지열과 하수열은 설치비나 투자회수기간 등 여러 가지 측면에서도 다른 에너지들에 비해 고효율적인 신재생에너지이다.
무한한 친환경 에너지원, 지열
지열에너지는 토양, 지표수, 공기, 지하수 등에 저장된 태양 복사열이나 지구 내부의 마그마열로 열을 생산하면 직접이용, 전기를 생산하면 간접이용 기술로 분류한다.
보통 우리에게 많이 알려지고 사용되고 있는 지열에너지는 직접이용 방식으로 지열히트펌프, 온천, 건물 난방, 시설원예 난방, 지열 지역난방 등이 있다.
지열은 이산화탄소 배출이 적고 오염물질도 거의 나오지 않기 때문에 환경적인 측면에서 우수한 에너지원이다. 석탄은 1㎾를 생산할 때 1,000g 가까운 이산화탄소가 배출되는데 반면 지열은 13~380g 정도에 불과하고, 황 배출량도 극히 소량이다.
또한 지열은 열용량이 거의 무한하고, 연중 일사량이 일정하기 때문에 지표면 근처 온도에 큰 변화가 없어 특히 냉난방에너지원으로 활용도가 크다.
지열을 활용한 기술은 1912년 스위스에서 지열원 열펌프시스템 특허를 출원하면서 소개되어, 1976년 미국 오클라호마주립대학에서 파이프를 지중에 매설하는 지중열교환기 개발로 실용화 기반이 구축됐다.
땅을 열저장소나 열싱크로 이용하여 난방이나 냉방을 할 수 있는 열펌프가 개발되면서 지열의 이용은 어디에서나 가능하게 됐다.
지열 직접이용 기술 중 가장 큰 부분을 차지하는 기술인 지열히트펌프는 10~30℃ 저온의 지열에너지를 효율적으로 활용하는 지열 분야의 대표 기술이다.
화석연료로 전기를 만드는 과정에서 60% 정도가 폐열로 사라지는데 반해, 지열히트펌프는 땅속 에너지를 끌어다 쓰기 때문에 1㎾h의 전기로 3~4㎾h의 성능을 낸다.
전 세계의 주목을 받는 지열히트펌프
현재 세계의 많은 나라에서 지중 및 기후조건에 맞는 지열이용시스템을 개발하여 보급하는데 많은 투자를 하고 있다. 전 세계 78개국의 지열에너지 이용 국가 중 43개 국가에서 지열히트펌프시스템을 보급했고 현재 미국, 스웨덴과 독일을 포함한 유럽 그리고 중국 등이 보급시장을 주도하고 있다.
미국은 그중에서 앞서가는 지열산업국으로서 지열히트펌프 제조사와 대학 및 연구소가 초기투자비를 줄이기 위해 많은 노력을 하고 있다.
일본 역시 지열히트펌프시스템의 초기투자비를 절감하는 분야에 많은 투자를 하고 있으며, 유럽은 전반적으로 지열히트펌프시스템이 활성화되어 각 나라의 지질 특성 및 환경에 맞는 다양한 지중열교환 기술을 보유하고 있다.
지열히트펌프시스템이란 저온(15~25℃)의 땅 속에 매설된 지중열교환기를 순환하는 열매체(물 또는 부동액)나 지하수와 하천수 등을 열원으로 활용하여 건물에 냉난방과 급탕을 공급하는 시스템이다.
2009년 말 기준, 지난 5년 동안 지열히트펌프시스템 보급용량은 연평균 18%씩 성장했으며, 에너지 이용량은 연평균 19.7%씩 증가했다. 전체 보급용량 약 51GWth 중 지열히트펌프시스템 보급용량은 35GWth로 69.7%를 점유하고 있으며, 이용량은 전체 이용량 중 49%를 점유하고 있다(표 참고).
냉난방 분야의 가장 경제적인 해결책
지열히트펌프시스템은 주거용 건물과 중대형 건물, 산업현장, 시설원예, 도로 융설 등 다양하게 적용할 수 있을 뿐 아니라 마을 단위, 지역 단위로도 활용 가능하며, 개보수 건물에도 적용 가능한 시스템이다.
2001년 미국 환경보호국에서 지열히트펌프시스템을 냉난방 기술 중에서 에너지 효율이 가장 높은 것으로 공인할 정도로 고효율 시스템이기도 하다.
2007년 IPCC 보고서에서는 전 세계적으로 온실가스(GHG) 배출량이 가장 높은 비율을 차지하고 있는 건물 분야에 지열히트펌프시스템은 경제적으로 타당성을 확보한 해결책이라고 발표한 바도 있다.
그리고 우리가 지열히트펌프에 주목하는 이유는 또 하나, 바로 친환경적인 에너지라는 사실 때문이다. 기존의 장치보다 적은 양의 전기를 소비하기 때문에 이산화탄소나 오염물질 배출량이 적은 것은 당연, 프레온 가스를 사용하지 않고 냉방을 하기 때문에 오존층을 파괴하지도 않는다.
국내에서도 이 같은 지열히트펌프의 가치를 파악하고, 지난 7월 산업은행 기술평가원 보고서에서 지열히트펌프가 오는 2014년 20조원 규모의 시장을 형성하며 보일러 기술을 대체할 것이라는 예측을 발표했다.
