한국지열·수열에너지학회(회장 성재용 서울과기대 교수)의 ‘2022년도 추계학술발표대회’가 성황리에 마무리됐다. 

이번 학술발표대회는 △수열에너지이용 에너지안보 및 탄소중립 실현(김시헌 안양대 교수) △수열에너지의 국내외 정책 동향 및 향후 과제(김영준 한국수자원공사 박사) 등 초청강연에 이어 총 2세션으로 총 27편의 주제발표가 이어졌다. 특히 이주원 주한네덜란드대사관 선임상무관을 좌장으로 한 네덜란드의 선진 수열기술을 배울 수 있는 기회가 마련돼 더욱 의미를 더했다.

김시헌 추계학술대회 조직위원장은 “러시아의 우크라이나 침공으로 가스 등 에너지가격 급등과 식량 및 원자재 공급망 불안으로 전 세계 많은 국가가 어려움을 겪고 있다”라며 “한국도 모든 분야에서 물가가 상승하고 가스수입가격이 70% 급등하는 등 무역수지 적자에 악영향을 끼치고 있다”고 밝혔다.

이어 “2021년 기준으로 에너지의 93% 이상을 수입에 의존하는 한국은 에너지이용에 대한 부담은 대폭 늘어나고 있어 만약 외부로부터 에너지공급이 끊기는 상황인 에너지안보측면을 고려하면 심각한 상황”이라며 “지열·수열에너지학회는 석탄, 가스 등의 화석연료 사용억제로 온실가스를 감축하고 에너지안보 구축 및 탄소중립 실현을 선도해 나갈 것”이라고 인사말을 대신했다.

김시헌 안양대 교수는 ‘수열에너지 이용 에너지안보 및 탄소중립 실현’을 주제로 초청강연을 진행했다. 

김 교수는 “세계에너지총회가 매년 세계 각국의 에너지시스템의 건전성을 평가하기위해 에너지안보, 에너지형평성, 에너지의 환경적 지속가능성 등 3가지 요소를 고려한 에너지트릴레마지수(Energy Trilemma Index)를 살펴보면 2021년 기준 한국은 전 세계 128개국 중 32위로 OECD국가 중 최하위”라며 “다만 한국 에너지정책 기조는 에너지안보, 에너지형평성, 에너지의 환경적 지속가능성 등 3가지 요소를 고려해 바뀌고 있으며 모든 정책 실현에 수열에너지, 미활용에너지의 역할이 중요하다”고 밝혔다. 

정부는 건축물과 관련 건축물 신축 시, 전체 에너지사용량의 일정비율을 신재생에너지를 사용하도록 의무화하고 있다. 설계사나 건축주는 건축허가 시, 지열과 태양광과 함께 고가의 연료전지를 활용해 의무비율을 맞추고 건축물이 완공되면 고가의 연료전지를 사용하지 않는 문제를 해결하기 위해 건축물이 발생시키는 하수, 지하(유출)수, 또는 인근에 하천 등의 물 환경이 좋다면 수열을 이용해 실제 에너지사용량을 충당해야 한다.

 

하이퍼 그린데이터센터의 필수요소인 데이터 전문 인력과 첨단통신기술, 양질의 전력 등 3가지 모두 최적화된 나라가 한국이기 때문에 많은 지역에서 검토되고 있다. 모든 데이터센터는 필요 전력의 100%를 신재생에너지로 충당하는 RE100 달성이 의무화돼 있어 RE100 달성을 위한 최적의 솔루션에도 수열에너지는 많은 역할이 기대할 수 있다.

김시헌 교수는 특히 신재생열에너지 공급의무화(RHO)제도 도입이 법제도 개선의 최종목표라고 강조했다. RHO는 일정 규모 이상의 신축 건축물 또는 집단에너지 등 열공급사업자를 대상으로 일정 비율 이상의 신재생열에너지를 의무적으로 공급하도록 하는 제도로 2012년 신재생열에너지 적용 대상 및 의무비율 단계별 확대 초기 계획이 수립됐지만 현재까지 도입되지 못하고 있다. 

