3.1. 지열 히트펌프 사례조사
3.1.1. 지열에너지 특징
지열은 심층부의 지열수로부터 토양(ground), 지하수(ground water), 지 표수(surface water)에 이르기까지 지구가 포함하고 있는 열을 이용하는 것 이다. 지열이용기술의 시스템을 보면 100℃ 이상의 지열은 주로 지열발전 용으로 이용하고 30～100℃ 정도의 지열은 주로 온천 등에 이용하고 있으 며, 30℃ 이하의 지열은 직접 이용하기가 어렵기 때문에 주로 열펌프의 열 원으로 이용하여 건물의 냉난방 및 농업, 양식 등에 활용하고 있다.
그림 4-2. 중․저온 지열에너지의 직접 이용 시스템
현재 농업부문에서 가장 보편화된 지열이용 형태는 히트펌프를 이용한 형태이다. 지열 히트펌프는 땅속의 열(5~20℃)을 히트펌프의 열원으로 이 용하는 것으로, 청정에너지 중 가장 안정적이고 효율적인 냉난방 시스템이
다. 지열 히트펌프 종류로는 수직밀폐형, 수직개방형, 수평밀폐형, 하천수 이용형이 있는데 수직밀폐형의 경우 일반건물의 냉난방시스템으로 가장 많이 보급되고 있으며, 중소용량의 냉난방시스템에 적합하다. 수직밀폐형 은 지열 히트펌프 중 가장 설치비용이 많이 들고, 설치공사기간도 가장 많 이 필요하나 국내의 경우 거의 모든 지역에 설치 가능하다. 하지만 간척지 의 경우에는 지반이 약하므로 파일을 설치해야 하기 때문에 설치비용 증가 로 경제성이 크게 떨어진다는 단점이 있다. 수직개방형은 땅속의 지하수를 퍼올려 히트펌프의 열원으로 이용하고 땅속으로 환원시켜 지하수를 재활 용하는 방식으로 중대형 용량의 냉난방시스템에 적합하다. 수직밀폐형보다 설치비용이 적게 들고 공사기간도 단축되지만, 지하수가 풍부한 지역에 설 치한다면 효과적이다. 수평밀폐형 지열 히트펌프는 땅속 3m 이내의 깊이 에 PE파이프를 수평으로 설치하여 이용하는 방식이며, 수직밀폐평에 비하 여 넓은 설치면적이 필요하다. 따라서 충분하게 설치면적을 확보할 수 있 는 농촌지역에는 설치가 용이하나 기존 시설이 설치된 곳에는 오히려 부지 확보 문제가 제약요인이 될 수 있다.
그림 4-3. 지열 히트펌프의 종류
자료: 농촌진흥청, 내부자료
3.1.2. 전라북도 남원 파프리카 농가 사례
39현재 정부의 청정에너지원별 시범사업이 현재 진행되고 있으나 지속적 으로 사업에 참여하는 농가들은 아직까지 많지 않은 실정이다. 이는 시범 사업 추진기간이 짧고 농가 여건, 사용 시 문제점 등으로 인하여 한시적으 로 이용하거나 이용중단, 시설 설치 진행 중인 사례들이 많기 때문이다. 따 라서 청정에너지원별 경제성 분석을 위해서 1년 이상 실제 이용하고 있는 농가를 대상으로 사례조사를 실시하였다.
지열 히트펌프의 조사 사례는 시설원예 지열 보급 사업에 참여하여 영농 활동에 이용하고 있는 전라북도 파프리카 농가를 선정하였다. 이 농가의 시설설치 기간은 2009년 10월~2010년 1월(3개월)이며, 총사업비는 12억 9 천7백만원이다.
조사결과, 유리온실 3,000평을 기준으로 기존 경유 이용 시(2009년) 전 기사용량은 169,406kWh이었으나 지열 히트펌프 설치 후 1,155,774kWh로 전기량이 전년 대비 986,368kWh 증가하여 전기료도 45,230천원 증가한 것으로 나타났다.
반면에 지열 히트펌프 사용 후 CO2 사용량은 96톤 감소하여 26,880천원 의 비용절감효과를 얻었다. 또한 유류사용량을 비교해 보면 지열 히트펌프 를 이용함으로써 유류 330,000l를 절감하여 264,000천원의 유류비용을 줄 일 수 있는 것으로 나타났다.
39 ㈜경인에너택, “시설원예농가지열냉․난방보급사업 지열 히트펌프를 이용한 냉, 난방 시스템” 참고.
