지난 10월22일 서울에서 ATES 전문가 워크숍이 열렸다. 주한네덜란드대사관이 개최한 이번 워크숍은 ATES시스템 전문가를 대상으로 열렸으며 ATES시스템에 대한 지식을 공유하며 적용이 활발한 네덜란드의 사례를 통해 국내시장 활성화를 위해 필요한 사안들을 고민하는 자리로 마련됐다.

 

릭 노벨 네덜란드대사관 농무참사관은 축사를 통해 “그동안 다양한 행사 등을 통해 MOU를 체결했으며 ‘ATES코리아’가 설립되는 등 한국과 네덜란드의 연대가 깊어졌다”라며 “이번 행사를 기점으로 기술격차를 줄일 수 있는 계기가 되길 바란다”고 말했다.

 

김남훈 ATES코리아 대표는 “이번 워크숍은 한국형 RE100과 신재생에너지 발전을 위해 모인 소중한 자리”라며 “여러차례 네덜란드 방문해 ATES 모델이 적용된 여러 프로젝트를 방문했으며 현재 국내 적용가능한 대상지 발굴해 자체 프로젝트를 추진하고 있다”고 말했다.

 

ATES시스템 개요
Witteveen Bos는 ATES코리아 등과 함께 한국사업에 다수 참여하고 있으며 보령시 ATES 개발 등에 참여해 △타당성·사업성조사 △지질·지하수모델링 분석 △시스템디자인 △인허가 지원 △건물에너지·공조시스템 통합 등 다방면에서 협력하고 있다.

 

살레 모하마디 Witteveen Bos 수석연구원은 ATES시스템의 정의와 운영원칙을 소개했다. 

 

ATES시스템은 심부에서 적용되는 지열시스템으로 배터리시스템과 같이 겨울철 지하에 열을 저장 후 여름에 사용하거나 겨울에 저장한 후 여름에 사용할 수 있다.

 

ATES시스템은 냉난방을 위한 기저부하 열원으로 활용할 수 있으며 100% 냉방, 난방으로도 활용하는 등 다방면 활용이 가능한 시스템이다.

 

시스템 COP는 4~40까지 나타나고 있으며 프리쿨링으로 건물에너지효율 90%, 난방 50%까지 에너지절감이 가능한 시스템이다.

 

ATES는 소규모부터 대규모 프로젝트까지 폭넓게 적용할 수 있는 시스템으로 환경에 미치는 영향이 적으며 열섬현상도 발생하지 않는다.

 

밀도높은 도시지역에서도 설치가능하며 여름철 도시과열현상도 방지해 주목받고 있다.

 

살레수석연구원은 "ATES시스템 보급이 가장 활발한 국가인 네덜란드에서는 지난 30년전 ATES시스템 구축이 시작돼 현재 약 3,000여개소가 운영 중"이라며 "주로 공장, 회사, 병원, 대학교 등에 활용되고 있으며 스마트 냉난방그리드를 활용한 시스템통합을 진행하고 있다"고 말했다.

 

 

ATES 성공요인, '대수층 특성분석'

 

바스 DTESS 대표는 중·고온ATES 시스템에 대한 발표와 성공요인 분석 등에 대해 발표했다. ATES시스템 설계 시에는 대수층 특성을 파악하는 것이 성공의 필수요인으로 ATES 실증 유망지역을 찾는 것도 매우 중요하게 작용하고 있다.

 

데이터 또한 주요요인으로 데이터 정확성을 위해 신뢰있는 데이터베이스(DB)를 꾸리는 것이 중요하다. 국내의 경우 데이터를 모아 DB를 구축해 관리하는 시스템이 마련된다면 최적화가 가능할 것으로 보인다.

 

또한 ATES는 빌딩시스템과 잘 연관돼 작동돼야한다. ATES시스템을 사용하면 상대적으로 높은 온도까지 냉방이 가능해 공조시스템과 연계해 조정한 뒤 건물에 맞춰 개선, 변경이 가능하다. 

 

바스 대표는 “ATES 시스템 적용 시 설정할 수 있는 목표가 두 가지로 나뉜다”라며 “투자비용, 운영비용 등을 고려한 최적 투자효과를 얻을 수 있는 방식을 찾거나 에너지사용을 최저로 설정해 CO₂ 저감을 극대화하는 등 방향으로 결정 가능하며 이 때 최종사용자와 소통이 중요하다”고 강조했다.

 

ATES 성공을 위해서는 설계기술력도 필요하다. 설계측면에서 고려사항은 △필터디자인 △유량속도 △최적사이즈 등으로 필터·슬롯 디자인이 중요 요소로 판단되고 있으며 유량속도가 너무 높아서는 안된다.  또한 적절한 기술, 시스템을 잘 설계하지 않으면 관정이 막힐 수 있는 우려가 있으며 기밀성 유지도 중요하다. 