김영준 한국수자원공사 물에너지연구소 소장은 ‘수열에너지의 국내외 정책 동향 및 향후 과제’에 대해 초청강연을 진행했다.

수열에너지는 신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법(신재생에너지법) 및 동법 시행령에서 정의되고 있다. 2000년대 후반부터 하천수, 하수, 해수 등 모든 미활용열을 재생에너지에 포함시키기 위한 산·학·연의 노력이 있었다. 

2014년 해수의 표층수를 범위로 해서 수열에너지가 재생에너지의 하나로 포함됐지만 해수의 표층수는 사용에 제한적이라는 지적과 함께 보편적으로 사용할 수 있는 하천수도 재생에너지로 포함돼야 한다는 요구에 따라 2019년 10월 신재생에너지법 시행령 개정으로 하천수까지 범위가 확대됐다. 

일본의 경우에는 재생에너지를 분류하는 체계가 비화석에너지원, 재생가능에너지원으로 분류한 이후 재생가능에너지원 중에서 보급, 확대의 필요성이 있으며 경제적 지원이 필요한 에너지원을 신에너지원으로 분류해 지원하고 있다. 

수열에너지는 신에너지원으로 분류해 국가적으로 지원, 장려하고 있다. 유럽의 경우에도 EU Directive 2009/28/EU에 근거해서 지표면의 표층수(surface water)를 수열에너지로 별도 분류해 재생에너지로 관리하고 있다. 특히 일부 국가에서는 표층수인 수열에너지를 지열에너지의 일부로 포함해 관리하고 있다. 

김영준 소장은 “해수와 하천수를 제외한 물의 에너지를 활용하는 방안에 대해서는 타 재생에너지와의 연계성을 충분히 고려해 정책적인 접근이 필요한 실정”이라며 “국내 신재생에너지법에서의 물의 열과 관련된 사항을 검토하고 해외 사례를 검토한 후 향후 방향을 설정해야 한다”고 강조했다.   

김 소장은 특히 “수열에너지의 범위를 넓혀서 해수, 유출수 등을 모두 포함시킬 것인가, IEA 기준을 토대로 재생에너지 포함을 위한 명확한 논리를 개발할 필요가 있다”라며 “재생에너지와는 별개의 지원 사업(에너지이용합리화 사업등) 활용도 검토해야 하며 다양한 조건에서의 실험 등을 통한 실측데이터도 축적해야 한다”고 지적했다. 

옥수개발은 ‘유출지하수 이용 냉난방 및 인공함양시스템 제안’에 대해 주제발표했다. 수열에너지의 대부분은 양질에 에너지임에도 불구하고 탄소중립과 온실가스 감축을 위해 현장에서 활용되지 못하고 있다. 여기에서는 버려지고 있는 유출지하수의 열을 냉난방에 이용하고 다시 자연으로 환원(인공함양)해 지하수 안정화 및 지반침하 싱크홀을 예방할 수 있는 시스템을 제안해 주목받았다. 

서울시는 다른 지역에 비해 지하철망과 지하 시설이 가장 발달했다. 지하철 시설물에 의한 지하유출수 발생량은 지하철 역사를 기준으로 다양한 곳에서 많은 양이 발생하고 있다. 싱크홀이 많이 발생한 송파구에서는 많은 건축물의 지하에서 발생한 유출수를 건물의 냉난방열원으로 충분히 활용하고 있다. 서울시 자료에 따르면 유출 지하수량은 지하철, 건축물, 전력구, 통신구 등에서 하루에 약 19만5,649톤이 발생한다. 연간 발생량을 환산하면 7,141만1,885톤에 이르는 막대한 양이다. 여기에 통계에 잡히지 않고 하천이나 하수도로 버려지는 양도 상당할 것이라 예상된다. 이중 66.39%에 달하는 하루 약 12만9,892톤이 열이 아닌 하천 유지용수, 도로 청소, 조경용수, 수경시설 인공함양, 건물 용수로 단순 이용되고 버려지고 있다.

