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지열에너지 효율향상 방안 논의

지열에너지학회, 2020년도 추계학술대회 개최

한국지열에너지학회(회장 박윤철)는 10월21일 한국과학기술회관에서 지열에너지분야 및 지열환경의 연구성과를 공개하는 ‘2020년도 추계학술발표대회’를 개최했다.



지열에너지학회는 코로나19 확산을 방지하기 위해 마스크 착용을 의무화했으며 거리두기를 고려해 좌석을 배치했다.

이번 학술발표대회는 지열을 포함한 에너지분야 및 지열환경을 다룬 11편의 발표와 1편의 초청강연이 진행됐다. 발표논문들은 지열분야의 기술개발, 히트펌프, 열교환기, 터빈, 시스템 등에 대해 다뤘다. 

박윤철 회장은 개회사를 통해 “모든 발표논문들은 각 연구자들이 오랜시간 연구한 결과"라며 "지열에너지학회 추계학술대회가 지열분야 연구진들과 산업계의 활발한 교류의 장이 되길 바라며 지열분야의 큰 발전을 기대한다”고 말했다. 

본격적인 발표는 안진한 한국에너지공단 부장의 ‘국가에너지 효율향상정책 추진방향’ 초청강연을 시작으로 2개 세션으로 나눠 진행됐다.

1세션은 히트펌프와 터빈 두 부문으로 나눠 진행됐다. 히트펌프부문은 △지열원 히트펌프시스템의 기능과 현안에 관한 연구(최종민 한밭대 교수) △수직밀폐형 지중열교환기의 부하성능 재평가방식을 이용한 지열 히트펌프시스템의 교번운전에 관한 연구(김민기 대림산업 연구원) △수열과 지열을 활용하는 히트펌프시스템의 난방운전특성과 성능(손병후 한국건설기술연구원 수석연구원) 등이 발표됐다.

터빈부문에는 △저온열원을 이용한 165Kw급 축류형 터빈설계(심정보 한국생산기술연구원 연구원) △캠형상에 따른 날개 틸팅형 풍력터빈의 성능에 대한 실험적 연구(유환석 서울과기대 학생) △풍력발전기 점검용 드론을 위한 상시공급전원장치 개발(강명보 제주대 학생) 등이 발표됐다.

2세션은 열교환기와 시스템설계 두 부문으로 구성됐으며 열교환기부문에는 △모듈러 지중열교환기 성능예측식 개발을 위한 지중온도 예측모델 구축(김재민 부산대 학생) △Ag/MgO 하이브리드 나노유체의 판형열교환기 성능향상에 대한 해석적 연구(용준혁 조선대 학생) △제주도 현무암슬러지를 활용한 무기내화단열재 개발(김민균 제주대 학생)이 발표됐다.

시스템설계부문은 △다단축열조의 열성층화에 관한 실험적 연구(고동훈 제주대 학생) △저온열원을 활용한 유기랭킨사이클의 최적화설계(박자운 한국생산기술연구원 연구원) 등 두 가지 논문이 발표됐다.

국가에너지 효율향상 목표 및 추진방향
안진한 한국에너지공단 부장은 ‘국가에너지 효율향상정책 추진방향’을 주제의 초청강연을 통해  최근 에너지 정책환경과 함께 국가에너지 효율향상 정책목표 및 추진방향, 중점 추진과제와 주요내용에 대해 설명했다. 

발표에 따르면 세계 에너지수요는 신흥국의 경제성장에 힘입어 꾸준히 증가하고 있으며 전력분야의 2040년까지 에너지수요는 연평균 2.2% 증가할 것으로 전망되고 있다. 또한 미국, 독일, 일본 등 OECD 주요국가는 에너지 탈동조화로 GDP성장에도 에너지소비는 줄어드는데 반해 우리나라는 GDP성장과 에너지사용량이 비례해 증가하고 있는 상황이다. 

안진한 부장은 우리나라는 에너지소비의 61.4%를 차지하는 산업부문 중 석유화학·철강 등 에너지다소비업종의 생산량 증가가 에너지증가세를 가속화시키고 있다라며 또한 건물부문이 연 2%의 에너지소비 증가세를 보이고 있으며 차량대수 증가와 대형차를 선호하는 소비경향으로 인해 수송부문도 연 3.6% 증가하고 있다고 설명했다.