 

바스 대표는 “취수과정부터 공기와 접촉하는 경우가 발생하면 안된다”라며 “이 경우 지하수가 산화될 수 있는 요인이 되며 산소로 인해 철성분이 침전되면 향후 문제가 발생할 수 있기 때문”이라고 말했다.

 

ATES 설계 시 수십년간 견딜 수 있도록 만드는 것 중요하다. 한국 지형, 지질에 맞는 천공방식을 선택해야하며 첨가물 사용을 최소화해야 향후에도 청정도 유지가 가능하다.

 

바스 대표는 “천공방식은 주로 역회전방식이 선호된다”라며 “일반적으로 지하수가 시추공을 따라 올라가게 되는데 천공하다보면 진흙입자가 대수층 방향으로 밀리는 상황에서 역회전해 침전물이 위로 올라오도록 유도한다”고 말했다.

 

천공은 직경 80~100cm, 깊이 최대 400m까지 가능하다. 이때 중요한 것은 정확한 샘플을 채취해야 한다는 것인데 그래야만 모래 분포위치 등 정확한 정보 얻을 수 있기 때문이다. 

 

최종 설계∙설치 이후 사후관리도 중요하다. ATES 시스템 설계자들이 사용자들에게 알고있는 지식을 전수해아 한다. 대략적 운전과정과 유지보수방법 등부터 모니터링시스템 분석방식까지 다방면의 지식공유가 필요하다.

 

바스 대표는 “ATES 기술을 적용할 때에는 논리적 흐름을 잘 파악해야한다”라며 “이때 ‘얼리어답터’가 필요한데 ATES도입 초기단계인 한국은 ATES 얼리어답터들과 협력해야한다”고 강조했다.

 

한편 ATES시스템 온도범위를 살펴보면 중온은 30~50℃∙고온 50~95℃로 구분된다. 50℃를 기준으로 하는 이유는 ATES 시스템은 일반적으로 통상 시중에 유통되는 자재를 사용할 수 있지만 일정 온도이상 고온에 필요한 다른 장비등을 추가해야 하기 때문이다. 

 

특히 50℃가 넘어가면 칼슘이 침전되는 상황이 우려되므로 고온ATES를 사용할 경우 다른 부품사용과 정수작업이 필요해진다.

 

중온 ATES의 경우 지하수에서 직접 끌어올린 물을 사용하게 되면 추가적인 장치없이 건물에 직접냉방이 가능하다. 난방의 경우 지하수 온도가 17℃ 정도로 분포돼 충분히 따뜻하지 않아 물을 끓어올린 뒤 가열작업을 위한 전기가 필요한 상황이 되므로 높은 효율성이 요구된다.

 

바스 대표는 “네덜란드에서는 ATES를 히트펌프 없이 사용하는 방법에 대한 문의가 이어졌다”라며 “지붕에 태양열전지판을 부착해 열을 저장해둔 뒤 겨울에 직접 끌어올린 난방수에 섞는 새로운 아이디어를 떠올려 열저장시스템과 연계하기로 결정했다”고 말했다.

 

ATES는 폐열, 바이오매스 등과 활용할 수 있는 방안도 있으며 전기시장과도 접점을 갖고 있다. 잉여전력이 발생하는 경우 전기가격이 떨어져 무료가될 때 이 전기를 ATES시스템에 저장 및 사용하는 방식을 활용할 수 있기 때문이다.

 

탄소중립 달성 위한 최적시스템, ATES

1부를 마친 뒤 시작한 2부에서는 ATES시스템의 경제성, 이해관계자 분석이 이어졌다. 탄소중립 2030 목표를 달성하기 위해서는 에너지효율성, CO₂ 배출량 감축에 관한 쇄신이 필요하다. 이때 태양열, 풍력 등 신재생에너지 대책이 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

 

부산 에코델타시티 프로젝트와 네덜란드 ATES사례를 비교한 결과 한국이 네덜란드보다 계절적 온도차가 커 해수사용범위가 넓으며 네덜란드보다 여름철 냉방수요가 더 높은 상황으로 네덜란드보다 한국 사업성이 높다는 점을 알 수 있다.

 

살레 수석연구원은 “부산은 지하토양조건이 좋지 않으며 대수층이 얇아 가변성으로 인한 유동성, 침전물 등 대수층 투과성 부족문제가 발생해 추가적인 테스트가 필요할 것으로 분석됐다”라며 “한국 건물은 주로 강에서 끌어온 물을 히트펌프 열원으로 사용하기 때문에 ATES를 사용해 여름철 냉방하는 것이 사업성 측면에서 더욱 좋을 것”이라고 말했다.