 

연간 발생하는 유출 지하수의 이론적 부존량을 환산하면 2만9,718Mcal/h이며, 다시 기술적 잠재량 중 난방에 활용이 가능한 부존량을 산출하면 2만2,288Mcal/h로 24평 아파트 6,100가구를 난방할 수 있다. 냉방에 필요한 부존량은 1만3,783RT로 상업시설 27만166㎡의 냉방이 가능하다. 

하수처리수의 부존량과는 차이가 있지만 건물의 인근 또는 지하에서 유출되는 생하수와 함께 가장 가까이 있는 유용한 에너지다. 에너지비용 중 에너지 생산에 드는 비용도 중요하지만 이동에 따른 열 손실로 발생하는 비용도 중요하다. 건물 바로 밑에서 나오는 유출지하수를 열손실없이 바로 냉난방에 이용하고 인공함양함으로써 자연으로 되돌릴 수 있는 1석3조의 에너지다. 

옥수개발의 관계자는 “유출지하수를 이용하기 위해서는 국토교통부의 녹색건축 설계기준과 서울시 녹색건축 설계기준에 신재생에너지의 비율 적용에 대체에너지 적용과 함께 유출지하수 이용을 추가해야 한다”라며 “서울시의 서울특별시 신재생에너지시설의 에너지생산량산정지침에도 역시 유출지하수 이용을 추가해야 한다”고 지적했다. 

이 관계자는 “가장 중요한 부분은 무엇보다도 수열에너지의 범위를 제한하지 말고 모든 물의 열을 이용하는 것을 추진해야 한다”라며 “수열에너지의 범위를 온배수와 하천수로 국한하지 않고 모든 물의 열을 이용하는 것은 같은 기술이므로 모든 물에 적용해 수열에너지를 더욱 활성화하면 화석연료 사용에 따른 온실가스 감축 목표의 많은 부분을 해결해 탄소중립을 실현할 수 있을 것”이라고 강조했다. 

이태구 이젠엔지니어링 소장은 하남교산지구의 유리한 환경을 토대로 수열에너지 적용성 및 사업성을 검토해 타당성을 확인한 '공공주택지구 수열에너지 냉난방시스템 적용 검토'한 주제를 발표했다. 

광역원수는 한강물을 정수 처리 과정을 통해 상수로 활용되기 위한 수원이며 광역원수 수열에너지 냉·난방시스템은 이 원수를 이용해 건물의 냉난방에 이용하는 것이다. 

수열에너지는 기존 냉난방 설비에 비해 우수한 열효율을 보유하고 있어 경제적·환경적 효과 등의 장점이 많은 신재생에너지이다. 하남교산 공공주택지구 조성사업이 추진되는 사업대상지에는 광역원수 관망이 관통하고 있어 수열에너지를 활용할 수 있는 최상의 지리적 조건을 갖추고 있다. 또한 신재생에너지 보급 의무화 및 제로에너지건축물 의무화 등 친환경적 정책에 대응할 수 있는 기반을 갖추고 있다. 

하남교산 지구를 관통하는 광역원수 관망은 크게 3그룹으로 구성돼 있으며 총 공급유량은 250만톤/일이다. 이를 수열에너지로 환산하면 약 14만RT이다. 이중 확보 가능한 수열에너지는 9만4,000RT이다. 

하남 교산 공공주택지구의 최대로 가능한 수열 적용 범위 및 수열네트워크를 구성해 수열에너지 적용 비용을 산정해 지역열원과 비교한 결과 1차 에너지사용량은 약 48% 수준의 우수한 열효율을 보유하고 있었다. 운전비는 약 23% 수준으로 운전비 절감량이 매우 높아 경제성이 충분한 것으로 나타났다. 

또한 정부정책에 대한 기대효과를 분석한 결과 제로에너지건축물 의무화에 대응하기 위해서는 고효율 설비 및 에너지자립률 20% 이상이 요구된다. 수열원은 지역열원에 비해 에너지사용량이 48% 수준으로 에너지자립률에 매우 용이하게 대응할 수 있으며 친환경정책 반영 시 총 공사비는 지역열원보다 훨씬 저렴해진다. 

