지열

[김동석]

지열이란 지표면의 얕은 곳에서 부터 수㎞깊이에 존재하는 뜨거운 물과 돌을 포함하여 땅이 가지고 있는 에너지를 말하며, 통상 후자에 있어 뜨거운 물을 온천, 녹아 있는 돌을 마그마라고 불리움. 태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며, 이렇게 태양열을 흡수한 땅속의 온도는 지형에 따라 다르지만 지표면 가까운 땅속의 온도는 개략 10℃∼20℃정도로 연중 큰 변화가 없으나 지하 수㎞의 지열온도는 40℃∼150℃이상을 유지함. 이렇듯 지열은 태양과 지구가 존재하는 한 계속 생성되는 에너지의 보고로서 지열에너지원은 무궁무진하다 할 수 있음. 우리나라의 경우 일본,이태리 등과 같은 화산지대가 거의 존재하지 않아 심층지열 이용은 매우 어려운 것으로 나타나고 있으며, 이에 따라 현재는 지하 100∼150m 깊이의 지열을 이용하는 시스템의 개발 보급이 점차적으로 활성화되고 있음. 시스템 구성도 지열기술 대체에너지원으로 활용하기 위한 지열source로는 지표면으로부터 수내지 수십미터 깊이의 흙(ground source), 또는 지하수(ground water source), 호수나 강물(water source)등을 들 수 있으며, 이러한 지열은 통상 건물의 냉난방 열원으로 활용되는 데 이를 위한 주요설비로는 지열을 회수하기 위한 열교환기와 회수한 저온의 지열을 유효에너지로 변환시키기 위한 히트펌프(heat pump)가 있음. 히트펌프란 지열과 같은 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치로서 열을 빼앗긴 저온측은 여름철 냉방에, 열을 얻은 고온측은 겨울철 난방에 이용할 수 있는 설비임. 지열씨스템의 종류는 대표적으로 지열을 회수하는 파이프(열교환기) 회로구성에 따라 폐회로(Closed Loop)와 개방회로(Open Loop)로 구분됨. 일반적으로 적용되는 폐회로는 파이프가 폐회로로 구성되어 있는데, 파이프내에는 지열을 회수(열교환)하기 위한 열매가 순환되며, 파이프의 재질은 고밀도폴리에칠렌이 사용됨. 폐회로시스템(폐쇄형)은 루프의 형태에 따라 수직, 수평루프시스템으로 구분되는데 수직으로 100∼150m, 수평으로는 1.2∼1.8m정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방부하가 적은 곳에 쓰임. 개방회로는 수원지, 호수, 강, 우물 등에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는 것으로 풍부한 수원지가 있는 곳에서 적용 될 수 있음. 폐회로가 파이프내의 열매(물 또는 부동액)와 지열source가 열교환 되는 것에 비해 개방회로는 파이프내로 직접 지열source가 회수되므로 열전달효과가 높고 설치비용이 저렴한 장점이 있으나 폐회로에 비해 보수가 필요한 단점이 있음. [폐쇄형 지열원 열교환장치] [개방형 지열원 열교환장치]

국내ㆍ외 기술개발 현황 및 동향

기 술 명	국 내	국 외
유망지역조사	마산,창원지역 지열조사(자원연 '92) 제주도지역 지열조사(자원연 '95)	극심부, 고온암체 지열자원 탐사 기술 개발 완료 지열저류층 평가기술 완료
이용기술개발	시추기술 및 이용기술개발 시도된 바 없음	지역난방 및 열수이용 시스템실용화 증기발전 실용화

해외현황

• 지열시스템에서 가장 중요한 설비인 지열원 히트펌프에 대한 연구는 1940년대 후반과 1950년대에 미국과 유럽에서 시작되었으며 본격적으로 난방을 목적으로 사용되기 시작한 것은 1970년대 유가파동 이후로서 현재는 미국내에서만 매년 수만기의 지열원 히트펌프가 설치되고 있으며, 유럽국가에서도 사용이 급증하고 있는 추세임.
• 특히 미국은 지열협회(ISGHPA)를 중심으로 연구를 시작하여 80년대부터 실용화 보급을 실시하고 있으며, 최근 오클라호마대학을 중심으로 히트펌프회사 ,설계, 시공, 진단업체가 활동 중에 있음.
• 일본은 지질구조상(지진 관련) 지열이용이 바람직하지 않은 것으로 여겨졌으나 미국회사와 공동으로 인공연못을 활용하는 지열교환기를 개발하여 지열냉난방 시스템을 완성하였고 현재 계속 연구 진행중에 있음.

