히트펌트에서 수력발전까지 에너지기술의 총집합

8. 스터링(Stirling) 엔진

스터링엔진(Stirling Engine)이란 실린더와 피스톤으로 이루어진 공간 내에 수소나 헬륨 등 작동가스를 밀봉하고 이를 외부에서 가열 냉각시킴으로써 피스톤을 상하로 움직여 기계적에너지를 얻게 되는 외연기관(External Combustion Engine)이다.

실제로는 실린더 내의 작동가스를 가열기, 재생기, 냉각기로 구성된 열교환기를 통해 가열 또는 냉각시킴으로써 그 팽창과 수축에 따라 피스톤이 상하운동을 하게 하여 동력을 얻게 된다.

이것은 가솔린 엔진 등 내연기관에 비하여 열효율이 더 높고 소음과 진동이 적다. 연료로는 석유류 외에 천연가스와 석탄, 신탄 등의 고체연료 또 공장폐열과 태양열 등도 다양하게 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

스털링엔진의 역사는 매우 오래되었고 그 원리는 1816년 영국의 목사 스털링이 발명한 것으로 알려졌다. 그러나 이것은 한동안 증기기관과 내연기관의 빠른 발전 때문에 거의 자취를 잃어버렸다.

그러다가 근래에 와서 관련 기술, 특히 내열재료와 씰(Seal)기술의 발전, 그리고 에너지절약과 대체에너지의 중요성이 강조되면서 이 엔진의 개발이 다시 시작되었다.

이것은 엔진으로서 열역학적 이론상 가장 높은 효율을 가지며 또 연소할 때 폭발행정이 없어서 엔진의 진동, 소음이 낮고 또 폐가스의 정화도 유용하며 뿐만 아니라 외연기관이기 때문에 석유, 천연가스를 비롯하여 목질계 연료, 공장폐열, 태양열 등 여러 가지 열원을 이용할 수 있는 특징이 있는데 이 엔진은 공조(Air Conditioning)시설의 동력원과 산업분야의 여러 용도에 쓰일 이동식 동력원 등으로 응용될 것으로 기대되고 미국과 일본에서 연구개발이 진행되고 있어 머지않아 열효율 35% 및 엔진 수명 10년까지 달성될 것으로 보인다.

이 밖에도 주택밀집지역의 열병합발전시스템으로도 유망해 보이고 태양열발전용 및 인공심장의 동력원 등 특수용도까지 매우 광범위하게 이용될 전망이다.

9. 지역난방

일개의 도시 또는 일정한 지역 내의 주거용, 상업용, 공공용 수용가에 집중된 열원시설에서 그들이 필요로 하는 난방, 급탕 및 냉방에 필요한 열을 개별의 열 생산시설(유류, 가스보일러 등)을 갖추지 않고 집중화된 대규모 열 생산시설로부터 경제적으로 생산된 열을 배관망을 통하여 공급하는 방식이다.

지역난방열의 공급은 다음과 같은 과정을 통해서 이루어진다. 열생산시설에서 만들어진 지역난방 열매를 보온이 양호한 배관망을 통해 수용가 열교환기실까지 공급한다.

열교환기실까지 공급된 지역난방 열매는 별도의 수용가용 열교환기를 통하여 수용가 내부 순환 온수에 열을 전달한 뒤 다시 열생산시설로 회수된다. 열교환기실에서 열을 전달받은 수용가 온수는 각 세대 또는 빌딩의 각 층에 공급된다.

10. MVR 시스템

기계적증기재압축시스템(Mechanical Vapor Recompression System)이라 불리는 이 시스템은 제품생산공정에서 발생하는 저온 폐열의 자기증발증기나 간접 열교환에 의한 열 매체 증발증기를 모터 또는 터빈구동방식의 압축기로 흡입, 압축시켜 생산공정의 가열 열원으로 재사용하는 기술이다.

이 시스템은 원래 증발공정의 배출증기를 재압축하는 데서 시작된 것으로 기계적 압축을 위한 전기에너지(전력)와 회수증기(유류)와의 가격대비로 그 경제성이 결정되고 식품 및 석유화학산업의 증발 및 증류공정 등에서 적용 효과가 크다고 하나 응용방식의 다양성과 적용공정에 따른 시스템 제어기술의 난이성으로 일반화된 시스템 개발에는 어려움이 있다.

