세계 태양열 이용기기 판매량을 추이해보면 2007년 2,830만m2가 되었다1). 이 가운데 중국이 75%가 넘는 양을 차지하고 있으며, 유럽도 약 11%(300만m2)를 보유하고 있다. 중국은 경제 발전에 의한 생활수준의 향상에 따라 에너지 수요가 증가했지만 에너지 공급이 취약함에 따라 신재생에너지 보급이 급속히 증가한 것으로 보인다. 최근에는 12층 이하의 건물에 태양열 이용기기의 설치의무를 마련한 곳도 있을 정도다. 유럽에서는 설치의무나 투자지원, 세금우대 등 여러 정책을 조합시켜 시장을 확대하고 있는 국가가 많다. 그 중 독일은 태양전지에 고정가격 매입제도를, 태양열 이용에는 투자 지원금이나 자연에너지 열 이용의 의무화 등을 실시해 시장 규모를 확대시키고 있다.

태양열 이용은 투자 원가가 적고, 에너지 절약 및 CO2 삭감 효과가 높은 귀중한 에너지로 세계 각국이 보급에 힘쓰고 있다. 이에 비해 일본은 태양열 이용에 대한 국가의 눈에 띄는 지원이 없고, 최근 판매량은 전 세계의 불과 1% 정도에 지나지 않을 정도로 침체되어 있다. 그림 1에 일본과 독일의 태양 집열기의 판매량 추이를 나타냈다.

일본은 석유 위기 후 태양 집열기의 판매가 급격히 증가하기도 했지만, 그 후 석유 가격이 다시 낮아지고 안정되어가자 태양 집열기의 판매는 감소했다. 2008년은 석유 가격이 급등했기 때문에 판매량의 전년비 27%가 증가했다.

한편 독일은 석유 위기 전후에는 태양 집열기 판매량이 증가하지 않았지만 그 후 급격히 증가하고 있는 것을 볼 수 있다. 독일은 체르노빌 원자력 발전소의 사고로 원자력 발전 반대 운동이 급속히 활발해졌고, 그 결과 에너지 공급구조의 변화를 촉구하는 정책이나 자연에너지 확대의 정책 유도를 적극적으로 실시해 오게 되었다.

태양열 이용기기의 현황

태양에너지 중에서도 특히 태양열은 국지적인 자연 에너지로, 수요지에서 직접 열에너지를 얻을 수 있는 클린 에너지이기도 하다. 이러한 태양열은 현재 많은 용도로 사용되고 있는데, 급탕, 냉·난방뿐만 아니라 건조, 증류 등의 열원이 된다. 현재 태양열 이용은 각국에서 연구되어 일부 상업 운전되고 있으며, 세계에서 가장 많이 사용되고 있는 것은 태양열 급탕 및 태양열 난방이다.

일본의 태양열 이용은 1980년에 판매 성수기를 맞이한 후 에너지 가격의 저렴화·안정화가 계속되며 수요가 침체하고 판매량이 감소해, 현재는 6만대 정도의 규모가 되었다. 시장이 축소됨에 따라 기업의 개발 의욕이 감퇴하고, 최근 수 년 전까지는 적극적인 신제품 투입이나 개량을 하지 않고 있다. 그림 2에 최근 10년 동안의 태양열 이용기기의 판매 추이를 나타냈다.

일본은 2002년부터 일부 주택용 태양열 이용기기에 보조금을 지급했지만, 주택용 태양광 시스템을 대상으로 하고 태양열 온수기는 대상에서 제외해 한정적인 보조 정책을 펼친 바 있다. 이 정책은 국민에게 태양열의 효과나 실력을 알릴 수 없었던 점, 기업의 신제품 투입이 늦어진 점 등에 의해 보조금의 사용 건수가 늘어나지 않아 제도는 4년 만에 끝났다. 2008년에는 일시적으로 원유가 급상승해 매출이 전년 대비 27% 늘어났지만, 그 후 세계 경제의 급락에 따른 원유 가격 하락에 의해 성장이 정체되고 있다.

한편 에너지 공급구조 고도화법에 따라 에너지 사업자의 역할이 명확해지고, 이를 계기로 에너지 사업자가 자연에너지를 포함한 전략적인 활동을 하게 되었다. 또한 개정된 에너지 절약법에 따라 주택이나 건축 사업자에 대한 에너지 절약 기준도 강화되었다. 이에 대해 2009년도에 시작한 도쿄의 태양에너지 이용 확대 정책은 태양광발전과 태양열 이용을 채택해 10년분의 환경 가치를 매입한다고 하는 명목으로 보조금을 지급한 것이다. 그 외 지방자치체의 환경정책은 구체적인 전개를 보이는 동시에 태양열 이용의 의무화를 검토하고 있는 자치체도 있지만, 그에 비해 국가는 법률의 입안이나 그린 열 증서 등의 검토를 실시하고 있어 태양광발전에 비교해서 구체적인 정책이 늦어지고 있다. 그러나 에너지 사업자나 도쿄도, 지방자치체의 활동이 구체적이 됨에 따라 태양열 메이커도 새로운 제품 개발을 진행해 2008~2009년에 걸쳐 새로운 제품이 투입되고 있다.