이어 “에너지전환 정착·확산을 위해 투자활성화, 실시간 데이터활용, 지방분권·국민참여 중심의 에너지효율·수요관리정책의 추진이 필요하다”라며 “이를 위한 3대 방향 12대 추진과제가 수립됐다”고 말했다. 


3대 방향은 △효율향상 투자활성화 및 지자체역할 확대 △실시간 모니터링·상향식 참여기반 수요관리 강화 △에너지효율 향상·수요관리제도 개선 에너지전환 촉진 등으로 구성돼있다. 

효율향상 투자활성화 및 지자체역할 확대를 위한 추진과제는 △에너지절감 유망투자사업 지원, 의무화를 통한 투자시장 창출 △효율전문기업 역량강화 △에너지진단·개선 권한 지자체부여 △자자체 중심 협력네트워크 구축을 통한 현장맞춤형 효율개선 지원 등이 있다. 

실시간 모니터링·상향식 참여기반 수요관리 강화를 위한 과제는 △실시간 데이터수집·공유·활용을 통한 신 비즈니스 창출 △데이터기반의 정책 평가·환류시스템 구축 △데이터활용과 연계한 전략적 R&D 추진 △국민 참여형 수요관리 활성화 등으로 추진된다. 

에너지효율 향상·수요관리제도 개선과 에너지전환 촉진의 추진과제로 △기기 에너지효율 관리제도 개선을 통한 신가치사슬 확립 △에너지사용계획 협의제도 개선으로 대규모시설 관리강화 △공공기관 에너지수요관리 제도보완 등이 있다. 

지열원 히트펌프시스템 활용 가능성
1세션에서 첫 발표를 맡은 최종민 한밭대 교수는 ‘지열원 히트펌프시스템의 기능과 현안에 관한 연구’ 발표에서 “지열원 히트펌프시스템은 건축물 냉난방분야에서 에너지소비 저감을 위한 냉난방시스템의 하나로 자리매김하고 있다”라며 “지열원 히트펌프시스템의 민간부문 확대 등에 따라 냉난방 외 급탕기능도 요구되고 있지만 급탕기능을 포함한 지열원 히트펌프의 정확한 열량산정이 어렵고 급탕규격을 포함한 인증기준 마련이 필요하다”고 말했다. 

이어 김민기 대림산업 연구원은 ‘수직밀폐형 지중열교환기의 부하성능 재평가방식을 이용한 지열히트펌프시스템의 교번운전에 관한 연구’에 대해 발표했다. 

이번 연구를 통해 보일러의 대수제어 개념을 도입한 지열히트펌프시스템을 제시했다. 제시한 시스템은 소형 히트펌프 하나와 지중열교환기 한 대를 각각 연결하는 방식으로 구성해 부하에 따라 운영대수를 제어한다. 

또한 입수온도 및 출수온도를 측정해 교번운전을 실시함으로 에너지효율을 향상시켰으며 기존 지열히트펌프 시스템대비 21.4%의 에너지절감 성과를 보였다. 

손병후 한국건설기술연구원 수석연구원은 ‘수열과 지열을 활용하는 히트펌프시스템의 난방운전 특성과 성능’을 발표했다.

이번 연구는 수열과 지열을 함께 이용하는 하이브리드 히트펌프시스템을 대상으로 성능을 분석한 것으로 2019년 11월부터 2020년 2월까지 지중순환수 온도에 따라 지중열교환기의 부하분담비율을 조절했다.



손병후 수석연구원은 “연구데이터 분석결과 히트펌프의 난방용량은 평균 37.3kW이며 하이브리드 지중열교환기의 열 추출량은 평균 27.9kW였다”라며 “히트펌프 압축기는 평균 9.4kW의 전력을 소비, 지중 순환수펌프는 평균 6.7kW를 소비했다”고 말했다.

이어 “측정기간 중 히트펌프 일평균 난방 COP는 3.7~4.9로 나타났고 시스템은 2.6~3.2로 나타났다”고 밝혔다.

효율적 터빈설계 방안제시
심정보 한국생산기술연구원 연구원은 ‘저온열원을 이용한 165kW급 축류형 터빈설계’를 발표했다.