또한 시스템의 주기기인 압축기의 국내설계 및 제작기술이 아직은 미흡하므로 낮은 효율 및 과다한 초기 투자비가 확대 보급에 문제점으로 지적되고 있는 바, 설계와 제작기술의 확보가 우선으로 선행되어야 할 것이다.

11. MVR을 이용한 해수담수화 기술

해수담수화란 바닷물에 녹아있는 염분을 제거하여 사람이 먹고 사용할 수 있는 담수로 바꾸어 주는 기술로 가장 간편하고 오래된 방법은 바닷물을 끓여 생긴 수증기를 응축시켜 담수를 얻는 방법이다. 이는 1953년 R. Hawkins가 신대륙 항해 시 증발기를 사용하여 해수를 담수화한 것이 그 시초이며 본격적인 해수담수화 시설은 1960년 중동의 쿠웨이트에 설치한 하루 4,000m3 용량의 플랜트였다. 이후 증발법을 포함하여 역삼투막(RO)법, 전기투석법, 냉동법 등 다양한 해수담수화 기술들이 개발됐으나 현재까지 가장 주목받고 있는 기술은 증발법과 역삼투막법이라고 할 수 있다.

그러나 증발법은 단순하고 유지관리가 용이하지만 단위생산 수량당 에너지비용이 너무 비싸다는 단점을 가지고 있으며 역삼투막법은 에너지소비량은 비교적 낮지만 막의 성능 및 수명을 유지하기 위한 주기적인 세척과 필터교환 등 전처리과정이 복잡하여 유지관리가 불편한 단점을 가지고 있다.

이에 따라 한국에너지연구소에서는 기존 증발법의 장점은 그대로 유지하면서 역삼투막 기술과 비슷한 수준의 낮은 에너지소비량을 갖는 증기재압축(MVR)식 해수담수화시스템을 개발하기 위하여 지난 10여 년간 전(前) 과학기술부와 전(前) 산업자원부 지원으로 연구소 내에 설치된 다목적용 MVR Pilot Plant를 이용한 해수담수화시험 운전 결과, 저에너지비용의 새로운 해수담수화 기술의 상용화 가능성을 확인하였다.

MVR 증발법은 기존의 증발방식의 장점을 그대로 유지하면서 보일러의 생증기 대신에 자체발생 증기의 재압축에 필요한 약간의 전력만을 필요로 하므로 아래에서처럼 기존 증발방식들과 비교하면 에너지의 대폭 절감은 물론 추가적인 보일러 시설 및 응축에 필요한 냉각수가 필요없는 기술로 보수유지 및 자동제어가 용이하다.

원래 이 기술은 1, 2차 Oil Shock 시 주로 식품공장의 물엿, 포도당, 과당, 맥즙농축 공정의 에너지절약기술로 도입되었고 근래에는 펄프공장의 흑액농축 및 주정공장의 주정폐액 처리, 도금폐액처리, 음식물쓰레기 탈수여액처리, 농·축산 및 생선가공 배출액처리 등 각종 산업분야의 에너지절약형 환경기술로 그 응용범위가 확대되고 있다. 특히 대형 보일러시설이 필요 없고 자동제어가 용이하며 설치면적이 작아서 섬지역이나 군부대시설, 중소형 단위공장에서 풍력 또는 디젤발전을 이용한 On-Site 용 담수화 또는 공업용수화 분야에 그 응용 잠재력이 매우 높은 기술이다.

최근 한국에너지기술연구소에서는 이와 같이 다양한 응용분야에 적합한 최적 MVR증발시스템을 개발하기 위해 연구소 내에 시간당 증발량 0.4톤 규모의 다목적용 MVR증발 Pilot Plant를 건설하여 각종 수요조건에 대비한 최적설계자료를 확보하고 있으며 1차로 해수담수화 운전을 성공적으로 완료하였다.

12. TVR시스템

열 압축시스템(Thermal Vapor Recompression System)이란 Jet Pump(Ejector)의 여러 기능 중에서 고압의 증기를 구동원으로 하여 저압의 폐증기를 흡입·압축한 후, 압축된 토출 증기를 공정의 가열 열원으로 재사용하는 기능(열압축기: Thermo Compressor)을 이용한 폐열회수 시스템이다.

원래 시스템의 주기기인 Steam Ejector는 고진공도를 요하는 단위조작에 주로 이용하며 시설투자비가 낮고 기기의 설치 및 운전의 용이성으로 석유화학 및 식품 등 각종 산업공장에서 발생하는 저온 폐열을 회수하기 위한 목적으로 그 종류 및 응용범위가 매우 다양하다.

