태양열(Solar Thermal)발전, 21세기 청정에너지원

태양은 지구의 1백 9배 크기로 이곳으로부터 1억5천만km 떨어진 곳에 위치해 수소 73%, 헬륨 24%로 이뤄진 기체 덩어리로서 초당 3.8×10의 23승kW의 에너지를 우주에 방출하는 거대한 화염이다.

지구는 태양으로부터 지표면 1m2당 7백W의 에너지를 받게 되는데, 이는 다시 말해 지구 전체에 도달하는 태양에너지의 양이 태양 자신이 방사하는 에너지양의 22억분의 1이고 그 에너지량(1.2×1,014kW)은 전 인류의 소비에너지양(1.2×1,010kW)의 약 1만 배에 달하는 것이다.

아직까지 전 세계적으로 태양에너지 연구는 주택의 난방 및 급탕 시스템, 온수기, 농·수산물 건조기, 저가 집열기 및 소규모 태양광 발전 등이 주류를 이루고 있으며, 태양열 발전에 관한 연구는 발전에 필요한 고온 획득 방법과 고온 재료 개발 등이 문제가 되어 큰 진전을 보지 못하고 있다.

2000년대 이후 태양에너지 이용 방법 개발 붐

그러나 지난 '80대 중반 미국에서 10MW급의 태양열 발전 시스템의 실용화가 이루어진 이후 각국에서 집중적인 개발 투자를 계속하고 있어 2000년대에는 가장 강력한 태양에너지 이용 방법으로 광범위하게 보급될 전망이다.

태양열 발전 시스템의 종류는 크게 세 가지로 중앙 집중형 시스템(Central Receiver Solar Thermal Electric Power System)과 분산형 시스템(Distributed Solar Thermal Electric Power System)과 독립형 시스템으로 구분된다. 중앙 집중형 시스템은 태양 추적 장치(Heliostat)라고 불리는 거대한 태양 추적 반사경에서 반사된 태양광을 중앙에 위치한 탑의 한 점에 모아 고열을 얻고, 이 고열로 열교환기 등을 이용하여 고압 수증기를 발생시켜 전기를 얻는 방식이다.

집광비는 1,000 정도이며 증기 터빈은 약 600。C로 운전된다. 분산형 시스템은 선초점형이나 접시형 등 집광 집열기를 이용한 단위 집광 집열 시스템을 다수 분산 배치하여 배관 내에 흐르는 열매체를 가열시키고, 이를 이용하여 Stirling 엔진과 같은 열기관을 구동시켜 발전하는 방식이다. 독립형 시스템(Stand-Alone System)은 앞에서 언급한 집광 집열기를 이용하는 5∼25kWp 급의 시스템으로서 전력 계통으로부터 독립된 소규모 전원으로 이용되는 것을 말한다. 또한 태양열 발전 시스템은 그 규모에 따라 다음과 같이 구분하기도 한다.

소규모 태양열 발전 시스템

수십∼수백 W 범위의 것으로 열효율이 낮고 가격이 비싸며 열손실이 크다. 따라서 소규모 발전에는 태양광 발전 시스템보다 경제성이 없다.

중규모 태양열 발전 시스템

수십∼수백 kW 범위의 것으로 분산형 시스템이 주로 사용되며 다소 경제성이 있다. 태양광 발전 시스템과 특수한 경우에는 경쟁이 될 수 있다.

대규모 태양열 발전 시스템

수백 kW∼수십 MW급으로서 중앙 집중형 시스템이 대부분 여기에 들어간다. 최근까지 수백 kW로부터 수십 MW급의 태양열 발전 시스템이 각국에서 별 문제 없이 운영되고 있으며, 기술적인 문제들이 대부분 해결된 상태이나 아직 대규모 축열 시스템에 대한 연구는 미진한 상태이다. 대표적인 시스템으로는 SEGS(Solar Electric Generating System, Luz 사에서 건설)을 들 수 있다.

