지구온난화와 지구촌의 기후 재난은 이미 국제적 이슈가 돼 있으며 세계 선진국들은 앞다퉈 탄소중립을 외치고 있다. 우리나라도 예외는 아니다. 이산화탄소 배출 저감을 위한 신재생에너지 활용 및 의무화 정책이 쏟아지고 있다. 

지열시스템이 국내에 도입된 초중반기 외국산 히트펌프가 주로 설치됐으나 히트펌프 국산화 개발과 효율 개선, 지중 그라우팅재료 효율화 개발, 천공공법 개발 등 지열 전문기업의 노력을 통해 효율이 개선되고 타 열원시스템대비 경쟁력을 확보할 수 있었다. 지열시스템은 전국적으로 설치돼 건물의 냉난방 급탕에 활용되고 있다. 또한 ZEB 공동주택에 설치된 지열시스템은 인근 단지대비 적은 난방비가 부과되는 것으로 알려지고 있으며 전 세대를 지열로 냉난방·급탕하는 공동주택은 온실가스 제로화 공동주택이 될 수 있다. 비주거 교육업무시설에도 냉난방을 담당하는 타 열원시스템을 효율 좋은 지열시스템 기저부하로 전환해 에너지비용 수억원을 절감하고 온실가스도 감축하는 친환경적인 우수한 현장도 운영 중이다.

건물부문 에너지사용량의 약 50%가 냉난방에 사용될 만큼 냉난방 열에너지 비중이 높은 우리나라의 에너지소비 패턴을 감안하면 열에너지를 해결하기 위한 지열시스템 보급을 확대하는 것은 전력생산을 위한 태양광설비 보급만큼이나 중요하다. 우리나라 지중의 연중온도는 15℃에서 20℃를 유지하고 있기 때문에 이를 냉난방에너지 이용에 최적의 조건을 가지고 있다. 또한 지질지반 상태 및 지하수 부존 특성이 세계 어느 나라보다 우수해 지열시스템의 핵심설비인 지중열교환기 설치를 위한 시공 및 현장적용성, 경제성, 유지관리 측면 등에서 모두 유리하다. 

지열시스템으로 냉난방 시 탄소배출량을 1이라고 가정할 때 기존 냉난방설비는 최소 3배에서 많게는 6배까지 탄소배출이 많아진다. 결국 지열시스템 사용은 탄소배출량을 획기적으로 감소시키는 일이다. 특히 지열시스템으로 생산·공급하는 냉난방 열에너지는 기존 설비 냉난방에너지 공급에 사용되는 전력소비량을 대폭 절감할 수 있어 궁극적으로 전력생산을 대체하는 효과가 있으며 이는 궁극적으로 전력을 생산하는 것과 다름이 없다. 

A사의 관계자는 “국내 순수 에너지사용량을 고려하면 전기에너지를 열에너지로 변환하는 것까지 포함하면 최종에너지 중 약 70%가 넘는 수요가 열에너지로, 전기를 열에너지로 변환하는 가장 높은 효율을 보유하고 있는 것이 바로 지열에너지시스템”이라며 “다만 히트펌프 가동에너지로 전기를 사용한다는 것에 매몰돼 시장에서 홀대하는 것은 보다 효율적인 시스템을 사장시키는 결과가 될 수 있다”고 지적했다.  

국내에서는 지열을 포함한 총 11개 항목을 신재생에너지로 지정하고 있으며 지열원을 활용한 히트펌프시스템을 중심으로 건물의 냉난방 및 급탕 또는 산업용 및 농업용 등에서 냉온수 생산 등에 대부분 활용되고 있다. 2004년부터 공공건축물을 대상으로 신재생에너지 설치 의무화와 함께 지자체의 조례, 건축물 인증제도, 건물지원 보급사업 등을 통해 전체적으로 신재생에너지 설치 비중은 점차 증가하고 있는 반면 지열설비는 최근 지속적으로 감소되고 있는 상황이다.

