태양열 47% 지열로 보유 경제성과 효율성 갖춘 청정 에너지

지열에너지는 물, 지하수 및 지하의 열 등의 온도차를 이용하여 냉ㆍ난방에 활용하는 기술이다. 

태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며, 이렇게 태양열을 흡수한 땅속의 온도는 지형에 따라 다르지만 지표면 가까운 땅속의 온도는 개략 10℃〜20℃정도 유지해 열펌프를 이용하는 냉난방시스템에 이용할 수 있다. 우리나라 일부지역의 심부(지중 1~2 km) 지중온도는 80℃ 정도로서 직접 냉난방에 이용 가능하다. 지열을 회수하는 파이프(열교환기) 회로 구성에 따라 폐회로(Closed Loop)와 개방회로(Open Loop)로 구분된다. 일반적으로 적용되는 폐회로는 파이프가 밀폐형으로 구성되어 있는데, 파이프 내에는 지열을 회수(열교환)하기위한 열매가 순환되며, 파이프의 재질은 고밀도 폴리에틸렌이 사용된다. 폐회로시스템(폐쇄형)은 루프의 형태에 따라 수직, 수평루프시스템으로 구분되는데 수직으로 100〜150m, 수평으로는 1.2〜1.8m정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방부하가 적은 곳에 쓰인다. 

개방회로는 수원지, 호수, 강, 우물 등에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는것으로 풍부한 수원지가 있는 곳에서 적용이 가능하다. 

폐회로가 파이프내의 열매(물 또는 부동액)와 지열이 열교환 되는데 반해 개방회로는 파이프 내에서 직접 지열이 회수되므로 열전달 효과가 높고 설치비용이 저렴한 장점이 있으나 폐회로에 비해 운전 유지보수 주의가 필요하다. 

최초 지열시스템 스위스에서 개발

1912년 스위스의 Heinrich Zoelly가 처음 특허를 출원하면서 ‘지열원 열펌프시스템’으로 소개됐다. 1976년 미국 오클라호마주립대학에서 파이프를 지중에 매설하는 지중열교환기를 개발하여 실용화 기반을 마련했다. 1996년 오클라호마 주립대학에서 슬린키(Slinky) 방식의 지중 열교환기를 개발하여 건물 냉난방에 적용됐다. 

1997년 스위스에서는 말뚝형 지중 열교환기를 개발하여 스위스공항에 시범 적용됐다. 일본은 지열 열펌프 시스템의 초지 투자비를 절감시킬 수 있는 분야와 도로 제설(Snow Melting) 분야에 많은 투자를 하고 있다. 

미국 IGSHPA나 ASHRAE는 지열 열펌프 시스템에 대한 실제 적용성 검증 후, 매년 고성능, 다기능의 지열 열펌프 및 지중 열교환기 설치 방법 개발하고 있다.   

현재, 세계적으로 자국의 지중 및 기후조건에 적합한 지열이용시스템을 개발하여 보급하는데많은 투자를 하고 있으며, 특히 냉각탑이나 태양열 집열기 등을 지열 시스템과 혼용하여 중대규모 건물에 적용하는 복합(hybrid) 시스템 개발에 주력하고 있다.  

전 세계적으로 다양한 분야에서 지열 에너지를 활용하고 있다. 2005년도를 기준으로 지열에너지 이용 시설의 용량은 28,269 MWt이며, 연간 273,372 TJ(75,943 GWh)을 이용하고 있다.  2000년 대비 용량은 두 배 증가, 이용량은 43%(연간 7.5%) 증가하고 있다.  

가장 큰 부분을 차지하고 있는 분야가 지열원열펌프시스템을 이용한 건물 냉난방시스템이다. 지열원열펌프시스템이 전세계 지열 에너지 이용량(시설용량 및 이용량) 증가에 주도적 역할을 하고 있다. 

2005년 기준, 지열 에너지 이용 시설용량 중 54.4%(15,384 MWt), 지열 에너지 이용량 중 32% (87,503 TJ/year)가 지열 열펌프 시스템이 차지했다. 설치 건수는 2000년 대비 약 3배 증가했다.  일부 지역에 대한 지중온도 측정 결과 연중 13~15℃의 일정온도를 유지하고 있어, 지열 열펌프 시스템의 열원으로 우수하다.   

일본, 싱가폴, 프랑스, 독일 등은 폐기물 소각율이 높아 고도의 소각기술을 보유하고 있다.  미국 등에서도 폐기물 종류에 따라 기술이 상용화되고 있다.  

우리나라, 기후조건상 지열에너지 보급에 양호 

우리나라의 기후조건에서는 최소 0.3 이상의 가동률(연간 2,000~ 3,000시간 운용가능)을 보이기 때문에 매우 양호한 보급 환경을 갖추고 있다.   

해마다 연구개발에 대한 투자가 증가하고 있으며, 주로 기초 연구와 실증 연구에 집중하고 있다. 중대형 소각시스템이 상용화 된 상태다.  

국내의 지열 열펌프 시스템 보급은 10여개 업체가 주로 외국과 기술을 제휴를 맺고 열펌프를 수입하여 시공·보급하고 있는 단계이다. 

2005년까지 에너지관리공단에 신재생에너지 전문기업으로 등록된 전체 60여개 업체 중, 지열 관련 업체는 약 24개 업체로 40% 점유하고 있다. 2003년 이후 지열 열펌프시스템 보급 증가와 함께 관련 업체도 양적으로 증가하고 있다. 24개의 업체 중, 지열 시스템만 시공하는 업체는 12개이다. 지열관련 24개 업체 중 2004년도 매출실적을 신고한 업체는 10여개로 이들 업체의 종사인원은 총 130여명이다. (업체당 평균 11명), 매출은 약 175억원(업체당 평균 15억원) 정도이다.   

대규모 실용화 단계에 진입하기 위해, 초기 투자비 절감기술 개발과 지열 자원에 대한 체계적 정보망 구축 필요하다. 외국의 장비와 설계공법 등을 적용하는 경우가 많고, 국내의 지질 및 기후조건, 시공조건등을 고려한 신뢰성 및 공사비 검토 필요하다.   

열펌프 유닛인 경우 외국제품(미국)을 수입하여 시공하고 있는 수준이다. 대표적인 유닉제품 제조업체들은 ClimateMaster, Econar, Florida Heat Pump, Trane,  WaterFurnace 등이다. 

현재 일부 국내업체에서 열펌프 유닛을 제작하고 있으나, 신뢰성을 확보하지 못하고 있으며, 국산 장비 및 재료에 대한 성능 검증이 필요하다. 2005년도에 수직형 지열 열펌프 시스템 시공기준(안) 마련했다.  

열펌프 유닛, 지중 열교환기, 전체 시스템에 대한 인증제도 구축 중이다. 일부 업체에서 시공하고 있는 지하수 이용 시스템에 대하여 지하 환경영향 평가 필요하다.