최근 국내 신재생에너지는 마치 블랙홀처럼 전기에너지를 중심으로 움직이고 있다. 가장 깨끗하고 수송도 간단하며 활용하기 편하면서 산업부터 가정까지 거의 모든 기기에 활용할 수 있을 만큼 유용한 에너지임은 틀림없다.

또한 근래에 반도체기술이 발전되면서 슈퍼컴퓨터 발달과 인공지능장치, 전기차 보급 확대 등 전력을 필수적으로 필요로 하는 곳이 많아지고 있다. 생활의 편리함을 주는 기기의 증가는 전력수요를 증가시키는 요인으로 작용하고 있다. 이처럼 사용하기 편한 에너지이지만 생산비용이 고가인 고급에너지라는 것이 가장 큰 단점이다.

고층빌딩 증가로 빌딩에 소비되는 에너지는 전력과 열을 포함해서 점점 커지고 있다. IEA에서는 전체 에너지소비 중 빌딩에너지소비가 36%를 차지한다고 발표했다. 건물 에너지소비를 줄이는 것은 건설산업의 향후 중요한 과제로 떠오르고 있으며 정책적 해결방안으로 제로에너지빌딩을 추구하고 있다.

제로에너지빌딩에서도 전력과 냉난방은 필수요소다. 주거부문의 사용에너지 중 난방과 온수에 사용되는 에너지비중은 74%로 조사됐다. 이처럼 주거부분의 소비에너지는 전력보다 열사용이 매우 크다는 것을 알 수 있다. 온실가스감축과 함께 자원빈국인 국내 에너지정책에서 열에너지는 전력과 함께 매우 중요하게 다뤄져야 하지만 지금까지 신재생열에너지에 대한 중요성을 인식한 역대 정부를 찾을 수 없다.

겨울이면 전력을 그대로 열을 생산해 난방을 하는 곳이 많아지고 있다. 이런 곳에 지열을 활용하면 약 70%의 에너지를 절약할 수 있다. 또한 여름철 전력수요증가 요인인 에어컨도 지열을 사용하면 약 30%의 에너지를 줄일 수 있다. 이처럼 열에너지절감에 대한 손쉬운 방안이 있다는 것을 정부정책 입안자들은 인지해야 한다. 생활에 필요한 여러 가지 에너지 중 열에너지의 중요성을 간과해서는 안 된다는 뜻이다.

업계의 한 관계자는 “산업과 주거 등 모든 부분의 에너지는 대부분 전력과 열로 구분할 수 있으며 대다수가 함께 사용된다”라며 “국가적으로 균형있는 에너지정책은 전력과 열을 함께 다루는 것이 중요하다”고 강조했다.

신재생에너지 중 가장 보급이 활성화되고 보급 후 만족도도 좋은 제품이 열분야에서 지열로 평가받고 있지만 정책은 거꾸로 가고 있다. 지열 보급 시 천공 등 문제점만 부각될 뿐 효용성은 오히려 천대받는 느낌이다.

시장은 수요자가 사용해서 효과가 기대수준 이상이면 보급이 활성화되는 게 일반적인 시장원리인 만큼 정책 또한 이런 바탕 위에 올바르게 보급되도록 지원하고 환경을 조성해 주는데 역점을 둬야 한다.

전기 1을 사용해 4계절 내내 3 이상의 COP를 안정적으로 내는 것은 지열히트펌프시스템이 유일하다. 즉 화석에너지 100을 기준으로 한다면 지열은 100 이상의 효율을 얻을 수 있다는 뜻이다.

업계의 관계자는 “냉매의 증발과 응축원리를 이용한 히트펌프가 있기에 지열이 이상적인 효율을 낼 수 있는 것”이라며 “정부도 전기 생산에만 집중하기보다 RHO(신재생열에너지의무화)제도 시행을 앞당기는 한편 생산된 전기를 어떻게 효율적으로 이용할까에 정책을 집중한다면 자연스럽게 지열시장은 활성화될 것”이라고 강조했다.

신재생열에너지 의무화(RHO)제도는 지난 정부에서 도입이 추진됐다. 도입 방안 연구용역과 공청회까지 열렸지만 어느 순간 정책방향에서 사라졌다고 관련 업계는 지적한다. 에너지를 연구하는 학자나 산업계에서 RHO 필요성을 지속적으로 제기하지만 국가적 아젠다로 자리잡지 못하고 수면 아래로 사라졌다는 표현이 어울릴 것 같다.

