한국에너지기술연구원은 에너지기술 분야의 연구개발·성과확산 등을 통해 국가 성장동력 창출과 국민경제 발전에 기여함을 목적으로 설립돼 국가 에너지안보·탄소중립 문제를 동시에 해결하기 위한 연구에 앞장서고 있다. 

에너지기술연구원 재생에너지연구소는 △태양광·신재생열융합기술 △에너지저장시스템 △소재기술개발 등을 진행하고있다.

 

주홍진 재생에너지연구소 신재생시스템연구실 박사는 PVT·태양열기반 신재생열융합시스템 설계 연구 등을 진행한다. 주홍진 박사를 만나 국내·외 PVT시장동향과 연구개발성과 등을 들어봤다.

 

■ 태양열업계에서 PVT를 주목하고 있다. PVT란 어떤 기술인가
PVT복합모듈은 태양광모듈과 태양열집열기가 결합한 단일모듈이다. 전기와 열을 동시에 생산해 재생에너지 설치면적이 제한적인 건물에 적용하면 설치공간 활용성을 극대화할 수 있지만 열을 제대로 회수하거나 배출하지 못할 때 전기생산효율이 떨어지는 문제가 있으며 기존 태양열집열기보다 낮은 온도의 열을 생산한다. 

 

PVT모듈은 크게 액체식과 공기식으로 구분된다. 공기식모듈은 제작이 쉽고 유지관리가 편한 장점이 있으나 PVT로부터 획득한 열에너지를 저장하는 데 어려움이 있어 주로 낮에 직접적으로 열에너지를 활용하는 건물에 설치된다. 

액체식모듈은 전기우선 생산형인 유창형모듈과 무창형모듈로 구분된다. 유창형PVT는 태양광모듈 전면에 커버유리가 존재해 모듈 전면으로 열손실을 감소할 수 있어 50℃ 이상 중온수도 생산할 수 있으나 전기생산효율은 떨어진다.

 

무창형 PVT는 PV모듈 전면에 커버유리가 없어 열손실이 크며 저온 열에너지만을 획득할 수 있지만 유창형에 비해 전기생산량이 높다.

 

■ 해외시장과 국내시장을 비교한다면 
‘IEA SHC Solar Heat World Wide Endition 2023’에 따르면 전 세계적으로 약 43개 PVT 제조기업이 있으며 2017년부터 2020년까지 연평균 9%의 높은 성장률로 시장이 확대되고 있다. 

2022년까지 전 세계에 설치된 PVT모듈면적은 152만4,945㎡로 열에너지 기준 789MWth, 전기에너지기준 276MWpeak 용량이 설치됐다. 2022년 신규로 설치된 PVT의 경우 액체식PVT가 100%로 무창형 87.3% 유창형 12.4%의 비율로 설치됐다.

국가통계포털 자료에 따르면 2022년 기준 국내 신규 설치된 태양열집열기는 2만3,336㎡로 연간 약 300억원 규모의 작은 시장이다. 태양열시장이 이렇게 소규모로 형성되는 것은 현재까지 열에너지자립에 대한 관심도가 선진국에 비해 적은 것으로 판단된다. 

PVT보급확대를 위해 열에너지 관심증대와 관련 정책제도가 마련돼야 하며 올바른 시장 형성을 위한 기술적 검증과 신뢰성도 뒷받침돼야 한다.

 

■ PVT 연구개발 현황과 성과는

이맥스시스템과 R&D를 통해 유·무창형 PVT모듈을 개발했다. 무창형 PVT모듈은 산업통상자원부 국가기술표준원 ‘산업융합신제품적합성인증’을 통해 공공기관에 PVT모듈을 납품할 수 있는 인증서를 발급받았다.

 

최근에는 건물외벽을 PVT로 대체 할 수 있는 건물일체형 액체식BIPVT를 R&D를 진행했다. 이는 커튼월방식으로 시공가능한 PVT모듈을 개발하고 있다.

 

■ 국내 PVT표준화 동향은
국내 PVT시장은 KS표준 인증심사기준 부재로 공식적인 인정을 받지못하고 있으나 표준 초안이 최근 도출됐으며 지난 6월 PVT표준·인증심사기준 제정을 위한 공청회가 열려 이른시일 안에 PVT모듈에 대한 KS표준·인증심사기준이 만들어질 것으로 예상한다.

 

■ PVT시장 전망은
전 세계 PVT시장에 비해 국내시장은 이제 막 태동기에 들어선 수준이라고 할 수 있다. 현재 국내에서도 PVT에 대한 관심이 지속적으로 증가되고 있으며 여러 기업에서는 PVT를 신규 사업아이템으로 준비하고 있다. 
그러나 신규시장 확대를 위해서는 반드시 기술적 검증과 신뢰성이 뒷받침돼야만 소비자들에게 외면받지 않는 올바른 시장이 형성될 수 있다고 생각한다. 

 

■ PVT활성화를 위한 R&D방향은 

PVT모듈은 전기와 열을 동시에 생산하는 융복합모듈로 두가지의 에너지를 동시에 생산할 수 있어 공간활용적인 측면에서 매우 높은 장점이 있다. 반면 열효율이 높을수록 전기 효율이 떨어지는 단점도 존재한다.

현재 전 세계 PVT 보급 통계를 보면 비교적 낮은 온도를 생산하는 무창형 PVT가 주로 보급되고 있다. 이러한 무창형 PVT는 생산되는 온수의 온도가 매우 낮아 단독으로 운전해 온수나 난방으로 직접적인 사용이 어려우며 히트펌프 열원으로 사용하는 것이 가장 적합하다고 할 수 있다. 

국내에는 PVT모듈과 일체화된 히트펌프시스템은 없지만 현재 다각도로 연구가 진행 중이다. 최근 공기열원 히트펌프와 PVT모듈융합시스템을 개발해 실증운전을 수행하고 있다.

 

이번에 개발한 융합시스템은 동절기 저온의 공기열원을 PVT모듈로부터 획득한 태양에너지로 승온시켜 공기열원 히트펌프의 실외기에 공급하는 방식으로 기존에 상용화된 공기열원히트펌프 난방성능계수(COP)를 최대 40% 이상 증가시킬 수 있다. 

 

■ PVT시장 활성화를 위해 필요한 정책·제도적 지원은

PVT모듈은 열과 전기를 동시에 생산할 수 있어 공간활용성이 매우 큰 장점이 있는데 이를 활용하기 위해서는 건물과 융합이 중요하다.

 

건축물에너지효율등급 산정 시 활용하는 건물에너지평가프로그램(ECO2)에 신재생에너지로 PVT시스템이 포함된다면 PVT보급활성화에 기여할 수 있다고 전망한다.
 

 

 

■ 향후 연구계획은
PVT모듈 적용을 위한 핵심은 건물과의 조화로운 융합이라고 생각한다. 건물융합을 위해서는 기술적인 기능 외에도 고려항목들이 많다. 예를들어 BIPVT는 누수문제가 해결되지 않으면 보급이 어렵다. 에너지연은 누수문제를 원천적으로 해결이 가능한 BIPVT 개발을 진행할 계획이다. PVT시스템과 히트펌프시스템 융합기술 역시 향후 반드시 진행돼야 할 연구다.