참여연구진

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수시 연구 보고서

17-12

최 병 렬

계간 축열을 활용한 지역난방사업

가능성 검토 연구

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참여연구진

연구책임자 : 선임연구위원 최병렬

연구참여자 : 선임연구위원 강재성

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<요 약>

1. 연구배경 및 목적

수년 전부터 유럽을 중심으로 보급되고 있는 4세대 지역난방시스템 은 기존에 활용되지 못하던 태양열이나 산업폐열, 기타 미활용 에너지 자원을 난방 및 급탕 분야에 이용하게 한다. 하절기 태양열을 저장하 였다가 동절기에 난방용으로 사용하는 방안은 화석에너지 소비절감과 화석연료 연소로 인한 환경오염, 에너지안보 위기 등으로부터 벗어나 게 할 것으로 기대된다. 본 연구는 계절간 대용량 태양열 열저장 시설 을 활용한 유럽 사례를 살펴보면서 국내에 적용 가능한 계간 축열 사 업의 난방열 생산 단가를 추정하고 지역난방사업부문에 적용 가능한 지를 검토하였다.

2. 연구내용 및 시사점

열에너지를 일시적으로 저장하였다가 사용하는 기술은 이미 오래 전부터 주택이나 건물, 지역난방시스템 등에서 사용되어져 왔다. 최근 들어 재생에너지 이용이 확대되면서 태양열 에너지의 하고동저(夏高冬低)와 열 수요의 동고 하저(冬高夏低)를 보완하는 개념의 대용량의 계간 축열설비 프로젝트가 유럽에서는 다양하게 진행되고 있다. 현재 유럽 등에서 활용되고 있는 대용량 계간 축열설비의 대표적인 형태로 는 탱크형(TTES, tank thermal energy storage), 피트형(PTES, pit thermal energy storage), 관정형(BTES, borehole thermal energy storage) 및

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대수층 활용형(ATES, Aquifer thermal energy storage)의 4가지가 있다.

탱크형은 콘크리트, 강철 혹은 유리섬유강화플라스틱 등을 이용하 여 물을 저장하는 탱크를 제작하여 설치하는 방식이다. 피트형은 탱크 형과 같은 고정 축조물 없이 대형 땅 구덩이를 파고 경사면에 단열 막 과 방수필름을 설치하고 덮개를 덮는 방식으로 물이나 열 저장매체를 담는 구조물이다. 관정형은 시추공을 통해 지하로 열을 주입하여 흙, 자갈, 모래 등을 저장매체로 활용하는 기술이다. 마지막으로 대수층 활용형은 지하에 있는 대수층에 열을 저장하는 방식이다.

열저장의 효율성 측면에서는 물을 매체로 열을 저장하는 TTES와 PTES가 우수하다. 지상에 설치되는 TTES와 PTES는 부지 확보에 제 약이 있는 반면 지하에 열을 저장하는 BTES 혹은 ATES는 지질적 조 건에 부합되는 입지를 찾아야 하는 제약이 있다. TTES는 부지 특성에 맞추어 설계를 신축적으로 할 수 있으나 탱크 제작 용량에 한계가 있 다. 반면, PTES는 용량 규모의 조절은 상대적으로 자유로우나 덮개 시공의 어려움이 있다. 설비 건설 및 운용비용 면에서는 TTES와 PTES가 BTES나 ATES보다 많이 소요된다.

동일한 형태의 축열설비라도 지질, 부지가격, 수질 등 개별적인 조 건에 따라 구축비용에 차이가 클 수 있다. 특히 규모의 경제성 때문에 대용량인 경우 단위 투자비를 낮출 수 있다. 해외 자료에 따르면, 10,000㎥이상의 프로젝트는 150€/㎥ 이하, 15,000㎥이상의 ATES, BTES와 PTES는 75€/㎥ 이하로 나타나고 있다. 태양열 및 축열설비 투자비는 초기 프로젝트에서 겪었던 시행착오에 따른 학습효과와 기 술개발에 의해 비용이 계속 낮아지는 추세이다. Delta Energy &

Environment Ltd.(2016)는 다양한 사례 조사를 통해 대형 지역난방용 TTES의 단위 투자비 범위를 120~150 €/㎥로, PTES는 30~148 €/㎥

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로, BTES는 14~60 €/㎥WE(물환산㎥)로, ATES는 25~40 €/㎥WE로 제시하고 있다.

유럽의 계간 축열 설비들은 EU의 공동연구 프로젝트 기금 또는 국 가의 RD&D 자금 지원을 받아 구축되는 사례가 많다. 덴마크 마스탈 (Marstal)의 PTES는 EU의 SUNSTORE 프로젝트에 의해 건설되었고, 독일의 대표적인 계간 축열 시스템인 크라일스하임(Crailsheim)의 BTES은 독일 정부의 Solarthermie 프로젝트의 결과이다. 또 EU의 도 시계획 관련 RD&D 프로그램인 PITAGORAS는 이탈리아 브레시아 (Brescia)와 오스트리아 크렘스뮌스터(Kremsmünster)의 계간 축열 설 비 구축을 지원하였다.

제시된 유럽의 여러 사례는 화석연료 소비절감과 기후변화 대응이 라는 장기적인 국가 에너지 및 환경정책의 목표 달성이라는 관점에서 계간 축열을 긍정적으로 가능성을 검토하고 있다는 것을 보여주고 있 다. 유럽 각국은 비용 경제성만으로는 구축할 수 없는 에너지시스템을 미래의 가능성을 보고 공적 지원으로 다양한 RD&D 사업을 추진함으 로써, 반복 가능한 안정적인 기술로 발전시키고 있다. 우리도 단기적 인 성과에 연연하지 않고, 연구개발 및 시범용의 파일럿 프로젝트에 대한 공적 투자를 활발히 진행하여 미래 활용 기술로 개발할 필요가 있다.

본 연구는 정부가 추진한 충북 진천의 친환경에너지타운에 건설된 공공빌딩의 난방 부하에 제로에너지 주택 200호의 부하가 추가될 경 우를 가정하여 계간 축열을 활용한 지역난방 사업 가능성을 한국에너 지기술연구원의 지원을 받아 검토하였다. 그 결과는 다음과 같이 요약 될 수 있다.

첫째, 계간축열 이용 난방열 공급시스템은 기존의 지역난방보다 열

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원가가 2배 이상 높을 것으로 추정되었다. 이는 아직까지 동 기술의 상업화에는 더 많은 노력이 필요하다는 것을 의미한다.

둘째, 열원 설비 중에서 히트펌프의 역할이 중요하다. 히트펌프는 공기나 지열, 상하수열을 이용하여 필요한 온도의 난방 및 급탕을 할 수 있어 에너지 융·복합 시스템 구성에 매우 중요한 역할을 한다. 경 제성 확보를 위해서는 히트펌프용 전기비용이 크지 않도록 시스템을 구성할 필요가 있다.

