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1. 서 론
국내 에너지 생산은 대부분 원자력에 의존하고 있으며 화석연료로 생산하는 에너지 생산은 해외 의존도가 매우 높은 실정이다. 신기후체제는 국제 협의에 따라서 이산화탄소 감소를 권장하는 차원 을 넘어서 각 나라에 의무량을 할당하면서 청정에 너지 생산에 대한 압박을 가하고 있다. 우리나라 역시 신기후체계에 대한 이산화탄소 감축 의무량 을 할당받았으며 국내 에너지 생산은 재생에너지 개발에 대한 정책에 영향을 받고 있다. 이에 따라 본 기사는 이러한 재생에너지 가운데 수열에너지 에 대한 내용(정영훈, 2018)을 요약하여 소개하고 자 한다.
2. 물-에너지 넥서스와 수열에너지 자원 간 상호의존성을 분석하여 자원 생산 공
급 소비의 과정을 연계함으로써 자원의 효율성 을 높이고자 물-에너지-식량 넥서스(Water- Energy-Food Nexus)는 개념이 소개되었다. 이 는 전 세계적인 기후변화, 인구증가, 도시화, 자 원고갈에 따른 물, 에너지, 식량과 같은 필수 자원 의 수요량 증가는 수급 불균형으로 글로벌 자원안 보 위기를 고조시키고 있다. 국내에서도 경제성장 으로 인한 생활패턴의 변화, 중산층 증가, 도시인 구 증가로 인하여 물, 에너지, 식량과 같은 필수 자원에 대한 수요가 증가하고 있다. 따라서 급증 하는 필수자원의 수요에 대한 대책이 필요하며 각 각의 자원의 생산성을 높이는 것도 중요하지만 각 자원을 생산하는 과정에서 다른 자원의 생산에 기 여할 부분을 충분히 이용하여 그 효율성을 증대시 키는 것이 중요하다. 자원 간 매우 복잡하고 다양 한 상호작용이 존재하지만 그 가운데 하나가 물- 에너지 상호작용으로 수열에너지가 있다. 수열에 너지는 일반적으로 하수, 해수, 지하수, 하천수 등 물의 수온과 대기온도의 차이를 히트펌프의 열원 으로 이용하여 냉난방 등의 용도로 이용하는 에너 지를 지칭한다 (정재원 등, 2017). 히트펌프는 열 을 온도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동시키는 기계를 의미하며 그 원리는 열 자체가 온도가 낮 은 곳에서 높은 곳으로 이동하는 데 있어서 일이 소요되기 때문에 냉매의 발열 또는 응축열을 이용 해 저온에서 고온 혹은 고온에서 저온으로 열을
물-에너지 상호작용에 기반한 수열에너지
정 영 훈
경북대학교 건설방재공학부 교수 [email protected]
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이동시킨다 (그림 1). 최근 히트펌프는 이러한 원 리를 이용해 대부분 냉방과 난방을 겸하는 구조를 가지고 있으며 열공급 방식에 따라 공기를 이용하 는 냉·온풍식과 물을 이용한 냉·온수식으로 분 류된다.