국내현황

개발목표

'97∼2001	2002∼2006
지열이용 유망지역 조사	지열이용 유망지역 적출 열수온도 95℃, 고온 암체층 지열에너지 이용시스템 개발

투자규모(기술개발) : 총 13억원(정부 10, 민간 3)

(단위 : 백만원)

구분/연도	∼ '94	'95	'96-2000	2001	계
정부지원	390	300	-	300	990
민간부담	70	-	-	281	351
계	460	300	0	581	1,341

국내현황

• 국내에서의 지열분야의 기술개발지원은 '88년부터 현재까지 3개 개발과제로서 주로 심층 지열원 이용을 위한 지열에너지 탐사개발을 실시하였음
• 앞으로는 실용화를 위해 선진국에서 현재 활성화 보급되고 있는 히트펌프 이용 지열 냉·난방시스템의 개발에 주력할 계획이며, 특히 경제성 확보를 위한 히트펌프의 성능계수 향상과 지중열교환기의 효율향상 등의 기술개발과 아울러 이미 설치되어 운전되고 있는 건물의 지열이용시스템에 대한 성능평가 및 효과측정 등을 위해 실용화평가사업도 함께 추진할 계획임

기술개발결과 및 실용화 관련

해외 지열이용 현황 2000년도 까지 공급된 지열원 열펌프(히트펌프) 댓수는 세계적으로 약 512,000여대로 추정하고 있으며 미국, 스위스, 스웨덴, 독일 등이 대표적인 사용국으로 나타나고 있음 Geothermal heat pumps-An overview(John W. Lund)에 의하면 지열원 열펌프의 보급율은 지난 10여년간 매년 10% 이상씩 증가하고 있으며, 미국의 경우 매년 12% 이상씩 증가하고 있는 것으로 보고되고 있음 연속 냉난방 보급이 보편화되어 있는 미국, 유럽등 선진국에서는 일반가정 및 중소규모의 건물, 스포츠센터, 원예단지를 대상으로 냉난방시스템에 지열을 이용하는 열펌프시스템이 일반적으로 설치되어 운용되고 있음. 미국에서는 일반주택을 중심으로 냉·난방시스템 및 항온·항습용의 보조에너지 개념으로 널리 이용되고 있으며, 빌딩에 도입된 예로 오클라호마주의 주의회 의사당은 수직루프시스템을 적용하여 기존의 냉난방 시스템을 개선하였고 켄터키주의 갈트하우스호텔은 오픈루프시스템을 사용하여 600여개의 방을 냉난방하고 있으며, 미국 전역에 지열시스템을 설치한 수백개소의 학교가 있음. 한편 일본에서는 전력소비가 많은 주간의 전력부하 경감을 위해 심야전기를 이용하는 열펌프를 설치하여 좋은 결과를 얻었으며 주거용 에너지시스템으로도 보급시키고 있음. 국내 지열에너지이용 현황 히트펌프를 이용하는 지열이용시스템은 운영비가 기존의 설비에 비해 적은 반면 초기투자비가 커 경제성이 다소 약한 것이 단점. 이에 따라 국내 지열이용 시스템 도입 실적은 2000년도에 최초 도입된 후 2002년 5월 현재까지 설치된 곳은 학교, 모텔, 레스토랑 등 약 10개소이며, 미8군내 아파트 156동에 지열이용 열펌프 156대가 외국사에 의해 설계, 시공된 바 있음. 앞으로 고성능 히트펌프의 개발과 지중열교환기 효율이 높아진다면 히트펌프를 이용한 지열이용시스템의 보급은 점차적으로 증가할 것으로 예상됨.

참고

• 지열이용시스템보급을 위해 대체에너지시설 설치자금 및 운전자금을 지원해 주고 있음.
• 시설자금은 소요자금의 100%이내에서 당해연도 동일사업자당 30억원 이내로 대출기간은 3년거치 5년 분할 상환조건으로(지원금리(변동) 5.0%) 지원하고 있으며
• 또한 운전자금으로는 대체에너지이용시설 생산자 및A/S를 위한 공동망관리자, 대체에너지생산 공급자에게 지원비율 90%, 동일사업자당 3억원이내로대출기간 1년거치 2년 분할상환 조건으로(지원금리(변동): 5.0%) 지원하고 있음.
  [세계 각국의 2000년도 초 까지의 지열원 열펌프 보급 현황]
  • 주) 출처; GHC Bulletin, March 2001
  • #; Unit를 의미함, Equiv.#; 12kW 용량으로 환산한 Uint수를 의미함
  
  
  [국내 지열이용시스템 도입현황]

  적용처	소요면적(평)	용량	적용용도	준공일
  모델하우스	90	10RT(3unit)	주거,사무실 냉/난방	2000.8
  대전상가	40	5RT	레스토랑 냉/난방	2001.1
  농업기술원 비닐하우스	80	13RT(2unit)	화훼재배 냉/난방	2001.2
  모텔	400(객실40개)	35RT	객실 냉/난방/급탕	2001.3
  수방사면회실	40	5RT	면회실 냉/난방	2001.8
  수원레스토랑	250	30RT	레스토랑 냉/난방	2001.12
  주안랜드 (위락시설)	320	25RT	냉/난방	2001.12
  그랜드 골프연습장	120	15RT	냉/난방	2001.11
  영종도모텔	450	60RT	냉/난방/급탕	2002.1
  중학교	34	3RT(2unit)	사무실 일부 냉/난방	2001.3