국내 지열시스템 용량 보급 추이를 살펴보면 2008~2015년 기간 동안 꾸준히 증가하는 양상을 보이다가 2017년 이후 최근까지 점차 하락하는 추세를 보이고 있다. 설치용량을 보면 2015년 174MW로 최대를 기록했으며 2008년 32MW대비 452%의 성장을 기록한 후 최근 점차 감소돼 2021년에는 79MW로 2015년대비 55% 수준에 불과하다. 

또한 에너지경제연구원(KEEI)에서 분석한 연구보고서에 따르면 국내 지열부분 연구개발(R&D)은 히트펌프시스템 성능 개선 및 실증연구가 주가 돼 2011~2014년까지 활발히 기술개발이 진행돼 왔으나 2015년 이후 지열부분 R&D 과제 수가 감소하기 시작했다. 이에 따른 연구개발비는 2014년 약 241억원 최고치를 기록한 후 점차 축소대 2019년에는 9억7,000만원 수준으로 96%나 감소됐다. 현재는 사실상 지열분야 R&D예산이 사실상 ‘0’이다.

서울시 기후환경본부 발표에 따르면 환경영향평가 대상 사업장에 대한 최근 3년간 지열시스템 설치비율은 ZEB(Zero Energy Biulding) 도입 후 급격히 감소했다. 급감사유는 지열의 경우 히트펌프에서 전력을 소비함에 따라 순에너지 발생량이 감소돼 ZEB등급 산정 시 불리하며 지열시스템 설치에 필요한 초기 투자비, 부지면적, 공사기간, 지열이용검토서 작성 및 평가 절차 등으로 사업자 기피현상으로 지열시스템 설치 비율이 급감한 원인으로 분석하고 있다.

국내 지열시장은 성장보다는 정체기에 접어들었다는 평가가 지배적이다. 정부의 신재생에너지 의무비율 증가가 지열시장에 미치는 영향이 한정적이기 때문이다. 반면 의무비율증가로 오히려 건물용 연료전지시장이 확대되는 계기가 됐으며 지열시장은 더욱 위축되고 있다. 

B사의 관계자는 “건축공정에 지열시공 시 간섭을 일으키면서 시장에서는 효용성과 관계없이 의무비율을 달성하는데만 급급하기 때문”이라며 “즉 의무적으로 설치해야하는 신재생에너지 중 태양광, 지열은 의무비율 증가에 따른 증가는 거의 없으며 그 자리는 실제 활용이 되지 않는 연료전지가 설치되고 있는게 현실”이라고 지적했다. 

C사의 관계자는 “여러 신재생에너지 중 지열에너지 활용이 그동안 활성화되지 못한 사유는 다양하지만 태양광 위주의 전기생산에 집중된 국내 신재생에너지정책과 생산, 저장, 소비 등 에너지 생애주기를 고려하지 않은 편의성에 기반한 신재생에너지 보급이 이뤄졌기 때문”이라며 “지금까지 건물에 사용되는 열에너지 특성을 고려하지 않고 생산 위주의 신재생에너지정책을 고수했다면 이제는 사용자 중심 효율적인 열에너지정책으로 전환돼야 한다”고 강조했다.

지열시장은 2010년부터 진행된 공공기관 지방이전이 마무리됨에 따라 공공중심의 보급은 크게 둔화됐다. 이에 따라 국내 지열시장은 공공부문을 위주로 형성됐던 것에서 민간주도로 넘어가는 과도기에 있다는 평가도 있다. 높은 시스템효율을 확인하는 단계를 지나 범용적인 수요 창출단계에 와 있지만 지열에너지를 이용하기 위한 히트펌프의 전력소비량 때문에 소비자의 큰 관심을 끌지 못하고 있는 것이 현실이다.  