3. 수열에너지 산업
신 기후체제 이후 국내에서는 신재생에너지 개 발에 주력하고 있으며 이를 통하여 일자리 창출을 위해 힘쓰고 있다. 재생에너지는 전 세계적으로 기후변화의 근본적 원인인 이산화탄소를 감소시키 기 위해 생산되고 있으며 국내에서는 이를 기회로 삼아 새로운 재생에너지 개발과 생산을 위한 산업 을 육성시키는 정책으로 국내 경제개발의 신성장 동력으로 확보하고자 노력하고 있다. 2015년 현재 신재생에너지는 총 1차 에너지의 4.62%를 차지하 고 있으며, 연평균 20.9 %의 증가율로 최근 5년간 (2011-2015) 급격히 증가하고 있다는 것을 알 수 있다 (산업통산부, 2016). 그러나 신재생에너지 가 운데 물-에너지 상호작용에 기초한 지하수열, 수 열, 수력 등의 산업은 전체 신재생 에너지 가운데 약 7 %로 매우 낮은 비중을 차지하고 있다. 수력 은 물리적인 위치에너지에 의해 에너지를 생산하
는 반면 수열에너지는 물 자체가 에너지원이 되어 이동하기 때문에 물-에너지 연계의 대표적인 예 라고 할 수 있다. 이러한 수열에너지 생산은 물- 에너지 상호작용을 이용한 넥서스 기술이라고 할 수 있다. 국내의 경우 수자원이 대부분 댐을 활용 하여 관리하기 때문에 댐 심층수의 수온과 대기온 도의 차이를 활용하여 수열에너지를 활용할 수 있 는 좋은 여건을 가지고 있다. 수열에너지는 냉난 방에 있어서 대기보다 따뜻하거나 차가운 물을 이 용하여 물을 가열하거나 냉각하는데 소비되는 에 너지를 절감하여 에너지소비 효율을 높을 수 있 다. 더 나아가 수열에너지의 공급으로 인하여 저 비용의 에너지가 이용가능하다면 이러한 기반으로 인하여 산업에 필요한 에너지를 절감하고 식량생 산에 필요한 냉난방 에너지 효율을 증대하여 결국 물-에너지-식량 넥서스를 실현할 수 있다. 그러 나 수열에너지는 산업측면에서 앞서 언급한 것과 같이 재생에너지 가운데 그 비중이 작다(표 1). 따 라서 수열에너지를 이용한 산업이 확장될 수 있도 록 정책 및 기술에 대한 연구가 더욱 필요하다.
4. 수열에너지 국내 적용사례
수열에너지의 국내 적용사례는 1991년 서울 마
그림 1. Heat pump 기본 원리 (출처 : Ninikas et al., 2015)
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그림2. 부산델타에코시티 수열에너지 적용 계획 표 1 신재생에너지 산업통계 (출처: 산업통산부, 2016)
에너지원
기업체수 (개) 고용인원 (명) 매출액 (억원) 투자액 (억원)
% % 합계 % 내수 수출 해외공장 %
태양광 127 26% 8,698 54% 75,637 67% 22,975 33,892 18,770 5,324 67%
태양열 21 4% 228 1% 290 0% 290 - - 1 0%
풍력 37 8% 2,369 15% 14,571 13% 5,123 5,639 3,809 583 7%
연료전지 15 3% 802 5% 2,837 3% 2,143 693 - 47 1%
지열 26 5% 541 3% 1,430 1% 1,430 - - 251 3%
수열 3 1% 46 0% 29 0% 29 - - - -
수력 4 1% 83 1% 129 0% 116 13 - - -
바이오 128 26% 1,511 9% 12,390 11% 11,884 506 - 221 3%
폐기물 132 27% 1,899 12% 5,763 5% 5,763 0 - 1,539 19%
합계 473주) 100% 16,177 100% 113,077 100% 49,754 40,743 22,579 7,965 100%
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포변전소 지하에 있는 변압기에서 발생되는 열을 히트펌프를 이용하여 건물 난방에 사용된 것부터 시작이 된다 (윤형기, 2005). 하천수의 수열에너 지를 서울 상암지구에 이용할 경우 약 35%의 에 너지를 절약할 수 있다는 하천수의 수열에너지 부 존량과 이용가능량을 산정한 선행연구가 수행되 었다 (박준택 and 장기창, 2002). 또한, 국내 하 천수를 이용하여 미활용에너지인 수열에너지를 산정하였을 때 연간 약 192,000 Tcal의 수열에 너지 부존량이 산정되었으며 이를 히트펌프를 이 용하여 냉난방시스템에 적용했을 때 난방은 연간 1,216 Tcal, 냉방은 724 Tcal를 대체할 수 있다는 연구가 선행되었다 (윤형기, 2005). 이렇게 냉난 방시스템에 적용될 수 있는 수열에너지의 연간 이 용가능량은 약 2,000Tcal로 약 22%의 에너지절 감효과를 나타낼 수 있다. K-water는 2006년부 터 자사 운영 정수장인 밀양 정수장, 아사 정수장 등 12곳에서 수열에너지를 이용한 냉난방을 가동 해왔으며 2014년도 개장한 서울 잠실 제2롯데월 드에 광역상수도를 통하여 물이 이동할 때 발생하 는 수열에너지를 적용해 전체 냉난방 에너지 부하 의 10%를 대체하고 있다. 또한, 부산 에코델타시 티에 스마트시티의 일부분으로 수열에너지를 적 용하여 청정에너지를 공급하려는 계획을 가지고 있다. 강원도에서는 29억 톤(t)에 이르는 소양강
댐 냉수를 기반으로 수열에너지 융복합 클러스터 를 조성하고 클라우드 비즈니스 플랫폼 융합단지 (케이 클라우드 파크)와 수열에너지 스마트팜 첨 단농업단지(케이 스마트팜), 에너지 자립형 스마 트 생태거주단지(케이 스마트 빌리지)를 만들겠다 는 계획이다 (전지성, 2018). 이는 그동안 소양강 댐 심층의 차가운 물이 방류되면서 농업활동과 생 태계환경에 부정적 영향을 주었던 것에 대한 역발 상으로 수열에너지 적용에 대한 지자체의 기업유 치와 경제성장을 위한 기반조성의 원동력이 될 수 있다.