대표적인 응용분야로써는 석유화학, 식품, 제지, 제철, 화력발전 등의 증기순환(페열회수) 및 진공장치로 이용된다.

13. IGCC(석탄가스화 복합 발전)

석탄을 연소하면 일반적으로 산성비를 유발하는 유황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)이 발생하며 석탄회분에 의한 분진 등이 발생하고 있어 미국, 일본, 호주 등 선진국에서는 석탄을 깨끗하게 사용하기 위한 석탄 청정이용기술을 적극적으로 개발하고 있다.

이러한 석탄 청정이용기술 가운데 석탄가스화 복합 발전(Intergrated Gasification Combined)은 재래식 미분탄 방식과 비교하면 환경보전 측면에서 매우 우수한 특성을 지니고 있으며 경제적인 측면에서도 2000년대 초 미분탄 발전소와 경쟁할 수 있을 것으로 예상한다.

이 방식은 석탄을 가스화하여 정제한 후 가스터빈 연료로 사용하여 발전하고 그 배열을 이용하여 증기를 발생시킴으로써 증기터빈을 구동하는 복합발전시스템으로 석탄처리설비, 석탄가스화설비, 가스정제설비(탈황, 탈분진), 복합발전설비 등으로 구성되어 있다.

우리나라에서는 정부의 대체에너지 개발사업으로 출연 연구기관 및 대학에서 이 기술을 개발하고 있으며 미분탄 화력발전보다 공해문제 및 지구 온난화 문제 등 환경 측면에서 유리하기 때문에 발전소 건설에 따른 입지선정 등에 어려움이 적을 것으로 예상된다.

또한 핵심기술의 국산화를 통하여 연관된 첨단기술 분야의 기계, 시스템, 재료, 설계 등과 같은 분야에서 국제 경쟁력을 배양할 수 있고 석탄으로부터 화학 공업원료를 추출하는 기술의 기반확립에 많은 도움을 줄 것으로 보고 있다.

14. CWM(석탄, 물 혼합연료)

석탄슬러리 연료는 Oil과 같은 방법으로 탱크저장, 펌프에 의한 배관수송, 버너에 의한 연소가 가능하도록 제조된 것으로써 석탄(65%)+물(35%)+첨가제(미량)를 분쇄, 혼합 및 안정화 과정을 거쳐 유체상의 연료로 만든 것을 말한다.

이 연료의 특성을 살펴보면 액체연료와 같은 방법으로 저장, 수송, 연소할 수 있으며 선박에 의한 수송 시 부두 하역시설이 크게 간편한 이점이 있다.

또한 석탄의 수송, 저장, 분쇄 시 발생하는 비산분진에 의한 환경공해가 없고 화재의 위험이 없으며 다른 석유대체연료에 비해 비교적 빠른 시기에 실용화할 수 있고 대량의 석유대체와 경제성이 높다.

15. 석탄 액화 기술

석유자원은 지역적으로 상당히 편재되어 있다는 점 때문에 공급 및 가격의 불안정성을 충분히 내포하고 있다. 최근 석유수급이 비교적 원활하여 에너지수급이 원만하지만 중·장기적으로는 원유의 증산이 한계에 이르고 생산량 감소 현상이 일어나게 되므로 세계적으로 액체연료가 부족하리라 예상된다.

석탄 액화 기술의 기본원리는 고체상태인 석탄을 액체연료로 전환하기 위해 고온(430~460℃) 및 고압(약 100~280기압)의 반응조건하에서 수소를 첨가해서 생성물의 수소/탄소 비를 1.5~2.0 정도로 증가시킴으로써 에너지 밀도가 높고 수송 및 보관이 용이한 청정 인조원유를 제조하는 기술을 의미한다.

이 기술은 이미 2차 세계대전 중에 독일에서 자국의 부족한 항공기 및 휘발유 연료를 충당하기 위하여 최초로 개발되었으며 현재는 미국, 일본, 영국, 서독 그리고 캐나다와 같은 선진국을 중심으로 경제성 향상을 위하여 국가적인 차원하에서 반응조건의 완화와 품질개선을 위한 연구가 중점적으로 수행되고 있다.

특히 대표적인 석탄 액화 공정으로 미국은 촉매이단공정인 CTSP(Catalytic Two Stage Process)과 일본의 NEDOL 공정으로써 각기 DOE 및 New-Sunshine 계획의 지원으로 Pilot 규모로 개발되어 연구되고 있으며 주요개발 대상 핵심기술로는 반응효율의 극대화 및 최적화를 위한 고활성 신촉매 개발기술 및 공정 최적화라 할 수 있다.