신재생열에너지 활성화는 균형있는 국가적 에너지원 개발을 위해 반드시 필요하다. 효율이 월등히 높은 신재생열에너지원 보급을 장려하는 정책이 시급한 이유이다.

특히 의무화 사업으로 진행되는 시장에서 지열은 역할이 크다. 건물 냉난방을 모두 지열이 담당하기 때문으로 이는 신재생에너지의 사용측면에서 매우 중요하다.

지열이 보조냉난방이 아닌 주열원으로써 역할을 할 수 있도록 정책지원이 선행돼야 한다.

업계의 관계자는 “과거에는 지열 시공기술 부족 및 경험 부족으로 실패하는 경우도 많았지만 이제는 안정화된 기술이 확보됐다”라며 “이미 일부 공공건물 등에서 별도의 열원없이 지열이 전체 건물부하를 담당하기 시작했고 앞으로 점차 확대될 것”이라고 강조한다.

결국 신재생열에너지의무화가 빠른 시일 내 시행된다면 RPS가 전력생산 신재생에너지산업을 활성화시킨 것 못지 않게 신재생열산업이 국가에너지정책에 크게 기여할 것은 분명해 보인다.

지금까지 지열에너지 보급사업은 다양한 건물을 대상으로 진행됐다. 그러나 성격상 상가, 학교, 오피스건물, 공공건물에 편중될 수밖에 없었다. 냉난방 시스템이 정형된 건물로 이미 초기부터 적용해 오던 분야에서 보급량만 증가하는 형태다. 이러한 편중된 보급은 추후 시스템의 다양화 및 기술 개발의 걸림돌로 문제가 발생할 수 있으며 한계를 드러낼 수밖에 없다.

업계의 관계자는 “현재 보급실적은 다수보다는 소수가 혜택받는 형태로 적용 규모도 적어질 수밖에 없다”라며 “보다 많은 소비자가 지열에너지를 접하기 위해서는 실 거주공간에 적용, 보급하는 것이 가장 효과적이며 국내에서 가장 일반적인 거주형태인 아파트(공동주택)가 대상이 돼야 한다”고 강조했다.

연간 주택공급물량이 50만가구를 넘어가고 있는 현 시점에서 공동주택에 신재생에너지가 적용되는 사례는 극히 드물게 나타나고 있다. 적용된 사례도 대부분 관리사무실, 단지 내 공동시설 등에 국한돼 있어 시범적용 성격이 강하다. 적극적인 지열에너지 보급을 위해서는 거주세대에 직접 적용해야 냉난방비를 절감할 수 있어 소비자 만족도를 최대한 끌어 낼 수 있을 것으로 보인다.

일반적으로 동시사용률은 약 50% 부근으로 나타난다. 이에 따라 중앙집중식으로 설비를 설계하면 설치되는 지중열교환기의 용량을 동시사용률에 맞게 설치해 시공비를 효과적으로 낮출 수 있을 뿐만 아니라 이용률도 극대화할 수 있다.

지열업계에서는 공동주택(재건축)에 지열을 적용하는 것은 최근 2~3년간 주요 이슈 중 하나였다. 서울시의 경우 연 10만㎡ 이상인 공동주택에 신재생에너지 의무비율이 14% 이상으로 상향되면서 신재생에너지 중 검토되는 것이 지열, 태양광, 연료전지 등 3가지다. 문제는 3가지 에너지원 중 지열개방형(SCW)을 제외하고 매우 활용이 제한적이라는 것 이 관련업계의 분석이다.

태양광의 경우는 일조량이 가능한 옥상에 배치가 되는 특성상 면적이 부족하고 연료전지의 경우 도시가스를 이용하기 때문에 운전비용이 기존의 전기를 사용하는 것보다 비싸다. 뿐만 아니라 온수부하가 충분하지 않으면 기존의 전기를 사용하는 것보다 효율이 낮을 수도 있다. 지열의 경우도 그동안 수직밀폐형 시공 시 천공수 과다로 천공부지가 부족하고 열섬화 현상으로 지속 운전의 신뢰성도 도마에 올라 있다. 이에 따라 최근 설계되고 있는 재건축 공동주택의 경우 개방형(SCW) 지열로 설계되고 있는 현장이 늘어나고 있다.

지열을 이용한 전 세대 냉난방을 해야 효율적으로 사용할 수 있지만 현재는 1~4층에 지열을 이용한 냉방정도 적용하면서 의무비율을 맞추는 실정이다. 결국 의무비율을 맞추기 위한 행위일 뿐 실제적으로 수요자 입장에서 지열을 공급하는 것이라 말할 수 없다. 이에 따라 지열을 이용해 공동주택을 냉난방하는 방식이 향후 신재생에너지로 지열의 시장 활성화에 키포인트가 될 것으로 보인다.