표 4-14. 지열 설치 전후 사례농가 사용량 비교
구분 전기사용량(kWh) CO2 사용량(TON) 유류사용량(l)
1월 전 22,815 15 62,000
후 152,075 6 0
2월 전 20,739 15 58,000
후 87,397 6 0
3월 전 18,690 20 40,000
후 112,021 8 0
4월 전 18,053 20 20,000
후 110,261 8 0
5월 전 16,398 20 20,000
후 82,429 8 0
6월 전 13,645 20 20,000
후 66,881 8 0
7월 전 7,348 0 0
후 133,409 0 0
8월 전 7,348 0 0
후 106,240 0 0
9월 전 3,392 10 0
후 55,660 4 0
10월 전 6,025 10 0
후 59,890 4 0
11월 전 14,487 15 44,400
후 73,303 6 0
12월 전 20,466 15 65,600
후 116,208 6 0
합계 전 169,406 160 330,000
후 1,155,774 64 0
주1) 온실 3,000평 기준임.
주2) 1월 달의 경우 전기사용량(요금)은 2010년 12월 15일~2011년 1월 14일까지 임.
자료: ㈜경인에너택
전라북도 파프리카 사례농가의 총운영비를 살펴보면, 기존 연간 운영비
한편, 기존 영농방식의 CO2 발생량은 1,225TCO2였으나 지열 히트펌프
표 4-17. 경남 지역 파프리카농가의 난방 방법별 경영성과 비교
단위: 천원/1ha, 배
구분 파프리카 농가
기존(C) 지열(D) D/C
조 수 입
수량(톤/ha) 120 180 1.50
단가(원/kg) 3,203 3,203 1.00
금 액(A) 384,360 576,540 1.50
경 영 비
종 묘 비 22,720 22,720 1.00
양 액 비 13,634 17,724 1.30
농 약 비 5,357 6,964 1.30
광 열 비 94,800 87,500 0.92
제재료비 44,420 56,420 1.27
감가상각비 67,529 76,754 1.14
수 선 비 2,728 9,878 3.62
고용노력비 28,540 57,080 2.00
기 타 5,757 15,357 2.67
계(B) 285,485 350,397 1.23
소 득(A-B) 98,875 226,143 2.29
경남지역 사례에서는 시설난방으로 경유보일러 대신 지열 히트펌프를 이 용했을 경우 직접효과로 수량 증가에 의한 ha당 소득이 9,888만원에서 2억 2,600백원으로 2배 이상 증가하였다. 또한 농가의 소득에 영향을 미치지는 않지만 간접효과로 CO2 발생량 절감효과도 얻을 수 있다.
그림 4-4. 지열 히트펌프 보급에 의한 경영성과(경남 파프리카 농가 사례)
3.2. 공기열 히트펌프 사례
공기열 히트펌프는 전남 자체 시범사업41에 참여하고 있는 농가들 중 방 울토마토와 토마토․파프리카 농가를 대상으로 비용변화를 비교해 보았다.
먼저 대숲토마토연합사업단(방울토마토)의 경우 기존 경유난방을 이용했 을 때 월 평균 에너지 비용은 6,240천원이었으나 공기열 히트펌프 도입 후 전기료가 1,500천원으로 나타나 난방비 절감율이 76%인 것으로 조사되었다.
표 4-18. 대숲토마토 연합 사업단 에너지 비용 비교
구 분 하이브리드형 시스템 경유보일러
월 일 월 일
에너지 비용 1,500천 원(600천 원) 50천 원 6,240천 원(2,496천 원) 208천 원 에너지 사용량 전기 40,870kw/h
(16,348kw/h) 1,362kw/h 유류 7,800ℓ
(3,120ℓ) 260ℓ 사용단가(원) kw당 36.7원 ℓ당 800원(’08. 1월) 주1) 농가에서 산출한 내용으로 시설여건, 경유단가 등에 따라 절감률 차이가 있을 수 있음.
주2) 1,500평 기준임.
자료: 전라남도 도청. 2011.10. “공기열 히트펌프 설명자료”.
농업회사법인 하이팜(완숙토마토, 파프리카)은 경우는 벙커C유를 이용 했을 때 월 평균 에너지 비용이 59,400천원이었으나 공기열 히트펌프 도입 후 50,400백만원 감소한 9,000천원(하이브리드 전기료)으로 나타나 에너지 절감 효과(85% 비용감소)가 매우 큰 것으로 나타났다.
41 공기열 하이브리드형 히트펌프 냉․난방 시스템 설치 사업
표 4-19. 하이팜 에너지 비용 비교
구 분 하이브리드형 시스템 벙커C유 보일러
월 일 월 일
에너지 비용 9,000천 원
(392천 원) 300천 원 59,400천 원
(2,587천 원) 1,980천 원 에너지 사용량 전기 246,000kw/h
(10,710kw/h) 8,200kw/h 유류 108,000ℓ
(4,700ℓ) 3,600ℓ 사용단가(원) kw당 36.7원 ℓ당 550원(’09. 1월) 주: 13,780평 기준임.
자료: 전라남도 도청. 2011.10. “공기열 히트펌프 설명자료”.