특히 우리나라와 같이 국토가 좁고 부존자원도 많지 않은 국가에서 지열에너지는 우수한 에너지원이며 해외시장 공략 가능성도 크다는 전망이다.
2008년부터 추진 중인 ‘그린홈 100만호 프로젝트’에 따라 신성엔지니어링에서는 지난 9월 기존 가정용 보일러를 대체할 지열히트펌프를 출시하기도 했다.
에너지 잠재력이 높은 하수열
지열과 마찬가지로 하수열 역시 냉난방을 책임질 신재생에너지로 주목받고 있다. 하수열은 도시의 일상생활에서 배출되는 생활하수에서 발생하는 일정한 온도를 에너지로 활용한다.
일반 가정에서 배출되는 하수 온도는 25℃ 정도인데 지중으로 흐르면서 바깥 온도의 변화에 상관없이 연평균 15℃를 유지한다. 하수는 여름과 겨울에도 일정한 온도를 유지하기 때문에 열교환기와 히트펌프를 설치해 하수열에너지를 활용할 수 있다.
하수열 냉난방시스템은 겨울에는 하수관에서 흡수한 열원을 열펌프의 증발기로 공급해 50~70℃까지 데워 난방과 온수를 공급하며 여름에는 열펌프의 사이클을 반대로 적용해 냉방을 한다.
한국에너지기술연구원에 따르면 하수열에너지를 냉난방에 사용할 경우, 기존 보일러와 냉동기를 이용한 냉난방시스템에 비해 30% 이상 에너지 절감이 가능하며 온실가스 발생을 최대 60%까지 줄일 수 있다고 한다.
현재 우리나라는 전국 약 403개소의 하수처리장에서 연간 약 90억 톤의 하수가 처리되면서 에너지 부존량이 연 320만toe 가량 발생하고 있다. 이는 가정이나 상업부분 에너지 소비량의 8.8%를 차지할 만큼의 양으로 하수 1,000㎥/h인 경우 주택 8만 채 분의 냉난방열량을 지원할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
하수열에너지는 이미 노르웨이, 스웨덴, 일본 등에서 이미 도시의 냉난방에너지로 활용하고 있다. 우리나라 역시 주거 밀도가 높고 대규모의 지역 열 공급시설이 발달해 있으며 하수처리장이 도심에 가까이 위치하고 있기 때문에 하수열을 사용할 수 있는 잠재력이 그만큼 높다.
설치비와 투자비용 대비 효율성 높아
친환경에너지 및 친환경설계 전문기업인 휴다임에 따르면 하수열 에너지는 1kW당 125만 원~180만 원의 설치비가 든다. 이는 태양광 발전이 1kW당 565~1,442만 원, 풍력 발전이 1kW당 555만 원(2009년 기준)인데 비해 우선 설치비면에서 경제성이 뛰어나다.
투자 회수 기간도 태양열이 6년~10년, 풍력이 10년~15년인데 비해 하수열과 지열은 최소 3년에서 최대 10년 정도면 투자회수가 가능하다. 수명 역시 태양광 발전이 15~20년, 풍력 발전이 20~30년인데 반해 지열과 하수열은 30~50년까지 시스템을 유지할 수 있다.
휴다임은 하수열과 지열로 냉난방을 할 경우 냉방 시에는 45~55%, 난방 시에는 65~75%의 연간에너지 절감효과를 볼 수 있다는 경제적 효용가치를 발표하기도 했다.
지열이 지중 굴착공간 확보 등으로 인해 도시외곽과 농촌 지역에서 주로 활용되는 반면 하수열은 하수도 시설이 되어 있는 곳이면 어디서든 가능하다는 장점이 있다.
또 지열의 경우 토지 재이용 등을 위해 시스템을 제거하려면 사실상 막대한 비용이 필요하지만 하수열은 철거에 큰 어려움이 없다. 지난 2009년 11월 하수열에너지 시스템을 채용한 강동어린이회관의 경우 LPG와 전기에너지를 활용하던 기존 시스템에 비해 2009년 11월 71.8%, 12월 59.6%의 비용 절감 실적을 거뒀다.
또 2010년 1월부터 7월까지는 평균 55.8%의 비용을 절감했다. 국내 최초로 하수열을 회수하여 집단에너지로 활용하는 용인하수처장의 하수처리수 사업은 용인시 지역 난방에너지의 2%를 하수열에너지로 공급할 예정으로 이로 인해 연간 1765toe의 에너지절감 및 상당한 이산화탄소 저감효과를 기대하고 있다.
전력 위기에서 대안이 될 지열과 하수열
최근 유가의 불안정, 기후변화협약 규제 대응 등 에너지를 둘러싼 여러 가지 불리한 상황들은 미래에너지원으로 불리는 신재생에너지의 중요성을 재인식하게 하고 있다.
경제개발이 바쁘게 이루어지면서도 에너지 자원이 턱없이 부족한 우리나라의 경우, 온실가스 배출을 감축하면서도 지속가능한 대안이 될 수 있는 방법은 현재 신재생에너지 뿐이다.
특히 우리나라는 여름과 겨울이 반복되는 특징이 있기 때문에 에너지 사용량 중 25%를 냉난방 에너지로 사용하고 있다. 냉난방 에너지를 대체할만한 신재생에너지를 찾는 것만으로도 부족한 전력량에 큰 힘을 보탤 수 있다.
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