또 다른 업계의 관계자는 “우리나라의 공동주택 추이를 보면 이제 대단지는 한계에 도달한 것으로 판단된다”라며 “향후의 공동주택 경향은 도심권 재개발을 통한 공공리모델링으로, 5층 이하의 소형 연립주택 개념으로 전개될 가능성이 크다”고 전망했다. 즉 단독주택 등으로 밀집된 도심권의 주거상태를 소형 연립으로 구역별로 집중화하고 나머지 공간은 공원, 체육시설 등 주민들의 삶의 질 향상 편익장소로 조성될 소지가 크다.

이럴 경우 각 소형 연립주택의 냉난방 에너지원으로 지열에너지가 가장 타당하다. 고층중심의 대단위 공동주택은 천공면적이 협소하기에 전체 냉난방 용량을 지열에너지로 충당하기가 어려운데 소형 공동주택은 충분한 열용량을 확보할 수 있기에 가장 경제적이고 친환경적인 시스템으로 자리할 수 있다는 것이 관련업계의 분석이다.

특히 미래에는 공동주택(재건축)에 3~5RT급으로 지열이용 개별 냉난방, 급탕을 공급하는 시스템으로 전환된다면 지열시장이 보다 활성화될 것으로 전망된다.

우리나라 가구수는 1,936만가구(2016년 기준)로 이중 약 920만가구(2017년 기준)가 공동주택(아파트)이다. 서울시의 공동주택만 143만가구로 전국 공동주택의 15.5%를 차지한다. 초기에 건축된 공동주택은 30년이 넘어 이미 수명을 다했으며 이로 인해 강남 등의 오래된 아파트는 대규모 재건축공사가 진행되고 있다.

서울시는 연면적 10만m2 이상의 대규모 재개발 아파트의 경우 예상 에너지사용량의 14%(2015년 기준)를 신재생에너지로 공급토록 조례(서울특별시 환경영향평가)에 규정하고 있으며 2018년부터 16% 적용을 위한 개정고시안 행정예고가 공고됐다.

오래된 아파트부터 순차적으로 재개발이 진행된다면 현재 기준으로 서울지역 공동주택의 전체 예상에너지 사용량은 7만5,297GWh/yr이며 신재생에너지 생산량은 1만542GWh/yr로 지열설치용량은 약 11.2GW(319만8,267RT)이다. 시장 규모는 1RT당 400만원으로 계산 시 약 12조8,000억원의 매우 큰 시장으로 아파트 수명을 50년으로 산정해도 매년 2,550억원의 적지 않은 시장이 형성될 수 있다. 이러한 아파트에 신재생에너지인 지열을 적용한다면 우리나라의 신재생에너지산업을 획기적으로 발전시킬 수 있는 절호의 기회가 될 수 있다.

해외의 설치사례를 보면 이미 유럽에서는 지열히트펌프를 공동주택에 적용하기 시작했다. 대표적으로 스웨덴의 Ting1 in Örnsköldsvik은 340kW 용량(24hole×250m)의 지열히트펌프를 설치해 51가구에 난방수와 온수를 공급하고 있다. 특히 Association Ljuskärrsberget은 500가구의 대규모 공동주택으로 약 1,560kW 용량(보어홀 156×230m)의 지열히트펌프를 설치해 운영함으로써 연간 3.5GWh의 에너지와 함께 350ton의 CO2 절감도 예상하고 있다. 또한 스웨덴의 NIBE, 독일의 VIESSMANN과 미국의 WaterFurnace 등의 대표적인 히트펌프업체에서는 공동주택의 가정용으로 적합한 지열히트펌프 제품을 출시해 판매하고 있다.

우리나라에서도 공동주택 재개발 사업에 지열을 적극적으로 도입할 경우 에너지절감과 함께 온실가스 감축 효과를 누릴 수 있는 만큼 관련된 고온수 지열히트펌프 개발과 초기 투자비에 대한 정부의 적극적인 지원이 필요하다.

인공지능기술 및 사물인터넷, 빅데이터 등 정보통신기술(ICT)과의 지열 냉난방시스템의 융합을 통해 생산성을 향상시키고 지능화를 통한 지열시스템의 신사업 혁신이 이뤄져야 한다. 지열시스템을 제어하는 모든 장치를 외부에서 원격조정이 가능하도록 하는 제어기술이 일반화돼야 하고 실시간으로 수요자에게 운전상황이 전달되도록 커뮤니케이션 능력 제고가 필요하다.

