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건주 강
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1 태양열지역난방 본자료는 2010년 Denmark Marstal에서개최된 SDH Workshop에서 Jan-Olof Dalenback(Prof of Chalmer University) 가발표한 SDHTO-WP2-Micro Anaysis-May 27, 2010을번역한것임 제인상사 ( 주 ) mkp@jehin.co.kr Tel :

2 1. 서론 근래전유럽에걸쳐지역난방과태양열난방에관한관심이급증하고있다. 이같은상황의배경은지역난방과집단난방은에너지효율제고의근간이며태양열은유럽어느곳에서나이용가능한에너지원이란특징때문이다. 유럽에는 90 이후설치되어현재가동중인 500m2 (350KWth) 이상의집열면적을가진태양열이용시설은 100개소에이른다. 이중 1MW이상의열용량을가진시설은 40여개소인데이들은지역난방또는집단에너지시설에연결되어운전되고있다. 2. 태양열지역난방성공사례 성공요인은새로운기술을개발하려는연구, 개발자들의노력과새로운개발기술을실제현장에적용하려는정부및지역난방회사관계자그리고태양열시스템제조자의의지의결과이다 덴마크의열병합 (CHP) 시설에적용된태양열 덴마크를비롯한유럽국가에서의지역난방은전력과난방열을동시에생산하는열병합시설 (CHP) 이대세이며특히근래덴마크에서는풍력발전이크게늘어남에따라풍력에의한발전이이루어지는시간대에는열병합발전대신보일러를가동하여지역난방용열을생산하는추세이다. 열병합시설은 1차적으로전기생산을목적으로하므로전기가풍력에의해공급되는시간중에는굳이열병합시설을가동하지않고보일러를이용하여열을생산하여공급하는것이더경제적이며이에따라전기와열간의부하발생시점이상이하여이를해결할목적으로대규모축열조를건설할필요또한적어지게되었다. 이에따라열생산단가를낮출목적으로대규모태양열시설을설치하여여기서생산된열을 CHP의축열조에연결하는방식이대두되었다. 여기에더하여환경문제와관련하여지역난방에신재생에너지의적용을확대하여화석연료의사용을억제하려는정부의정책적필요성이합하여지역난방에태양열의적용이급격하게확대되었다. 1980년대후반덴마크에서태양열지역난방은태양열업체인 Arcon이선도적역할을하였는데 1990년에들어 마스탈지역난방회사 (Marstal Fjernvarm) 가대규모태양열지역난방플랜트가잇달아추진함따라확산의계기가만들어졌으며최근에는 브래드스트럽지역난방회사 (Braedstrup Fjernvarme) 를위시한다수의지역난방회사가덴마크지역난방협회와협력하여태양열지역난방을확산시키고있다.

3 < 사진 1 : 덴마크 Braedstrup 태양열지역난방 > < 사진 2 : 덴마크 Strandby 태양열지역난방 > 이와같은노력에의해 2006년이후집열면적 5,000m2 (3.5MWth) 에서 10,000m2 (7MWth) 규모의태양열지역난방시설이 7개소에설치되어운전중에있으며추가로다수의플랜트가새로이추진되고있다.

4 덴마크의태양열지역난방의열생산단가는 KW 당약 4 유로센트 (64 원 /kw) 이다. ( 참고 : 국내지역난방의 KW당공급가격은업무용 73원, 주거용 57원이나이는발전소의폐열을주열원으로이용하기때문임 ) 또한이들프로젝트의추진과정에서사업제안서의평가시일반적인지역난방시스템에비해온도편차가큰점을감안하여집열기배관라인을설계하여야하며지역난방에적절한제어시스템을적용하는것이중요한것으로나타났다 오스트리아의에스코 (ESCO) 를이용한태양열지역난방 태양열지역난방시설은운전비용은저렴하나시설비부담이크다. 지역난방시설보유자의입장에서는태양열지역난방시설에투자를결심하려면위험요소에대한판단이필수적이나대부분의경우장기적관점에서태양열지역난방이경제성이있음에도불구하고태양열에대한이해의부족으로투자위험을과대하게평가하는경우가많다. 이같은문제를해결하는방안으로에스코 (ESCO) 를통해시설을설치하여운영하고지역난방회사나건축물소유자에게열을판매사는방안이고려될수있다. < 사진 3 : 오스트리아그라츠소재 Berliner Ring 의태양열지역난방 > 태양열지역난방에에스코를이용하는시도는오스트리아의 SOLID가주도하였는데이를통해오스트리아에다수의태양열지역난방프로젝트를성사시켰으며그중 4개의대규모태양열지역난방시설이그라츠에있다. 오스트리아에서태양열지역난방의열생산단가는 kwh 당 6-9 유로센트 ( 원 ) 이다. ( 참고 : 국내지역난방의 KW 당공급가격은업무용 73 원, 주거용 57 원이나이는발전소의