저탄소 친환경에너지 사회를 위한 계간 축열시스템 도입에는 정부 나 공공부분에서 고려해야 할 부분이 적지 않다. 첫째, 우선 신재생에 너지 융·복합시스템의 히트펌프를 효율적으로 이용할 수 있도록 하는 전기요금의 조정이 필요하다. 둘째, 저렴하고 안정적인 계간 축열기술 인 대수층 활용형(ATES)이나 관정형(BTES)을 이용하려면 이에 대한 지질조사 데이터베이스를 구축해야 한다. 정부는 이런 지질 자료를 신 재생열 사업자와 공유하고, 지역난방 사업예정 지역에 대해 계간 축열 가능성을 우선적으로 검토하게 한다. 셋째, 국제 협업 연구와 다양한 시범 사업을 통하여 안정적인 기술의 확보가 요청된다. 넷째, 신재생 열 보급을 위한 재정 인센티브(RHI) 도입도 면밀히 검토되어야 한다.

향후 계간 축열이 지역난방시스템에 안정적으로 통합되기 위해서는 저온 지역난방의 기반이 마련되어야 한다. 그리고 국가온실가스 저감 대책과 신규 열 수요 시장 개발에 대응하여 계간 축열 관련 프로젝트 는 지속될 필요가 있다.

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<ABSTRACT>

1. Research Background and Purpose

The 4th generation district heating system, which has been spreading from Europe for several years recently, makes it possible to use solar heat, industrial waste heat, and other unused energy resources for space heating and domestic hot water. This study examines the case of Europe using seasonal thermal energy storage, and analyzes whether it can be applied to the domestic district heating business, while previewing its unit cost of supplying heat to district heating system.

2. Research contents and implications

Techniques for temporarily storing and using thermal energy have long been used in houses, buildings, and district heating systems.

Typical types of large thermal energy storage facilities used in Europe include tank thermal energy storage (TTES), pit thermal energy storage (PTES), borehole thermal energy storage (BTES) and aquifer thermal energy storage(ATES).

In terms of heat storage efficiency, TTES and PTES, which store heat with water as a medium, are comparably excellent. While TESES and PTES installed on the ground have limitations in

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securing the appropriate sites, BTES and ATES which stores heat underground, have restrictions to find the areas with the required geographical conditions. TTES can be designed in flexible to match with the shape of the sites, but there is a limit to increase tank capacity. On the other hand, PTES is relatively free to adjust the capacity scale, but it requires complex and difficult work when installing the roof cover of tank. TTES and PTES cost higher than BTES or ATES in terms of construction investment and operating cost.

The cost of solar and thermal storage facilities has been steadily declining due to learning effects and technological development resulting from trial and error in the various frontier projects. Delta Energy & Environment Ltd. (2016) reported that TTES for large district heating system would be in the range of 120 ~ 150 € / ㎥, PTES, BTES and ATES would be in the range of 30 ~ 148 € / ㎥, 14 ~ 60 € / ㎥WE, and 25 ~ 40 € / ㎥WE, respectively.

European seasonal thermal energy storage facilities are often built with EU funding for joint research projects or national RD & D funding. The PTES in Marstal, Denmark, was built by EU’s SUNSTORE project and the BTES of Crailsheim, Germany's leading thermal storage system, is the result of the German government's Solarthermie project.

Many examples in Europe show that the potential for seasonal thermal energy storage is highly appreciated in terms of achieving long-term national energy and environmental policy goals of reducing

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fossil fuel consumption and responding to climate change. European countries are developing stable and repeatable technology by promoting various RD & D projects with public support, expecting the future possibility of the energy system that could not be built if only considered in the aspect of cost.

This study is based on the scenario that the heat load of 200 zero energy houses is added to the heat load of the public building constructed in the Eco-Energy Friendly Town of Jincheon in Chungbuk province. The feasibility of the district heating project utilizing seasonal heat storage was reviewed with the support of the Korea Institute of Energy Research. The results can be summarized as follows.

First, it is estimated that the heat supply system using the seasonal thermal energy storage costs more than twice as high as existing district heating. This means that more efforts are still needed to develope related technologies for seasonal thermal energy storage.

Second, the role of heat pumps in renewable heat supply systems is important. The heat pump is able to supply heat at the required temperature by using air, geothermal, and sewage water, and plays a key role in the construction of high quality energy-hybrid system. In order to secure economical viability, it is necessary to configure the system not to be vulnerable to the electricity cost for the heat pump.

There are several things to consider necessarily in the government or public sector when we introduce seasonal thermal energy storage system for a low-carbon eco-energy friendly society. First, it is

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necessary to adjust the electricity tariff so that the heat pump of the renewable energy fusion and hybrid system can be utilized at low cost. Second, in order to utilize ATES and BTES which are inexpensive and stable storage technologies, a geological survey database should be constructed in advance. The government will share these geological data with new renewable heat providers, and make the possibility of season thermal storage to be reviewed first for new district heating project area. Third, it is required to secure stable and advanced technology through internationally collaborated researches and various pilot projects. Fourth, the introduction of financial incentives (RHI, Renewable Heat Incentive) should also be closely examined for the diffusion of new and renewable heat.

In order to ensure stable integration of the season thermal energy storage into the district heating system in the future, low-temperature district heating system should be established first. The projects related to seasonal thermal energy storage should continue to assimilate with national greenhouse gas mitigation measures and develope new heat demand market.