이에 반해 신재생전기에너지는 RPS제도라는 보급정책에 힘입어 민간시장도 자연스럽게 커졌지만 신재생열에너지는 열악한 정책지원으로 인해 원별 각자도생의 길을 걸어오고 있다. 민간주도 시장을 창출할 여력이 희박한 현실에서 ZEB이나 녹색건축물에 기대어 민간시장이 근근히 열리고있는 것이 실정이다. 특히 경쟁기업 수가 증가하면서 저가 수주경쟁이 보다 치열해지고 지속되는 제조, 공사원가 상승으로 지열시장은 어느 때보다 어려운 게 현실이다.

국내에서는 지방자치단체 중에서 서울시가 가장 먼저 열에너지의 중요성을 인식하고 ‘기후변화대응 종합계획(2022~2026)’에 따른 연차별 목표 달성을 위한 ‘신재생에너지 보급 세부 계획(중‧장기)’을 수립하고 보급 방향을 태양광 중심에서 지열‧수열‧연료전지 등 균형 보급을 추진하고 있다.

먼저 지열에너지 중점보급 확산을 위해 단기적(2023년)으로 신재생에너지 자문단(인력풀) 구성‧운영(총 30명 이상)하고 설계부터 준공까지 지열 등 신재생에너지 컨설팅 업무를 지원하고 있다. 서울시 내 지열 설치 우수사례를 표준화한 매뉴얼을 작성해 홍보하고 지열설치를 위한 표준공정을 마련할 계획이다.

중장기적(2024년~)으로 민간분야 자가용 지열설비는 지열설치 보조금을 최대 80%(국비 50%, 시비 30% 추가) 지원하고 2025년부터 열량 비례 인센티브정책을 추진할 계획이다. 또한 지열은 히트펌프 가동에 전력이 소모돼 순에너지 생산 인정량이 감소하게 돼 있어 현재 태양광에 유리하게 적용되고 있는 에너지자립률 산정기준의 산식 변경을 추진하는 등 불합리한 제도를 개선해 민간이 자발적 지열시스템 설치를 유도할 방침이다. 

D사의 관계자는 "전 세계적으로 온실가스 감축과 열에너지를 효과적으로 사용하기 위한 재생열에너지에 대한 관심이 급격히 높아지고 있다"라며 "국내에는 서울특별시가 선도적으로 지열에너지 이용을 확대하기 위한 T/F 조직을 구성하고 정책 실행을 적극 추진하고 있어 지열에너지의 보급확산이 활성화될 것으로 기대하고 있다"고 밝혔다.

서울시의 지열시스템 설치건수는 2004년부터 2022년까지 약 430건이다. 설치용량은 건당 약 600kW이며 공공현장 설치 건수는 약 240건으로 민간보다 다소 많이 설치돼 있다. 서울시의 지열시스템 설치 총용량은 261MW이며 공공기관에 약 137MW 설치용량으로 민간을 다소 상회하는 설치 실적이다.

지열시스템은 화석연료를 사용하지 않아 연소가스가 발생하지 않는다. 온실가스 감축은 세계적인 이슈이며 목표다. 지구온난화와 기후변화에 대한 대응으로 우리 정부는 2050년 탄소중립 선언했으며 온실가스 감축목표(NDC: Nationally Determined Contribution)를 수립해 발표한 바 있다. 우리나라의 온실가스 배출량 목표는 2030년 약 4억3,660만CO2eq로 2018년(약 7억2,700CO2eq)대비 40%의 탄소를 감축해야 한다. 이는 매년 3,030만톤인 4.17%를 감축해야 하는 목표량이다. 정부는 목표 달성을 위해 각 부문별 감축목표를 수립했다. 지열냉난방시스템과 관련된 건물부문 온실가스 배출량은 2030년 3,500만톤을 목표로, 2018년 5,200만톤대비 32.8%를 감축해야 한다. 

정부는 건물부문의 구체적 감축방안을 제시했으며 지열과 관련된 내용을 요약하면 에너지소비를 최소화하는 제로에너지건축물 확대, 냉난방·환기 등 계측장비 설치 및 통신망과 연계한 에너지 자동제어시스템 도입, 지열, 수열 등의 신재생에너지를 보급 확대하고 화석연료 사용기기를 억제해 온실가스 감축 목표를 달성하는 것이다. 