태양열 발전의 발전 단가는 '90년대 중반에 이미 상용되어 화력 발전 단가보다 약간 높은 수준까지 떨어졌으며 2000년대 초에는 10Φ/kWh 이하로 떨어질 전망이다. 대규모 중앙 집중식 타워형이 실용화될 2000년대에는 부하 평준화용으로서는 충분한 경제성을 가질 것으로 보인다. 시스템 설치 비용도 현재의 2,000$/kWP 정도에서 2000년경에는 1,000$/kWP 정도까지 낮아질 것으로 전망되고 있다.

이 발전 시스템에 쓰이는 열기관으로는 대규모 시스템인 경우는 일반 화력 발전에 쓰이는 증기 터빈 기술이 채택되고 있으며, 소규모 시스템의 경우는 열효율이 높고 크기가 작은 Stirling 엔진이 많이 쓰인다.

태양열 발전 시스템의 요체라고 할 수 있는 집광 집열기는 선초점형이 상용화되어 있고, 대표적인 분산형 태양열 발전 시스템인 미국의 SEGS에도 채택되고 있다. 접시형 집광 집열기는 규모가 상대적으로 작은 독립형 시스템과 소규모 분산형 시스템에 적합하며 아직은 본격적인 상용화 단계에는 이르지 못하고 있다.

태양열 발전에 있어 가장 앞서 있는 미국은 '90년대 초부터 태양열 발전 기술 개발 계획 ‘Solar Thermal Electric Program’을 의욕적으로 추진하고 있으며, 여기에는 Sandia Lab., NREL 등 국립 연구 기관과 Southern California Edison, 3M 등의 기업이 참여하여 대규모 시스템 개발과 집중식 시스템에 쓰이는 반사경을 비롯한 접시형 집광 집열기 등에 관한 연구를 수행하고 있다.

이러한 개발 투자가 열매를 맺을 21세기에는 태양열 발전이 새로운 에너지원으로 각광을 받게 될 것으로 보인다. 태양 추적 장치 가격이 40$/m2 선에 이르면 태양열 발전 시스템의 경제성도 크게 향상되어 점차 보급이 활발해질 것으로 전망된다.

우리나라에서는 아직 이런 대규모 태양열 발전 시스템을 건설하는 것은 재원이라든가 소요 부지 등의 제약 요소가 많아 실현을 기대하기가 어려우나 태양열 발전은 21세기를 대비할 수 있고 실용화의 가능성이 큰 청정 에너지원이기 때문에 기초 연구 차원의 소규모 발전 시스템 개발은 국책 사업으로 추진할 필요성이 높다.

태양열 47% 지열로 보유 경제성과 효율성 갖춘 청정 에너지

지열에너지는 물, 지하수 및 지하의 열 등의 온도차를 이용하여 냉ㆍ난방에 활용하는 기술이다. 

태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며, 이렇게 태양열을 흡수한 땅속의 온도는 지형에 따라 다르지만 지표면 가까운 땅속의 온도는 개략 10℃〜20℃정도 유지해 열펌프를 이용하는 냉난방시스템에 이용할 수 있다. 우리나라 일부지역의 심부(지중 1~2 km) 지중온도는 80℃ 정도로서 직접 냉난방에 이용 가능하다. 지열을 회수하는 파이프(열교환기) 회로 구성에 따라 폐회로(Closed Loop)와 개방회로(Open Loop)로 구분된다. 일반적으로 적용되는 폐회로는 파이프가 밀폐형으로 구성되어 있는데, 파이프 내에는 지열을 회수(열교환)하기위한 열매가 순환되며, 파이프의 재질은 고밀도 폴리에틸렌이 사용된다. 폐회로시스템(폐쇄형)은 루프의 형태에 따라 수직, 수평루프시스템으로 구분되는데 수직으로 100〜150m, 수평으로는 1.2〜1.8m정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방부하가 적은 곳에 쓰인다. 

개방회로는 수원지, 호수, 강, 우물 등에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는것으로 풍부한 수원지가 있는 곳에서 적용이 가능하다. 