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제목 차례

제1장 서론 ··· 1

1. 연구 배경 및 필요성 ··· 1

2. 연구 목적과 연구 범위 ··· 3

제2장 계간 축열 기술 현황과 해외 활용 사례 ··· 5

1. 에너지저장 및 계간 축열 ··· 5

2. 해외 계간 축열 기술 현황 ··· 6

3. 계간 축열 해외 사례 ··· 25

4. 계간 축열 설비 비용 ··· 40

5. 해외사례 시사점 ··· 49

제3장 계간 축열 활용 지역난방 가능성 검토 ··· 53

1. 4세대 지역난방 필요성과 계간 축열 ··· 53

2. 계간 축열 관련 국내 연구 현황 ··· 55

3. 계간 축열을 이용한 지역난방 가능성 검토 ··· 64

4. 대체난방비 비교와 사업성 및 환경성 검토 ··· 90

제4장 결론 및 정책적 시사점 ··· 95

1. 주요 결과 ··· 95

2. 정책적 시사점 ··· 97

참 고 문 헌 ··· 101

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표 차례

<표 2-1> 열에너지 저장 기술 분류 및 특성 ··· 8

<표 2-2> 계절간 축열설비 특징 비교 ··· 13

<표 2-3> TTES 사례 및 기술 자료 ··· 14

<표 2-4> PTES 사례 및 기술 자료 ··· 16

<표 2-5> BTES 열 저장설비의 대표적인 사양 ··· 20

<표 2-6> BTES 적용사례 및 기술 자료 ··· 21

<표 2-7> ATES 적용사례 및 기술 자료 ··· 23

<표 2-8> 독일 뮌헨 계절간 축열설비 프로젝트 기술 개요 ··· 27

<표 2-9> 마스탈 PTES 프로젝트 기술자료 요약 ··· 31

<표 2-10> 독일 크라일스하임 계절간 축열설비 프로젝트 기술 자료 요약 ··· 36

<표 2-11> 독일 로스톡의 열공급설비 투자비 자료 ··· 39

<표 2-12> 독일 로스톡의 계절간 축열설비 프로젝트 기술 자료 ··· 40

<표 2-13> 계절간 축열설비 투자비 구조 사례 ··· 43

<표 2-14> 계절간 축열설비 단위 투자비용 범위 ··· 46

<표 2-15> 공적 기금 지원에 의한 계간 축열 설비 구축 ··· 47

<표 3-1> 진천 친환경에너지타운 공공건물 열수요(kWh) ··· 60

<표 3-2> 진천 친환경에너지 타운의 신재생에너지시설 규모 ··· 61

<표 3-3> 분석대상지역의 월별 용도별 난방부하(MWh) ··· 68

<표 3-4> 친환경에너지타운(+주택200호)의 신재생 열에너지시설 규모 ··· 71

<표 3-5> 신재생열 공급설비 투자비 및 감가상각비 ··· 74

<표 3-6> 일반용(을) 및 산업용(을) 고압A 선택2 계시별 요금표(원/kWh) ··· 80

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<표 3-7> 계절별, 시간대별 구분 ··· 81

<표 3-8> 분석대상지역 열 생산 원가 추정 ··· 83

<표 3-9> 신재생열 공급설비 투자비 및 감가상각비(태양열 비중 60%) ··· 87

<표 3-10> 분석대상지역 열 생산비용 추정 ··· 88

<표 3-11> 히트펌프 전력 탄소배출량과 대체시설 탄소배출량 비교 ··· 94

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그림 차례

[그림 2-1] 연간 일사량과 월별 난방부하 ··· 6

[그림 2-2] 대형 지하 축열설비 형태 ··· 11

[그림 2-3] BTES의 수평 및 수직 단면 ··· 19

[그림 2-4] 뮌헨의 태양열 지역난방 프로젝트 조감도 ··· 26

[그림 2-5] 뮌헨의 계절간 축열설비를 이용한 태양열 난방 시스템 개념도 ···· 28

[그림 2-6] 덴마크 마스탈의 태양열 지역난방 시설 전경도 ··· 29

[그림 2-7] 마스탈 SUNSTORE4의 시스템 개요도 ··· 32

[그림 2-8] 독일 크라일스하임의 태양열 지역난방 개요도 ··· 33

[그림 2-9] 독일 크라일스하임의 태양열 지역난방 시스템 개념도 ··· 34

[그림 2-10] 독일 크라일스하임의 BTES 개념도 ··· 35

[그림 2-11] 로스톡의 태양열 열공급 개념도 ··· 37

[그림 2-12] 독일 로스톡의 태양열 지역난방 시스템 개념도 ··· 38

[그림 2-13] 계절간 축열설비 투자비 구조 사례 ··· 43

[그림 2-14] 계절간 축열설비 프로젝트 투자비 변화 ··· 44

[그림 3-1] 지역난방 기술 변천 추이 ··· 54

[그림 3-2] 진천 친환경에너지타운 신재생에너지융복합 기술 개념도 ··· 58

[그림 3-3] 계간축열조를 활용한 공공건물 신재생에너지 흐름도 ··· 62

[그림 3-4] 진천 친환경에너지타운 에너지 흐름도 ··· 63

[그림 3-5] 공공건물 및 주택의 월별난방 수요 및 공급온도 ··· 68

[그림 3-6] 월별 열원별 열 공급량(MWh) ··· 75

[그림 3-7] 태양열 비중 40% 신재생열의 흐름도 ··· 76

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[그림 3-8] 히트펌프용 투입전력 ··· 78

[그림 3-9] 시간대별 하수열원 난방열 생산량(kWh) ··· 78

[그림 3-10] 축열잔열 및 하수열 히트펌프용 전력소비량(kWh) ··· 80

[그림 3-11] 신재생난방열 비용 구성비 ··· 84

[그림 3-12] 태양열 비중 60% 신재생열의 흐름도 ··· 86

[그림 3-13] 태양열 및 하수열 월별 난방공급량 ··· 89

[그림 3-14] 태양열 비중 60%시 신재생 난방열 비용구성비 ··· 89

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제1장 서론

1. 연구 배경 및 필요성

산업사회 이후 유럽의 여러 나라에서는 오염물질이 없는 청정에너 지를 이용함으로써 지구온난화를 방지하고 지구 환경을 보전하려는데 관심이 높았다. 특히 태양에너지의 활용에 정책적 역량을 집중했으며, 태양열의 계간 저장도 그 중의 하나로 꼽힌다.

난방수요가 없는 여름철에 고온의 태양열을 저장하였다가 겨울철의 난방용으로 사용하는 방안은 화석에너지 소비절감과 화석연료 연소로 인한 환경오염, 에너지안보 위기 등으로부터 벗어나게 할 것으로 기대 되기 때문에 자원이 부족한 나라는 물론 선진국에서도 관심이 높다.

우리나라는 화석연료의 대부분을 해외에서 수입하고 있어 에너지 공급의 안정성을 확보하는 것이 국가 에너지정책에 있어서 중요한 부 분을 차지하고 있다. 이에 정부는 에너지절약과 에너지이용효율화에 관심이 매우 높으며, 지역냉난방사업의 도입도 이와 같은 정책적 요청 에 부응하여 추진되어 왔다.

지역냉난방사업의 핵심은 열병합발전의 발전배열 또는 미활용 에너 지를 난방과 온수 공급에 활용함으로써 에너지이용효율을 높이고 화 석연료의 소비를 줄이는데 있다. 이로써 이산화탄소를 비롯한 지구 온 난화물질의 배출을 저감하는 한편, 저렴하고 안정적으로 난방열을 공 급할 수 있다.

최근 우리나라의 집단에너지사업은 원자력발전, 석탄화력 등의 기 저 설비가 대량으로 시장에 진입함에 따라 열병합발전 이용률이 급격

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히 떨어져 열병합발전의 배열을 제대로 활용하지 못하고 있다. 또한 쓰레기 소각열은 설비 확대의 제약으로 인하여 모든 지역난방사업자 가 충분하게 열을 공급받는데 한계가 있다. 그리고 대체 열원인 신재 생에너지원은 아직까지는 선진 기술을 효율적으로 적용하기에는 어려 움이 많은 상태이다.

