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수열에너지
수열에너지(Hydrothermal energy)는 해수, 하천수, 하수 등의 수온과 대기온도와의 온도차를 히트펌프의 열원으로 이용하여 냉난방 등의 용도로 이용하는 에너지를 지칭한다. 이러한 수열에너지의 경우 유럽국가 및 일본 등에서 오래전부터 활용해오고 있으며, 국내에서는 최근 해수 표층수의 수열에너지가 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급촉진법」에서 신재생에너지원 범주에 추가되었다.
개요
해수 표층 및 하천수에 저장된 열에너지를 의미하며, 주로 건물의 냉·난방, 농가나 산업체 등에 필요한 열원으로 이용한다. 수열에너지는 자연 상태에 존재하는 에너지원으로서 부존량이 무한하므로 대규모의 열 수요를 충족시킬 수 있으며, 수열 냉·난방 시스템은 열을 이용할 때, 연료의 연소 과정이 필요 없으므로 친환경적이다. 수심 100~200m 이상, 5℃ 이하의 차가운 해수를 이용할 경우 직접 열교환에 의한 냉방, 해저에서 분출되는 열수를 이용할 경우 직접 열교환에 의한 난방이 가능하다. 2015년 '신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법 시행규칙 일부개정령'에 의해 신·재생에너지의 하나로 지정되었다.
해수 온도는 여름철에는 대기보다 약 7℃가 낮고, 겨울철엔 10℃ 정도 높아 열펌프의 열원으로 이용 가능하다. 이와 같은 성질을 이용하여 여름철에는 냉방, 겨울철에는 난방에 활용함으로써, 화석 연료를 사용하는 기존 냉·난방 시스템에 비해 약 20~50%의 비용 및 전력 에너지를 절감할 수 있다. 또한 해수나 지하수를 이용한 주택·산업체의 냉·난방뿐만 아니라, 발전소의 발전기를 냉각하는 동안 데워진 물은 7~8℃ 가량 온도가 상승한 상태에서 열에너지를 보유하고 있으며, 이는 주변의 원예나 양식장 등의 난방 열원으로 공급되어 고부가가치 작물 생산에 이용될 수 있다.
원리 및 장점
물은 에너지를 축적하는 능력(비열)이 매우 큰 특성(물 4.18, 공기 1.01J/g·°C)으로 여름철은 대기보다 시원하고 겨울철은 따뜻하다. 이러한 특성을 활용해 물을 열원으로 한 히트펌프에서 냉매의 기화 시 주변의 열을 흡수하고 액화 시 주변에 열을 방출하는 성질을 이용해 열을 저온에서 고온으로 이동시켜 냉난방을 하는 시스템이다.
난방의 경우 일반적인 난방은 보일러로 화석연료(LPG, 석탄 등)를 연소시키나 수열에너지는 물에서 열만을 이동시켜 활용한다. 4의 열 생산을 위해 95% 효율 보일러는 4.2의 에너지가 필요하지만 수열은 1의 에너지만 소모한다.
냉방의 경우 일반적으로 실내의 열을 냉각탑을 통해 대기로 방출하나 수열에너지는 냉각탑을 제거하고 열을 수열원이 흡수한다.[1]
수열에너지 효과 및 잠재량
수열에너지를 적용하게 되면 냉각탑을 제거할 수 있다. 이로 인해 환경적·공간적·경제적 효과가 기대된다.
우선 환경적 효과로 소음·진동 피해제거, 레지오넬라균 예방, 열섬·백연현상 완화를 들 수 있다. 냉각탑의 레지오넬라균은 미국에서만 연 5만명 이상이 발병되며 치사율은 15%에 달한다.
냉각탑이 필요 없어 공간 활용성 제고, 옥상 녹지화·공원화, 도시 미관 개선 등 공간적 효과가 있다. 1,000RT(1만평 규모) 용량의 냉각탑은 자중 22톤, 면적 200㎡(60평)를 차지한다. 동시에 건물 하중 감소, 수처리 비용 절감, 냉각수·동력비 절감 등 경제적 효과를 가져온다.
한국수자원공사 자료에 의하면 우리나라의 지표수는 크게 댐 및 저수지와 원수관로로 나눌 수 있다. 댐 및 저수지의 공급량은 1일 3,670만톤이고 원수관로는 2,000만톤으로 이를 5℃ 온도차의 열을 뽑아 쓴다고 가정해 열량을 계산하면 댐 및 저수지의 부존량은 360만2,000RT이고 원수관로는 126만1,000RT로 총 486만3,000RT(1만7,102MW)로 절감율과 가동시간 그리고 이용률을 고려 시 연간 2,727만2,526MWh를 활용할 수 있다.