현재 석탄 액화 기술은 배럴당 35달러 정도가 되지만 핵심기술개발 및 주변기술(고/액 분리효율 상승)을 통해 배럴당 25달러 정도로 낮추기 위한 연구를 수행 중에 있으며 국내는 한국에너지기술연구소에서 1kg/hr 용량의 연속식 액화 시험설비를 통해 반응 및 공정효율 개선연구가 수행되고 있다.

히트펌트에서 수력발전까지 에너지기술의 총집합

1. 히트(열)펌프

열은 그 자신만으로는 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동할 수 없으며 열의 이동에는 반드시 일(Work)이 소요된다. 펌프가 물을 낮은 위치에서 높은 위치로 퍼올리는 기계라는 의미와 마찬가지로, 열펌프란 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미한다. 사이클의 구성과 작동방법은 냉동기와 같으며 단지 저온열의 사용을 목적으로 할 때에는 냉동기, 고온열의 사용을 목적으로 할 때에는 열펌프(Heat Pump)가 되는 것이다.

열펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식 등으로 분류되며 그중 가정용으로 많이 적용되는 형식은 압축식 열펌프이다. 이 압축식 열펌프는 에어컨이라 불리는 냉방장치의 역사이클로 생각하면 된다.

즉, 냉방전용의 에어컨은 실내에 설치된 실내기의 열교환기에서 열을 흡수하여 실외에 설치된 실외기의 열교환기를 이용하여 열을 방열시키는 원리이며 열펌프는 반대로 실외기의 열교환기에서 열을 흡수하여 실내에 설치된 실내기의 열교환기를 이용하여 열을 방열시키는 원리다.

압축식 열펌프 사이클의 기본적인 구성요소는 저온부 열교환기인 증발기, 압축기, 고온부 열교환기인 응축기, 팽창변의 4개 요소로 구분되며 작동유체인 냉매는 증발, 압축, 응축, 팽창의 변화를 계속하면서 순환한다. 저온저압의 습증기상태의 냉매는 증발기에서 증발되면서 주변에서 증발잠열을 흡수하며 증발된 저온저압의 건조포화증기상태의 냉매로 배출된다. 증발기에서 배출된 저온저압의 건조포화증기상태의 냉매는 압축기에서 단열압축하여 고온고압의 과열증기상태의 냉매로 되어 응축기로 유입된다.

응축기로 유입된 고온고압의 과열증기상태의 냉매는 응축잠열을 방출시키며 고온고압의 포화액체상태의 냉매로 되어 팽창변으로 유입된다. 고온고압의 포화액체상태의 냉매는 팽창변에서 엔탈피 팽창을 하고 저온저압의 습증기상태의 냉매로 증발기로 유입된다. 일반적으로 저온부 열교환기인 증발기는 실외에 설치되며 고온부 열교환기인 응축기는 실내에 설치된다. 저온부 증발기는 실외에 설치되어 주변에서 열을 흡수하게 되며(열원이라 하며 가정용으로는 공기가 일반적으로 많이 적용된다), 고온부 응축기는 실내에 설치되어 주변으로 열을 방출(히트싱크라 하며 공기가 일반적으로 많이 적용된다)하여 난방에 사용하게 된다.

2. 집단에너지 시스템

주거, 상업지역 또는 공업지역과 같이 다수의 열수용가에 개별적인 난방용 열원시설을 갖추지 않고 1개소 또는 수 개소의 집중된 열원설비로부터 에너지를 일괄 공급하는 시스템을 말한다.

열생산은 열병합 발전방식이나 소각로, 상업폐열, 히트펌프(Heat Pump) 등을 이용하는데 주 방식은 열병합 발전방식으로 우리나라의 목동이나 서울화력발전소도 이에 해당한다. 집단에너지 공급사업은 크게 나누어 공단지역의 열병합 발전사업과 주거지역에 대한 지역난방사업, 소집단 지역난방 및 자가용 열 병합발전 등을 들 수 있다.

3. 소집단 지역난방

통상 엔진 발전기 및 가스터빈 발전기는 액체 또는 기체연료를 사용하는 것으로써 발전효율이 30∼40%이므로 고온의 배기가스열(엔진인 경우에는 냉각열 포함)의 손실이 필연적으로 수반된다. 이와 같은 손실에너지는 폐열회수장치를 부착하여 증기 또는 온수형태로 회수해 사업주가 다른 인근 건물이나 산업체에 공급하는 공동소유 설비를 일본 및 구미 일부 국가에서는 소집단 지역난방(C.E.S.: Community Energy System)이라고 부른다.

