365일, 24시간 땅에서 나오는 무한한 에너지

365일, 24시간 땅에서 나오는 무한한 에너지

: 우리나라의 지열에너지 활용 현황, 롯데월드타워와 인천국제공항

15기 김상재

 

 

 "국가 전력의 기저부하를 담당할 수 있는 유일한 신재생에너지로 평가받는 지열발전" 

 이 한마디는 지열발전의 모든 것을 담고 있다고 해도 과언이 아니다. 

 지열발전은 계절과 날씨 등에 영향을 받지 않고 365일 24시간 가동할 수 있어 기저부하를 담당할 수 있는 유일한 신재생에너지 자원으로 주목받고 있고 지상면적을 최소화할 수 있어 우리나라의 신재생에너지 육성정책에 부합함과 동시에 세계적으로도 관심이 증대되고 있는 청정에너지원이다.

 신재생에너지 중에서 지열에너지는 재생에너지로 고갈이 없는 환경친화적인 에너지이다. 미국 EPA(Environmental Protection Agency)의 보고서에 의하면 지열원을 이용한 냉난방시스템이 가장 에너지 효율적이고 친환경적이며 비용 면에서도 효율적인 공조 시스템이라고 이야기하였다.

 현재 우리나라에서 가장 많이 지열에너지와 관련되어 쓰이는 시스템은 지열히트펌프로 하절기와 동절기의 지열을 저장하여, 건축에너지 부하에 사용할 수 있는 방식이다.

 요새 신재생에너지 중 특히 지열 냉난방 시스템은 공공 건축물에 적용이 확산되어 일반 기업과 개인들도 지열히트펌프의 친환경성, 경제성, 효율성, 편리성 등 다양한 장점에 대한 인식이 늘어나 국내 보급률이 많이 늘어나고 있다. 특히 히트펌프 지열시스템은 건물의 냉난방에 적용 시 외부의 변화에 영향을 받지 않고 일정한 온도를 유지할 수 있기 때문에 효율이 높은 에너지 절약 시스템으로 활용이 가능하다.

 이 기사에서는 지열히트펌프에 대한 설명과 우리나라에서 지열히트펌프를 적용한 건축물들을 알아보고 우리나라에서 지열에너지가 가지는 잠재력과 한계점을 정리하도록 할 것이다.

가장 기본적인 지열히트펌프의 냉, 난방 사이클은 다음과 같이 구성된다.

[그림 1. 지열히트펌프의 냉방 사이클]

출처 : 김성수(2010), 지열에너지를 이용한 히트펌프 시스템에 관한 연구

[그림 2. 지열히트펌프의 난방 사이클 ] 

출처 : 김성수(2010), 지열에너지를 이용한 히트펌프 시스템에 관한 연구

 

▶ 냉방의 경우,

1. 고온, 고압의 냉매가 과열증기 상태로 압축기를 나와 4방 밸브를 거쳐 응축기로 들어간다.

2. 응축기에서 고온의 증기냉매는 상대적으로 온도가 낮은 지중열교환기 순환수와 열을 교환한다. 이 열 교환 과정에서 지중열교환기 순환수의 온도는 상승하고 냉매는 기체상태에서 액체상태로 변한다.

3. 온도가 상승한 지중열교환기 순환수의 온도는 다시 토양과 열을 교환하면서 순환수 응축기의 설정 입구온도까지 하강한다.

4. 응축기를 나온 고온의 액체상태 냉매는 팽창밸브를 지나면서 저온, 저압의 상태가 된다.

5. 이 저온 저압의 액상 냉매는 다시 증발기로 들어가 실내공기와 열을 교환하며, 이 과정에서 액상 냉매는 증발기로 유입되는 실내공기를 차갑게 만들면서 기체로 상변화를 한다.

6. 증발기를 나온 저온, 저압의 증기냉매는 4방 밸브를 지나 압축기로 들어가며, 압축과정에서 고온, 고압의 증기냉매가 된다.   

 

▶ 난방의 경우, 

1. 고온, 고압의 냉매가 과열증기 상태로 압축기를 나와 4방 밸브를 거쳐 응축기로 들어간다.

2. 응축기에서 고온의 증기냉매는 상대적으로 온도가 낮은 실내순환공기 또는 건물 순환수와 열을 교환한다. 이 과정에서 냉매는 액상으로 변하며, 실내 순환공기나 건물 순환수는 냉매가 가지던 에너지를 받아 온도가 상승한다.

3. 온도가 상승한 공기나 건물 순환수를 분배장치를 통해 난방을 하거나 온수를 공급하게 된다.

4. 응축기를 나온 액상 냉매는 팽창밸브를 지나면서 온도와 압력이 감소하여 증발기로 들어간다.