5. 수열에너지 산정
일반적으로 수열에너지는 히트펌프를 이용해 열 을 공급하는 형식을 취하기 때문에 열교환기의 입 구와 출구에서의 온도차가 실질적으로 사용할 수 있는 열량으로 간주된다. 보통 열교환기의 입·출 구의 온도차는 약 3-5 ℃이다. 그러나 수열에너지 양은 히트펌프 성능이나 조건에 따라 달라질 수 있다. 국내 댐에서 생산가능한 수열에너지를 산정 한 사례가 있다. 월별 댐 저수량에 대한 가능최대 수열에너지는 식 (1)과 같은 방법을 이용하여 산정 하였다. (Takeshi et al., 1993).
(1) 월별 댐 저수용량(㎥)
일반적으로 온도차를 히트펌프 열교환기의 출·
입구의 온도차인 3~5 ℃를 적용했지만 가능최대 수열에너지를 산정하기 위해서 대기온도와 댐 수 온의 온도 차이를 적용하였다. 대상댐은 각 수계 에서 저수용량이 가장 큰 댐인 한강수계에 소양강 댐, 낙동강수계에 안동댐, 금강수계에 대청댐, 영 산강·섬진강수계에 섬진강댐이 선정하여 댐기반
수열에너지를 산정하였다 (그림 3).
그림 4는 2000년부터 2016년까지 월별로 산정 된 댐별 수열에너지를 보여준다. 그림 4에서 양 의 값은 냉방용으로 사용될 수 있는 수열에너지, 음의 값은 난방용으로 사용될 수 있는 수열에너 지를 의미한다. 그림 4에서 가장 큰 가능최대 수 열에너지는 소양강댐에서 나타났으며, 가장 작
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은 가능최대 수열에너지는 섬진강댐에서 보였 다. 댐별 가능최대 수열에너지는 대청댐 (냉방용 : 6,898Tcal, 난방용 : 15,251Tcal), 소양강댐 (냉 방용 : 23,716Tcal, 난방용 : 31,008Tcal), 섬진강 댐 (냉방용 : 4,237Tcal, 난방용 : 3,392Tcal), 안 동댐 (냉방용 : 10,022Tcal, 난방용 : 10,164Tcal) 으로 산정되었다. 대청댐과 소양강댐은 난방용 수 열에너지가 냉방용보다 훨씬 크게 산정되었다. 수 열에너지는 온도차, 저수용량에 크게 영향을 받는 다. 대청댐의 경우 8월에 저수량이 많음에도 불구 하고 수열에너지량이 평균 1,595Tcal으로 적게 산 정되는데 이는 수온과 대기온도의 차이가 작기 때 문이라 판단된다 (8월 평균온도차 : 0.02 ℃). 반 면, 극심한 가뭄이 발생하여 저수용량이 적었던 2015년에는 4개의 모든 댐의 수열에너지가 전체 적으로 작게 산정되었다.
6. 결론 및 제안
최근 수열에너지는 신재생에너지로서 그 가능 성을 넘어 여러 곳에 계획 혹은 적용되고 있다. 국 내 수자원 대부분을 지표수에 의존하고 대부분 지 표수는 수자원인프라인 댐에 저장되어 관리된다.