4. 열병합 발전

일반 발전소는 발전효율은 35~40%에 불과하다. 즉 100이라는 에너지(연료: 석탄, 석유, 가스 등)가 투입되어 실제 전기로 생산되는 에너지는 35~40 정도의 효율밖에 얻지 못하고 나머지는 보일러의 배기가스로 방출(10 이내)되고 대부분(50~55)은 강물이나 바닷물과 같은 냉수를 이용하여 강제로 열을 빼앗아 버려야만 발전사이클이 돌아가 전기를 생산할 수 있게 되는 시스템이다.

이때 만약 발전소를 열 수요가 있는 즉, 열이 필요한 도시 근처나 공장이 밀집한 곳에 지어서 바닷물이나 강물을 이용하여 버려지는 열을 회수하여 사용토록 하면 전기로 나오는 에너지가 35~40%가 될 것이며 열로써 이용되는 에너지는 50% 정도가 되어 효율은 최대 85~90%까지 올라갈 수가 있다. 이와 같이 열과 전기를 같이 사용하여 에너지를 효율적으로 쓰는 발전소를 열병합 발전소라 일컫는다.

우리나라에도 20여 곳의 산업체에서 개별로 또는 산업공단에서 단체로 열병합 발전소를 운영하여 전기와 함께 공장에서 필요한 증기를 동시에 생산하여 사용하고 있으며 남서울과 3~4곳의 신도시에서 열병합 발전에 의해 전기를 생산함과 동시에 고온수를 생산하여 난방과 급탕 등의 열로 활용되고 있다. 이렇게 열병합 발전을 할 때 증기나 열을 상당히 저렴한 값으로 생산할 수 있으므로 경제적이며 국가적인 차원에서도 상당한 에너지를 절약할 수 있는 좋은 방안이다.

5. 자가 열병합 발전

산업체의 자가사용 및 빌딩, 호텔, 종합병원, 센터 등 대형 건물에 설치되는 동일건물용 열병합 발전 설비를 말한다. 최근 정유공장 등 산업체 열병합 발전사업 생산공정에서 부수적으로 발생하는 에너지(부생가스를 이용한 가스터빈을 설치하여 자가 발전함으로써 공정에 소요되는 전기를 충당하고 가스터빈 발전기에서 배출되는 고온의 폐가스(연소 배기가스))를 열 분해로에 공급하거나 혹은 폐열 보일러를 이용하여 증기형태로 회수, 공정에 활용하는 방식이 많이 도입되고 있다.

6. LNG 냉열(冷熱)발전

LNG는 산지에 따라 그 조성이 조금씩 다르지만 주성분인 메탄의 비점이 영하 162℃로 kg당 약 200kcal의 냉열을 가지고 있어 액화산소 및 액화질소의 제조, 폐타이어 등의 분쇄, 식품의 냉동보존, 식품의 분쇄 및 드라이아이스 또는 액화 탄산가스와 제조 등에 이용된다. LNG를 가스화시키는 기화기 속에서 해수와 화력발전소의 열교환을 시키는데 이때 방출되는 에너지를 이용하여 발전하는 것이 냉열발전으로 화력발전소의 보일러와 중기 응축기 역할을 열매체의 기화기와 LNG기화기가 각각 하는 셈이다. 일본은 1974년 11월 출력 400kW의 시험발전소를 건설하여 세계 최초의 냉열발전에 성공한 데 이어 오사카 가스는 발전능력 1,450kW의 실용발전소를 건설하였다.

7. 열교환기

열교환기는 산업용 요로(窯爐)에서 배출되는 통로에 설치하여 버려지는 폐열(廢熱)을 회수하는 장비로, 일반적으로 열교환기의 전열관 외부로 폐열이 지나가고 전열관 내부로는 공기 또는 물이 통과되어 폐열로부터 열을 빼앗아 이들의 온도를 상승시킨다.

이렇게 가열된 공기 또는 물은 다시 버너로 투입되어 연소(燃燒)용 공기로 사용되거나 온수난방장치 혹은 뜨거운 물을 사용하는 현장 등에 활용하여 그만큼의 에너지 사용량을 줄이는데 기여한다.