보급을 위한 과제

세계의 태양열 시장은 순조롭게 증가하고 있지만, 일본은 아직 긴 시장의 침체에서 완전히 벗어나지는 못했다. 도쿄 등의 확대 정책에 따른 시장의 동향을 보면 종래로부터 일컬어지고 있는 제품이나 판매 방법, 서비스·보수의 과제는 개선되고 있지만, 여러 가지 이유로 인해 태양열 이용의 의의나 효과를 사용자에게 널리 전하지 못하고 있다.

태양열 이용이 제대로 보급되지 못한 데에는 태양열 시장의 오랜 침체가 가장 큰 원인이 되었다. 때문에 태양열의 좋은 점과 효과가 소비자에게 잊혀져 버린 것이다. 또한 기업의 PR 노력에 한계가 있고, 미디어의 정보나 정책이 다른 에너지원으로 치우쳐 소비자에게 태양열 이용의 효능을 다 전하지 못하고 있다. 뿐만 아니라 태양광발전과 비교해 보조금 등 인센티브가 없어 소비자의 주목을 끌기 어려웠으며, 지금까지 오랫동안 새로운 상품이 시장 투입되지 않았던 것 역시 소비자의 주목을 끌지 못하는 이유가 됐다.

정부와 업계는 전문가와 함께 장기적인 목표와 로드맵을 작성해 국민에게 알기 쉽도록 설명하고, 목표를 달성하기 위해 정부, 업계, 국민이 서로의 역할을 달성해 나가는 것이 중요하다. 지금은 태양열 기기 메이커가 새로운 기술개발이나 상품 개발에 계속적인 투자를 하는데 충분한 시장을 우선 구축하는 것이 중요하며, 그것을 위해서 CO2 삭감 효과를 기초로 한 정책 유도가 중요하다. 먼저 시장이 구축되면 각 사가 경쟁하면서 신기술, 신상품이 투입되면 시장의 활성화를 기대해 볼 수 있다. 현재 태양열 이용의 가치를 이해하는 정부와 에너지 업계, 태양열 업계 등을 끌어들이는 새로운 확대 정책이 계속 진행되어 신제품이 출시되고 있다.

가정 분야에서의 태양열 이용

가정 분야의 에너지 소비는 그림 3에 나타나 있듯 급탕이나 난방 등 낮은 온도 수준으로, 약 57%가 태양열 이용에 적합한 저온의 열부하이다. 이는 적정한 규모의 태양열 급탕 시스템을 1년간 사용했을 때 약 30~50% 정도의 효율을 얻을 수 있다는 말이다. 이 수치는 태양광발전의 10~15%와 비교하면 높은 수치로, 시스템에 따라서는 보다 더 높은 효율을 얻을 수 있어, 작은 집열면적으로 에너지 취득량, CO2 삭감량이 크다. 또한 태양열 이용은 보완하는 열원을 선택하지 않고 등유, 가스, 전력 등 이들 중 하나의 열원과 조합할 수 있다.

Y사의 상품을 기본으로 태양열 이용과 태양광발전을 같은 지붕점유면적(4~10m2)당 CO2 삭감량을 비교한 결과를 그림 4에 나타낸다(4m2은 집열펌프의 구동에 태양전지를 이용하고 있다. 6~10m2의 시스템은 상용 전원을 이용해 구동하고 있다). 그림에서 세로축은 세대의 급탕 및 전력에 대한 태양 의존율을 나타내고, 가로축은 설치면적을 나타낸다. 연간 급탕 부하는 1만7,400MJ, 연간 전력 부하는 5,600kWh로 했다. 원의 크기와 숫자는 CO2 삭감량이다. CO2 삭감량은 460~660kg-CO2/년 정도가 된다.

4m2 정도의 면적에서는 태양열 이용이 태양광발전의 약 2배의 CO2 삭감량이 된다. 단, 주택에서는 급탕 부하가 한정되어 있어 너무 많은 열을 얻어도 사용할 수 없기 때문에 집열면적이 커지면 태양광발전과의 CO2 삭감량의 차가 좁아지게 된다. 그림 4의 태양열 이용의 CO2 삭감량은 집열펌프의 소비 전력에서 발생하는 CO2를 상쇄하고 있다.