폐회로가 파이프내의 열매(물 또는 부동액)와 지열이 열교환 되는데 반해 개방회로는 파이프 내에서 직접 지열이 회수되므로 열전달 효과가 높고 설치비용이 저렴한 장점이 있으나 폐회로에 비해 운전 유지보수 주의가 필요하다. 

최초 지열시스템 스위스에서 개발

1912년 스위스의 Heinrich Zoelly가 처음 특허를 출원하면서 ‘지열원 열펌프시스템’으로 소개됐다. 1976년 미국 오클라호마주립대학에서 파이프를 지중에 매설하는 지중열교환기를 개발하여 실용화 기반을 마련했다. 1996년 오클라호마 주립대학에서 슬린키(Slinky) 방식의 지중 열교환기를 개발하여 건물 냉난방에 적용됐다. 

1997년 스위스에서는 말뚝형 지중 열교환기를 개발하여 스위스공항에 시범 적용됐다. 일본은 지열 열펌프 시스템의 초지 투자비를 절감시킬 수 있는 분야와 도로 제설(Snow Melting) 분야에 많은 투자를 하고 있다. 

미국 IGSHPA나 ASHRAE는 지열 열펌프 시스템에 대한 실제 적용성 검증 후, 매년 고성능, 다기능의 지열 열펌프 및 지중 열교환기 설치 방법 개발하고 있다.   

현재, 세계적으로 자국의 지중 및 기후조건에 적합한 지열이용시스템을 개발하여 보급하는데많은 투자를 하고 있으며, 특히 냉각탑이나 태양열 집열기 등을 지열 시스템과 혼용하여 중대규모 건물에 적용하는 복합(hybrid) 시스템 개발에 주력하고 있다.  

전 세계적으로 다양한 분야에서 지열 에너지를 활용하고 있다. 2005년도를 기준으로 지열에너지 이용 시설의 용량은 28,269 MWt이며, 연간 273,372 TJ(75,943 GWh)을 이용하고 있다.  2000년 대비 용량은 두 배 증가, 이용량은 43%(연간 7.5%) 증가하고 있다.  

가장 큰 부분을 차지하고 있는 분야가 지열원열펌프시스템을 이용한 건물 냉난방시스템이다. 지열원열펌프시스템이 전세계 지열 에너지 이용량(시설용량 및 이용량) 증가에 주도적 역할을 하고 있다. 

2005년 기준, 지열 에너지 이용 시설용량 중 54.4%(15,384 MWt), 지열 에너지 이용량 중 32% (87,503 TJ/year)가 지열 열펌프 시스템이 차지했다. 설치 건수는 2000년 대비 약 3배 증가했다.  일부 지역에 대한 지중온도 측정 결과 연중 13~15℃의 일정온도를 유지하고 있어, 지열 열펌프 시스템의 열원으로 우수하다.   

일본, 싱가폴, 프랑스, 독일 등은 폐기물 소각율이 높아 고도의 소각기술을 보유하고 있다.  미국 등에서도 폐기물 종류에 따라 기술이 상용화되고 있다.  

우리나라, 기후조건상 지열에너지 보급에 양호 

우리나라의 기후조건에서는 최소 0.3 이상의 가동률(연간 2,000~ 3,000시간 운용가능)을 보이기 때문에 매우 양호한 보급 환경을 갖추고 있다.   

해마다 연구개발에 대한 투자가 증가하고 있으며, 주로 기초 연구와 실증 연구에 집중하고 있다. 중대형 소각시스템이 상용화 된 상태다.  

국내의 지열 열펌프 시스템 보급은 10여개 업체가 주로 외국과 기술을 제휴를 맺고 열펌프를 수입하여 시공·보급하고 있는 단계이다. 