세계적으로 최종에너지소비 중 약 50%가 난방과 온수에 소요되고 건물난방 수요의 64%가 화석연료로 공급하고 있다. 지열시스템은 히트펌프를 통해 열을 이동시키는 시스템으로 효율이 높아 에너지를 절감할 수 있으며 연소가스가 발생하지 않아 온실가스 감축에 유리하다. 하나의 장비로 냉난방을 구현할 수 있어 계획설계 시 냉동기나 보일러를 대체할 수 있다. NDC 건물부문의 온실가스 감축 목표에 적합한 시스템으로 정부정책과 세계적인 기후위기 대응에 동참하는 시스템이 바로 ‘지열’이다.

신재생열에너지 중 가장 접근이 쉽고 에너지사용에 대한 만족도가 높은 것도 지열이다. 이에 따라 지열에너지 보급을 좀더 강화할 필요가 있다. 지열의 경우 평균 COP가 4.0을 넘는다. 이는 우리가 사용하는 전기효율을 36%로 가정 시 144%가 넘는다는 뜻이다. 즉 현재 어떠한 열에너지를 생산하는 시스템 중 단연 최고라 할 수 있다. 환경부에서 지원하는 콘덴싱 가스보일러효율의 1.6배 이상 높은 효율을 가지는 시스템이라는 얘기다. 

F사의 관계자는 “신재생에너지 중 열부문에서는 가장 안정적이면서 지속성을 가진 열원이 지열”이라며 “이러한 시스템이 단지 시공에 간섭이 되고 비용이 높다고 설치를 기피하고 화석연료를 지속 사용한다면 지구의 위기는 더욱 가속화 할 것”이라고 지적했다. 

국내 지열시장은 2000년 초 도입된 이후 꾸준히 기술개발이 이뤄지고 있다. 하지만 효율 개선 천공축소 등의 공사비 저감, 필수 지중 활용 공간구획 최적화, 공사 기간과 투입 시기 조율 합리화 등의 과제를 더 효율적으로 해결해야 한다. 신공법, 효율개선 공기단축, 공간 활용등 다양한 솔루션 개발이 더 이뤄져야 한다. 

국내 건축물은 도심지 공사와 재건축 공사가 확대되면서 T0P-DOWN공법이 증가하고 있다. 토목, 건축공법에 적합한 천공 및 트렌치공법 개발을 통해 주 공사 기간에 적용돼 추가 기간이 발생하지 않도록 기술개발과 공법개발이 활성화돼야 한다. 그래야만 타 신재생에너지대비 경쟁력 확보가 가능하다. 초기투자비를 줄일 수 있는 천공 수량 축소공법 개발과 그라우팅제 개발을 통해 공사 기간 단축, 설치공간도 축소해야 한다. 설치공간 축소방법은 밀폐형 그라우팅재 개발과 공법개발, 개방형시스템, 수평형시스템, 하이브리드시스템 등 융복합 개발을 통해 지열시스템 효율의 우수성을 활성화해야만 달성할 수 있다.

국내의 주거 및 비주거의 건축물은 제로에너지건축물인증정책에 준해 2023년에 한국판 뉴딜정책으로, 당초 2025년 계획(공공건물 500m² 이상과 공공주택 30세대 이상 건축물 적용)이던 것이 2년 앞당겨져 제로에너지건축물 의무화가 적용된다. 2024년에는 민간건축물 30세대 이상 건축물도 5등급 수준을 확보해야 한다. 

패시브적인 측면을 고려한 건축설계는 지열시스템의 정밀설계로 제로에너지빌딩에 타 열원시스템을 축소하고 지열냉난방시스템으로 적합하다. 노원 제로에너지하우스가 패시브적인 최적 설계를 통한 액티브적인 측면의 지열과 태양광 설치로 자체에너지 생산과 최적화 소비로 자립률을 달성해 건축물에너지효율등급 및 녹색건축물인증 최우수등급을 취득해 운영되고 있다.