수년 전부터 유럽을 중심으로 4세대 지역난방시스템이 보급되면서 저온 지역난방의 가능성이 높아지고 있다. 이러한 기술은 기존에 활용 되지 못하던 태양열이나 산업폐열, 기타 미활용 에너지자원을 난방 및 급탕 분야에 이용할 수 있게 만든다. 이중 하절기의 태양열을 저장하 였다가 동절기 난방에너지로 활용하는 것은 청정에너지의 공급과 수 요의 계절적 격차를 조화롭게 줄이면서, 동절기 화석연료의 소비를 감 소시키는 이상적인 에너지 활용법이 될 수 있다. 온실가스의 배출이 전혀 없는 태양열의 계간 축열은 신기후협약체계의 이행을 위한 신재 생에너지 보급을 적극적으로 확대하려는 에너지 환경정책과 잘 부합 한다.

현재 정부는 신재생에너지를 활용한 탄소제로 마을을 구축하기로 한 진천 친환경타운에 계간 축열 기술을 적용하는 실증사업을 추진하 고 있다. 2014년에 발표된 진천 환경에너지타운 실증 보고서인 ｢신재 생 기반 친환경 신재생에너지 타운 기술 개발｣¹⁾에 따르면, 신재생에 너지를 중심으로 하는 녹색에너지 타운을 개발·조성하기 위해 에너지 절감 요소 기술과 부하저감 기술을 결합한다. 이 프로젝트에는 태양열 /지열 콤팩트형 하이브리드 시스템과 폐열회수 환기장치 제어기를 개 발하고 에너지자립형 커뮤니티 모니터링시스템을 구축한 다음, 실증

1) 국가과학기술연구회 발주 연구용역을 한국에너지기술연구원에서 수행하여 2014년 12월에 보고서를 발표함.

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단지의 에너지시스템 성능을 측정하고 그 결과를 분석하기로 되어 있 다. 이 실증사업에 계간 축열식 신재생 융복합 블록 히팅 시스템 기술 과 신재생 융복합시스템 최적화 기술, 그리고 제로에너지타운(복합타 운)구축 기술이 포함되어 있다.

동 실증사업에는 태양열과 지열에너지 등의 신재생에너지를 중심으 로 저온 난방열을 생산하기 위한 기술개발 및 시스템의 안정화가 사 업의 핵심을 이루고 있다. 따라서 경제성을 확보할 수 있는 방안이나 재무분석(생산 에너지 가격 포함) 등은 연구 성과에 있어서 크게 고려 하지 않은 것으로 평가된다.

2. 연구 목적과 연구 범위

본 연구는 계절간 대용량 태양열 저장 시설을 활용한 유럽 사례를 살펴보면서 국내의 지역난방사업부문에 적용할 수 있는지를 검토하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 계간 축열 기술의 개념을 살펴보고 해 외 적용 현황을 살펴본다. 그리고 현행 진천 친환경에너지타운의 공공 건물 부하에 주택 200호의 난방부하가 추가될 경우에 신재생에너지 융·복합 시스템의 최적 설비구성과 열생산 단가를 추정하여, 지역난방 사업에 대한 계간 축열의 활용가능성을 개략적으로 검토하고자 한다.

사업성 검토는 기술적 안정성을 바탕으로 이루어져야 한다. 현재 국 내의 계간 축열과 연계한 신재생 융·복합시스템에 대한 기술적 안정 성이 충분히 높지 않는 상황에서 프로젝트의 사업성을 검토하는 것은 부적절한 측면이 없지 않다. 그러나 유럽에서는 이미 상업화 단계에 들어간 예도 있어 국내에 적용되는 기술적인 부족분은 빠른 시간 내 에 충족시킬 것이라 예상할 수 있다.

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본 연구에서의 열생산 단가 추정은 프로젝트의 경제성이나 사업성 을 살펴보기 위함이 아니라 신재생에너지 융·복합시스템을 안정적으 로 구축한 이후에는 반드시 검토되어야 할 비즈니스 모형 개발에 필 요한 경제 분석의 요인들을 사전적으로 검토하려는 것이다.

본 보고서의 구성은 2장 계간 축열 기술현황과 해외 활용 사례, 3장 계간 축열 활용 지역난방 가능성 검토, 그리고 4장 결론 및 정책적 시 사점으로 되어 있다.

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제2장 계간 축열 기술 현황과 해외 활용 사례

1. 에너지저장 및 계간 축열

에너지저장 기술은 에너지를 흡수하여 일정 기간 동안 저장한 다음 활용 가능한 에너지로 방출할 수 있는 에너지 시스템의 구성 요소이 다. 이러한 에너지저장 장치는 에너지수급의 시간적·공간적 간극을 메 울 수 있기 때문에 에너지시스템에서 발생하는 간헐적 수급 불균형을 조절할 수 있다. 에너지저장은 수요가 발생할 때 마다 생산하는 것보다 저장된 에너지를 사용하는 것이 비용적인 관점에서 효과적이어야 한다.

즉 저장될 때의 에너지가치가 소비될 때보다 저렴해야 하며, 가치의 차 이는 투자, 유지 보수, 운영 및 에너지 손실 비용을 충당할 만큼 충분 히 커야 한다는 의미이다. IEA 보고서는 에너지 저장은 탈탄소화를 지 원할 수 있는 핵심 기술 중의 하나이며, 특히 대규모 계절간 축열은 장 기 저장에 잠재력이 큰 것으로 평가하고 있다.²⁾

환경문제를 효율적으로 해결하는 방안의 하나로 도시 등 인구밀집 지역의 난방연료로 신재생에너지의 소비 비중을 높이는 것이다. 특히 지역난방에 유리한 대규모 축열은 계절을 넘는 장기 저장성 때문에 수 익을 창출할 수 있다. 이 수익은 열 수요가 적은 하절기 동안 저렴한 열을 저장했다가 열 수요가 많은 동절기에 필요한 비싼 열을 대체함으 로써 만들어 진다. 또 열수요기에 저장된 열을 사용하면 화석연료를 연

2) IEA, Energy Storage Technology Road map, 2014, pp. 14,16. David Berlin &

Marcus Dingle, Investment framework for large-scale underground thermal energy storage-A qualitative study of district heating companies in Sweden, 2017, P.18~19.

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소하지 않으므로 이산화탄소 배출을 줄이는 환경 편익이 발생한다. 태 양열과 같은 신재생에너지의 대규모 열저장은 이러한 환경편익을 더 욱 확대시킬 수 있다.

그러나 대규모 장기적인 열저장은 열손실이 불가피하게 발생한다.

