지열 지중열교환기 기술전문 벤처기업 지앤지테크놀러지(대표 조희남)는 부식 걱정없는 경제적이고 효율높은 ‘밀폐식 해수열 수중 열교환시스템’을 개발했다고 밝혔다.
지금까지 해수열을 이용한 히트펌프 시스템이나 발전소 등 산업용 냉각시스템의 경우 수중펌프나 지상에 설치된 양수펌프를 사용해 해수를 직접 양수해 지상에 설치된 히트펌프나 냉각기로 공급해 열교환하도록 설치됐다.
이렇게 해수를 직접 공급해 열교환되는 시설은 해수의 양수와 순환을 위해 높은 양정의 순환펌프를 사용하게 돼 이로 인한 운전동력비용 부담이 컸었다.
또한 해수 중 서식하는 각종 이끼류나 조류, 따개비 등 해양생물 등이 수배관이나 열교환기에 붙어 서식하며 오염을 일으키는 한편 이들과 함께 해수 중 부유물 등이 배관내부로 유입돼 스트레이너를 막거나 히트펌프의 열교환기를 폐색시키는 사고를 유발시키고도 했다. 이로 인해 시설 설치 이후 유지관리 비용도 크게 증가하는 문제가 있다.
특히 해수를 직접 양수해 열교환시키는 히트펌프시스템의 경우 따개비 등 해양생물 부착을 방지하기 위해 투입되는 염소나 해수 중 포함된 염소성분으로 장치가 부식되는 심각성도 발생했다. 장치의 내구성 확보를 위한 재질 선택 시 고가의 티타늄 소재 재질을 사용하거나 스테인레스강 316 계열을 사용함으로써 시설 설치에 경제적인 부담도 컸다.
문제점들 일거에 해소
지앤지테크놀러지는 지열시스템에 적용했던 고밀도폴리에칠렌(HDPE)관을 이용해 다발관 형태로 열교환코일관 유니트를 제작하고 이 유니트의 양쪽 햇더부분을 대형의 콘크리트 구조물로 된 앵커 내부에 고정해 해수 수중 바닥에 가라앉혀 고정 설치되도록 했다.
이렇게 수중에 설치되는 열교환코일관 유니트는 조석 간만의 차에 의해 형성되는 조류에 의해 발생되는 수류활동으로 수중에서 해수와 열교환이 되도록 한 밀폐식 해수 열교환시스템이며 이 열교환기를 히트펌프에 결합하도록 해 기술을 완성했다.
밀폐식 해수 열교환기에는 만조기와 간조기 사이에 수류이동이 없는 때를 고려해 별도의 수중 스크류를 설치, 인위적인 수류를 형성시켜 열교환 효율을 높일 수도 있도록 했다. 대용량 시설의 경우 별도의 축열조시스템을 융합할 수 있도록 해 안정적인 열원공급이 가능하다.
지앤지테크의 관계자는 “이번 기술개발로 기존 해수를 직접 양수해 지상에서 열교환했던 시스템이 가지고 있었던 모든 문제점들을 일거에 해소할 수 있다”라며 “해수 이용 열교환기 및 히트펌프시장에 파장이 대단히 클 것”이라고 강조했다.
해안가에 근접한 건축물의 경우 지열을 이용하면 300~500m 깊이까지 필요한 용량만큼 다량의 지열공을 굴착해야 하며 이때 많은 비용이 지열공 굴착시공에 들어간다.
특히 해수를 직접 사용하게 돼 장치부식은 물론 수중펌프 운전동력비용이 높아 히트펌프 시스템을 구축할 경우 투자비용 회수기간이 길어져 투자 경제성이 낮아질 수밖에 없었다.
밀폐식 해수 열교환시스템은 순환계통에는 깨끗한 청수나 친환경 부동액인 에칠알코올 브라인이 채워져 밀폐식으로 순환돼 해수면의 수위 변동에 관계없이 항상 일정하게 낮은 운전동력이 소모돼 경제적인 운용이 가능하다. 바닷물인 해수에 장치가 직접 접촉될 일이 없어 장치들의 부식과도 상관없는 시스템 구성이 가능하다.
특히 지열의 경우 지중에서 열교환된 열의 이동이 극히 낮은 속도로 이동하는 것에 반해 해수면 아래 수중에서는 조류의 속도로 초당 1m 내외의 속도로 바닷물의 이동과 함께 열이동이 가능해 작은 규모의 열교환기 규격으로도 큰 용량의 히트펌프 구동도 가능하게 된다.
이로써 일반 건축물의 냉난방시설을 위한 히트펌프시스템에 적용이 가능할 뿐 아니라 그동안 대규모 양수시설을 갖추고 해수를 직접 양수해 지상의 산업시설의 냉각기에서 열교환한 후 방류했던 발전소 등 산업용 해수 열교환기시스템을 대체할 수도 있을 것으로 전망된다.
조희남 대표는 “전 세계적으로 바닷가에 건축된 대형 건축물의 냉난방시설을 위한 가장 경제적이고 친환경적인 해양에너지원의 활용이 더욱 활발하게 활용될 수 있는 기술이 확보됐다”라며 “특히 3면이 바다로 둘러싸인 우리나라의 경우 기술 활용에 매우 효과적”이라고 강조했다.
지앤지테크는 먼저 국내에서는 해안가에 위치한 대형 호텔이나 산업용 시설, 최근 해수 온난화로 인해 피해를 입고 있는 수산양식 및 어류축양시설에 우선 적용할 계획이다. 이를 통해 어민들의 피해를 줄이데 일조하면서 기술의 실용성과 경제성을 전 세계에 알리고 기술보급을 위해 적극 나설 계획이다.
조 대표는 “해안가 호텔 등 대형 건축물을 대상으로 한 ESCO사업이 활성화되길 기대한다”라며 “전문가나 투자자그룹의 참여와 함께 프로젝트별 펀딩을 통해 이익분배 효과를 가질 수 있는 자금 확보와 함께 보급사업의 획기적인 확장을 꾀하고 싶다”는 포부를 밝혔다.
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