온실가스 감축의 일환으로 제로에너지 건축물 의무화 로드맵에 따라 제로에너지건축물 인증제도가 시행되고 있으며 건축물에너지효율등급인증과 제로에너지건축물등급 평가는 건물의 에너지요구량과 소요량을 계산하고 신재생에너지 생산량과 소요량을 산출해 에너지자립률과 건물에너지 관리시스템을 평가한다. 이는 고효율 건축물을 보급 활성화하고 건물부문의 온실가스를 감축하기 위한 인증제도다. 인증절차에서 1차 에너지 생산량과 소비량을 평가하는데 설계단계에서 ECO2 프로그램을 사용한다. ECO2 프로그램은 건물에너지 소비‧생산을 탄소측면으로 해석해 환산하는 프로그램이다. 직접 전기를 생산하는 태양광의 경우 우수한 등급으로 산출된다. 지열의 경우 전기에너지를 사용하므로 에너지 자립률이 낮아진다. 

G사의 관계자는 “제로에너지건축물 인증에 필수 ECO2 프로그램의 알고리즘은 알 수 없으나 전기에너지를 사용하는 지열, 수열시스템은 건축물에 적합한 효용성으로 평가 프로그램 ECO2의 현실화가 필요하다”라며 “ECO2 프로그램의 계수 2.75는 전기의 송전효율과 관계가 있으며 우리나라의 전기생산 에너지의 종류와 송전 손실 등을 더 면밀히 검토해 ECO2 프로그램의 일부 조정이 이뤄져야 지열시장이 활성화될 수 있다”고 지적했다. 

지열 보급에 가장 큰 문제는 초기비용 부담이 크다는데 있다. 이를 경감하기 위해 신재생에너지 보급사업 확대 및 금융지원사업 등을 확대할 필요가 있다. 정부보조금 지원으로 설비설치를 고려하는 소비자가 정부보조금을 지급받더라도 자부담액 중 일정액에 대해 장기 저리융자를 추진해 시스템설치 후 사용하면서 그 절감액으로 차입금을 상환하는 제도가 필요하다. 이때 그 설비를 담보로 포함해 추가적인 담보가 필요없도록 하는 방안도 필요하다.  

또한 일정 규모 이상 신축, 증축, 개축하는 건축물에 일정비율을 신재생에너지를 이용한 열에너지를 의무적으로 공급하도록 하는 RHO(Renewable Heat Obligation)제도 도입이 시급하다. 이와 함께 신재생열에너지 구매제도를 통해 자체적으로 생산할 수 없는 건물은 외부에서 신재생열에너지 권리를 구입하는 신재생열거래제도도 도입이 필요하다. 

H사의 관계자는 “지열시장은 초기 투자비 과다로 인해 신재생에너지 보급지원사업이 필수불가결하다”라며 “최근 이러한 지원제도가 시행상의 일부 부정을 이유로 예산이 현격하게 줄어들었지만 그러한 병폐를 차단하고 관리하는 방안은 별도로 하고 지원예산 확대는 반드시 반영돼야 한다”고 강조했다. 

모니터링시스템은 국내 NDC 건물부문 감축안에도 거론된 냉난방 센서 및 계측장비 설치와 통신망과 연계한 실시간 에너지 자동제어시스템 도입도 필요하다. 일정규모 이상 용량의 민간건물을 포함한 건축물에 지열시스템을 포함한 신재생에너지 열원장비에 적용해 에너지생산량을 실시간으로 파악하고 고장 여부와 가동상태를 실시간으로 확인해 RHO, RHI 연계를 통해 에너지데이터를 확보하면 온실가스관리가 가능하다.

