분산형 에너지로서의 태양광 완전 이용 시스템

이러한 시스템에 적용되는 태양광 패널은 ‘전열 하이브리드 패널’이라고 부르는데, 이전에는 이 패널을 이용해 ‘전력+급탕’을 중심으로 한 기본 시스템 실현에 주력해 왔다면, 이번 시스템은 여기서 한 발 더 나아가 바닥 난방까지 가능하다는 점이 특징이다. 이른바 ZEH, ZEB 실현에 한 걸음 더 근접한 것이다.

이는 향후 GF기술연구소의 최종목표인 ‘전력+급탕+연간공조’를 출력시킬 수 있는 태양광 완전 이용 시스템의 일보 직전 모델이라 할 수 있다. GF기술연구소는 이번 시스템 성과의 분석 후에 ‘연간 공조’를 포함시킨 최종 시스템 실증 테스트를 진행할 계획이다. 한편, 유럽과 일본시장에서는 태양전지 보급이 확대되고 있다. 이러한 시장 현황을 지켜본 관련 업계 관계자들은 앞으로 태양전지가 재생에너지 기수로서 자리매김할 것으로 기대하고 있다.

하지만 이러한 기대와는 반대로 시스템 성과의 네거티브 유산이 현실화되고 있다는 의견도 다수 존재한다. 바로 일반 전력계통에서 구입하는 전기요금 상승과 경관의 열화와 기상 영향에 따른 설치공간 제약 등이 그것들이다. 이중에서도 계통전력의 전기요금 증가는 이미 유럽에서 심각한 문제로 인식돼 사회적으로 큰 반향을 일으키고 있다. 일본도 예외는 아니다. 2015년 일본의 일반 가정 전기요금이 5,688엔으로 부담이 커질 것이기 때문이다. 이러한 태양전지의 성장과는 별도로 현재 전 세계는 연료전지와 바이오매스 등과 같이 전력과 온열 출력을 이용하는 하이브리드 발전 시스템 실용화를 위해 박차를 가하고 있다.

하지만 연료전지는 가스 에너지 비용이 목재 바이오매스는 목재 공급 비용이 높다는 문제점이 있어 각계각층에서는 이를 극복하기 위한 연구개발에 열을 올리고 있다. 태양광발전과 하이브리드라고 하는 두 조수의 흐름을 결합한 이 새로운 에너지 공급책은 고효율 태양전지와 목재 바이오매스를 통해 추출한 전력을 이용해 물로부터 수소를 만든다. 또한, 이를 다시 차세대 에너지 계통 시스템으로 분류해 연료전지를 작동시켜 전기와 온열을 공급한다. 이 매력적인 시나리오에 대해 각 관련 기업들 사이에서는 수소에너지 사회가 도래할 것을 기대하는 목소리가 높다.

하지만 문제는 ‘현재 환경 에너지 장치가 직면하고 있는 전기요금의 증가, 설치 스페이스 제약, 에너지원 비용 상승 등의 과제를 어떻게 해결할 것인가’에 있다. 이에 대해선 이미 다양한 사업들이 추진되고 있다. GF기술연구소는 이미 10여년에 걸쳐 앞서 언급한 요소를 바탕으로 제약할 수 없는 분산형 에너지 시스템을 고안, 제창하는 한편, 관련 기술개발을 계속해 오고 있다. 이는 태양전지로부터 전력과 온열을 함께 출력할 수 있는 새로운 하이브리드 태양광 패널을 중심으로 한 분산형 에너지 시스템이며, 그 완성형은 ‘태양광 완전 이용 시스템’이라 할 수 있다. 태양광 하이브리드 패널은 일반적인 태양전지 패널의 에너지 변환 획득 효율 CR이 15〜18%인 것에 비해 54%에 달하는 고효율 에너지 출력을 실현할 수 있을 뿐 아니라 환경 에너지 장치의 문제를 해결할 수 있다는 점에서 혁신적인 제품으로 평가받고 있다.

이러한 분산형 하이브리드 에너지 시스템에는 태양광 하이브리드 패널에 의한 시스템, 연료전지 시스템, 바이오매스발전 시스템 등이 포함된다. 즉, 소비자가 직접 에너지를 출력시켜 이용할 수 있는 시스템이라 할 수 있다. 이 시스템의 가장 큰 특징은 전력과 동시에 출력된 온열을 사용할 수 있다는 점이다. 이러한 분산형 하이브리드 에너지 시스템의 특징은 주택·점포·시설·공장 등 현지에서 에너지를 만들어 낼 수 있으며, 전력출력으로 TV·조명·조명기기·냉장고를 작동시킬 수 있다는 점이다.

