서 론

이 기술자료는 최근 온수난방기술과 비교하여 미국내에서 에너지 저감규모가 가장 큰 기술로 성장하기위해 태양열 온수히터의 시장목표를 확인하고, 잠재기술의 진행방향과 비용/성능 목표를 확인하기 위한 목표이다. 이 기술로드맵에서는 미국의 태양열온수난방기술의 시장현황 및 인프라, 경제성, 도전과제 및 장애 등 미래에 나아갈 기술에 대해 정량적으로 분석하고 중장기 기술 로드맵을 설정하였다.

기술과 시장현황

태양열 온수히터기술을 위한 시장환경은 히트펌프 온수히터가 시장에 성공적으로 진입하면서 실질적으로 변화하고 있다. 에너지 효율화 기술은 에너지 저감을 위해 태양열 온수히터가 시장에 진입하면서 경쟁이 가속화되고 있다.

고성능 온수난방시스템들에 대한 비용과 성능관점을 평가할 목적으로, 연간에너지시뮬레이션은 TRANSYS 소프트웨어로 수행되었으며, 히트펌프 온수히터방식(HPWH)과 태양열 온수히터방식(SWH)을 전통적인 온수난방방식(WH)과 비교하여 에너지저감수준을 분석하였다. 아래 그림-1은 미국내 각지역별 온수난방방식 차이에 따른 연간에너지소비량을 전기저항식 온수히터방식과 비교한 자료이다. 자료에 따르면, 지역별로 편차가 있긴 하지만,각각 온수난방방식은 기존 전기저항식 온수히터 방식에 비해 많은 에너지저감이 되고 있음을 확인할 수 있다. 가장 에너지저감율이 많은 지역은 휴스턴에서 60%이상, 시카고지역으로 최소40%에 근접하는 에너지저감수준을 보였다.

천연가스 온수히터방식과 비교한 에너지저감율은 또 다른 양상을 보여주고 있다. 그림-2에서 휴스턴지역을 제외하고는 히트펌프식 온수난방방식에 있어서 다른 3개지역에서 에너지저감이 아니라 오히려 상승하는 결과를 보여주고 있다. 이와는 반대로, 태양열 온수난방방식은 자연에너지를 이용하기 때문에 에너지저감율은 그림-1에서처럼, 지역에 관계없이 전기저항식 온수난방방식과 비교한 결과와 유사하게, 상당한 에너지 저감율을 나타냈다.

그림-3은 미국지역별 가스식 온수난방방식을 히트펌프 온수난방방식으로 교체했을 때 긍정적인 에너지저감을 보일 수 있는 보여주고 있다. 주로 미국의 남부지역의 무더운 기후조건지역에서 히트펌프 온수난방방식이 효과적이라는 사실을 확인할 수 있다.

그림-4는 태양열 온수난방방식이 전통적인 가스방식과 경쟁력이 있는 부위를 보여주는 시장영향력에 관련된 그림인데, 보라색으로 표현된 지역이 태양열 난방방식이 대체될 시장가능성이 가장 크며, 그림-4에서 20년동안 단열이 된 동파이프가 최소 1번 결빙될 확률을 보여주고 있다.

따라서, 태양열 난방방식이 적용되기 위해서는 추운기후지역에서 적절하게 결빙방지와 적용성에 대한 혁신적인 방법이 낮은 비용으로 해결되어야 한다. 그동안 미국내에서는 추운지역에서 에너지저감에 관한 부분만 최적화하는데 노력해왔고, 시장에서 동결조건에서 장기 내구성에 관한 부분은 관심사항이 아니었다. 추운기후지역에서 초점을 맞춘 또 다른 이유는 미 에너지부(DOE)와 신재생에너지 연구실(NREL)은 산업계와 공동으로 동결조건을 경험하지 않은 지역에서 이용될 단순하고 효율적인 태양열 온수난방히터(SWH)를 이미 개발했기 때문이다.

태양열 난방방식은 중요한 에너지자원을 저감할 수 있다. 몇몇 태양열 난방방식 설계는 추운기후지역에서 사용될 수 있지만, 미국이 온수난방시장의 1%미만을 점유하고 있을 뿐이다. 태양열 난방방식이 시장진입의 주요 장벽은 시스템 설치비용이다. 현재 태양열 난방방식 설치비용은 $6,000~10,000이며, 천연가스이용 난방방식의 손익분기점 수준으로 $1,000~3,000까지 하락해야할 필요가 있다. 손익분기조건은 태양열 난방으로 생산되는 에너지가 전력망, 또는 천연가스연료로부터 전통적인 난방연료구매비용과 동등 조건으로 규정된다. 이 손익분기점은 시스템 실제비용(설치+유지관리)이 현재이익(연료비 감소비용+인센티브)과 동일하다는 의미이다.

재료, 제작 및 노동력 현황

추운기후조건에서 천연가스가 지배적인 온수난방연료이며, 태양열난방 방식의 비용, 성능, 신뢰도 목표를 만족할 수 있다면, 에너지 사용량의 상당수준 저감, 요금이 다른 온수난방기술로 제공된 수준으로 달성될 수 있다.