한국에너지공단의 신재생에너지 통합모니터링시스템(REMS: Renewable Energy Monitoring Service) 활성화가 필요한 이유다. 각종 신재생에너지 및 냉난방시스템 설치 후 가동률을 파악하고 관리하면 계획단계부터 설치, 시공 단계에서도 좀 더 면밀한 계획과 유지보수가 이뤄질 수 있다. 

I사의 관계자는 “신재생전기에너지자원이 풍부한 유럽국가들의 요구에 따라 무조건적인 신재생전기에너지 100% 사용 조건의 RE100을 추종해 따라 가기보다는 같은 온실가스 감축효과가 동일한 신재생열에너지까지 포함한 RE100 달성기준 변경을 추진해야 한다”라며 “태양광, 풍력에 제한된 우리나라 신재생전기에너지생산 실정을 감안해 온실가스 감축목표를 동일하게 하고 있는 태양열, 지열에너지까지 포함하는 신재생열에너지를 RE100에 포함시키는 국제기준을 변경시킬 경우 우리나라의 RE100 달성에 지금보다 훨씬 빠르게 가능할 것”이라고 대안을 제시했다.

지열이용검토서 작성 및 승인절차를 폐지하거나 간소화해야 한다는 목소리도 높다. 지열설비는 설치의무기관에서 설계요약서, 계산서, 도면, 지중열전도도 시험성적서 등 관련 서류를 준비해 신재생에너지센터에 기술검토 신청서를 제출해야 한다. 예를 들어 지열이용검토서 작성에 필요한 지중열전도도 측정은 인근지역 건축허가 신청이 여러 건이 있다면 각각 현장마다 지중열전도도시험을 위해 시험천공을 하고 열전도도 측정을 하도록 규정하고 있다.

지중열전도도 측정에 필요한 시험천공 공사비 및 시험성적서 수수료 비용이 수직밀폐형은 2,000~3,000만원, 개방형은 6,000만원에 상당하는 경비가 지출되고 지열이용검토서 작성 및 평가에 2개월 이상 기간이 소요되는 불필요한 규제라는 것이 지열업계의 주장이다.  

J사의 관계자는 “지중열전도도 측정자료는 한국지질자원연구원에서 2009년 개발한 ‘지열자원정보시스템(data.kigam.re.kr)’을 활용해 지역별 열전도도 데이터를 이용할 수 있어 건물 신축 허가에 따른 지중열전도도 측정 규정은 반드시 개선해야 한다”라며 “신재생에너지 중 유일하게 지열설비만 지열이용검토서 작성 및 승인을 받도록 규정하고 있는데 그 절차를 간소화하거나 불필요한 규제를 폐지함으로써 설계기간을 2개월 이상 단축할 수 있다면 지열 보급이 활성화될 것”이라고 강조했다.

이 관계자는 “지열산업의 가장 큰 걸림돌은 지열천공으로 인한 건축공사 공기지연이며 이를 이유로 타 열원으로 전환 및 지열용량 축소를 심각하게 고민하는 사례들이 발생되고 있다”라며 “최고의 효율을 보유한 지열시스템을 활성화시키기위해 원별보정계수의 현실화가 절실하며 일정부분 공기지연을 감수하고라도 적용할 근거를 마련하는 것이 지열시장 활성화에 상당히 도움이 될 것”이라고 지적했다. 

K사의 관계자는 “공공기관 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정에 의하면 공공 건축물이 연면적 1,000㎡ 이상인 경우 전체 냉방설비 용량의 60% 이상을 전기를 사용하지 않는 다양한 방법의 냉방방식으로 냉방설비를 설치하도록 규정하고 있는데 이중 신재생에너지인 지열원    설비를 우선 적용할 수 있도록 개선이 필요하다”라며 “히트펌프는 냉매사이클을 통해 열을 이동시키는 지열의 핵심장비인 만큼 미래지향적인 냉매를 선정하고 고효율화·대형화·고온수 생산용 히트펌프 개발에 지원한다면 탄소중립은 물론 수출산업으로 성장시킬 수 있다”고 강조했다.