폐열을주열원으로이용하기때문임 ) 오스트리아의태양열지역난방프로젝트추진과정에서지역난방라인에연결과정의중요성과경험이있는사업파트너의필요성이제기되었다. 2-3.

5 폐열을주열원으로이용하기때문임 ) 오스트리아의태양열지역난방프로젝트추진과정에서지역난방라인에연결과정의중요성과경험이있는사업파트너의필요성이제기되었다 독일의지하공축열방식 (BTES : Borehall Theraml Energy Storage) 태양열을지역난방에확대적용하기위한핵심요소는태양열의발생기간대와지역난방의부하발생기간간의불일치를극복하는것이며이를위하여는하절기의잉여열을저장하여동절기의부하에사용하도록하여지역난방의부하패턴과일치시키는것이다. 지난 10여년간독일에서는이같은목적으로태양열의계간축열방식에대한연구와시도가계속되었으며 탱크축열 (TTES : Tank Thermal Energy Storage), 피트축열 (PTES : Pit Thermal Energy Storage), 지하공축열 (BTES : Borehall Thermal Energy Storage), 대수축열 (ATES : Aquifer Thermal Energy Storage) 등의 4가지방법이시도되었다. < 표 1 : 계간축열방식의종류 > 이작업은정부의 "Solarthermie" R&D프로그램에의해다수의유경험자그룹과국가전문가네트워크에등재된전문가가참여하여추진되고있는데최종목표는 2020년까지축열방식을상용화하려는것이다.

6 지하공축열방식 은 2개플랜트에성공적으로적용되었는데하나는넥카슐름 (Neckarsulm) 프로젝트에적용되어 1997년부터운전되고있으며다른하나는크라일쉐임 (Crailsheim) 에적용되어 2008년부터운전되고있다. 이들 2 프로젝트는연간부하의 50% 를태양열로부터공급받고있다. 이들프로젝트의추진과정에서태양열집열기를건축물일체형으로통합하는방법과지하공축열의설계및건축, 지하공축열에히트펌프를이용하는기술에대한개발이이루워졌다 스웨덴의태양열열량계 (Net-Mertering) 지역난방을이용하는다수의건축물소유자들로부터자신의건축물에태양열집열기를설치하여이용하는방법에대한관심이점증하고있다. 가장일반적인방법은건축물에별도의축열조를두어 1차가열 (preheating) 하여사용하며부족분만을지역난방열로충당하는방식이다. 일반적으로이용되는또다른방식은태양열난방시스템을지역난방의주배관에연결하여지역난방라인을축열버퍼탱크로이용하고지역난방사업자와열공급계약을체결하는방식이다. 이방식은스웨덴말뭬 (Malo) 의지역난방사업자인 E.ON( 전 Sydkraft) 과지방공공기관용건축물소유주간에처음시도되었으며현재는여러도시로확산되었다. 태양열난방의열생산단가는 7유로센트 (112원) 이며기존지역난방에연결 ( 압력, 온도등 ) 와열량계에의한열공급계약이주요특징이다 투자비예측 덴마크의경우이미태양열열생산단가는보조금을제외하고도 kw당 4유로센트 (64원) 로흥미로운수준에도달해있다. 덴마크의경우대규모집열기를지상에설치하여기존의지역난방계통에연결하므로시스템이간단하여열생산단가또한저렴하다. 오스트리아의경우는집열기의설치형태가지상및건축물옥상을함께이용하며기존의지역난방라인에연결하고시설은에스코를이용하므로태양열의발생비용은덴마크의경우보다다소높은수준이었으나설치가증가됨에따라점차낮아지는추세이다. 독일의경우는태양열집열기를건축물에일체화하는데첨단기술을적용하고기간시설을전체적으로새로구축하며계간축열을하는관계로태양열에의한열생산단가는높으나전체부하중비중은높다. 독일의경우는생산단가보다는화석연료의대체비율을높이는데촛점을맞추고있다. 대면적집열기의설치비용은점차비슷해지는추세이나앞에서든성공사례의경우는서로상이한기술의발전정도와상이한적용방법, 그리고투자비용에서도서로상이하며정부로부터의지원규모또한상이하다. 하지만각국정부의정책이화석연료를사용하는지역난방에대한규제가강화되고있으며