이 활동의 목표를 달성하기위한 연구개발 전략은 크게, ‘비용’, ‘성능’, ‘신뢰도’로 분류하여 제시하였다. 이러한 전략들을 달성하기위해서는 성숙된 기술에 대해 혁신적인 대안들이 필요로 한다. 태양열 난방방식은 요소들의 개수를 줄이고 교대로, 설치비용과 유지관리 비용을 줄이기 위해 단순화할 필요가 있다. 따라서 새로운 재료가 연구되고 분석될 필요가 있으며 폴리머 재료가 매우 전망이 높다. 폴리머 재료는 집열기 비용, 중량을 줄이며 따라서 설치가 단순해지며, 설치비용이 저감된다. 진공관 튜브형 태양열 집열기도 또한 전망있는 기술인데, 건물에 일체형으로 시스템을 설계하여 통합할 수 있다. 산업계와 파트너쉽으로 협력하는 방안이 위와 같은 혁신시스템들을 성공에 이르게 할 수 있다.

위와 같은 시스템들이 시장에 폭넓게 진입하기 위해서는 성능과 신뢰도가 유지되어야하거나 개선되어야만 한다. 성능은 기존설계에 코팅을 선택적으로 적용하고, 컴포넌트 크기를 최적화하여 유지될 수 있어야 한다. 펌프나 제어기 도움없이 추운기후조건에서 열-사이펀현상으로 전환함으로써 전통적으로 사용중인 강제식 순환시스템에 대한 신뢰도가 개선되어야한다. 히트펌프 난방성능을 향상하기위해 태양열을 히트펌프 온수난방방식과 통합하는 기술은 미래기술 혁신을 위한 또 하나의 선택사항이다. 동결조건에서 단열보호와 같은 기술적인 문제는 신뢰성과 안전성을 겸한 운전방식을 보증하는 정교한 기술적 해결방안이 필요하다. 재료시험과 가속시험, 시스템 내구성시험을 포함한 다양한 범주의 시험도 필요하다.

기술개선과 연구 필요성

이 기술자료는 추운기후지역에 있는 천연가스 시장일부에 초점을 맞추고 있으며, 태양열 난방기술과 관련하여 전반적인 에너지저감량을 유지관리하고 설치시스템 비용을 저감하는 단기 전략에 대한 개략적으로 설명하고 있다. 이 기술로드맵은 태양열난방의 연구개발에 초점을 맞춘 DOE Building Technology 프로그램을 위한 안내서를 제공한다. 분석자료에 근거하여, 현재의 태양열 난방방식 비용을 줄이는 3~5가지 요인들이 현재 시장을 변화하기위해 필요하다. 저비용 태양열난방방식에 관한 연구개발 활동은 다음 비용, 성능과 신뢰성 목표를 설정하였다.

○ 대규모 시장수준에서 기존주택 태양열 난방시스템 설치비용 $1,000~3,000

○ 추운기후지역에서 전통적인 천연가스 온수난방시스템보다 35~40% 에너지저감형 태양열 난방방식 유지

○ 신뢰도와 성능이 우수한 제품의 생애주기 15~25년

그림-6은 저비용 태양열 난방방식 설계를 달성 가능한 시나리오이다. 이 그림에서 기본조건(baseline)은 2개의 탱크를 가진 글리콜 시스템으로 2개의 각각 외부열교환기를 갖는 펌프로 구성되었다고 가정한다. 기본조건(baseline)이 가장 비용부담이 큰 시스템이다. 이 그래프에 포함된 비용은 설치비용, 직접재료비, 인건비, 이윤, 영업비용, 운전 및 유지관리 비용까지 포함한 수준이다. 그래프 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면서 시스템의 비용-성능 밸런스가 점차 변화되고 있으며, 2차적으로 집열기 변수에 따라 변화되고 있음을 알 수 있다. 이 사례를 통해, 비용저감부분은 주로 폴리머를 적용한 요소적용에서 발생되고 있으며, 특히 집열기, 배관, 저장부분에서 각각 비용저감이 12% ($700), 14% ($800), 18% ($1000) 발생되었다. 이 분석 자료는 집열기, 탱크, 폴리머 열교환기, 폴리머 배관의 비용저감에 관련된 연구개발에 투자하여 시스템 비용에 가장 큰 영향을 줄 수 있어야한다는 점을 암시한다.

저 비용 태양열 온수난방 도전 및 장애요인

전통적인 전기식온수난방과 가스식온수난방방식은 미국 주거용 온수난방시장의 93%를 점유하고 있다. 대부분의 미국 가정거주자들은 온수를 가열하는데 사용되는 연료나 방법에 대해 많은 생각을 하지 않고, 현재 온수난방기기가 용도폐기 될 때까지 사용하다가 가능한 빨리 그리고 값싸게 교체하려고 한다. 아래 내용은 현재 태양열 온수난방기술에 대한 도전과 장애요인을 설명하고 있다.

1) 비용

많은 태양열 온수난방시스템이 시장에서 적용가능하지만, 현재 너무 값이 비싸서 확대 적용이 어려움

2) 허가/코드 제한

코드와 제한요건들이 가정과 상업용건물에 태양열 시스템 적용을 허용하지 않음

3) 계약상대자 사용성

일부 지역에서는 태양열 난방시스템을 설치할만한 기능인력들이 확보되지 못함.

4) 소비자 자각의식

소비자들은 태양열 난방방식에 대한 성능,비용, 장점에 대한 정보 또는 지식이 매우 제한적임.

결론

저비용 태양열 난방방식의 성공을 위해서 천연가스 온수난방과 경쟁할 수 있는 연구개발은 필수적이다. 다음 그림은 전반적인 프로젝트 일정표이며 3가지 카테고리(장비, 최적화 시스템설계 및 운전/유지관리 개선, 정책 및 시장)으로 구분된 연구목표를 보여주고 있다.