탄소중립사회 실현을 위해 정부는 태양광, 풍력 등 신재생전력 위주의 보급을 진행하고 있다. 전력·열간 불균형이 발생됨에 따라 신재생열에너지 보급확산이 강조되고 있으며 이와 함께 신재생에너지원간 결합을 통해 효율을 증대시키는 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다.
이의준 한국에너지기술연구원 책임연구원(박사)은 태양에너지와 지열에너지를 결합해 효율을 제고하는 ‘태양·지열 융합 Tri-generation(이하 태양〮지열 융합기술)’ 연구를 수행하고 있다.
이의준 책임연구원을 만나 신재생열에너지의 중요성과 이번 연구의 특장점에 대해 들었다.
■ 탄소중립달성 위한 신재생E제고 방안은 2030년 국가 미래 탄소중립 청정에너지사회 구현목표와 2030년 BAU대비 37% 온실가스배출저감, 재생에너지 20% 발전목표, 공공건축물 재생에너지 의무화 및 제로에너지건축물 의무화정책 등 다양한 정책에 대응할 수 있는 비용효과적인 방안이 신재생열에너지라고 생각한다.
그러나 현재 에너지보급 상황은 태양광, 풍력 등 신재생발전 보급중심으로 이뤄지고 있다. 선진국의 경우 건물 및 시설 냉난방시스템에 태양열, 지열 등 신재생열에너지를 보급하고 있다. 이에 따라 우리나라는 국가 탄소중립 목표를 실현할 수 있는 노력이 필요하며 태양에너지와 지열을 동시에 활용하는 복합기술이 적합하다.
기존 태양열을 단독으로 사용하는 기술과 다르게 태양·지열 융합기술은 태양광과 태양열을 융합해 동일 면적대비 태양에너지를 3배 이용가능한 태양광열 모듈과 연간 일정한 지중온도를 활용하는 지중열원 히트펌프기술을 융합한 시스템으로 히트펌프의 연간 성능을 극대화해 시설 에너지소비량이 큰 냉난방부하를 대응할 수 있다.
특히 태양열, 태양광, 지열 단독기술의 간헐적, 기상조건에 변화되는 단점을 보완할 수 있는 기술로 국가 에너지정책에 대응할 수 있다.
■ 이번 연구의 차별성은
이번 연구는 태양·지열 단위기술의 시스템통합화 기술 및 실제현장 적용성능 확인기술 등이 강조됐다. 이에 따라 시설의 현장위치, 용도 및 크기 등에 따라 태양광, 태양열, 지열 등 단위기술요소의 설계최적화와 이를 복합 활용한 시스템의 통합화 및 최적화를 통해 비용효과적인 청정 냉· 온열 및 전력을 동시 생산하는 기술개발과 실증이 기존 연구와 차별성을 가진다.
기술개발 연구목표 핵심기술 중 하나로 WWHP 설계 및 제작, SET데이터기반 성능확인시험, 통합시스템 IET 실증현장 초기 커미셔닝을 수행하고 TRNSYS 시뮬레이션 모델데이터와 비교검증을 통해 연간 에너지소비 절감량 및 경제성평가에 중점을 두고 있다.
또한 일반적인 On·off제어가 아닌 효과적인 Fuzzy Logic 제어 활용 통합 최적화시스템 운전기술을 구현할 계획이다.
이를 통해 냉난방부하에 따라 시스템 Multi-Stage 최적화 운전으로 에너지 절감효과를 극대화하고 시스템 사용자가 운전과 에너지절감량을 실시간으로 모니터링하고 제어할 수 있다.
현재 단위기술 개발을 완료하고 청주 실증현장에 통합시스템을 시공 후 동절기 난방운전실험을 진행했다. 하절기 냉방운전실험은 진행 중으로 향후 과절기 냉난방운전 및 동절기 난방운전 보완실험을 진행할 예정이다.