이밖에도 온열 출력으로 급탕과 제습, 그리고 공조를 작동시킬 수 있다는 장점이 있다. 즉, 하이브리드 출력에 의해 고효율의 에너지를 만들어 낸다는 것이다. 이 때문에 앞으로는 지붕 면적이 적은 주택과 점포, 빌딩, 공장 등의 기축건물에서도 효율 높은 전력의 온열을 얻을 수 있을 것으로 보인다. 또한, 전력과 급탕뿐만 아니라 난방, 냉난방과 환기 등과 같은 연간공조까지 전개할 수 있어 ZEH, ZEB를 실현할 수 있는 시기가 앞당겨진다. 이를 통해 도회지에서는 스마트 시티 실현의 일익을 담당할 수 있게 됐으며, 시골에서는 지역 비즈니스와 지역 경관 유지 등 두가지 요소를 양립시킬 수 있을 것으로 기대된다.

이처럼 GF기술연구소는 전력과 온열 하이브리드를 특징으로 가진 분산형 하이브리드 에너지 시스템을 스마트 시티의 에너지 시스템, 더 나아가 화석연료를 대신하는 인류의 미래 에너지 시스템으로 판단하고 이를 실현하는 데 전력을 다하고 있다. GF기술연구소는 이러한 분산형 하이브리드 에너지 시스템의 실현화 중간단계로서 현재 ‘전력+급탕+바닥난방’ 시스템의 실증 테스트를 실시하고 이에 따른 결과보고를 진행했다.

에너지 절약률 100% 달성을 위한 개선책 검토
이 실증 테스트의 활동 목적은 세 가지로 구분할 수 있다. 먼저, 기축주택에서 설치할 수 있는 작은 면적에서 에너지 절약성 및 ZEH 가능성 등과 같은 전열 하이브리드 패널 효과를 살펴보는 것이다. 또한, 온열의 이용효과를 평가해 이를 통해 전열 하이브리드 패널을 이용한 ‘태양광 완전 이용 시스템’의 실제 유효성을 평가해 시공상 노하우를 취득하기 위함이다. GF기술연구소가 분산형 하이브리드 에너지 시스템을 설치한 곳은 부지 면적 208m2, 건축 면적 69.97m2, 전체 지붕 면적 101m2의 민간주택이다. 거주자 2명의 이층건물 지붕은 우진각 구조이며, 남향이다. 또한, 지붕면적이 25m2 정도이기 때문에 작업면적을 확보한 상태에서 패널 16장을 적용해야 했다.

본래 바닥난방을 진행할 경우에는 온열 부하가 증가하기 때문에 20장 정도가 권장되지만 GF기술연구소는 설치 공사성을 중시해 16장으로 결정했다. 보조 열원장치로는 급탕용으로 가스 온수기를, 난방용으로 히트펌프 열원장치를 설치했다. 또한, 축열조는 500ℓ 세미 개방형이며, 난방용 온열공급은 태양광 패널과 축열조를 통해 부동액을 순환시키게 했다.

이를 통해 GF기술연구소는 약 1년여 간의 실증 테스트를 진행했다. 특히, GF기술연구소는 난방 부하의 수요가 많은 겨울을 주목해 이 기간을 중심으로 보고를 진행했다. 이 기간 중 맑은 날에는 거의 80% 가량의 에너지를 태양광으로 이용할 수 있었다. 이에 반해 흐리거나 비가 내리는 날에는 0~50%로 에너지 효율이 떨어져 3달간의 평균 에너지 절약률은 41%에 그쳤다. 난방의 소비열량이 크기 때문에 에너지 절약률은 약간 낮은 편이었다. 이에 비해 여름을 비롯한 중간기에는 맑은 날의 경우 100%, 흐리거나 비가 내리는 경우를 포함해도 월평균 80% 가량의 에너지 절약률을 얻을 수 있었다.

결국, 연간 평균 에너지 절약률은 약 60%로 기록된다. GF기술연구소는 ZEH, 즉 에너지 절약률 100%를 달성하기 위해 다양한 개선책을 검토하고 있다. GF기술연구소가 계획하고 있는 개선방향으로는 패널 수를 20~24장으로 증가시켜 최적화하는 방법을 비롯해 패널 설치 각도를 35°로 최적화하는 방법, 그리고 축열조와 관로의 단열 강화, 패널 집광과 출력 특성 향상 등이 있다. 이처럼 분산형 하이브리드 에너지 시스템에는 연간 공조장치의 실현 및 장착 등 개선의 여지가 다수 있다. 특히, 온난지역에서는 연간 에너지 절약률 100%를 실현할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이에 GF기술연구소는 이를 실현하는 데 전력을 다하고 있다.

연간 공조장치 통해 태양광 완전 이용 시스템 최종 완성할 것
이번 실증테스트 결과를 통해 GF기술연구소는 태양광 하이브리드 패널을 통한 전력 및 온열 추출 시스템이 ZEH, ZEB을 실현할 수 있는 솔루션이라는 것을 확신하게 됐다. 분산형 시스템은 태양전지 시스템과 비교해 약 1/2의 패널 면적 만으로 에너지를 얻을 수 있어 기축건물과 같은 적은 면적으로도 에너지 절약률을 실현할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

특히, GF기술연구소는 ‘태양광 완전 이용 시스템’은 작은 면적을 시용한 차세대 분산형 하이브리드 시스템으로 각광받고 있기 때문에 앞으로도 개선을 거듭해 스마트 시티 만들기에 공헌할 수 있게 한다고 전했다. 가령, GF기술연구소의 기축부터 신축까지 대응하는 상품 라인업은 패널 8〜10장이 ‘전력+급탕’, 패널 10~20장이 ‘전력+급탕+연간공조’, 패널 10~72장은 점포나 시설용 등과 같은 구성을 띠고 있다.