이는 신고리2호기 2016년 연간 발전량(697만5,411MWh)의 3.8배인 565만950TOE에 해당하는 에너지절감 및 약 1,237만톤의 CO₂ 절감 효과와 동일하다. 대도시 인근의 광역상수도는 1일 830만톤이 공급되고 온도차 5℃를 기준으로 부존열량을 환산하면 57만4,000RT로 광역상수도 공급량의 70%만 활용해도 40만4,000RT로 신고리2호기 2016년 연간 발전량의 31%인 46만6,547TOE에 해당하는 에너지절감 및 약 100만톤의 CO₂ 절감 효과를 기대할 수 있다.[1]
국내·외 수열에너지 사례
해수열은 유럽과 미국의 경우 '해양에너지'로, 일본의 경우 하수, 하천수 등과 함께 '온도차 에너지'로 분류되고 있다. 일본은 1991년 도쿄 치바시에 하수열을 활용하여 냉·난방 열을 공급함으로써 약 13~23%의 에너지 절감 효과를 누렸으며, 스웨덴의 스톡홀름시는 해수, 하수, 호수, 지하수 등을 활용하여 도시 전체의 지역 난방 열원의 40% 이상을 충당하였다.
동경 하코자키 지구 하천수 활용 열공급센터는 일본 최초 하천수(스미다강)를 이용(하절기 6만7,000㎥/d, 동절기 2만3,000㎥/d) 하절기 +5℃, 동절기 -3℃를 활용해 하코자키 지구 일부에 히트펌프 1,600RT×2, 냉동기 1,600RT×1로 공급함으로써 기존설비대비 18% 에너지를 절감시켰다.
Enwave社 Deep Lake Water Cooling System은 연평균 4°C(연중 2.8∼5°C)의 Ontario호수 심층 원수를 정수장에서 정수처리해 열교환(7.8°C 활용)하고 냉방에 활용 후 식수로 공급하고 있다. 최대 냉방용량은 7만5,000RT(263㎿, 약 150개 빌딩 320만㎡ 공급)로 기존 냉방시설에 비해 전력사용량의 최대 90% 절감(7만9,000톤/년 CO₂감축)해 수열에너지 활용의 벤치마킹 대상이 되고 있다.
국내의 경우 삼면이 바다로 둘러싸인 지리적 특성에 의해 해수의 열에너지를 쉽게 이용할 수 있다는 이점을 갖추고 있으며, 한국수자원공사에 따르면 2020년 기준 전국 13개 사업장에서 수열에너지를 활용 운영하고 있다.
국내에서는 롯데월드타워(지상 123층, 지하 6층)가 대표적이다.
롯데월드타워에는 3,000RT 규모의 광역상수도를 이용한 수열 히트펌프가 설치·운전으로 전체 냉방부하의 10%를 담당하고 있다. 롯데월드타워에 적용된 광역상수도 수열 히트펌프는 냉방 시 히트펌프 응축기에서 발생된 열을 원수에 버리고(냉각탑 역할) 난방 시 원수가 가지는 열을 히트펌프 증발기를 통해 흡수해 실내로 공급하는 방식이다.
수열 히트펌프 가동으로 동일 용량의 흡수식냉온수기대비 총 에너지 사용량의 약 73%, CO₂배출량의 38%를 절감시켰다. 또한 수열에너지 적용으로 냉각탑 6기를 제거해 600㎡의 면적 절감, 66TON의 건물 하중 감축, 약 1억9,000만원의 유지관리비를 줄였다.
경제적 효과 이외에도 냉각탑 제거로 미세먼지 저감 등 부가효과도 발생했다. 소형차 4,800대 탄소저감 효과, 주변 2㎞ 대기온도 1.89℃ 완화, 냉각탑 소음(70dB), 냉각탑의 미세먼지 미방출 등 환경적 효과로 이어졌다.[1]
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 홍시현 기자, 〈(기획) 강력한 드라이브 걸린 ‘수열에너지’〉, 《투데이에너지》, 2019-05-21
참고자료
- 〈수열에너지〉, 《두산백과》
- 국내 하수 및 하천수의 수열에너지 활용사례 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201734158606050.pdf
- 홍시현 기자, 〈(기획) 강력한 드라이브 걸린 ‘수열에너지’〉, 《투데이에너지》, 2019-05-21
같이 보기