5. 증발기로 유입된 액상 냉매는 지중열교환기 순환수로부터 에너지를 받아 다시 증발하고 4방 밸브를 지나 압축기로 들어간다.

6. 온도가 강하된 지중열교환기 순환수는 토양과 열을 교환함으로써 순환수의 온도는 증발기의 입구온도까지 상승한다.

7. 압축기는 저온, 저압의 기체상태 냉매를 압축하여 처음 상태로 되돌린다.

  다음과 같은 과정으로 지열히트펌프의 냉, 난방 사이클이 구성된다.

 

 우리나라는 일단 밀폐형 토양열원 지중열교환기의 냉, 난방에서 효율성이 높기 때문에 지열히트펌프 중 밀폐형 토양열원 지중열교환기 위주로 실제 시공이 진행되고 있다.

 추가적으로 지하수열원 지중열교환기는 환경오염의 우려가 큰 편이다. 지하수열원의 경우 지하수에 포함된 오염물질로 인해 펌프 시스템에 피해를 줄 수 있고 반대로 시스템이 지하수에 주는 피해도 간과할 수 없다. 

 지표수열원의 경우 대규모의 호수, 인공연못 등의 조건이 갖추어져야 하는데 이 조건이 일단 까다롭고 외기온도 변화에도 민감하기 때문에 모든 면을 고려했을 때 우리나라에서는 밀폐형 토양열원 지중열교환기로 구성된 지열히트펌프를 가장 많이 사용하고 있다. 

[그림 3. 냉, 난방에서 지열히트펌프 시스템의 효율성 비교] 

출처 : 지열에너지저널 6(3) 

밀폐형 토양열원 지중열교환기는 크게 수직형과 수평형으로 나뉜다. 

[그림 4. 밀폐형 토양열원 지중열교환기 (좌) : 수직형, (우) : 수평형]

출처 : 지열에너지저널 6(3)

 수직형의 경우, 지중에 수직으로 매설하므로 시공부지의 제약이 상대적으로 적고 건물의 부하 및 부지조건에 따라 다양한 깊이로 시공이 가능하다. 

 수평형의 경우, 시공비용이 상대적으로 저렴하지만 부지가 넓어야 하는데 부지가 넓어지면 지중온도에 차이가 생길 수 있어 시스템의 효율성이 조금 낮은 편이다. 

 어떤 기술이든 완벽한 점은 없기 때문에 최대의 효율성을 추구하는 방향으로 연구, 개발이 이루어지는데 지열발전도 마찬가지로 하이브리드 히트펌프 시스템의 도입을 연구중이다. 보조 냉각원으로 냉각탑, 보조 열원으로 보일러나 태양열 집열판 등을 병행하여 설치하여 효율성을 개선하고자 하며 계속 연구중인 분야이다. 

 현재 우리나라에서 밀폐형 토양열원 지열히트펌프가 사용된 최근의 건축물은 롯데월드타워와 인천국제공항 제2여객터미널이 있다. 

[사진 1. 롯데월드타워 ] 

출처 : 롯데월드 제공

 롯데월드타워는 처음으로 지열히트펌프가 대규모 용량으로 설계되어 시공된 사례이다. 

 롯데월드타워의 저층부 판매시설 및 영화관의 기저부하를 담당하고 있다. 보통 지열냉난방시스템은50RT의 장비를 배치하는 경우가 대부분이지만, 롯데월드타워 현장에서는 장비의 효율성과 효과적인 관리를 위해 500RT의 장비 6대를 설치하였다. 

[표 1. 롯데타워 지열히트펌프 일반사항]

출처 : 지열에너지저널 12(1)

 즉 단일규모로는 최대인 3000RT의 시스템이며 설계단계부터 시공까지 외국 전문 컨설팅 업체의 도움을 거쳐 시스템을 완성시켰다. 롯데월드타워 이후 공공부분, 민간부분에서도 대규모 지열냉난방시스템의 설치를 적극적으로 사용하게 된 점에서 의의가 있으며 소용량의 지열히트펌프에서 대용량, 다양한 용량의 장비 개발의 시발점이 되어 지열히트펌프 트렌드의 변화를 선도한 경우로 평가받고 있다. 현재까지도 저층부에서 이상 없이 사용중이며 지속적인 유지관리를 진행하고 있다. 

 다음으로, 인천국제공항 제2여객터미널은 다중이용시설에도 지열이 적용되고 있다는 점을 보여준 사례이다. 