열교환기의 종류는 분류방식에 따라 여러 종류가 있으나 재료적인 측면에서 금속재료를 사용하는 금속재열교환기와 세라믹재료를 사용하는 세라믹열교환기, 금속재와 세라믹재를 혼합하여 사용하는 혼합열교환기가 있으며 금속재는 부식(腐蝕), Creep 현상과 내열성(耐熱性) 등에 의하여 섭씨 800℃ 이하에서 사용할 수 있다. 세라믹재료는 부식에 강하고 내열성, 고온 강도 등이 우수하여 800℃ 이상 1,400℃까지의 고온폐열회수에 사용된다. 열교환기 설치에 따른 에너지절약 효과는 산업용 요로에서 나오는 폐열에 의하여 열교환기를 통과한 공기 온도가 상온보다 100℃ 높아질 때 약 5% 정도의 에너지절약 효과가 있다.

지열에너지, ‘지하’에서 올라온 청정 에너지  

2013년 글로벌 시장 3천억 달러 규모 예상… 국내는 그린홈 중심 부상중

하늘에 ‘태양’이 있다면 지상엔 ‘지열’이 있다.

땅속의 열을 에너지로 전환하여 활용하는 지열에너지 시장이 본격화하고 있다. 특히 자연환경 조건으로 태양광고 함께 효율성이 높은 신재생에너지원으로 각광받고 있다.

지열에너지는 태양 복사열이나 지구 내부의 마그마열이 토양, 지표수, 공기 및 지하수에 저장된 무한 재생에너지를 말한다. 지열의 활용은 열에너지를 직접이용(Direct Use)하는 건물 냉난방용 ‘히트펌프’와 증기를 간접이용(Indirect Use)하여 전력을 생산하는 ‘지열발전’으로 구분한다. 

‘히트펌프’는 2014년 20조원 규모의 시장을 형성하여 보일러 대체기술로 급부상할 것으로 예상됐다. ‘히트펌프’는 1970년대 오일쇼크 이후 본격적인 적용이 시작돼 유럽과 일본에서는 1990년대 후반부터 상용화 됐다.

2001년 미국 환경보호국은 현존하는 냉난방 기술 중에서 지열히트펌프의 효율이 가장 높은 것으로 공인하였으며, 소모되는 에너지 보다 3~4배 많은 에너지를 자연(지열)에서 추출하는 고효율 시스템으로 평가받고 있다. 

농가 지열냉난방시스템 경유대비 70% 에너지절약  

2004년부터 공공기관의 신재생에너지 설비 설치의무화로 인해 건물에 지열을 이용한 냉난방시설을 도입이 늘어나고 있다. 이는 경제적으로도 기존 에너지비용을 60~70%까지 절감할 수 있고 환경적으로도 유해물질을 배출하지 않아 지열은 최소공간에 최대효과를 내는 그린에너지로 인식이 확산되고 있다. 

정부는 그린홈 100만 호 보급사업 등 신재생에너지 주택보급을 적극 추진하기 위해 지난 2009년 5월부터 지열냉난방 전기요금 누진제를 폐지하고 지자체와 함께 시설원예 농가에 설치 보조금을 지급하고 보급 확대에 노력하고 있다.  

용인시는 시설원예를 운영하는 농가 33곳에 9억8,000만원을 들여 에너지절감시설을 지원했다. 특히 지열냉난방시스템은 지난해 시가 시범적으로 농가 한 곳에 설치한 결과 에너지절감 효과가 입증돼 올해 보급농가를 10곳으로 늘렸다. 시는 농가 에너지절감시설의 효과를 경유 사용시에 대비해 분석한 결과 지열냉난방 시스템은 경유대비 70%의 효과가 있다고 밝혔다.  

국내 도시 가운데 녹지비율이 가장 높은 그린시티로 건설되는 세종시는 태양열, 태양광, 지 열 등을 도입, 2020년까지 전체 에너지 소비량의 15%를 공급할 계획이다. 겨울철 눈 녹이는 데에도 톡톡한 효과를 보고 있다. 터널과 공동주택 등지에선 지열을 눈 녹이는 데에 유용하게 사용하고 있다. 스프링 파이프를 땅 표면 바로 밑에 깔아 도로 표면에 쌓인 눈을 녹이고 있다. 