이를 위해서는 인공지능을 기반으로 한 통합서비스 구축, 지능형 지열시스템 제어기술, 일반주택 및 건물에 지능형 전력계량기 보급을 통한 지열시스템 스마트열그리드화, 부하 대응형 지중열원 다변화기술 개발 등이 필요하다.

태양광 등 분산형 전원과의 연계를 통해 계통전력의 소요를 저감할 수 있는 시스템 구축이 연구돼야 한다.

업계의 관계자는 “인공지능, 사물인터넷 및 빅데이터기반의 초지능혁명인 4차 산업혁명이 산업계 전반에 걸쳐 큰 영향을 끼치고 있다”라며 “특히 이러한 4차 산업의 특징은 기존의 냉난방공조업계에 새로운 변화의 바람을 가져올 것”이라고 예상했다.

기존의 산업은 냉난방공조기기의 기능 측면을 강조하고 생산자와 공급자가 제공한 정보만을 확인하는 단방향이었다면 4차 산업혁명 진입은 소비자도 냉난방공조기기의 성능이나 운전 상태를 확인토록 하고 운전에 적극적으로 참여하는 등 양방향 정보의 이동이 필요한 시대로의 변환을 의미하는 것으로 파악된다.

결국 4차 산업혁명의 시작으로 산업과 정보통신기술의 융합이 크게 주목받고 있다. 특히 IoT 기술을 활용한 데이터의 수집 기술과 수집된 데이터의 분석 및 활용을 위한 ICT 융합 기술이 지속적으로 발전되고 있다.

결국 기존의 냉난방 제품의 운전정보에서 소외된 사용자에게 히트펌프 시스템의 데이터를 제공해 운전성능과 운전상태 모니터링이 가능토록 해야 한다. 특히 이상데이터가 발생됐을 때 알람 및 적합한 유지관리를 지원하는 기능을 제공해야만 한다. 축적된 운전데이터를 활용해 사용자 중심의 규칙을 설정, 등록할 수 있도록 지원해 사용자 중심의 운전환경을 꾸며나갈 수 있도록 해야 한다.

특히 태양광·열과 지열히트펌프 등 복합 열원을 활용한 냉난방 시스템 구성과 시스템에서 발생되는 데이터 획득 및 분석을 통한 복합열원의 최적제어 시스템을 위한 지속적인 연구도 선행돼야 소비자를 만족시킬 수 있다.

A사는 B건축사무소와 협업해 패시브하우스에 지열히트펌프시스템을 설치하고 모니터링하고 있다. 2017년 10월 모니터링시스템을 설치한 후 에너지사용량 및 운영온도 정보를 수집하고 있는 것이다.

모니터링 시설은 6가구가 거주하고 있는 제로에너지 다세대주택으로 1가구가 2개층을 사용하고 있는 구조다. 또한 태양광발전시스템을 적용해 가정용 전력비용을 발전량으로 대체하고 있다.

올 겨울은 유난히 혹한이 길었다. 그럼에도 불구하고 지열시스템 운영온도를 살펴보면 부하측 온도는 설정온도인 44℃로 일정하게 공급되고 있으며 환수측은 22℃에서 꾸준이 지속적으로 상승해 39℃까지 환수됐다. 이때 인버터압축기의 특성이 발휘돼 환수온도가 변화해도 용량조절 기능으로 공급온도는 일정온도를 유지하는 것을 볼 수 있다. 지열측 온도는 현재에도 매우 양호한 상태를 유지하고 있으며 공급온도 16℃, 환수온도 11℃정도를 유지하며 고효율 운전을 수행하고 있다.

하지만 낮은 사용료대비 높은 기본료가 문제다. 지열시스템이 사용하는 전력을 살펴보면 10월에 약 250kW, 11월에 약 480kW, 12월에 약 650kW, 1월에 약 710kW를 사용했다. 이는 난방 및 급탕의 동력소모량을 모두 합한 전력사용량이며 월별 운전비용을 산정해 보면 일반전력(갑)Ⅰ에 해당되므로 92.3원/kW(11월~2월)으로 산정됐다.

이를 토대로 연간 운전비 및 기본요금을 산정해 보면 운전비는 약 35만원, 기본료는 약 30만원으로 예상된다.

특기할만한 사실은 운전비에 비해 기본료 비율이 매우 높다는 것이다. 현재 주택용 지열의 요금체계는 일반전력(갑)의 체계를 따르고 있어 6,160원/kW이 부과되고 있다. 가정용 지열의 90% 이상이 최대용량인 17.5kW(5RT), 계약전력 6kW정도를 사용하고 있어 매월 3만7,000원의 기본요금을 납부하고 있는 것이다.

