태양열 냉난방 기술의 태양열원은 대규모이며, “무한한” 에너지원이다. 따라서, 냉난방을 위한 태양열 시스템은 추운기후 지역, 온화한 기후 지역에서 사용될 수 있다. 태양에너지는 세계의 각 나라들이 외부에너지 의존도를 줄이는데 효율적인 지역 열원이다.

태양열에너지를 냉난방 수요로 사용이 점차 증가하는 잠재성이 매우 높다. 현재 태양열은 지구상의 수 난방, 공간난방 부문의 0.5%를 차지하고 있지만, 향후, 2050년에 유럽지역의 27개국에 전체 저온 난방수요의 47%를 차지할 것으로 예측될 만큼 영향력이 크다.

태양열 기술들은 성숙되어있고 오늘날, 상업적으로 적용 가능한 기술이다. 훌륭한 일사율 수준을 갖춘 지역과 연료가격과 경쟁력이 있는 지역에서는 태양열 기술이 매우 비용측면에서 효율적이다. 그러나, 태양열 기술이 소규모시장에서 대규모시장으로 이동하면서 이러한 기술의 지속적인 개량이 가능하면서, 또한 비용이 감소되는 추세이다. 건축물의 건설이 시작하기 이전에 태양열 시스템을 건물설계에 통합하는 방법은 낮은 비용으로 태양열을 획득할 수 있는 가장 큰 장점의 기회를 얻을 수 있다. 건물의 보수보강은 일반적인 현상이지만, 비용이 보다 많이 소요되는 선택사항이기 때문에, 설계와 시스템의 최적화를 통해 더욱 도전해볼만한 기술로 만들어야한다.

건물적용을 위한 자연형 태양에너지 설계는 태양열 에너지를 집적하는 가장 단순한 방법이다. 건물을 설계할 때 태양의 위치에 따라 적용함으로써, 자연채광은 낮 동안은 난방용으로 사용되고, 일몰이후, 건물을 축열재로 이용하여 낮에 취득한 열을 방사하는데 사용될 수 있다. 냉방소요를 줄이기 위해, 건물을 여름철에 최소한의 일사를 받도록 설계하거나, 무더운 기후지역에서 연중 내내 일사량을 최소화하도록 설계하여 건물 직달일사를 피하게 하면서, 자연환기와 자연채광은 적용하도록 한다.

능동형 태양열 시스템은 태양집열기를 사용한다. 집열기에서 데워진 액체는 직접 수영장 물을 난방하는데 사용되기도 하고, 간접적으로 최종사용목적 용도 예를 들면 공간난방 목적으로 열을 전달하기 위해 열교환기를 사용하기도 한다. 능동형 태양열 기술은 저온을 필요로 하는 곳에 주로 적용하는 방법이다. 건물 부문에서, 능동형 태양열 기술은 온수 급탕용, 공간 난방용, 수영장 물 난방용, 열 흡수식 냉방기술을 이용한 공간냉방용으로 적용된다. 집열기 표면의 단위면적당 생산된 열에너지 량은 설계와 위치에 따라 달라지지만, 일반적으로 연간 에너지량으로 따지면, 300 ~ 900 kWh/m2/yr 이다.

능동형 태양열 시스템은 필요한 냉난방 소요를 충족시키는데, 매력적인 해결책을 제공하는데 많은 장점을 갖고 있으며 다음과 같은 사항을 포함한다.

- 냉난방에 제공되는 에너지는 CO2 제로이며, 능동형 태양열에너지 시스템이 주는 생애주기 환경적인 영향은 극도로 미미하다.

- 태양열 에너지는 지구상 어디에서나 사용이 가능할만큼 용량이 충분하다. 예를 들어, 위도가 높은 지역에서 태양열이 제한적이거나, 열 저장에 한계가 있는 공간인 경우에는, 연구개발을 통해 극복할 수 있다.

- 능동형 태양열 에너지 시스템은 전통적인 기술을 대체할 경우, 1차 에너지소비를 저감하게 되며, 거의 대부분의 보조용 열원과 결합이 가능하다.

- 예상 가능한 에너지 비용항목

초기설비투자비용이 대부분의 에너지비용을 차지하고, 에너지 가격이 급락에 따른 충격에 대한 불확실성을 제거하며, 급탕, 공간난방, 또는 공간 냉방 시설 투자에 대한 비용만이 존재한다.

