지하수를 수자원과 신재생에너지원으로 복합, 연계해 지속가능하게 사용할 수 있는 방안을 연구하고 있는 이강근 서울대학교 지구환경과학부 교수는 지하수를 직접 열원으로 이용하는 완전 개방형 지열냉난방시스템 연구에 집중하고 있다. 완전 개방형 지열 활용으로 지중열의 분포와 이동, 모니터링, 지하수에서 열을 추출하거나 주입하면서 나타나는 지하수의 온도변화, 열플룸 이동과 확산속도 등을 연구하고 있다.
또한 개방형 시스템뿐만 아니라 밀폐형 지열 활용에서 열응답시험(TRT)의 효율적인 분석방법 등도 연구하고 있으며 학술적인 측면에서 지중에서 열이 이동할 때 열확산도값의 분석, 열이동 시 지중의 토양이나 암석과 같은 고체 매질과 지하수와의 열적인 평형관계의 도달시간 등을 연구하고 있다.
이강근 교수를 만나 국내 지열시장에 대한 평가와 지열시스템의 기술적 논란에 대해 들었다.
■ 국내 지열시장에 대해 평가한다면
신재생에너지의 의무비율 도입 등으로 지열냉난방시장이 크게 성장할 수 있는 기반이 구축돼 있는데 향후 확대된 기반에 맞는 좀 더 기술집약적인 발전이 되면 좋겠다. 아직 국내 지열시스템이 대부분 밀폐형에 집중돼 있는데 시간이 경과하면서 밀폐형시스템의 내구성 등의 측면이 부각될 수도 있다.
앞으로 지열냉난방을 도입하는 지역의 지하지질 분포, 지하수 상태 등을 점검해 효율적인 방향으로 과학기술적 기반에서 다양한 접근, 장소 맞춤형 도입이 필요하다. 이를 통해 지열냉난방시스템을 도입할 때 소비자의 선택의 폭을 넓혀 주는 것이 필요하다.
■ 개방형의 경우 지하수 고갈, 수질오염 등의 문제가 있는데
사전분석과 시공의 문제 등이 있을 수 있다. 개방형은 단일공을 활용하며 SCW형이라고 불리는 준개방형과 복수정을 활용하는 완전 개방형이 있다. 지하수 고갈, 수질오염 등의 문제는 SCW형에 관한 것으로 보인다. SCW형의 경우 지하수를 양수하고 열을 추출한 이후에 다시 주입하기 때문에 지하수 고갈 등의 문제가 이론상으로는 나타나면 안된다. 문제가 나타나고 이로 인한 민원이 발생한다면 시공과정에서 문제가 발생했을 확률이 큰 것 같다.
수질오염도 마찬가지 문제다. 원리적으로 SCW형은 양수한 물에서 열만 추출하고 그대로 주입하기 때문에 추가적인 오염물질 유입이 없다. 단 천부지하수의 오염을 심부지하수로 확대시킬 우려는 있다. 그런 경우가 아니라면 주입 시 온도변화로 지하수환경이 변화될 수는 있지만 제대로 시공된 시설의 경우 거의 그런 영향이 없는 것으로 알고 있다.
시공이나 유지관리가 잘못돼 주입되는 물이 제대로 지하수로 보충되지 않아 시스템이 제대로 가동되지 않으면 양수량도 줄어들고 냉난방효율도 크게 떨어진다. 수위도 하강하면서 주변의 안 좋은 수질의 물이 유입될 가능성도 있다고 보인다. 이런 여러 현상들이 제대로 시공되지 않고 유지관리가 되지 않기 때문에 발생할 수 있다.
■ 밀폐형의 경우 열전도도 측정에 대한 신뢰성에 대한 의문을 제기하고 있는데
지중 매질의 열전도도는 그 범위가 크게 변하지 않기 때문에 굴착 시 지하 매질의 종류나 상태만 보면 어느 정도 가늠할 수 있다. 열응답시험으로 열전도도를 측정하는데 시험과정에서 외부온도의 영향 차단 여부, 분석 시 초기 제외시간 적용 여부와 분석자료 적용시간 등에서 분석값의 차이를 가져올 수 있다. 지금 여러 목적으로 진행되고 있는 열응답시험의 자료들을 공개하고 이에 대한 공개적인 검증 또는 재분석 등을 해 볼 필요가 있다.