집열펌프의 운전에 따라 발생하는 CO2량은 태양열에 따른 CO2 삭감량의 10~20%를 차지한다. 따라서 새로운 기술개발 요소로써, 최근의 태양열 이용기기는 집열펌프의 구동에 저소비 전력의 직류펌프나 구동 동력에 태양전지를 채용해 집열펌프의 전력 소비에 따른 CO2 배출량을 억제하고 있다. 또한 평판형 집열기의 성능 향상 기술로써 진공을 키워드로 한 기술개발이나 각종 급탕기와의 시스템화 기술, 에너지 수치나 CO2 삭감 효과의 표시 기술, 방법 등이 연구·개발되고 있다.

자연 순환형 태양열 온수기는 일본에서 가장 판매량이 많은 형식이지만, 최근 수년째 개량품이나 신제품은 출시되지 않고 있다. 한편 주택용 태양광 시스템은 자치체나 에너지 사업자가 태양열 이용을 신중하게 생각하기 시작함으로써 각 메이커가 신상품의 출시를 서두르고 있다. 최근 1~2년에 발매 및 발매 예정인 태양열 이용 신제품의 리스트를 표 1에 나타낸다.

각 메이커에 공통하고 있는 최근 제품의 경향은 비교적 작은 집열면적이나 저탕조로, 설치면적을 좁게 하고 도시의 비교적 작은 주택이나 협소지에서의 설치를 용이하게 함과 동시에 가격을 줄여 사용자가 구입하기 쉽도록 설정하고 있다. 또한 급탕기로써의 기능을 포함한 급탕기 일체형의 태양열 급탕 시스템이나 지금까지 효율이 좋은 조합이 가능하지 않았던 전기(에코큐트)와 태양열의 조합 제품이 발표·발매되게 되었다.

더불어 태양열이 어느 정도 유효하게 사용되었는가를 표시하기 위한 에너지 모니터(그림 5)가 많은 제품에 장비되어 있다. 이것은 태양열의 효과를 사용자의 눈으로 보고 확인할 수 있는 기능으로, 에너지 절약량이나 CO2 삭감량을 모니터를 통해 눈으로 확인해 봄으로써 보다 에너지 절약을 고안할 수 있다.

동시에 주택의 외관을 훼손시키지 않는 디자인이나 지붕 일체에 설치할 수 있도록 고안되어 필요한 부재를 준비하고 있는 곳도 있다. 지금까지 태양열 이용 기기는 집합주택에 대해 설치가 어려웠지만, 집합주택 시장을 노린 발코니 설치의 태양열 이용 시스템도 2010년에 시장 진출이 계획되어 있다. 동시에 단독 주택의 지붕 이외의 곳곳에 집열기의 설치가 가능한 검토가 실시되고 있다.

다양한 태양열 이용 시스템

그림 6은 가스 급탕기를 내장한 저탕 유닛을 사용한 태양열 이용 시스템의 구조를 나타냈다. 이 시스템은 기존의 시스템 및 급탕기의 조합과 비교해 두 가지를 잇는 블렌더 등의 기능을 장치하는 것이 가능하고 기기나 배관이 간소화되어 비용 삭감이 가능하다. 저탕조 외부에 플레이트형 열교환기를 설치해, 집열회로의 열매와 저탕조 하부로부터 펌프로 보내지는 물 사이에서 열을 교환해 저탕조 상부로부터 순차 축열하는 방식이다. 이와 같은 시스템은 집열 시 온도성층을 만들기 쉽다는 이점이 있다. 저탕 온도가 충분하지 않은 경우에는 내장된 가스 급탕기를 연소해 설정된 온도로 물을 데워 사용할 수 있다.

그림 7, 8은 에너지 사업자가 개발을 진행하고 있는 발코니 설치형 태양열 급탕 시스템으로5), 맨션이나 집합주택의 난간과 일체로 집열기를 설치해 집열하고, 열매를 저탕조로 순환해 저탕 탱크 내의 물을 데운다. 집열량이 부족한 경우는 내장한 체열회수형 급탕기로 가열해 설정 온도로 급탕할 수 있다. 집열기와 같은 식으로 난간에 설치된 태양전지에 의해 집열펌프를 운전해 집열하기 때문에 태양열 시스템에서는 외부로부터의 동력을 필요로 하지 않는다. 동시에 이 시스템은 발코니의 디자인이나 강도, 유리가 깨졌을 때의 안전성이나 보수성을 중시하고, 배관의 수납을 고려해 설계되어있다. 집열면적은  2~3m2, 저탕량은 약 100L이다. 이 사양으로 4인 가족의 경우, 급탕 부하의 10~20% 정도를 태양열로 조달할 수 있다.