2008년 말까지 운용중인 모든 태양열 시스템이 연간 생산량은 국제에너지기구 Solar Heating & Cooling 프로그램에 가입한 나라기준으로 연간 약 395 PJ 이다. 이 생산량은 오일 1,240만 톤과 CO2저감 3,940 만톤 저감량에 해당하는 수치이다.

현재까지, 태양열 기술은 신재생에너지 부문에서 높은 우선순위를 점유하고 있는 기술이 아니기 때문에, 매우 제한적인 재정자원이 연구개발에 할당되고 있는 실정이다. 위와 같은 상황을 만든 가장 큰 원인은 태양열 시스템은 매우 훌륭하게 설치된 기술이지만, 개발가능성이 낮은 저급 기술이라고 간주되고 있기 때문이다. 그러나, 에너지 생산측면에서 거대한 잠재성, 특히 냉난방분야에서의 잠재성과 태양열 기술의 기술발전의 거대한 잠재성은 태양열 기술이 극적으로 과소평가되어 있음을 증명한다.

국제에너지기구 Solar Heating & Cooling 프로그램의 지원에 힘입어, 이미 산업계에서는 기술개발이 인상적으로 진행되고 있다. 태양열 시스템의 모든 요소들이 개량되고 있으며, 새로운 개념들이 소개되고 있고, 재료와 새로운 형태의 생산물이 개발되고 있다. 시스템의 효율, 품질, 생애주기를 증가하고 비용을 저감할 목적으로 발전이 진행되고 있다. 이러한 시스템의 사례가 SolarCombisystem으로, 이 시스템은 급탕용 온수와 공간난방을 결합한 태양열 시스템이며, 이 기술은 지붕과 건물입면에 집열기를 통합한 방법으로, 전통적인 난방기술을 시스템에 통합함으로써 효율과 신뢰도를 상당히 개선해왔다.

냉난방, 지역난방, 담수화와 같은 과정의 새로운 기술들이 시장에 진입하고 있다. 상업용과 산업용 과정에서 생성된 태양열 에너지의 대부분은 250℃ 이하에서 적용되기 때문에 이런 태양열 기술들은 상당한 잠재성을 가지고 있다. 음식과정, 도자기류 세척과 건조, 제약과 바이오화학 과정, 담수화, 공장의 냉난방은 주요 적용대상이다.

태양열 기술을 부양하는 주요인자는 낮은 비용으로 매우 효율적이면서 집약적인 열저장기술을 지속적으로 개발이 될 것이다. 이러한 상황은 여름철에 취득한 태양에너지(단순히 집열기 면적을 증가함으로써)를 겨울철에 사용할 목적으로 저장하는 행위가 증가될 것이다. 이런 기술들은 오늘날 당장 상업적으로 적용 가능한 기술이 아니지만, 2020년과 2030년 사이에 상업적으로 적용 가능할 것으로 기대된다.

태양열 에너지는 효율적인 비용과 지속가능한 방법으로 세계적으로 사용되는 에너지를 실질적인 부분을 대체할 수 있다. 장기적인 경제발전을 위한 하나의 측면에서 유한한 에너지자원을 대체할 기술로 태양열기술을 포함하여야 한다. 태양에너지의 성장의 주요한 요인은 정부와 산업계의 의지, 화석연료를 신재생에너지로 전환하려는 우리 모두의 의지이어야 한다.

태양열기술을 흡수하는데 현재의 장애요인들은 성능과 비용에 관한 오해, 경험과 자격있는 기술자/시공자들의 공급부족, 일부 지역에서의 나쁜 경제사정, 상당규모의 선 설비투자비용, 대리인 문제, 집약적인 열에너지 저장기술 부족 등을 포함한다.

위와 같은 장애요인을 극복하기 위해서는 폭넓은 정책들이 필요로 한다. 주요한 선행요구 조건은 CO2 배출을 저감하는데 인센티브를 제공하고, 다른 에너지분야와 경쟁할 수 있도록 최소한 비용지원 선택제를 보장함으로써 환경적으로 지속가능한 에너지원을 창출하기위한 전반적인 정책기틀을 마련해야한다. 이러한 정책은 태양열에너지 관련 설비 적용을 위한 정책만으로는 충분하지 않으며, 추가적인 연구개발분야에도 지원이 필요하다.

연구개발의 우선순위는 낮은 비용의 재료와 요소, 개선된 건물의 통합과 최적화, 수용가능한 집약적인 열저장 기술이다.

▣ 원문제목 : The Potential of Solar Thermal Technologies in a Sustainable Energy Future