손실의 크기는 저장 매체의 저장 시간, 저장 온도, 저장량, 저장 열 특 성 등이 반영되어 나타난다. 대규모 열저장이 포함된 에너지공급시스템 의 최적화에는 이와 같은 손실을 적극적으로 고려해야 한다.

[그림 2-1] 연간 일사량과 월별 난방부하

자료: Task 45 Large systems: Seasonal thermal energy storage, Solites, 2012에서 재편집.

2. 해외 계간 축열 기술 현황

가. 열에너지 저장 기술 개요

열에너지 저장은 열저장 기술 측면에서 크게 현열 저장(sensible heat storage), 잠열 저장(latent heat storage) 및 열화학적 열저장(thermo-

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chemical heat storage)의 3가지로 분류된다.³⁾

각 열에너지저장 기술의 특성 및 기술개발 현황은 <표 2-1>과 같 다. 현열 저장은 에너지를 열 보유 물질의 위상변화나 화학적 변화 없 이 고체나 액체 상태로 저장하는 기술이다. 잠열 저장은 열저장 시 물 질의 위상 변화를 동반하는 기술이다. 가장 대표적인 잠열 저장은 특 정 온도와 압력에서 용융이 되는 위상변화 물질(PCM, phase change material)을 사용하는 것이다.⁴⁾ 열화학적 열저장은 화학반응을 역으로 사용하여 대규모 열을 압축하여 저장하는 기술이다. 물질에 열을 가해 분리한 뒤에 분리된 물질을 재결합하는 과정에서 열이 방출하는 원리 를 이용한다. 이중에서 현열저장이 가장 기술개발이 앞서 있는 열 저 장기술이다. 계절간 열저장은 현열 저장 기술에 해당한다.

열에너지 저장시설은 열에너지의 생산시점과 수요시점의 불일치를 해결하기 위해 지역난방 시스템에서는 거의 필수적으로 사용하고 있 다. 최근에는 재생에너지 발전이 늘어나면서 잉여 전력을 열로 저장하 는 기술에도 관심이 높아지고 있다.

여름철의 태양열을 겨울철 난방에 사용하거나, 겨울철의 냉열을 여 름철 냉방에 사용하는 계절간 열에너지 저장의 개념은 오래 전부터 연구되어 왔다. 유럽에서는 1970년대 중반부터 대형 계절간 열저장 기술에 대한 연구를 해 왔다.⁵⁾ 특히 국제에너지기구인 IEA (International Energy Agency)가 운영하는 국제 공동 연구 프로그램에 의해 많은

3) Delta Energy & Environment Ltd., Evidence Gathering: Thermal Energy Storage Technologies, Prepared for Department for Business, Energy & Industrial Strategy, 2016, p.22

4) Ibid. p.25

5) IEA, Task 45 Large Systems; Seasonal thermal energy storage; Report on state of the art and necessary further R+D, Solar District Heating Guidelines, June 29, 2015, p.3

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기술 분류특성기술개발 현열 저장 (Sensible heat storage)

·에너지가 고체나 액체 상태로 저장 ·온도 변화는 있으나, 위상 변화 없고 화학 반 응 없음. ·주요 저장 매체는 물, 오일, 용융염이며, 그 외 콘크리트, 자갈, 화강암, 흙도 포함

·가장 상업화에 근접된 열저장 기술 ·탱크형 저장(TTES)이 가장 흔하며, 그 외 PTES, BTES, ATES 형태의 기술이 있음. 잠열 저장 (Latent heat storage)

·열저장 시 물질 위상 변화(고체→액체, 액체→ 기체) 동반 ·저장 온도범위가 매우 좁아 온도 차이가 작 아야 하는 열 이용에 유리

·다양한 저장물질 연구 개발 중에 있음. ·PCM의 열 전도성을 높이기 위한 기술 개 발 필요 열화학적 열저장 (Thermochemical heat storage)

·대규모 열을 압축하여 저장하기 위해 화학반 응을 역으로 사용 ·열을 가해 물질을 분리하여 저장한 뒤 재결 합하는 과정에 열을 방출 ·에너지 저장밀도가 높고, 에너지 손실 없는 장기 저장 가능 ·시스템 안정도, 독성, 안전, 시스템 내구성, 고 비용 때문에 주거지역 적용 한계

·기술개발이 가장 덜 됨. ·이론적으로 연구개발 중이며, 실증 효과 불 명확 ·실용화에 10년 이상 소요 예상되고 있음.

<표 2-1> 열에너지 저장 기술 분류 및 특성 자료:Delta Energy & Environment Ltd., Evidence Gathering: Thermal Energy Storage Technologies, Prepared for Department for Business, Energy & Industrial Strategy, 2016, pp.22~28의 내용을 참조하여 작성함.

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시범용 대용량 저장설비들이 설치되어 왔다. 독일의 경우에는 Solarthermie-2000과 Solarthermie-2000plus라는 국가 지원프로그램에 의해 현재 운영되고 있는 주요 계절간 축열 설비들이 설치되었다.⁶⁾ 최근에는 4세대 지역난방 개념을 도입한 시스템에서 태양열의 필수적 인 부속 설비로 또는 여름철 열병합발전(CHP, Combined Heat and Power)의 배열이나 기타 열원의 열을 저장하여 겨울에 활용함으로써 지역난방 시스템의 에너지 이용 효율성을 극대화 하는 차원에서 계간 축열 설비가 중요한 요소로 자리 잡고 있다.

현재 계간 축열 설비를 활용하는 국가는 독일, 덴마크, 오스트리아, 스웨덴, 캐나다 등 다양하다. 특히 덴마크 보인스(Vojens)에서는 세계 최대 규모(저장용량 200,000㎥)의 계절간 열저장설비가 운영되고 있 으며,⁷⁾ 오스트리아 그라츠(Graz)에서는 저장용량이 1,800,000㎥인 초 대형 계간 축열을 활용하는 에너지시스템을 구축하고 있다.⁸⁾

나. 대용량 계간 축열설비 기술

대용량으로 축열하는 계절간 열저장 형태에는 탱크형(TTES, tank thermal energy storage), 피트형(PTES, pit thermal energy storage), 관정형(BTES, borehole thermal energy storage) 및 대수층 활용형 (ATES, Aquifer thermal energy storage)의 4가지가 있다([그림 2-2]

참조).