제주도. 포항 등 지열발전소 건립 및 개발 추진 

국내는 제주도에 지열발전소 건립을 추진중에 있다. 현재 한국동서발전과 지열개발 전문기술업체인 이노지오테크놀로지, 그리고 친환경 건설업체인 휴스콘 건설이 2015년까지 5MW 규모의 지열발전소 건립을 추진중이다. 제주도청은 올해부터 본격적인 건립에 들어갈 것이라고 밝혔다. 제주도가 지열발전소에 관심을 갖게 된 것은 제주 혁신도시의 주요 전력 공급원으로 삼을 수 있기 때문. 제주도는 ‘탄소없는 섬’ 정책에 따라 태양광과 풍력 등 신재생에너지를 적극 개발하고 있다. 그러나 태양광과 풍력은 낮과 밤에 따라, 날씨에 따라 발전량이 달라진다. 따라서 혁신도시에 안정적인 전력을 공급하려면 24시간 일정량의 발전이 가능한 지열발전소가 필요하다는 것이다. 

휴스콘 건설은 초기 자금은 국내에서, 중장기 자금은 해외에서 조달한다는 계획이다. 제주도는 이를 계기로 2020년까지 20MW 규모의 지열발전 능력을 갖춰 안정적인 전력을 확보할 예정이다. 그렇게 되면 제주도는 더 전력공급이 원활해지고 싼 가격에 전력공급이 가능해질 전망이다. 

최근에는 포항시가 흥해 성곡리에 지열발전소를 건립하는 MOU를 체결했다. 포항시는 자원에너지탐사개발 전문업체인 넥스지오와 총사업비 500억원(국비 200억, 민자 300억) 규모의 지열발전소 건립을 위한 MOU를 체결했다. 

포항시 북구 흥해읍 성곡리 일대에 건립될 지열발전소는 1.5MW급으로, 1,000여 가구가 동시에 사용할 수 있는 용량이다. 이 사업은 2013년까지 1단계 공사로 지하 3km에서 섭씨 100도 이상의 열원을 확보한다는 방침이다. 또한 2단계에서는 지하5km 내외의 심부 시추를 통해 물을 끌어올려 전기터빈을 돌리는 방식의 심부 지열발전소로서 2015년 준공되며 이후 최대 20MW까지 발전량을 확대할 계획이다. 

한편 대지진으로 원전폭발사고를 겪은 일본에선 원전대신 지열발전을 확대하고 있다. 일본은 전 세계 화산 활동의 10%를 차지하며 온천도 많아 지열에너지를 더 개발할 수 있는 환경을 갖추고 있기 때문이다. 

하지만 활용사례는 미미한 형편이다. 현재 일본에는 18개의 지열발전소가 있고 전체 전력 생산량에서 차지하는 비율이 0.3%에 불과하다. 미국 정책연구소에 따르면 일본이 지열발전을 확대하면 전력공급량을 현재 535MW에서 8만MW까지 늘릴 수 있다. 하지만 지열보급이 쉽지 않은 것은 온천 관광업자들의 반대와 높은 설치비가 걸림돌로 작용하고 있기 때문이다. 

미국은 지열에너지 생산에서 세계 1위의 자리를 지키고 있다. 현재 발전용량은 3,102MW이며 15개주에서 146개 지열발전 프로젝트를 개발중에 있으며 몇 년 안에 지열에너지 생산이 약 3배 정도 증가할 것이라고 미지열에너지협회는 전망한다. 

‘땅속’ 열기가  에너지로 전환돼 지열로 재탄생

히트펌프 2014년 20조규모 예상 원예·축사농가 냉난방비 70% 절약

하늘에 ‘태양’이 있다면 지상엔 ‘지열’이 있다.

땅속의 열을 에너지로 전환하여 활용하는 지열에너지 시장이 본격화하고 있다. 특히 자연환경 조건으로 태양광고 함께 효율성이 높은 신재생에너지원으로 각광받고 있다.

지열에너지는 태양 복사열이나 지구 내부의 마그마열이 토양, 지표수, 공기 및 지하수에 저장된 무한 재생에너지를 말한다. 지열의 활용은 열에너지를 직접이용(Direct Use)하는 건물 냉난방용 ‘히트펌프’와 증기를 간접이용(Indirect Use)하여 전력을 생산하는 ‘지열발전’으로 구분한다. 

‘히트펌프’는 2014년 20조원 규모의 시장을 형성하여 보일러 대체기술로 급부상할 것으로 예상됐다. ‘히트펌프’는 1970년대 오일쇼크 이후 본격적인 적용이 시작돼 유럽과 일본에서는 1990년대 후반부터 상용화됐다. 