한편, 시설투자비, 난방비, 경영비는 작목별로 차이가 있다. 전남농업기 술원 자료에 의하면, 자부담 100%시 10a당 작목별 공기열 히트펌프 시설 투자비는 파프리카 26,362천원, 방울토마토 25,350천원, 토마토 26,784천 원으로 중유온풍기 2,571천원, 경유온풍기 3,551천원에 비해 6.3~10.4배의 비용이 필요한 것으로 나타났다.42
작목별 10a당 연료비43의 경우 파프리카 3,065천원, 방울토마토 1,386천 원, 토마토 2,454천원으로 경유온풍기 대비 58~74% 절감되었다. 연간난방 비44는 파프리카 47%, 방울토마토 21%, 토마토 11% 정도 절감효과를 얻 었으며, 수량(10a 기준)은 경유온풍기 대비 방울토마토는 20%, 토마토는 58% 증가한 것으로 나타났다. 경영비는 난방비 절감으로 기존온풍기 대비 파프리카 18%, 방울토마토 10% 절감되었으며, 소득은 기존온풍기 대비 파 프리카 44%, 방울토마토 68%, 토마토 220% 증가한 것으로 나타났다. 이 러한 결과는 난방비 부담 경감으로 재배기간 연장과 적정 온도 관리로 수 량이 증가했기 때문으로 보인다.
42 전남농업기술원의 실증사례 조사 결과임. 현행 지원조건(자부담 50%, 보조 50%)에서 시설투자비는 파프리카 14,762천 원, 방울토마토 12,850천 원, 토마 토 14,762천 원으로 기존온풍기 대비 3.2~5.7배 수준임.
43 연료비 단가는 경유 840원/ℓ, 전기 36.4원/kw(농사용을) 적용
44 연간난방비는 시설고정비(난방기 감가상각비+수리비+자본이자)+연료비임.
3.3. 목재펠릿 보일러 사례
목재칩은 대규모 지역난방 또는 중대규모 열병합에 이용되는데 제조공 정이 단순하고, 생산비가 저렴하지만 저장시설이 요구되는 단점이 있다.
목재칩의 크기는 담배 크기에서 작은 성냥갑 정도(50～150mm)로 가공비 및 가공 시 에너지 소비가 적으나 대용량의 설비를 필요로 한다.
목재펠릿은 건조된 목재 잔재를 고압으로 압축하여 생산하며, 크기는 직 경 4～10mm, 길이 20～50mm 정도이다. 발열량이 4,500㎉/kg으로 높고, 이용이 편리하며 오염배출이 적다는 장점이 있으나 제조공정이 복잡하고 제조비용이 높다. 따라서 목재펠릿 사용은 농촌주택용과 소규모 시설난방 에 적합하다.
3.3.2. 목재펠릿 보일러 사례
목질 바이오매스 이용사례 분석은 여주 버섯 농가를 대상으로 경유보일 러와 목재펠릿 효과를 비교해 보았다. 경기도 여주의 버섯 농가는 경유보 일러를 사용하다가 유류가격 상승으로 2008년에 경유보일러에서 펠릿 보 일러로 교체하여 이용하고 있다.
이 농가는 느타리버섯 살균에 스팀을 사용하고 있으며, 현재 하루 3,200 병을 살균하는데 목재펠릿 보일러를 이용하고 있다. 경유보일러 설치비는 800만원이고, 감가상각비는 내구년수 10년으로 환산하여 연간 80만원, 이 자와 수선비는 설치비의 5%로 각 40만원으로 총고정비는 160만원 수준이 다. 농가의 목재펠릿 스팀보일러 설치비는 3,150만원이며, 보조 60%를 적 용할 경우 자부담이 1,260만원으로 감소하고 경유사용량은 없고 살균비용 이 1,200만원으로 고정비와 변동비의 합계는 1,452만원이다.
표 4-20. 목재펠릿과 경유스팀보일러의 사례비교
이용해 직접연소가 가능하며, 가스엔진, 가스터빈, 증기터빈 발전기를 이용 하여 전기에너지로 변환시킬 수 있다. 최근 독일의 경우, 전력생산과 폐열 회수를 동시에 진행하는 열병합 발전46으로 플랜트 내에 사용하고 남는 잉 여전력을 판매하고 회수열은 소화조 가온과 인근지역의 난방열로 공급하 는 에너지 이용사례가 많다.
이용해 직접연소가 가능하며, 가스엔진, 가스터빈, 증기터빈 발전기를 이용 하여 전기에너지로 변환시킬 수 있다. 최근 독일의 경우, 전력생산과 폐열 회수를 동시에 진행하는 열병합 발전46으로 플랜트 내에 사용하고 남는 잉 여전력을 판매하고 회수열은 소화조 가온과 인근지역의 난방열로 공급하 는 에너지 이용사례가 많다.