그러나 주택용 저압전력의 경우 1가구당 910원(200kWh 이하), 1,600원(201~400kWh), 7,300원(400kW 초과)을 부과하고 있어 최고 누진제 구간인 400kWh 초과구간과 비교해도 5배 이상의 기본요금을 부과하고 있는 것이다.

업계의 관계자는 “최고의 에너지절약설비인 지열냉난방시스템의 기본요금이 워낙 높아 보급 활성화의 부담요인으로 작용하고 있다”라며 “한국전력에서는 전기 공급약관 중 주택용 전력 관련규정 제56조의 내용 ‘신재생에너지설비의 인증 등에 의해 인증된 지열설비는 별도 분리해 일반용전력을 적용한다’에 추가해 저렴한 기본요금 부과규정을 추가하면 주택용 지열이 더욱 활성화할 수 있을 것”이라고 지적했다.

이 관계자는 “기본요금의 제도개선이 이뤄진다면 우리나라 주거의 많은 부분을 차지하고 있는 아파트시설에도 지열을 적용해 환경과 에너지문제 해결에 많은 역할을 할 수 있을 것”이라고 강조했다.

최근 공공주택 또는 신재생 융복합사업 등 공기업 및 지자체에서도 신재생 확대를 위해 적극적인 노력하고 있으며 서울시에서도 환경영향평가 건축물에 15% 이상의 신재생 적용을 의무화하는 등 민간건축물의 투자도 강하게 요구하고 있다.

ZEB 측면에서 빌딩의 냉난방은 어떠한 형대로든 별도 외부에너지 공급없이 이뤄져야 한다. 이를 위해서는 태양열과 지열을 융복합해 활용해야 하는데 태양열을 태양광과 같은 설치 문제를 여전히 갖고 있고 지열은 전기를 사용하는 제품인 만큼 지열에 사용하는 전기를 태양이나 풍력에서 얻어야 한다. 또한 지열뿐만 아니라 건물에 사용하는 모든 전기도 이런 형태로 설계, 건립돼야 한다.

이에 따라 ZEB에서의 지열이나 전기가 가장 적게 소모될 수 있는 최적화된 건축기술도 함께 연구, 발전돼야 하며 건물미관을 유지하면서 최대의 에너지를 얻을 수 있는 시스템을 구현할 수 있을 때 신재생에너지산업이 ZEB에 최적화될 것으로 기대된다.

지열과 공동주택(재건축)이 활성화하기 위해 필요한 지역난방은 지금의 방식보다 분산열을 형태로 세분화하는 공급 방식 적용이 필요하다. 4세대 지역난방시스템이 최근 유럽은 물론 국내에서 주목받고 있는 시스템이다.

스팀을 열매체로 이용해 지역난방을 공급하기 시작한 이후 건축 단열기준과 설비의 개선 등을 거치며 좀더 낮은 온도로 공급할 수 있게 한 방식이다. 현재 국내에서 운영 중인 지역난방시스템은 3세대로 구분된다.

유럽에서 4세대 지역난방시스템은 지역난방 공급온도를 50~60°C로 공급하는 것이며 지역난방 회수온도가 기존보다 낮아짐으로써 열수송관내에서 발생되는 열손실이 줄어들고 전체 지역난방시스템의 효율이 개선되는 효과가 있다. 또한 저온공급시스템이다보니 지열, 태양열, 연료전지 등 재생에너지원에서 발생하는 저온의 열을 지역난방시스템에 연결시킬 수 있다.

기존 지역난방 공급권역내에서 재건축 및 신축건물에 대해 사용자가 설치하는 신재생에너지원과 연계할 수 있는 4세대 지역난방은 지역난방사업자가 별도의 추가 열원설비 설치 없이 수요개발을 극대화할 수 있는 모델이다.

현재 서울시에서 시행하고 있는 환경영향평가 대상 신축 및 재건축 건물에 적용이 가능할 것이며 신재생에너지원을 사용자가 설치할 경우와 집단에너지사업자가 설치할 경우로 구분해 사업모델을 검토할 필요가 있다. 신재생에너지원에서 생산되는 에너지(열·전기)의 생산단가 및 운영비용을 고려하고 지역난방시스템과의 최적연계방안을 검토함으로써 지역난방 사업자 및 사용자 모두에 편익이 발생되는 사업모델을 개발이 시급한 상황이다.