계절간 열저장 시설은 장기간 동안 열을 저장하기 때문에 열 손실

6) T. Schmidt and D. Mangold, New Steps in Seasonal Thermal Energy Storage in Germany, Tenth International Conference on Thermal Energy Storage, 2006, p.1 7) http://arcon-sunmark.com/cases/vojens-district-heating

8) Robert Söll, BIG Solar Graz: Solar district heating in the city, 500.000 m² for 20% solar fraction, Solar District Heating Workshop(Belgrad), 2017, p.16

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을 최소화 하는 것이 매우 중요한 기술이다. 저장탱크의 열 손실은 온 도 차이가 있는 대기 또는 지표와 접하는 면적이 넓을수록 많이 발생 한다. 따라서 열저장의 체적이 커지면, 열 저장량에 비해 외부와 접하 는 면적의 비율이 작아지기 때문에 열 손실률이 낮아진다. 이론적으로 체적이 작은 탱크가 큰 탱크 보다 8배 높은 열 손실이 발생한다.⁹⁾ 이 외에도 열 저장설비의 열 손실에 영향을 주는 요인으로는 열저장 탱 크내 열층 상태, 탱크로의 회수 온도, 높은 단열 물질 사용 등이 있다.

계절간 저장 탱크는 대부분 지하를 이용하여 설치된다. 탱크형의 경 우에는 거의 지상형이지만, 지하에 매설하는 지중형도 가능하다. 나머 지 피트형, 관정형 및 대수층 활용형 모두 지하에 설치되는 구조이다.

지하 토양이 열을 차단해 주는 단열재 역할도 하지만, 저장 온수의 내 부 압력을 지탱해 주기 때문에 탱크형의 경우 탱크 벽의 두께를 얇게 설계하여 비용을 절감할 수 있다.¹⁰⁾

열 저장탱크는 자체적인 기술 특성만으로 운영되는 것이 아니라 전 체 난방 시스템과 통합되어 운영되기 때문에 저장탱크의 설계에는 난 방 부하의 특성, 최대 및 최소 운영 온도 수준, 회수 온도 등에 대한 면밀한 예측이 필요하다.

10) Ibid, p.7

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[그림 2-2] 대형 지하 축열설비 형태

자료: Thomas Schmidt, Large-scale Thermal Energy Storage, Solites, 2014, p.10

1) 탱크형 계간 축열설비(TTES)

탱크형 계간 축열설비(TTES)는 열저장 매체로 물을 사용하도록 탱 크를 제작하여 설치하는 방식이다. 단시간 축열에 사용하는 소형 탱크 형 열저장탱크는 이미 주택용 또는 상업시설용으로 범용화 되어 있는 기술이다. 지역난방에서도 대규모 네트워크 혹은 열병합발전을 활용 하는 네트워크에서는 대부분 대형의 탱크형 축열 설비를 사용하고 있 다. 이러한 저장 탱크의 목적은 열 수요가 낮은 시간에 발생되는 잉여 열을 저장하였다가 열 수요가 높은 시간대에 사용함으로써 열 생산설 비의 용량을 최적화하여 투자비를 줄이는 것이다.

계간 축열 TTES는 대개 난방 비수기에 초과 생산되는 태양열을 난 방 성수기에 사용할 목적으로 수개월간 장기로 저장하는데 사용한다.

탱크의 주요 재질은 강철, 콘크리트 혹은 유리섬유강화플라스틱 등이

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다.¹¹⁾ 강철 탱크는 녹 발생이 가장 큰 단점인데, 에폭시 코팅으로 해 결이 가능하다.¹²⁾ 콘크리트 탱크는 탱크 내면에 라이너를 부착하여 물과 증기의 발산을 막아야 한다.¹³⁾ 탱크의 상단부터 하단까지 여러 수준의 온도 차이에 의해 열층이 형성되는데, 열층이 제대로 이루어지 지 않고 섞이는 경우 내부적 열 손실이 발생한다.

<표 2-2>는 축열 설비의 형태별 특성과 장․단점을 보여 주고 있 다. 탱크형 축열의 지질 조건은 다른 축열 형태보다는 까다롭지 않다.

다만, 탱크를 설치하기 때문에 지반이 수평하고 지하수가 없는 곳이 선호된다. 탱크형 축열은 물을 매체로 하므로 저장 열용량이 높고, 저 장 탱크를 부지 형태에 맞추어 신축적으로 설계할 수 있다는 장점이 있다. 단점은 제작형이기 때문에 크기에 한계가 있고, 타 축열 형태에 비해 비용이 많이 든다는 점이다.

<표 2-3>은 태양열의 계간 축열을 위한 TTES 사례의 기술 자료이 다. TTES 적용 사례는 주로 독일에서 찾을 수 있다. 덴마크에서도 과 거에는 TTES를 구축한 사례가 있으나, 최근에는 PTES를 주로 설치 하고 있다. TTES 축열 설비 사례의 저장용량은 2,750~12,000 ㎥ 정 도이며, 소규모의 단독주택 및 공동주택을 공급대상으로 하고 있다.

독일 프리드리히샤펜(Friedrichshafen)의 사례가 저장용량 12,000 ㎥로 가장 규모가 크며, 태양열 공급비용은 15.9 Ct./kWh로 가장 낮다. 뮌 헨은 저장용량이 5,700 ㎥이고, 300 가구를 대상으로 태양열을 저장 하여 공급하고 있다.

11) European Union, Solar district heating guidelines: Storage, Fact sheet 7.2, edited by Thomas Schmidt and Oliver Miedaner, August 2012, p.130

12) ARANER 홈페이지, http://www.araner.com/blog/stratified-thermal-energy–storage-tanks/

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TTESPTESBTESATES 저장매체물물자갈-물흙/암석모래-물 열용량(kWh/㎥)60-8060-8030-5015-3030-40 저장 체적 (1㎥ 물저장 기준)1 ㎥1 ㎥1.3-2 ㎥3-5 ㎥2-3 ㎥ 지질 조건·수평 지반 ·지하수 없는 곳 선호 ·5-15 m 심부

·수평 지반 ·지하수 없는 곳 선호 ·5-15 m 심부

·시추가능 토질 ·지하수 있는 곳 유리 ·높은 열용량 및 열 전도성 ·낮은 투수 계수(kf < 10-10 m/s) ·천연지하수 흐름< 1 m/a ·30-100 m 심부

·높은 투수계수(kf > 10-5 m/s)를 가진 천연 대수층 (두께 20-30 m ) ·대수층 상하로 불투수층 존재 ·천연 지하수가 없거나 유량이 낮은 곳 ·높은온도에서 수화학제 사용에 적 합한 곳 장점