2005년까지 에너지관리공단에 신재생에너지 전문기업으로 등록된 전체 60여개 업체 중, 지열 관련 업체는 약 24개 업체로 40% 점유하고 있다. 2003년 이후 지열 열펌프시스템 보급 증가와 함께 관련 업체도 양적으로 증가하고 있다. 24개의 업체 중, 지열 시스템만 시공하는 업체는 12개이다. 지열관련 24개 업체 중 2004년도 매출실적을 신고한 업체는 10여개로 이들 업체의 종사인원은 총 130여명이다. (업체당 평균 11명), 매출은 약 175억원(업체당 평균 15억원) 정도이다.   

대규모 실용화 단계에 진입하기 위해, 초기 투자비 절감기술 개발과 지열 자원에 대한 체계적 정보망 구축 필요하다. 외국의 장비와 설계공법 등을 적용하는 경우가 많고, 국내의 지질 및 기후조건, 시공조건등을 고려한 신뢰성 및 공사비 검토 필요하다.   

열펌프 유닛인 경우 외국제품(미국)을 수입하여 시공하고 있는 수준이다. 대표적인 유닉제품 제조업체들은 ClimateMaster, Econar, Florida Heat Pump, Trane,  WaterFurnace 등이다. 

현재 일부 국내업체에서 열펌프 유닛을 제작하고 있으나, 신뢰성을 확보하지 못하고 있으며, 국산 장비 및 재료에 대한 성능 검증이 필요하다. 2005년도에 수직형 지열 열펌프 시스템 시공기준(안) 마련했다.  

열펌프 유닛, 지중 열교환기, 전체 시스템에 대한 인증제도 구축 중이다. 일부 업체에서 시공하고 있는 지하수 이용 시스템에 대하여 지하 환경영향 평가 필요하다.  

이건창호, 4년 연속 ‘그린홈 100만호 보급사업’ 참여시공업체 선정

시스템 창호 전문기업 (주)이건창호 (대표 안기명)는 지난해 말에너지관리 공단 산하 신재생에너지 센터가 주관하는 ‘2012년 그린홈 100만호 보급사업’의 태양광주택 참여시공업체로 선정됐다. 

특히 이건창호는 2009년 정부의 ‘그린홈 100만호 보급사업’ 시작부터 내년까지 4년 연속 시공사로 선정되었으며, 그 전신인 ‘태양광주택 10만호 보급사업’ 기간 2년을 포함하면 6년 연속 참여한 것이 되어 그린홈 사업의 대표기업임을 분명히 했다. 

‘그린홈’은 태양광, 태양열, 지열 등 신재생에너지를 도입하고 고효율 조명 및 보일러, 친환경단열재를 사용함으로써 화석연료 사용, 온실가스, 공기오염물질의 배출을 최소화하는 저에너지 주택이다. 정부에서는 2020년까지 신재생에너지 주택인 그린홈의100만 호 보급을 목표로 사업을 추진하고 있다. 이를 위해 태양광, 태양열, 지열, 소형풍력, 연료전지 등의 신재생에너지원을 주택에 설치할 경우 기준단가의 일부를 정부가 무상 지원해준다. 

이건창호는 ‘2012년 그린홈 100만호 보급사업’ 중 태양광주택 분야를 담당함에 따라 설비 시공 시 인증 제품 사용을 의무적으로 해야 하며, 주택용 태양광발전 권장 설치용량 기준에 따라 적정한 설비용량을 주택 소유주와 결정해 시공하게 된다. 

이건창호 박노호 솔라부문장은 “그린홈 100만호 보급사업이 시작된 이래 4년 연속 참여시공업체로 선정된 것은 20년 넘게 시장을 선도해온 시스템창호 전문기업으로서의 안정성과 철저한 사후관리 시스템을 인정받은 것이라 할 수 있다.”며 “앞으로도 신재생 에너지 보급에 앞장서고, 축적된 노하우를 바탕으로 고객이 안심하고 태양광 발전설비를 설치할 수 있도록 최선을 다하겠다”고 밝혔다. 

그린홈 태양광발전과 관련된 자세한 사항은 전화 02)2007-2213으로 문의하면 된다. 

<출처: 이건창호시스템>