이러한 수자원 인프라에 의존하는 국내 실정에 맞 게 댐은 그동안 용수공급, 수력발전, 친수의 기 능과 함께 수열에너지 생산의 기능을 더할 수 있 는 잠재력이 있다. 이에 맞게 수열에너지를 활용 할 경우 실질적인 댐 운영에서는 방류량에 수열에 너지에 이용되는 댐용수도 포함되어야 한다. 물 론 수열에너지는 물을 상수도로 이동시키는 과정 에서 발생하는 열을 사용하기 때문에 물의 손실을 최소화 할 수 있는 있는 장점이 있다. 수열에너지 를 생산하기 위해 물을 이동시키는 것보다 용수공 그림3. 댐기반 수열에너지 산정 대상지역 (출처: 정영훈 2018)
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급에 의한 물의 이동과정에서 발생하는 냉·난방 열을 이용하는 것이 더욱 효율적이고 이것이 물- 에너지 상호작용에 의한 시너지라고 할 수 있다.
또한, 수열에너지를 효율적으로 이용하기 위해서 댐과 그 위치의 환경을 먼저 파악하는 것이 필요 하다. 예를 들어, 저온의 댐 방류량으로 인하여 농 업에 냉해 피해나 하천환경에 피해를 입는 곳에서 는 댐 주위에 발열이 발생하는 대상에 저온의 물 을 이용하여 냉각시키고 냉각시키는 과정에서 물 의 온도가 하류에 피해가 없을 정도로 올라갔을 때 방류한다면 저온의 방류로 인한 피해는 감소할 것이다. 국내 대부분 댐을 K-water에서 관리하
고 있기 때문에 수열에너지를 어떻게 활용할 것인 가에 대한 고민이 필요하다. K-water는 이미 이 러한 점을 인지하고 수열에너지의 활용가치를 높 이는 곳에 관심을 두고 있다. 수열에너지는 단기 간내에 어떠한 유행으로 인한 난개발보다는 장기 간에 걸쳐 체계적으로 계획했을 때 산업단지, 농 업단지 등 국토개발에 긍정적 기여를 할 수 있다 고 생각한다. 또한, 시간별 대기온도와 수온 자료 구축, 히트펌프와 열교환기의 성능향상, 효율적인 댐운영 룰과 같은 인자를 함께 고려했을 때 수열 에너지의 가치가 높아지고 궁극적으로 수자원인프 라인 댐의 역할이 확장될 것이다
그림 4. 월별 수열에너지 산정결과 (2001년-2016년) (출처 : 정영훈 2018) a) 대청댐
c) 섬진강댐
b) 소양강댐
d) 안동댐
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1. 박준택, 장기창, (2002) 온도차에너지를 열원으로 하는 미활용에너지의 부존량과 이 용가능성에 관한 조사연구, 한국에너지학회논문집, 11(2): 106-113
2. 산업통산부, (2016), 2015 신재생에너지 산업통계
3. 윤형기, (2005), 미활용에너지 네트워크 실증사업 최적화 연구, 한국에너지기술연구원 4. 정영훈 (2018) 물-에너지 넥서스 기반 국내 댐 가능최대 수열에너지 산정, 한국농공
학회논문집, 60(2): 45-53
5. 정재원, 남지수, 김형수 (2017) 국내 하수 및 하천수의 수열에너지 활용사례 물과미 래, 한국수자원학회, 50-58
6. 전지성 (2018.8.26.) “수열에너지 융복합 클러스터로 저비용·재생에너지 중심 4차 산업혁명 모델 도시 만든다" 에너지경제
7. Ninikas, K., Hytiris, N., Emmanuel, R., Aaen, B., McMillan, S, (2014)A renewable heat solution for water ingress in the Glasgow subway tunnel system, 5th International Conference on Energy and Sustainability , Energy and Sustainability, Putrajaya, Malaysia
8. Takeshi, K. Hiroo, T. Hisashi, M., 1993. Possibility of Utilization of River Water as the Heat Source/Sink of Heat-Pump Systems: Part I. In Proceedings of the Annual Conference of Architectural Institute of Japan, 499-500.
Tokyo, Japan.
참고문헌