7 재생에너지중열에너지에대한지원이확대되고있다. 이에따라지역난방사업자가선택할수있는옵션은바이오메스, 지열및태양열로대체하는것이며태양열만이유럽어느지역에서나선택할수있는대안이다. 점증하는태양열지역난방에대한관심과수요로인해태양열지역난방에대한입찰기회는증가되고있으며더많은사업참여자가나타나경쟁하게됨으로서투자비용또한낮아지는추세이다. 3. 적용방식 대부분의대규모태양열시설은주거지의집단난방이나지역난방에열을공급하는데일반적인운전온도는 30 에서 100 수준이다. 현재운전중인태양열프로젝트의 2/3는기존지역난방시설에연결되어있는데스웨덴, 덴마크및오스트리아가그예다. 또한스웨덴과오스트리아의경우상당부분은우드칲난방플랜트와연결되어있다. < 표 2 : 지역난방용으로지상설치태양열시설의순위, 2010,2 현재 > 소재지 준공 연간집열면적연간용량태양열플랜트총부하 ( m2 ) (MWth) 생산량형태 (GMh/a) (GWh/a) Marstal, DK , B/Bio-oil 28 Broager, DK , CHP/NG 24 Gram, DK , CHP/NG 28 Kungalv,S E , B/WC 100 Braedstrup< DK , CHP/NG 42 Strandby, DK , CHP/NG 21 Toming, DK , CHP/NG 28 Soenderborg, DK , B/Bio-oil n.a Ulsted, DK , B/WP 11 AEroskoping, DK , B/Staw 14 Graz, AT , (DH) (0.8) * 참고 : B= 보일러, CHP= 열병합 DH= 지역난방 WP= 우드팰렛, WC= 우드칲

8 < 표 3 : 지역난방용으로건물옥상설치태양열시설의순위, 2010,2 현재 > 소재지 준공 연간집열면적연간용량태양열플랜트총부하 ( m2 ) (MWth) 열생산량형태 (GMh/a) (GWh/a) Crailsheim, DE , BTES/HP 4.1 Neckarsulm, DE , BTES/HP 3.0 Graz, AT , (DH) (n.a) Friedrichshafen, DE , CWT 3.0 Hamburg, DE , CWT 1.6 Schalkwijk, NL , n.a Aqifer/HP n.a Munchen, DE , CWT/HP 2.3 Graz, AT , (HP/DH) (7.8) Anneberg, SE , BTES 1.0 Augsburg, DE , BTES 1.0 * 참고 : BTES= 지하공축열, HP= 히트펌프, CWT= 콘크리트축열탱크, DH= 지역난방 대부분의시설이지붕설치형이거나지붕일체형이나스웨덴, 덴마크에설치된 22개시설은지상설치방식이다. 집열면적 2,000m2 ( 열용량 1.4MWth) 의플랜트중 80% 이상이평판형집열기를적용하였고이들대부분은지역난방용으로개발된대면적집열기 ( 일명 메가집열기 ) 이며스웨덴과독일의지붕설치형집열기중일부는지붕일체형으로설계되어있다. 대부분의시설이폐쇄회로형으로설치되어있고글리콜수용액을동파방제제로사용하고있으나네델란드에소재한 4곳은드레인다운 (Drain-Down) 시스템으로되어있다. < 표 4 : 태양열냉난방플랜트, 용도불문, 2010,2 현재 > 소재지 준공 집열면적 ( m2 ) 용량 (MWth) 용도 Sarantis S.A, GR , 산업시설, 냉방 Van Melle, NL , 산업시설, 난방 CGD/Lisbon, PT , 사무실, 냉방 Inditex, ES , 산업시설, 냉방 D&W/Lisse, NL , 산업시설, 난방 Tyras S.A, GR , 산업시설, 난방 대부분의플랜트가하절기의열부하, 특히급탕이나열손실보충용으로주간축열조방식으로설치되었으며 20개소는부하부담율을높이기위해계간축열방식으로설치되었다. 계간축열방식의플랜트중 10개소는지상에보온을한탱크, 7개소는지상에, 2개소는지하대수층을축열조로이용하고있다. 10개소의플랜트가하절기열을이용하는냉방시스템에열을공급하도록설계되어있다.