·높은 열용량 ·설계 신축성 ·열층화 ·지하화 시 지상면 활용

·적당한 건설비용 ·열용량 신축성 ·저장 규모 제한 거의 없음

·낮은 건설비용 ·확장용이·매우 낮은 건설비용 단점·크기 한계(100,000 ㎥이하) ·높은 건설비용·덮개 공정 복잡 ·설계 신축성 한계

·낮은 열용량 ·버퍼 탱크 필요 ·히트펌프 설치 바람직 ·지질적 제약 ·측면과 바닥 단열 없음

·지질적 제약 ·단열 안 됨. ·히트펌프 설치 바람직

<표 2-2> 계절간 축열설비 특징 비교 주1)투수계수(透水係數)란 토양에서의 물의 통과 용이성을 나타내는 계수임. 단위 시간에 흙의 단위 단면적을 흐르는 수량을 나타내는 것으로 모래는 점토보다 이 계수가 더 큼. 자료:열용량, 저장체적 및 지질조건은 European Union, Solar district heating guidelines: Storage, Fact sheet 7.2, edited by Thomas Schmidt and Oliver Miedaner, August 2012, p.129 인용 / 장점 및 단점은 H. Kerskes, Seasonal Thermal Storage: State of the Art and Future Aspects, RHC Workshop on Thermal Energy Storage, February 10, 2011, pp.22~23의 내용을 참조하여 작성

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독일스웨덴덴마크 위치HamburgFriedrichshafenHannoverMunichIngelstadLambohovHerlev 가동년도1996199620002007197919791991 공급대상1) 124 RH570 MFH106 MFH300 MFH52 DH55 DH 공급면적㎡14,80039,5007,36524,800 집열면적㎡3,000 FP5,600 FP1,350 FP2,900 FP1,3202,7001,025 저장용량㎥4,50012,0002,7505,7005,00010,0003,000 열수요MWh/a1,6104,1066942,3001,255 태양열비중%49473947143735 최고저장온도2) ℃95959595 태양열비용Ct./kWh25.715.941.424.0

<표 2-3> TTES 사례 및 기술 자료 주:1. RH: 가로형 주택, DH: 단독 주택, MFH: 다세대 공동주택, SFH: 1가구 주택, FP: 평판형 집열기 2. 최고저장온도는 설계치 최고 온도임. 자료:D. Mangold and T. Schmidt, The Next Generation of Seasonal Thermal Energy Storage in Germany, 2007, p.2 (원전 Hamburg, Friedrichshafen : ITW University of Stuttgart, Hannover : IGS University of Brunswick) / Georgi K. Pavlov and Bjarne W. Olesen, Seasonal Ground Solar Thermal Energy Storage - Review of Systems and Applications, 2011, p.8 등 참조

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2) 피트형 계간 축열 설비(PTES)

피트형 계간 축열 설비(PTES)는 지하에 깔때기 모양의 대형 구덩이 를 파는 형식으로 저장 공간을 만드는 방식이다. 바닥과 경사면에 직 접 단열막과 방수필름을 설치하고 상부에는 지붕덮개를 덮는 방식으 로 축조한다. 덮개는 저장매체의 종류에 따라 형태가 다르며, 공사의 난이도에도 차이가 있다. 저장 매체가 물인 경우에는 하부 구조물에 의해 지지를 받지 않고 물 위에 떠 있는 형태가 되는 것이 일반적이 다. 이 때문에 덮개 공사는 난이도가 높으며, PTES 공사 중 가장 비 용이 많이 들어가는 부분이다.¹⁴⁾ 저장매체가 자갈 혹은 흙/모래를 사 용할 경우에는 탱크를 자갈이나 흙으로 채우고 벽면 공사와 유사하게 지붕을 덮는다.

PTES를 설치할 수 있는 지질 조건은 TTES와 유사하다(<표 2-2>

참조). 지반이 평평하고, 지하수 흐름이 없는 곳이 선호된다. PTES는 저장용량 규모에 제한 없이 축조할 수 있다. 다만 저장매체를 자갈로 할 경우에는 단위 체적당 저장 열용량이 낮아 물을 사용하는 경우보 다 1.3~2배 정도 저장 체적이 더 커야 한다.¹⁵⁾ PTES의 단점은 물을 매체로 하는 경우 지붕 공사가 복잡하고, 설계에 신축성이 없어 깔때 기 구조의 구덩이를 팔 수 있는 적합한 부지가 필요하다는 점이다.

PTES 사례는 <표 2-4>와 같다. 덴마크는 주로 PTES 방식의 계간 축열 설비를 설치하고 있다. 독일의 PTES보다는 규모가 월등하게 크다.

가장 큰 것은 덴마크 보인스(Vojens)에 있는데, 저장용량이 200,000㎥

14) European Union, Solar district heating guidelines: Storage, Fact sheet 7.2, edited by Thomas Schmidt and Oliver Miedaner, August 2012, pp.130~131

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국가독일덴마크 위치SteinfurtEggensteinGramVojensDronninglundMarstal 가동년도199820082009, 2015201520141996 공급대상42 SFH+MFH학교, 소방서, 스포츠센터1,200가구1,350가구1,550가구 공급면적㎡3,80012,000294,432 집열면적㎡510 FP1,600 FP10,073, 34,72770,00037,57333,300 저장용량㎥1,5004,500122,000200,00060,00075,000 열수요MWh/a3251,15025,000~35,00029,70024,640 태양열비중%343715, 61> 5041 최고저장온도℃908095, 80*85*80~85* 태양열비용Ct./kWh42.325.0

<표 2-4> PTES 사례 및 기술 자료 주:1. RH: 가로형 주택, DH: 단독 주택, MFH: 다세대 공동주택, SFH: 1가구 주택, FP: 평판형 집열기 2. 최고저장온도는 설계치 최고 온도이며, *는 운영 최고 온도임. 3. Gram: 2015년 집열기 증설로 태양열 비중 15%에서 61%로 확대됨. 4.Vojens: 최고 저장온도는 95℃이지만, 수명연장을 위해 최고 80℃를 유지할 계획임. 자료:D. Mangold and T. Schmidt, The Next Generation of Seasonal Thermal Energy Storage in Germany, 2007, p.2 (원전 Steinfurt : ITW University of Stuttgart) / PlanEnergi, Long Term Storage and Solar District Heating, 2015, pp.13~14 / PlanEnergi, Summary technical description of the Sunstore 4 Plant in Marstal, 2013, pp.1~7 / http://arcon-sunmark.com/cases/vojens-district-heating 등 참조

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로 현재 운영되는 계간 축열 설비 중 최대 규모이다.¹⁶⁾ 설계 최대 저 장온도는 90℃이지만, 운영온도는 최대 80℃이다. 마스탈의 케이스는 인용이 많이 되는 대표적인 태양열 축열 설비이다. 저장용량 75,000

㎥이며, 최대 운영 온도는 80~85℃이다. 덴마크 코펜하겐에서는 대형 CHP의 축열조로 활용하기 위해 사용하지 않는 드라이 독(dry dock) 을 300,000㎥의 PTES로 개조하는 방안을 최근 검토하기도 했다.¹⁷⁾ 공급대상 가구 수는 덴마크의 경우 천 가구를 넘어 TTES 사례보다 규모가 큰 것임을 알 수 있다.