이태구 소장은 “수열에너지는 고효율열원이면서 친환경정책에 최적화된 신재생에너지로 판단된다”라며 “수열에너지는 온실가스도 큰 폭으로 저감할 수 있어 탄소배출권 정책에도 대응할 수 있는 신재생에너지”라고 강조했다. 

서정식 냉동공조인증센터 본부장은 ‘수열원 열펌프 성능평가 기술기준 동향 소개’ 주제발표를 통해 수열원 히트펌프의 성능평가에 관한 기술기준에 대해서 소개했다. 

수열원은 지열원, 해수열원과 같이 간접 열원방식으로 히트펌프를 사용하는 에너지를 대상으로 수열원에너지를 열원으로 사용하는 히트펌프에 대한 기술기준을 중심으로 성능지표 및 표준, 시험조건, 방법론에 대해 분석한 결과를 발표했다.

먼저 히트펌프 성능지표 및 표준 분석은 KSB8292, KS B 6270, ISO 13256-2 등 기존 시험방법론을 활용했다. 인증시험의 시간 단축을 위해 제품시험의 중복성 등 고려해 진행했으며 해외수출 등을 고려한 성능지표의 범용성도 검토한 것이 눈에 띈다. 히트펌프에 대한 표준은 성능 확인 형태의 단순한 성능지표에서 계절 또는 기간성능에 대한 지표로 전환 중인 실정이다. 

서정식 본부장은 “수열원 히트펌프의 기기적인 성능평가는 기존 시험표준 활용 및 시험조건을 반영했다”라며 “저온영역의 시험조건 구현 및 조건 반영에 대한 검토(필요성, 효과, 제도적인 측면 등), 국제표준 및 부합성을 고려한 활용성(시험의 중복성 등), ISO 13256-2, KS B 6720 표준활용, 저온조건을 반영해 수열원히트펌프의 성능평가 기술기준을 개발하고 있다”고 밝혔다. 

함광준 강원도 데이터산업과 수자원산업총괄팀장은 ‘수열에너지 활용 친환경 데이터센터 집적단지 조성 방안’에 대해 발표했다. 

강원도의 핵심사업 중 하나인 소양강댐 냉수를 수열에너지로 냉난방에 사용하는 ‘수열에너지 융복합 클러스터’ 조성사업은 춘천시 동면 지내리 907번지 일원 25만평의 면적에 2020년부터 2027년까지 친환경 데이터센터 집적단지, 데이터산업 융합밸리, 스마트 첨단농업단지, 물-에너지 특화단지, 스마트 생태주거단지 등을 조성하는 사업이다. 

소양강댐 평수위는 해발 180m로 심층수의 차가운 냉수는 연간 7℃ 내외를 유지하고 있다. 이러한 차가운 냉수 24만톤/일(1만6,500RT)을 데이터센터의 냉방시스템에 활용할 예정이다. 이는 국내 최대 규모인 롯데월드타워 사용량의 5배가 넘는 규모로 수열에너지를 데이터센터 냉방에 적용할 경우 약 83%의 냉방전력 절감 효과가 있는 것으로 분석됐다.

 

함광준 팀장은 “하천수를 활용한 수열에너지를 신재생에너지에 포함시키고자 노력했으며 2019년 10월 신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법 시행령을 개정해 하천수를 수열에너지 범위에 포함시켰다”라며 “2021년 3월에는 국토부 투자선도지구로 지정, 승인돼 사업이 본 궤도에 올라 기본 및 실시설계를 추진 중에 있으며 2022년 설계 및 행정절차를 완료한 후 2023년 상반기에 착공할 예정”이라고 밝혔다. 

수열에너지 융복합 클러스터 내에는 하이퍼스케일 친환경 클라우드 데이터센터 6~8기가 집적될 예정이며 데이터센터와 연관된 협력기업 및 데이터·IT기업 300개 이상을 유치할 계획이다. 이를 통해 7,000명 이상의 고품질 일자리가 창출될 것으로 예상된다. 