9 3-1. 태양열지역난방 스웨덴의대규모태양열시스템은주로지역난방회사나주택회사에의해기존건물의난방공급에이용하며집열기는지상또는지붕설치또는지붕일체형으로설치하였다. 현재가장오래된시설은 1985년시설된것으로현재까지가동되고있다. < 사진 4 : 스웨덴 Kungalv 의태양열지역난방 > 스웨덴에서현재까지가장규모가큰시설은 Kungalv Energi AB가운영하고있는집열면적 10,000m2 (7MWth) 로우드칲보일러의보조용으로사용되고있다. 근래들어여러도시의지역난방라인에분산하여연결하는방식이적용되고있는데스웨덴의 Malmo가대표적인예이다. 덴마크의대규모태양열지역난방시스템은소규모지역난방에적용되고있으며집열기는지상에설치되고있다. 스웨덴의경험을적용하여덴마크에시설된최초의태양열지역난방시스템은 1,000m2 (0.7MWth) 규모로 1987년처음으로 Saltum 지역에시설되었다. 1995년 Marstal Fjernvarm A.m.b.a가 8,000m2의집열면적에 2,100m3의축열조를설치하여 Marstal지역의난방부하의 15% 를감당하기로결정하였으며그후이설비는 18,300m2 (12.8MWth) 로확장되었으며현재세계에서가장큰태양열지역난방설비이다. 이시설은현재 15,000m2를확장하는공사가진행중인데 2011년가을확장이완료되면총집열면적 33,333m2 (23.3MWth) 의초대규모태양열지역난방시설이된다.

2006-2009년간덴마크에서는 7개소의태양열지역난방시설이추가되었으며 2011년현재 20여곳에추가건설이추진되고있다. < 사진 5 : 덴마크마스탈의태양열지역난방시설 > 3-2. 태양열집단난방 스웨덴의주택회사인 EKSTA는 80년대최초로지붕일체형태양열시설을신축주택에적용하였으며현재이회사는 7,000m2의지붕일체형태양열집단난방시설을보유하고이를운영하고있다.

10 년간덴마크에서는 7개소의태양열지역난방시설이추가되었으며 2011년현재 20여곳에추가건설이추진되고있다. < 사진 5 : 덴마크마스탈의태양열지역난방시설 > 3-2. 태양열집단난방 스웨덴의주택회사인 EKSTA는 80년대최초로지붕일체형태양열시설을신축주택에적용하였으며현재이회사는 7,000m2의지붕일체형태양열집단난방시설을보유하고이를운영하고있다. 처음에 EKSTA는현장시공방식으로태양열집열기를설치하였으나현재는지붕일체형집열기모듈을테라스에올려마감하는방식으로발전하였고신축주택뿐만아니라기존주택에도시공하고있다. 이같은방식으로인해타건축공정과의통합이가능해졌으며공사비를절감할수있고시스템의효율도높이는계기가되었다. 독일의대규모태양열난방플랜트는주로신축주거단지에지붕일체형이나묘듈화된집열기를적용하였다. 이들대규모프로젝트를 쏠라루프 (Solar Roofs) 라고부르는데 2003년까지계간축열을하는대규모단지 8곳, 단기축열을하는중대형프로젝트 50곳이 Solarthermie 2000 프로그램에의해완성되었다. 넥카슐름과크라일스하임에는집열면적 5,000m2 (3.5MW) 이상의지붕일체형시설이건설되었고뮨헨에도 2,900m2 (2MW) 의설비가시설되어있다.

