니스 전략을 수립해 성과물의 해외시장 진출에도 충분한 경쟁력을 갖출 것이다. 
 
이에 따라 BIPVT 컬렉터의 저가화 및 경량화, BIPVT 히트펌프 냉난방시스템 구축, 스마트그리드 연계화 등의 연구개발 성과는 경제성이 확보된 새로운 재생에너지 융복합기술로 자리매김할 것으로 자신한다. 특히 이 분야에서 선도적인 연구를 수행하고 있는 캐나다 연방정부 에너지연구기관인 CanmetENERGY와의 공동연구를 통해 선진화된 연구성과 달성이 기대된다.