참여기관인 부산대는 태양·지열 융합기술에서 많은 비용을 차지하는 지중열교환기 천공비용을 줄이기 위한 수평형 지중열교환기모듈을 개발한다. 단위면적대비 채열량 100W/m²를 달성해 TRNSYS 시뮬레이션 모델을 통해 수직형 열교환기와 성능, 경제성 비교연구를 진행하고 있다. 브이피케이는 WWHP기술개발, 제작 및 실증해 목표 냉난방성능을 달성했다.
TRNSYS 시뮬레이션 모델과 비교검증을 수행하고 에너지소비 절감량 및 경제성 평가를 진행하고 있으며 CanmetENERGY에서는 주거 및 비주거 복합건물에 대해 Multi-Function Building모델을 통해 P2H에너지공유 모델개발을 진행하고 있다.
미래 제로에너지건물, 에너지플러스건물 및 커뮤니티 구현에 태양〮지열 융합기술이 최근 에너지현안인 3D(Decarbon, Decentral and Digital) 대응기술로 활용돼 향후 제로에너지건물 에너지플러스건물 및 커뮤니티 구현이 가능할 전망이다.
또한 태양·지열 융합기술의 경제성 및 신뢰성 제고를 위해 사전제작된 다기능 열교환기 모듈 및 통합 태양·지열 융합 히트펌프기술을 개발이 필요하다.
■ 신재생E 보급확산 방안은
현재 정부의 청정에너지 보급정책은 발전 및 단위요소기술 중심으로 구성돼있으며 신재생열에너지기술 및 융합시스템은 정부정책의 방향성에서 배제돼있다.
그러나 정부 정책목표의 실현성을 높이기 위해서는 발전뿐만 아니라 열에너지 등 다양한 재생에너지원 기술보급에 노력이 필요하다. 또한 단위기술뿐만 아니라 융합시스템 기술보급을 통해 각 재생에너지의 단점을 보완하고 보다 신뢰성을 높일 필요가 있다.
독일 등 청정에너지 선도국과 같이 현재 탄소배출 에너지현황 분석과 화석, 원자력, 신재생에너지 수요 및 공급계획과 상황별 시나리오 적용을 통해 국민이 공감할 수 있고 신뢰성 높은 국가 에너지정책 마련이 시급하다.
특히 신재생열에너지 보급확산이 필요한 상황이며 설비용량 중심의 신재생에너지 의무화제도가 아닌 성능중심의 인센티브제도로의 보완이 필요하다. 또한 보급을 촉진하기 위해서는 신재생에너지설비를 활용하려는 사용자의 비용부담을 낮추기 위해 에너지·금융융합제도도 고려돼야 한다.
에너지·금융융합제도는 예상경제성에 근거해 초기비용을 은행에서 대출해 신재생에너지설비를 설치하고 연간 에너지소비 절감량 및 운전비용 감출량만큼을 이자로 반환하는 프로그램이다. 제도를 통해 사용자는 높은 초기비용과 운전비용을 절감할 수 있고 은행은 높은 이자반환을 실현할 수 있어 사용자와 금융권 모두에게 이득이 돌아가는 신재생에너지산업 활성화 금융융합제도다.
효율적인 신재생에너지 보급과 관련제도를 효과적으로 운영하기 위해서는 기재부, 산업부, 중기부, 과기부, 국토부, 환경부 등 여러 부처에 분산돼있는 국가 청정에너지 개발·확인체계를 대통령 직속 콘트롤타워로 통합해 마련하는 것이 중요하다.
이를 통해 각 중앙부처와 지방정부, 지자체와 청정에너지전환 실무부처의 전문인력이 연계해 국민이 공감할 수 있는 탄소중립형 청정에너지 전환체계를 구축할 수 있을 것으로 보인다.
■ 탄소중립달성 위한 신재생E제고 방안은 
TRNSYS 시뮬레이션 모델과 비교검증을 수행하고 에너지소비 절감량 및 경제성 평가를 진행하고 있으며 CanmetENERGY에서는 주거 및 비주거 복합건물에 대해 Multi-Function Building모델을 통해 P2H에너지공유 모델개발을 진행하고 있다. 
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