■ 고효율 그라우팅재를 사용하면 열전전도가 높게 나오는 것으로 알고 있다. 신뢰할 수 있나
그라우팅재를 어떤 것을 사용하든 정밀하게 분석하거나 충분한 양의 데이터가 존재하면 그라우팅재의 영향을 보정해 지열공(지중열교환기)의 주변 지중 매체의 열전도도를 계산할 수 있다. 그렇지만 열응답시험의 초기자료를 주로 이용하면 열전도도를 높게 추정해 원래 효율보다 더 높은 분석결과를 가지게 되고 그것을 이용해서 설계하면 열전도도를 실제보다 높게 추정하게 된다. 결국 지열공으로 열이 잘 흡수되고 배출된다고 오인하게 돼 냉난방 가능 용량을 과대평가할 수 있다. 이로 인해 장기적으로 운전할 때 문제가 발생할 수 있다.
■ 부동액으로 인한 문제는
일단 누액현상이 발생되면 밀페형 냉난방시스템에 큰 문제가 발생함을 의미한다. 누액이 발생한다는 것은 지중순환파이프가 훼손됐을 뿐만 아니라 그 주변의 그라우팅에서도 균열이 발생했다는 것을 말해준다. 누출된 부동액이 지하대수층으로 유입될 수 있으며 그 액체가 환경적으로 문제가 없는 것이라고 단정할 수 없다. 그리고 각 시설에서 사용하는 부동액이 하나의 종류로 통일되지 않을 것이며 환경적으로 영향을 미치지 않는 것들만 사용한다고 단정할 수 없다.
■ 개방형과 밀폐형의 장단점은
개방형 지열시스템의 경우 시스템효율이 밀폐형에 비해 더 높다는 장점이 있다. 양수한 지하수를 에너지원으로써 활용할 뿐만 아니라 다양한 용도의 수자원으로도 활용할 수 있다. 반면 시스템효율이 지질학적 요소에 의존적이라는 점과 디자인 단계에서 수리지질학적 지식들이 상당히 필요하다는 점, 지하수의 양수에 추가적인 전기가 활용된다는 점, 그리고 수질적인 측면에서의 모니터링이 필요할 수 있다는 단점을 가지고 있다.
밀폐형 지열시스템의 경우 지하의 열물성이 수리적 특성에 비해 변동성이 적기 때문에 지질학적인 요소에 큰 영향을 받지 않을 수 있다는 장점이 있다. 다만 개방형에 비해 열교환 효율이 좋지 않기 때문에 상대적으로 다량의 관정을 착공해야 하며 열교환을 위해 활용하는 유체들의 누출과 관련된 환경오염의 위험성이 있을 수 있다.
한 가지 특기할 사항은 개방형 지열시스템이 수량과 수질 모니터링이 필요하다고 그것이 단점으로 인식되는 경우가 있으나 장기적으로 본다면 장점도 될 수 있다. 왜냐하면 개방형의 경우 모니터링 자료로 시스템의 안전성을 수시로 점검할 수 있기 때문에 시스템의 유지관리에 도움이 될 수 있다. 밀페형의 경우 모니터링이 안되기 때문에 문제 발생을 실시간으로 파악하기 어려우며 지중에서 문제가 발생하면 수리가 거의 불가능하다.
■ 개방형이 밀폐형대비 성능이 좋다는 근거는
이론적으로 밀폐형은 conduction(전도)이라는 과정만을 활용해 지중의 열을 교환하는데 비해 개방형은 forced convection을 통해 열교환에 지하수를 직접 활용하기 때문에 시스템효율이 더 높다. 이 때문에 같은 양의 열을 필요로 하는 건물을 위한 냉난방시스템 설계 시 개방형 지열시스템이 필요로 하는 관정수가 밀폐형에 비해 훨씬 적다.