2001년 미국 환경보호국은 현존하는 냉난방 기술 중에서 지열히트펌프의 효율이 가장 높은 것으로 공인하였으며, 소모되는 에너지보다 3~4배 많은 에너지를 자연(지열)에서 추출하는 고효율 시스템으로 평가받고 있다.

지열발전, 비화산지대로 개발 가능해져  

‘지열발전’은 중저온 지열수로도 발전할 수 있는 최신기술과 비화산지대에서도 발전 가능한 열수를 생산하는 신공법이 등장함에 따라 향후 잠재적인 개발 경제성이 크게 향상된 것으로 분석되었다.

1905년 이탈리아에서 개발이 시작되었으며 화산지대의 지열발전은 석탄화력발전의 발전단가에 근접한 경제성을 확보하여 자생적 성장이 가능한 것으로 평가된다. 지열에너지 관련 산업은 일본과 유럽(프랑스, 독일, 덴마크 등)이 기술적 우위를 점하여 주도하고 있는 것으로 나타났다. 

히트펌프 시장에서 국내 LG전자와 삼성전자가 고도의 기술수준을 확보하고있으나 해외시장에서의 인지도와 제품군이 부족한 상태이다. 지열발전 시장은 북미와 유럽 업체들이 탐사와 시추분야를 주도하고 있으며, 발전설비는 일본업체들의 시장점유율이 68%에 달한다. 지열발전은 국내에서는 미개척 분야로 일부 중소벤처기업이 지질탐사에 대한 기초 기술을 확보하고 있는 상태다. 

산은기술평가원 관계자는 “지열에너지를 우리나라의 차세대 녹색성장 동력사업으로 육성하기 위한 지원이 필요하고, 지열발전의 경우 동남아 화산지역 사업에 프로젝트파이낸스 진출을 검토할 필요가 있다.”고 밝혔다.

한국지열협회 관계자는 “단독주택 및 시설원예 위주로 이뤄지는 현재 지열시장의 범위를 넓혀 공동주택 전체에서 지열 냉·난방을 지원할 수 있는 시스템을 개발해야 한다”면서 “주택 시장은 200조원을 형성하는 거대한 시장이 될 것”이라고 말했다. 그는 “지열의 경우 수출할 것이 없어 100% 내수 가능한 에너지원”이라며 “국내 연간 17조원의 시장을 형성하고 고용창출 및 취업유발에 큰 역할을 할 것”이라고 주장했다. 

지하수 지열협회 관계자는 “세계적으로 식생활용수를 절대적으로 지하수에 의존하는 국가가 전체 국가의 40%에 육박한다”면서 “지열에너지시스템의 경우도 우리나라에서는 이미 열효율성과 경제성이 입증됨에 따라 지하수·지열분야의 관계자들이 할 일이 많다는 것을 의미한다”고 강조했다.

한국지열협회 관계자는 “현재 국내에서 각광받고 있는 태양광과 풍력은 대부분 난방 사용이 불가능하다”며 “지열 냉·난방을 위해서는 히트펌프가 필수적으로 필요하고 히트펌프는 경제성이 뛰어나 지열 냉·난방의 전망이 밝다”고 말했다. 

지열 냉·난방 설비를 기존 시스템과 비교했을 경우 냉방은 50%, 난방은 77% 절감할 수 있다는 것. 히트펌프는 여름철 땅속 일정한 온도를 끌어와 실내를 시원하게 유지하고 겨울철에는 땅속 온도를 히트펌프로 높여 실내를 데운다. 특히 지열은 태양광과 풍력이 가동시간에 제한을 받는 것과는 달리 하루 24시간 사용 가능하다. 한편, 지열에너지 관련, 해외 각국이 정부 차원의 정책 및 지원이 전반적으로 진행되는데 반해 국내는 태양광, 풍력이 반도체, 발전시스템 등 산업연계가 가능한 반면, 지열은 연관성이 적다는 이유로 산업정책이 미흡하다는 점이 지적되고 있다. 

현재 국내 지열산업은 ▶ 공공의무화사업 ▶ 시설원예 지열난방 보급사업 ▶ 그린홈 100만 호 사업 등 국책사업 위주로 진행되고 있는데, 이같은 속도로는 지열에너지 산업의 급격한 성장이나 발전은 기대하기 어렵다는 것이다. 

한국지열협회 한 관계자는 “우리나라에서는 1년에 1,000세대에 지열이 보급되고 있다”면서 “선진국의 추세와는 너무 차이가 커 과연 2020년에 신재생에너지 강국으로의 진입이 가능할지 의문”이라고 말했다.