현재오스트리아에서는그라츠가최대태양열지역난방지역인데첫플랜트가 2002년설치되었고그후

11 < 사진 6 : 독일넥카슐름의태양열집단난방 > 오스트리아최초의대규모태양열난방플랜트는 1995년 Deutch-Tschantschendorf의소규모바이오메스플랜트에보조시설로설치되었다. 현재오스트리아에서는그라츠가최대태양열지역난방지역인데첫플랜트가 2002년설치되었고그후 2개의플랜트가추가건설되었으며최대시설은 AEVG에설치된집열면적 5,000m2 (3.5MWth) 의시설로지역난방라인에연결되어있다. < 사진 7 : 오스트리아그라츠의 AEVG 태양열지역난방시설 >

네델란드에서가장일반적으로적용되는태양열난방시스템은집단주거지, 연구단지또는노인요양시설등에적용되었다. 2개의대규모시설이계간축열방식으로설계되었는데그중하나는지하수축열방식의 2,900m2설비로 Schalkwijk에시설되었으며프랑스, 스위스, 폴란드등도다수의태양열집단난방시설이설치되어있다. 3-3.

12 네델란드에서가장일반적으로적용되는태양열난방시스템은집단주거지, 연구단지또는노인요양시설등에적용되었다. 2개의대규모시설이계간축열방식으로설계되었는데그중하나는지하수축열방식의 2,900m2설비로 Schalkwijk에시설되었으며프랑스, 스위스, 폴란드등도다수의태양열집단난방시설이설치되어있다 기타용도 산업공정열을공급하기위한다수의대규모태양열시설이네델란드와그리스에시설되어있는데네델란드 Breda의 Van Melle에설치된 2,400m2이이런목적의시설이다. 1998년그리스의아테네에 2,700m2의평판형집열기를설치하여 350kW 용량의흡착식냉방기 2대에열을공급하고있으며대부분의태양열냉방기는리듐브로마이드 (libr) 을이용하는흡수식이다. < 사진 8 : 포르트칼리스본의 CGD 에설치된태양열집열기 > 현재이태리, 스페인, 포르투칼등에대규모태양열냉방시설이있는데포르트칼리스본의최대은행인 CGD에 1,579m2가냉방용으로설치되어있다. 4. 태양열지역난방시스템 지역난방이란열이지중의배관망을통해순환하는사회기간시설로배관망을통해전달된열은열사용처의서브스테이션에서열교환된후다시메인배관망을통해열원으로순환되어다시가열된다.

13 < 그림 1 : 지역난방시스템 > < 그림 2 : 중앙공급식태양열지역난방 > 초기의모든태양열지역난방은태양열집열기와축열조를근접한곳에설치하고여기서생산된열을메인지역난방에연결하는방식이었다. 이경우집열기는지상에설치되거나건물옥상에설치되었으며시설의소유주및운영자는지역난방열공급자 ( 지역난방사업자, 건축물소유자 ) 였다. 오스트리아설치된태양열지역난방시설은모두그림 1, 2 방식이다.

14 < 그림 3 : 분산형태양열지역난방 > < 그림 4 : 분산형태양열지역난방의서브스테이션 > 근래의태양열지역난방시스템은태양열집열기의설치가가능한어느곳 ( 지상또는옥상 ) 에나설치한후지역난방메인배관에연결하는방식을택하고있다. 오스트리아와스웨덴의태양열지역난방이이시스템을택하고있다. 이경우시설은주택단지소유주, 에스코등시설소유주또는지역난방회사의소유가된다. 이같은경우시설들은기본적으로특정건물의난방부하에맞추어설계되는아니라집열기설치가능면적, 현지의지역난방지사의난방공급사양에맞추어설치되고운전된다. 이경우대부분의시설은지역난방의극히일부분을담당하므로자체적인축열조를두지않고지역난방배관망을축열조로이용한다. < 그림 3> 은태양열지역난방시스템이공동주택의 1차