집적단지의 전체 전력 사용량은 연간 약 784GWh/yr로 냉방에너지로 수열에너지를 사용할 경우 전력 절감량은 215GWh/yr다. 탄소배출량은 9만9,000톤이 감소하는 효과가 있으며 이는 소나무 30년생 1,500만그루를 식재하는 효과와 같다.

함 팀장은 “이번 사업은 지역의 고유자원(소양강댐 냉수)을 활용한 새로운 지역발전의 신성장 모델이 될 수 있을 뿐만 아니라 신재생에너지를 활용한 친환경산업으로 주목받을 것으로 기대된다”고 강조했다.

조항문 한국산업단지공단 전문위원은 ‘서울시 수열에너지 잠재량과 정책적 시사점’에 대해 발표했다. 

서울시는 난방에 사용되는 열의 약 90%를 주택에서 소비하며 냉방에 사용되는 열의 약 80~98%는 업무용에서 소비하고 있다. 이에 따라 수열에너지 적용 시 주택의 난방수요, 상업건물의 냉난방 수요에 초점을 둬야 한다. 수열에너지는 열 이용 후 배출되는 유량과 오염물질 변동은 거의 없으나 배출수 수온에 의한 수질인자 변동에 따른 환경 영향을 고려해야 한다. 하천수나 수돗물은 수온 변동을 최소화하도록 영향 범위 내에서 적정 유량을 사용해야 하며 수열에너지 시스템 설치 시 이용하고자 하는 수열원의 수온, 유량, 수열원 특성 등을 종합적으로 추가 검토가 필요하다. 

수열에너지시스템은 수요처와 수열원이 지리적으로 가까워야 효용성이 담보되며 거리가 멀수록 비용이 증가한다. 또한 기존 설비의 열공급 온도와 히트펌프 열공급 온도가 서로 달라 설비간 융합이 불가한 경우도 나타나며 히트펌프 전용 냉난방 공간도 확보해야 한다. 

히트펌프는 보일러로 재순환되는 관로에 열교환을 통해 기존 설비의 보조 열원으로 이용할 수 있으며 기존 설비로부터 냉난방이 공급되지 않는 지하공간이나 미화원 생활공간 등 냉난방 사각지대의 냉난방에너지로 활용할 수있다. 

국외에서는 히트펌프로 생산한 열에너지를 재생에너지로 인정하고 있으며 히트펌프 보급도 활발하다. 

조항문 연구위원은 “국내에서 재생에너지로 인정받는 수열원은 표층수와 해수에 한정되지만 히트펌프로 열에너지를 생산하는 방식은 모든 수열원이 동일하다”라며 “이에 따라 다양한 수열에너지가 신재생에너지로서 보조금 등의 혜택을 받기 위해서는 수열원의 인정범위를 확대해 하수, 유출지하수, 수돗물 등은 물론 히트펌프를 사용하지 않는 냉방용 호수 심층수도 포함돼야 한다”고 지적했다. 

재생에너지원 인정범위에 대한 법적 개선이 요구되나 서울시에서 수열에너지 확대를 위해 우선적으로 시행할 수 있는 방법은 ‘서울시 환경영향평가 항목의 심의기준’ 온실가스부문에 다양한 수열원을 포함하는 것이 우선일 것이다. 현행 심의기준은 건물 신축 시 신재생에너지를 20% 설치해야 하며 신재생에너지로 최소 14%를 만족하면 상수열, 하수열, 집단에너지 등으로 나머지 비율 6% 대체가 가능하다. 

조 전문위원은 “수열에너지원을 상·하수열에만 한정하는 것이 아니라 ‘물을 열원으로 하는 히트펌프를 사용해 얻어지는 에너지’로 범위를 확대함으로써 신재생에너지 비율을 대체할 수 있도록 한다면 개별 건물의 수열에너지 활용도를 높일 수 있을 것”이라고 활성화 방안을 제안했다.