2050 탄소중립 달성을 위해 신재생에너지설비 보급을 확산해야 하나 우리나라는 국토면적이 좁아 신재생에너지 설치면적 확보가 핵심과제로 주목받고 있다.
이러한 상황에서 강은철 한국에너지기술연구원 열변환시스템연구실 책임연구원 연구팀이 도로, 철도에 설치되는 방음벽에 태양광·열(PVT)시스템을 접목한 기술을 개발해 주목받고 있다.
한국에너지기술연구원 열변환시스템연구실은 저온·고온 열에너지의 효율적인 이용을 위해 △열·열 △열·전기 △전기·열 등의 효율적인 변환기술과 열을 이용한 대용량 전력저장을 포함한 열에너지시스템에 관한 연구개발을 수행하고 있다.
강은철 책임연구원은 신재생에너지분야에서 △공기식 태양열 이용기술 △지열에너지 이용 히트펌프 냉난방기술 △태양에너지로부터 전기와 열을 복합생산하는 PVT 응용기술 △태양광·열-지열에너지 활용 냉온열·전력 복합생산기술 등을 연구해오고 있다. 강은철 박사를 만나 다기능성 PVT방음벽 기술개발 배경 및 특장점에 대해 들었다.
■ 우리나라의 2050 탄소중립 달성전망은 우리나라는 전체 에너지의 90% 이상을 수입에 의존하고 있다. 이러한 현안으로 정부에서는 재생에너지 보급정책을 꾸준히 추진해오고 있다.
2030년까지 재생에너지 발전량 비중을 20%까지 확대하기 위한 재생에너지 3020 이행계획, ‘국토교통 탄소중립 로드맵’에 따라 2023년부터 시행예정인 30가구 이상 공공주택에 대한 제로에너지건물 의무화정책 등은 우리나라가 에너지자립화를 위해 나아가기 위한 선제적 대응정책이라고 할 수 있다.
이와 같은 노력을 경주하다 보면 당장은 아니어도 언젠가는 국가 에너지자립화에 가까워질 것으로 기대된다.
■ 다기능성 PVT방음벽 기술개발 배경은
과거에는 태양광, 태양열, 지열 등 신재생에너지를 활용한 단위기술들이 많이 개발, 보급돼왔다면 최근에는 신재생에너지를 융복합해 시너지효과를 낼 수 있는 기술이 개발되고 있다.
도로나 철로 등에 설치돼있는 방음벽은 주변소음을 저감하는 역할에 집중해왔으나 태양광 설치면적이 부족한 우리나라에서 방음벽을 활용해 에너지를 생산할 수 있다는 가능성을 포착했다. 특히 PVT모듈의 형태와 방음벽 모듈의 형태가 크게 다르지 않아 PVT기술을 방음벽에 결합해 방음(차음+흡음)기능은 물론 추가적으로 전기와 열을 생산할 수 있는 다기능성 PVT방음벽기술을 개발하게 됐다.
■ 이번 개발기술의 특장점·개발주안점은
이번에 개발한 다기능성 PVT방음벽기술은 PV패널과 태양열집열기, 흡음재 등을 활용해 차음과 흡음에 의한 방음성능 향상은 물론 PV패널의 온도를 낮춰 발전량을 증가시키는 동시에 온열을 생산할 수 있는 기술이다.
즉 하나의 PVT방음모듈에서 방음기능과 전력·온열 생산기능을 동시에 구현할 수 있다. 다기능성 PVT방음모듈은 단순한 요소기술의 조합이 아닌 여러 요소기술들의 융합으로 시너지효과를 창출한다.
PV패널 온도상승에 따른 발전량 저하를 막기 위해 PVT내부에 공기유동을 발생시켜 패널의 온도를 낮춤과 동시에 열을 회수하도록 설계했으며 이를 통해 동일 외기환경에서 PV대비 약 6% 이상 발전효율이 높다.
또한 PVT 외부의 열손실을 최소화하기 위해 흡음재를 단열재로 활용함으로써 흡음과 단열기능을 동시 수행토록 고안됐다. 기술의 완성도를 높이기 위해 최적의 방음기능을 위한 PVT 방음벽 구조체의 형상과 온열을 효율적으로 생산할 수 있는 전열구조를 채택했으며 시스템이 안정적으로 운전될 수 있도록 자동화된 운전제어기술을 개발, 적용했다.
이를 통해 PV패널은 전력생산과 차음, 흠읍재는 단열과 흡음, 태양열집열기 전열구조는 열회수와 구조강도를 잡아주는 역할을 수행한다. 이러한 요소기술들을 하나의 콤팩트형 모듈로 탄생시킨 것이 다기능성 PVT방음모듈이다.
다기능성 PVT방음모듈에 대한 실증결과 차음성능은 500Hz에서 29.9dB, 1,000Hz에서 37.1dB 등 기준 이상의 성능이 확인됐으며 흡음성능은 △250Hz △500Hz △1,000Hz △2,000Hz 등 4가지 조건에서 평균 0.83으로 기준인 평균 0.7 이상을 만족한다.
특히 기존 방음벽 시공법과 동일한 방식으로 시공할 수 있도록 설계해 시공편의성을 극대화했다. 이를 통해 기존 방음벽을 손쉽게 교체할 수 있을 것으로 기대된다. 설치된 다기능성 PVT시스템의 중간 모듈이 고장, 파손돼 교체할 경우 모듈을 위쪽으로 뽑아 제거하고 새로운 모듈을 다시 끼우는 방식으로 교체할 수 있다
.■ 다기능성 PVT방음기술 보급 전망은
2050 탄소중립 달성 등과 같은 국가가 추진하는 에너지정책을 안정적으로 실현하기 위해서는 기존 설비를 활용한 다양한 재생에너지 융합기술들이 개발, 보급돼야 하며 다기능성 PVT방음벽기술은 국가목표 달성을 위한 대안 중 하나가 될 수 있다.
국토부, 한국도로공사, 한국철도공사 등의 자료에 따르면 국내 방음벽 설치길이는 약 3,200km 이상으로 신도시 발전 및 교통소음으로 인한 민원증가로 방음벽 수요는 지속 증가할 것으로 예상된다.
이중 다기능성 PVT방음모듈은 약 1,000km 이상에 적용할 수 있을 것으로 보인다.이와 함께 최근에는 국내 대형 건설사에서 아파트단지 펜스용도의 다기능성 PVT방음기술 적용가능성에 대해 논의하는 만남이 있었다.
다기능성 PVT방음모듈이 도로, 철도 방음벽에 국한되지 않고 대단위 아파트단지나 주택건물 외벽 등으로 활용해 신재생에너지설비 설치면적이 부족한 도심 내 친환경 공동주택 실현방안으로도 보급될 수 있을 것으로 기대된다.
■ 향후 추가 연구계획은
2050 탄소중립 목표달성을 위한 다양한 방법 중에서 지역범위 내에서 필요한 에너지를 자체생산, 공급하는 에너지자립형 분산발전기술이 있다. 분산발전기술 중 에너지 수요처를 중심으로 주변에서 에너지를 확보해 공급하는 기술로 태양에너지와 지열에너지를 에너지화하는 기술이 적합하다.
태양에너지와 지열에너지를 활용한 융합기술은 전기와 온열, 냉열을 복합생산해 활용할 수 있어 탄소중립 실현을 위한 재생에너지 융합기술이라고 생각한다. 태양에너지를 활용한 PVT기술과 지열에너지를 활용한 히트펌프 냉난방기술을 융합하고 이를 상용화하기 위한 연구들을 준비하고 있다.
■ 우리나라의 2050 탄소중립 달성전망은 
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