15 라인에연결된계통도이다. 또한다수의플랜트는태양열시설이집단열공급시설이나지역난방을공급받는건축물에설치되어생산된온수를건축물의 2차측라인에연결하여사용하고지역난방은부족분만사용하는보조열원의역할을한다. 이경우시설의소유는건축물소유자이다. 5. 태양열지역난방의발전과정 현재파악된집열면적 500m2 (350KWth) 이상의태양열시설은 130개소이며이중 40개소가 1MW 이상의대용량시설이다. 이들시설의총집열기면적은약 240,000m2 (170MWth) 로전체태양열집열기설치면적의 1% 수준이며 6만대의가정용온수기에해당한다. 대규모태양열시설은 70년대후반에계간축열방식을갖춘태양열시스템을개발하려는의도로시작되었으며스웨덴이네델란드및덴마크와더블어선도적역할을하였다. 90년대들어대규모태양열시설이독일과오스트리아에세워지기시작했으며 90년대중반이후 500 m2이상의플랜트 100개소이상이신규로건설되어운전되고있다. 현재집단난방및지역난방요의축열조를갖는대규모태양열시설이개발되었으며남부유럽을중심으로산업공정이나열을이용한냉방에적용이급증하고있다. 덴마크와독일에서계간축열에대한연구와관심이계속되고있다. < 표 5 : 유럽의대규모태양열냉난방플랜트 > 국가 최초시설 운전중 폐쇄 지상설치 옥상설치 축열방식 스웨덴 xs, DS, SS 오스트리아 xs, DS 네델란드 DS, SS 기타 그리스 DS 덴마크 xs, DS, SS 독일 (2) 19 DS, SS 스위스 DS, SS 스페인 DS 프랑스 DS 이태리 DS 폴란드 DS 합계 * SS= 계간축열, DS= 일간축열, xs= 축열조로지역난방배관이용

16 < 표 5> 는각국의설치시설수를나타내고잇는데스웨덴이 20개소를운전하고있어가장많은시설을가동중에있으며 10개소는 10-20년의내구기간이경과되어페쇄되었다. < 표 6 : 유럽에설치된집열면적 500 m2 (350KWth) 이상의태양열난방, 냉방플랜트 > < 표 6> 은연도별신규준공된태양열시설의추이를표시하고있다. 현재운전중에있는시설중가장오래된시설은 1985년준공된시설이며대부분 15년이내의시설이다 년간그리고 년간감소를보이고있는데 2010년이후다수의대규모시설이건설되고있다.

17 6. 사진 1. Braedstrup, DK

18 2. Strandby, DK

20 3. Waserwerk Andritz, AT 4. Vislanda, SE

21 5. Neckarsulm, DE

집중기획 설비형태양열시스템기술현황 백남춘한국에너지기술연구원태양열연구센터 태양열이용 태양열이용은태양으로부터오는복사에너지를열에너지로변환해서직접이용하거나저장했다가필요시이용하는기술로서, 복사광선을고밀도로집광해서고온의열을이용하는기술 ( 예, 태양

집중기획 설비형태양열시스템기술현황 백남춘한국에너지기술연구원태양열연구센터 태양열이용 태양열이용은태양으로부터오는복사에너지를열에너지로변환해서직접이용하거나저장했다가필요시이용하는기술로서, 복사광선을고밀도로집광해서고온의열을이용하는기술 ( 예, 태양 백남춘한국에너지기술연구원태양열연구센터 (baek@kier.re.kr) 태양열이용 태양열이용은태양으로부터오는복사에너지를열에너지로변환해서직접이용하거나저장했다가필요시이용하는기술로서, 복사광선을고밀도로집광해서고온의열을이용하는기술 ( 예, 태양열발전 ) 과집광하지않고직접이용하는저온이용기술이있으며, 이용분야는주로온수급탕, 냉난방, 산업공정열, 열발전등열에너지를필요로하는분야에광범위하게사용된다.