그림 9는 태양에너지에 따라 온수를 만드는 태양열 이용 시스템과 야간에 공기의 열을 이용해 온수를 만드는 에코큐트를 조합시킨 급탕 시스템이다. 저탕조의 관체에는 태양열 집열용, 데움 보온용, 욕조의 남은 온수의 열회수용의 3가지 열교환기가 내장되어 있다. 욕조의 남은 온수의 열회수란 입욕 후 욕조의 열을 낭비하지 않기 위해서 열에너지를 회수해 저탕조의 온도 상승에 이용하는 기능이다.

지금까지 전기 온수기나 에코큐트는 심야 전력을 사용하기 때문에 새벽에 80℃ 전후의 저탕 온도가 되어 한나절 태양열을 유효하게 집열할 수 없어 시스템화하기 어려웠다. 태양열과의 시스템화에서 가장 큰 문제가 되는 것은 다음날 날씨에 따라 끓는 양을 조절하는 것이다. 즉 다음날이 맑다고 예측할 수 있다면 히트펌프의 끓는 온도를 낮게 설정해 부족한 분을 다음날 태양열로 끓여 에너지를 절약하고 동시에 급탕 효율을 향상시킬 수 있다. 이 시스템은 급탕 사용량 학습기능과 날씨 예측기능을 조합해 다음날 필요한 끓는 온도나 양을 학습기능으로 예측하는 동시에 다음날의 날씨를 자동적으로 예측해 집열량을 고정밀도로 계산한다. 이러한 기능을 통해 히트펌프의 끓는 온도를 제어해 에너지의 낭비를 없애는 시스템으로 급탕 효율을 개선하고 있다.

그 결과 집열면적 4m2 정도로 설치한 경우, 에코큐트 단체에서의 연간 급탕 효율 약 3.1이 병용 시스템에서는 연간 급탕 효율이 5 정도로 향상된다. 지역에 따라 약간 다르지만 재생가능 에너지 등의 이용이 대체적으로 80%로 올라, 투입 에너지양은 20% 정도가 된다.

집열기는 건축 디자인에 맞춘 설계가 요구되어 설치 장소도 포함해 새로운 타입이 고려되고 있다. 그림 10은 태양전지와 같은 사이즈의 1m2의 집열기로 해, 미관을 향상시키는 동시에 집열기를 설치하기 쉽고, 태양전지를 병설했을 때에도 위화감을 주지 않는 사이즈, 형상으로 되어 있다. 설치가 간단하고 시공비용이 저렴한 지붕설치 구조로, 태양전지와 같은 식으로 지붕에 직접 일체형으로 설치하고 있다.

향후 태양열 이용의 전망

태양열 이용은 에너지 효율이 높고 석유나 가스, 전기 등 기존의 에너지와 접속할 수 있어, CO2 삭감 효과가 크기 때문에 에너지 절약이나 지구 온난화에 일정한 역할을 달성할 수 있다. 또한 이번 기사에는 기술하지 않았지만 난방에도 많이 이용되어, 본질 펠릿 보일러 등과의 조합에 따른 CO2 중립적인 급탕이나 난방도 연구되고 있다. 앞으로는 급탕이나 난방뿐만 아니라 냉방이나 열 발전, 담수화 등 다양한 기술이 연구 개발되어 나갈 것이라고 생각된다.

해외의 예를 보면 알 수 있듯이 태양열 이용의 보급 확대는 국가의 구체적인 확대 정책이나 에너지 공급력에 크게 의존하고 있다. 태양열 이용의 확대를 위해서는 에너지 정책 안에서의 자리매김을 명확하게 하고, 태양열 이용의 유효성을 국민 한 사람 한 사람에게 이해시키도록 널리 계발함과 동시에 수요를 환기시켜 보급을 확대해 나가는 것이 행정이나 업계에게 기대하는 점이다.

무엇보다 태양열 이용의 보급 확대를 위해서는 정부가 이를 정책적으로 유도하고, 업계는 매력 있는 기술이나 상품을 개발해야 할 것이다. 현재 새로운 태양열 이용 상품의 개발이 태양열 업계뿐만 아니라 행정이나 주택 업계, 에너지 업계에서 진행되고 있다. 앞으로는 보다 많은 매력 있는 새로운 상품이 발표되어 보급 확대가 진행되기를 기대한다. 또한 태양열 이용의 효과나 LCCO2의 해석 및 보다 범위를 넓힌 LCA를 실시해 과학적 근거를 바탕으로 국민의 이해를 높이기 위해 각종 정보 수집, 분석을 계속적으로 광범위하게 진행해 많은 사람에게 올바른 지식을 전달할 필요가 있다.

일본은 민주당 정권이 되면서 2020년까지 CO2 25% 삭감이라고 하는 목표가 제시되었다. 그러나 구체적인 정책이 제시되지 않았기 때문에 태양열 이용의 취급은 명확하지 않다. 가정용이나 업무용의 CO2 삭감에 대해 태양열 이용은 저원가이며 효과가 큰 기기로, 구체적인 정책 유도가 요구된다.

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