[사진 2. 인천국제공항 제2여객터미널]

출처 : 인천국제공항 공식 페이스북

 지열냉난방시스템은 사용시간에 관계없이 대응이 가능하며, 시스템의 사용시간이 높을수록 시스템의 성능이 더 좋아지는 장점을 가지고 있다. 이러한 지열냉난방시스템의 장점 때문에 호텔이나 공항 등 부하가 높고 사용시간이 긴 다중이용 시설에서 높은 효율성을 보인다. 해당 지열냉난방시스템은 1500RT으로, 동측과 서측의 건물 측면의 기저부하를 담당한다. 공항이 24시간 운영되고, 많은 사람들이 이용하는 시설이기 때문에 타 건물에 비해 사용시간을 길게 설정하였다.

[표 2. 인천국제공항 제2여객터미널 지열히트펌프 일반사항]

출처 : 지열에너지저널 12(1)

 지열냉난방시스템을 다중이용시설에 적용하면 열원 특성상 에너지절감과 동시에 건물의 운영비가 절감되므로 설치 후 그 이점이 타 신재생에너지시스템 보다 높다. 인천공항은 다른 다중 이용시설보다 이용시간이 길고 부하량이 많기 때문에 지열냉난방시스템이 적용되었다.

 인천공항에 설치된 지열냉난방시스템은 국내외 공항의 신재생에너지 시스템 설계 및 시공 검토 시 적절한 예시가 될 수 있기 때문에 그 의의가 있고 기사 앞에서 언급했듯이 지하수오염 및 수원의 보호를 위해 밀폐형 지중 열교환기를 선정 하였다. 

[표 3. 지열자원의 경제성, 실현성에 따른 분류]

출처 : 지열에너지저널 8(4)

 위의 표와 현재 우리나라에 실제로 적용된 지열 기술을 생각해보면 이미 개발가능 단계에 이르렀다고 할 수 있다. 

 지열에너지는 친환경적이며 지리적 제약과 외관의 돌출이 없어 건축설계에 많이 반영되고 있으며 잠재 에너지량이 풍부하여 일반 건축물에 적용에도 용이한 편인데다가 한번 시공하면 꾸준한 효율을 기대 가능한 반영구적 시스템으로 특히 우리나라처럼 여름과 겨울의 구분이 확연한 기후조건에서 활용 가능성이 매우 우수한 시스템으로 분석되고 있다. 

 하지만 초기투자비의 문제, 시공 후 지중온도의 안정성, 히트펌프 파손시 교체의 어려움 등 많은 과제 역시 남아있으므로, 시공기술과 안정적인 지열확보 기술은 기본이고 추가적인 기술의 필요성이 제기되고 있다. 

 현재 개발가능성의 트렌드는 화산성 고온 지열지대가 아닌 지역에서 인공지열 저류층 생성기술(EGS: Enhanced Geothermal System)을 이용한 상업적 지열발전이 시도되고 운영됨에 따라 국내에서도 심부지열을 이용한 지열발전의 가능성 여부인데 이는 천공기술 발달, 지하 수천미터 속의 고온열을 이용하여 전기를 생산하는 것으로 현재 우리나라에서는 깊게 연구가 진행된 상황은 아니며 건물 냉난방 위주로 연구, 개발이 진행되고 있다. 

지열발전은 "지열자원의 탐사에서부터 개발, 발전시설 건설, 운영 등에 이르기까지 여러 산업과 과학기술분야의 협업에 의해 완성되는 종합에너지 플랜트산업”이라며 “지열에너지자원을 개발하는 과정은 탐사공학, 시추공학 암석역할, 지하수공학, 지구화학, 플랜트건설 등 석유, 가스 및 광물자원을 개발하는 요소기술이 총동원되는 지질자원 건설분야 기술의 종합응용분야"라는 전문가의 언급이 있었다. 이 언급대로 다양한 전문가들의 시너지를 기대하며 앞으로 우리나라에 있을 지열에너지의 발전의 가능성에 주목하고 싶다. 

 

<참고문헌 및 인용자료>

1. 민경천 (2016). 롯데월드타워 지열냉난방시스템 적용사례. 지열에너지저널, 12(1), 2-8  

2. 임영민 (2016). 인천국제공항 제2여객터미널 지열냉난방시스템 적용사례. 지열에너지저널, 12(1), 9-13  

3. 송윤호 (2012). 우리나라 지열자원 부존특성과 지열발전 잠재량. 지열에너지저널, 8(4), 14-19   

4. 박차식 (2010). 지열 에너지 기술 현황. 지열에너지저널, 6(3), 4-10

5. 공형진 (2015). 지열 에너지 보급 동향. 지열에너지저널, 11(1), 6-10

6. 전재홍, 차광석 (2009). 지열시스템의 활용 및 건축물 적용 사례. 지열에너지저널, 5(1), 12-20

7. 김성수 (2010). 지열에너지를 이용한 히트펌프 시스템에 관한 연구