3) 관정형 계간 축열 설비(BTES)

관정형 계간 축열 설비(BTES)는 지하의 흙, 자갈, 모래 등을 그대 로 저장매체로 활용하는 기술이다. 열은 지하 30~100m 깊이로 수직 으로 설치되는 시추공 열교환기(BHE, Borehole Heat Exchanger)를 통해 축열 혹은 방열이 된다.¹⁸⁾ BTES의 배관 연결은 위에서 내려다 보았을 때 각 관정(시추공)을 일렬로 연결하는 모양을 갖고 있다([그 림 2-3] 참조). 관정간의 간격은 대체로 2~4 m이다(<표 2-5> 참조).

저장열 공급파이프는 중앙에, 회수파이프는 외곽으로 연결하고 있어, 축열 중에는 열의 흐름이 중앙에서 외곽으로 향하고 방열 중에는 그 반대로 움직인다.¹⁹⁾ 따라서 열층이 중앙의 공급 파이프를 중심으로 외곽으로 가면서 온도가 낮아지는 형태로 형성된다.

16) http://arcon-sunmark.com/cases/vojens-district-heating

17) Michael Harris, Thermal Energy Storage in Sweden and Denmark: Potentials for Technology Transfer, Thesis for the fulfillment of the Master of Science in Environmental Management and Policy Lund, Sweden, September 2011, p.26 18) European Union, Solar district heating guidelines: Storage, Fact sheet 7.2, edited

by Thomas Schmidt and Oliver Miedaner, August 2012, p.132 19) Ibid, pp.132~133

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BTES는 저장매체인 흙이나 암석의 열저장 용량이 1 ㎥당 15~30 kWh에 지나지 않아, 동일한 열에너지를 저장하는데, 물 저장에 비해 3~5배의 저장 체적이 소요된다.²⁰⁾ BTES는 시추공을 파고 지하의 흙, 자갈 등에 열을 저장하기 때문에 지질적 요구 조건이 까다롭다(<표 2-2> 참조). 토질이 시추하기 쉽고, 저장 매체가 되는 흙이나 모래 등 의 열 전도성이 높을수록 유리하다. 손실 열이 적도록 지하수맥도 없 어야 한다.

BTES는 토질의 조건만 적합하다면, 용량의 확장이 용이하며, 건설 비용이 TTES나 PTES에 비해 적게 든다는 장점이 있다. 초기 시추 비 용이 많이 들지만 운영 및 유지관리비가 낮고 수명이 길기 때문에 비 교적 경제적이라 할 수 있다.²¹⁾ 그러나 낮은 열용량으로 인해 히트펌 프를 이용해야 하고, 단열이 완전히 되지 않기 때문에 열 손실이 비교 적 많다는 단점이 있다. BTES의 열 손실률은 작은 규모의 경우에는 40% 정도로 높으나, 100,000 ㎥ 이상인 경우에는 10~15%로 낮아진 다.²²⁾

대표적인 BTES 기술적 사양과 적용 사례는 <표 2-5>와 <표 2-6>

과 같다. 독일의 크라일스하임(Crailsheim)은 37,500 ㎥의 BTES 축열 설비와 550 ㎥의 TTES 보조 축열조를 보유하고 있다. 지하 55 m 깊 이까지 80개의 시추공이 설치되어 있으며, 저장 최대 온도는 85℃이 다. 가장 최근 설치된 덴마크의 브래드스트럽(Brædstrup)은 저장용량

21) Michael Harris, Thermal Energy Storage in Sweden and Denmark: Potentials for Technology Transfer, Thesis for the fulfillment of the Master of Science in Environmental Management and Policy Lund, Sweden, September 2011, p.23 22) Ibid, p.23

(37)

A: BTES의 배관 연결 평면도 예시 B: BTES 시추공 열교환기 수직 단면 [그림 2-3] BTES의 수평 및 수직 단면

자료: A) D. Mangold and T. Schmidt, The next Generations of Seasonal Thermal Energy Storage in Germany, 2007, p.7 / B) European Union, Solar district heating guidelines:

Storage, Fact sheet 7.2, edited by Thomas Schmidt and Oliver Miedaner, August 2012, p.133 (원전: ITW, University of Stuttgart)

이 19,000 ㎥이고, 지하 45 m 깊이로 48개의 시추공이 설치되었다.

축열 설비의 운영 온도는 55~60℃이다. 캐나다 오코톡스(Okotoks)는 북미에서 최초로 설치된 BTES이다. 추운 기후지역이어서 태양열 비 중이 90%로 높은 것이 특징이다.

4) 대수층 활용형 계간 축열 설비(ATES)

대수층 활용형 계간 축열 설비(ATES)는 지하에 있는 대수층에 열 을 저장하는 방식이다. 대수층은 지하에 넓게 퍼져있는 수분 함유 모 래, 자갈, 사암 혹은 석회석 층으로 높은 수리전도성을 지니고 있다.²³⁾

23) European Union, Solar district heating guidelines: Storage, Fact sheet 7.2, edited by Thomas Schmidt and Oliver Miedaner, August 2012, p.134

(38)

시추공 직경 100 ~ 150 mm

시추공 깊이 30 ~ 100 m

시추공간 거리 2 ~ 4 m

열 지중 전도성 2 ~ 4 W/(m·K)

U-파이프내 온수 속도 0.5 ~ 1.0 m/s 시추공 길이 단위당 평균 용량 20 ~ 30 W/m

주입구 온도 최소/최대치 -5 / +90 ℃

시추공 길이 단위당 비용 50 ~ 80 €/m

<표 2-5> BTES 열 저장설비의 대표적인 사양

자료: Thomas Schmidt and Oliver Miedaner, Solar district heating guidelines: Storage, August 2012, p.8

ATES에 의한 열저장을 하기 위해서 지표에서부터 대수층까지 연결 되는 관정을 최소한 2개는 뚫어야 한다. 대수층의 지하수를 추출하여 열이나 냉열을 활용한 뒤 다시 주입하기 때문이다. 축열 기간 중에는 차가운 지하수를 냉열 정(井)에서 추출하여 열원에 의해 가열한 다음 온열 정(井)에 주입하고, 방열 시에는 반대로 온열 정(井)에서 온수를 추출하여 열 수요처에서 사용된 다음 냉열 정(井)으로 주입한다.²⁴⁾ 마 치 TTES가 지하에 묻힌 상태에서 연결된 순환배관을 통해 온수를 추 출하여 이용한 뒤 저온수를 주입하는 것과 유사하다.

ATES는 단열 처리를 못하기 때문에 열손실이 많이 발생한다.

ATES 가동 초기에는 대수층 인접 토지까지 열이 전달되어 덥혀지기 때문에 열손실이 많이 발생하지만, 일단 열 침투가 완료된 뒤에는 열