여기서 말하는 연간 공조장치란 현재의 공조장치, 즉 전력을 사용하는 에어컨과는 전혀 다른 개념의 공조기라 할 수 있다. 냉매와 압축기를 이용하지 않고, 온열과 물의 증발 잠열을 이용해 일년 365일 내내 냉난방, 제가습, 환기작동을 가능케 한다. 이 기술은 현재 공조장치 기술의 근본인 ‘프레온 냉매’와 ‘전력’으로 작동하는 고성능 냉난방 장치를 대신할 수 있는 기술 및 상품 콘셉트를 가진 새로운 시대의 공조장치로 평가받고 있다. 여기서 ‘연간’이라는 것은 냉난방뿐만 아니라 제가습에 의한 습도 최적화와 환기에 의한 공기질, 냄새방지, 꽃가루 제로 유지 등 일년 내내 공기를 조화시킨다는 의미를 담고 있다.

이 공조장치의 주요 에너지원은 온열으로 전력을 사용하지 않음과 동시에 프레온 냉매라고 하는 규제물질을 일체 사용하지 않는 새로운 공조장치이다. 현재 GF기술연구소는 이러한 공조장치의 시작품을 검토 중에 있으며, 올해 여름부터 실증 테스트를 시작해 내년에 상품화할 계획이다. 이 새로운 공조장치의 장착을 통해 ‘태양광 완전 이용 시스템’이 완성될 수 있을 것이다. 동시에 이 공조장치는 배열이 생기는 연료전지나 바이오매스발전 때문에 온열이 생기는 장소에 적용할 수 있다는 점에서 기대가 크다.

한편, GF기술연구소는 빠른 시일 내에 이 공조장치를 장착한 ‘태양광 완전 이용 시스템’을 최종 완성시켜 실증 테스트를 진행할 계획이다. 국내외에서 10개 시스템 테스트가 진행되게 되면, 상품화와 사업화 판정이 가능할 것으로 보인다. 이와 함께 GF기술연구소는 HEMS에 의한 제어와 가시화, IT에 의한 정보망 정비 등과 함께 상품성의 완성도를 높이는 검토를 병행해 진행할 계획이다.

재생가능한 에너지가 실용가능한 사회 실현이 목표
이 시스템의 기본 콘셉트는 ‘큰 부작용이 없고 인류가 경제적으로 사용할 수 있는 에너지는 우리의 건물 지붕에 빛을 내리쬐는 태양광’이라고 하는 한 문장으로 요약할 수 있다. 건물 지붕이기 때문에 분산형이며, 온열 수요가 있다는 것을 전제로 하기 때문에 태양광을 받는 패널은 당연히 전열 하이브리드형이다. GF기술연구소는 이 4가지 신기술이 향후 사업화, 시장확대, 보급, 사회정착이 될 수 있도록 실용화 개발을 진행하고 있다. GF기술연구소가 목표로 하는 사회는 전력 인프라와 열 인프라가 공존하는 사회로서 이 두 에너지를 만들어 내는 것이 바로 하이브리드 장치이다.

전력의 편의성과 영향력은 이미 우리 사회 구석구석까지 널리 뻗쳐 있다. 하지만 이러한 전력이 가지는 범위의 절반을 ‘열 인프라’가 담당할 수 있을까? 아마도 대부분 어렵다고 여길 것이다. 하지만 GF기술연구소는 빛을 통해 대량의 열에너지를 지상으로 보낼 수 있는 태양광과 이를 전력+열에너지로 이용할 수 있는 사회 실현이 향후 무엇보다 중요하다고 인식하고 있다. 때문에 이러한 사회실현을 위한 첫걸음으로 태양광 전열 하이브리드 패널개발에 착수해 상품화하고 있는 것이다. GF기술연구소는 이를 이용해 태양광 완전 이용 시스템을 실용화해 재생가능한 에너지를 주체로 사용하는 사회 실현을 목표로 하고 있다.

GF기술연구소는 이 시스템을 일본에서 최초로 시작한 신에너지 문명으로 제시하고, 전 일본이 하나가 돼 이러한 기술개발을 리드해 가는 데 공헌할 것이다. 또한, 다양한 파트너와 함께 이러한 스토리를 공유할 수 있는 활동을 가속화해 나갈 것이다.

우메즈 겐지(Umez kenji) GF기술연구소 대표이사
구와바라 에이지(Guwabara Age) GF기술연구소 기술개발부 부장

SOLAR TODAY 편 집 국(st@infothe.com)

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