이번 연구를 통해 100℃이하 열원을 활용해 발전하는 ORC(Organic Rankine Cycle)용 터빈을 설계했다. 2단 축류형 터빈을 평균반경 설계법을 적용해 설계했고 압력비 3.5에서 약 89% 효율을 도출하는 성과를 이뤘다. 

유환석 서울과기대 학생은 ‘캠형상에 따른 날개 틸팅형 풍력터빈의 성능에 대한 실험적 연구’를 발표했다.

연구를 통해 저풍속에서도 발전이 가능한 날개 틸팅형 풍결발전기를 설계하고 캠형상변화에 따른 수치변화를 비교·분석했다. 그 결과 날개 틸팅구간 길이가 토크에 영향을 주고 틸팅길이는 곡률반지름 길이와 관련이 높은 것으로 나타났다. 

강명보 제주대 학생은 ‘풍력발전기 점검용 드론을 위한 상시공급 전원장치 개발’을 발표했다. 

이번 연구로 드론에 사용되는 배터리를 단일전원으로 통합해 지상충전과 동시에 연속전원을 사용할 수 있도록 해 비행시간에 제한받지 않고 풍력발전기를 점검할 수 있게 되는 성과를 거뒀다. 

지열활용 효율성 강화방안 
김재민 부산대 학생은 ‘모듈러 지중열교환기 성능예측식 개발을 위한 지중온도 예측모델 구축’에 대해 발표했다. 이번 연구는 수직밀폐형 지중열교환기의 천공비용이 높은 단점을 보완하기 위한 것이다. 

이를 위해 낮은 심도에 간단하게 설치가 가능한 콤팩트타입의 모듈러 지중열교환기를 제시했으며 모듈러 지중열교환기의 수치를 해석한 결과 △기간평균 지중온도 6.11 △EWT(Enterign Water Temperature)5.87℃ △단위길이당 체열량 8.12W/m으로 나타났다.

용준혁 조선대 학생은 ‘Ag/MgO 하이브리드 나노유체의 판형열교환기 성능향상에 대한 해석적 연구’를 발표했다. 

이번 연구는 2가지 이상 나노유체를 혼합분산으로 모유체의 열물성을 개선시키는 하이브리드 나노유체의 열전달 성능개선을 확인했다. 나노유체 농도가 0에서 2vol%로 증가함에 따라 판형열교환기의 열교환량은 1,584W로 나타나 모유체대비 107.1% 향상했다.

김민균 제주대 학생은 ‘제주도 현무암슬러지를 활용한 무기내화단열재 개발’에 대해 발표했으며 제주도에서 현무암 가공사업으로 인해 발생되는 현무암 슬러지를 활용해 단열재를 생산하는 기술을 개발했다. 

현무암 슬러지로 생산한 미네랄울은 열간수축온도 727℃로 나타났으며 이는 KS규격에 명시된 기준인 600℃를 상회한다. 또한 건축법에 명시한 미네랄울 품질기준에 적합한 것으로 확인됐다. 

열에너지 활용 효율 증대
고동훈 제주대 학생은 ‘다단축열조의 열성층화에 관한 실험적 연구’를 발표했다. 

연구를 통해 하나의 큰 규모로 설계되는 축열조의 열손실을 보완하기 위해 작은 용량의 축열조를 여러개 배치하는 다단축열조를 제시했으며 기존 축열조와 다단축열조와의 열이용율을 동일한 조건을 설정해 비교했다. 그 결과 축열조의 온도가 올라갈수록 열이용률이 증가하는 것으로 나타났다.

박자운 한국생산기술연구원 연구원은 ‘저온열원을 활용한 유기랭킨사이클의 최적화설계’를 발표했다.

이번 연구로 가연성 폐기물 연소로 발생되는 열에너지를 활용한 고효율 발전시스템 개발을 위해 유기랭킨사이클의 작동 최적화설계를 진행했다. 그 결과 터빈압력비 4에서 10.2% 효율을 갖는 사이클을 설계했다. 

모든 세션이 종료된 후 진행된 우수논문 시상식에서 김민기 대림산업 연구원과 유환석 서울과기대 학생이 우수한 연구성과를 이뤄낸 공로로 우수논문상 수상의 영광을 안았다.