 

ATES는 폐열, 태양열 등 다른시스템과 통합해 사용할 경우 ATES를 중앙허브로 사용해 ATES 중심으로 다른 신재생에너지와 연결가능하며 ATES 통해 지역난방, 냉난방 등을 진행해 건물전체를 관리할 수 있다.

 

네덜란드 Haarlem 지역은 총 1,100가구가 거주 중으로 ATES시스템이 적용되고 있다. PVT를 활용해 지붕을 태양열전지와 연계했으며 잉여열 재판매 등도 가능하다. 필요한 경우에 따라 저장도 가능한 구조다.

 

ATES시스템 경제성 분석
자본지출(CAPEX)은 예비투자, 타당성조사를 위한 비용, 지하수 조사를 위한 비용은 물론 계획, 인허가, 물류설정, 시공 등 준비비용을 포함한다. 천공, 관정설치비용, 모니터링, 밸브∙건물설치비용도 해당된다. 운영비용(OPEX)은 열펌프, 유지보수, 소프트웨어, 인력배치 등에 소요되는 비용이다.

 

ATES와 일반솔루션의 지출을 비교한 결과 ATES와 보일러 투자비는 ATES가 많으며 활용비용 등 ATES가 적은 것으로 나타났으며 비용회수기간은 2.5년으로 이른기간 내 초기투자비를 회수 가능하다. CO₂ 배출량 감소효과도 ATES가 탁월한 것으로 나타났다.

 

살레 모하마디 수석연구원은 “ATES는 에너지, 이산화탄소 감축측면에서 강점을 갖고 있다”라며 “프리쿨링이 가능함에 따라 이산화탄소 배출량 적어 사업성이 더욱 커졌다”고 강조했다.

 

ATES는 히트펌프와 통합 시 효율성도 높일 수 있다. 난방모드시 ATES는 CO₂를 4.5% 절감할 수 있으며 일반COP는 3.5로 에너지와 자원효율성이 높다. 냉난방 모두 안정적으로 온도가 유지돼 에너지낭비를 줄였으며 에너지효율성도 높게 나타났다.

 

수열원히트펌프(WSHP)시스템과 비교했을 때 신재생성과 냉난방 COP 모두 ATES가 높았으며 규모가 확장될수록 비용 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 

 

살레 수석연구원은 “ATES는 사업성이 높으며 환경영향으로 볼 때 소음도 없다는 장점이 있다”라며 “열섬효과, 이산화탄소 배출 면에서도 우수하며 초기투자비도 이르게 회수가능하다”고 말했다.

 

ATES시스템 실현을 위한 단계 분석

바스 대표는 ATES시스템 실현을 위해 필요한 사전절차와 ATES시스템의 이해관계자를 소개했다. 타당성, 예비설계, 인허가, 디자인설계, 실현, 개발 등이 주요 순서다.

 

기술타당성 조사는 지하수상태를 파악하며 대수층이 어떤 잠재력 있는지를 확인하는 작업이다. 총 4단계로 이뤄지며 △에너지연구 △마스터플랜 △퀵스캔 △가시성 등이 고려된다.

 

에너지콘셉트와 도면을 파악한 뒤에는 비용절감효과가 어느정도일지 조사해야 하며 천공테스트 시 성질파악, 샘플링, 테스트 등을 통해 기술적 부분을 파악해야 한다. 이러한 정보들은 최종설계에 입력값으로 인입될 수 있다.

 

또한 모니터링스크린을 설치해 향후 모니터링 결과를 사용가능하다. 이에 따라 데이터, 샘플 등 업데이트가 가능하며 사업성도 파악 가능해 이를 바탕으로 다음단계 계획을 세울 수 있게 된다. 

 

인허가 위험평가도 실시한다. 수자원법 저촉여부를 확인하기 위한 평가와 배출량 허가부문의 경우 드릴링 시 물 추가배출이 있는지 등을 확인해야 하며 지표수 영향분석 등도 필요하다.

 

 

최종실현단계에서는 시공사에 예비준비단계를 요구하는데 시공사에게 도면작성하게 하며 계산, 재확인, 조달계획 등을 세우도록 한다. 이러한 작업에 대해 확인을 완료 후 준비사항을 파악한 뒤 천공에 들어간다. 이때 모니터링시스템도 함께 설치하게 되며 이를 기반으로 정확한 위치에 장착됐는지 확인하기 위한 스캔과정을 수행해야 한다.

 

ATES시스템에 설치되는 펌프에는 측정장치가 있어 물 안에 모래입자 얼마나 포함되는지 확인할 수 있다. 드릴링과 동시에 시운전이 시작되며 모두 완성되면 최종설치가능하다.

 

ATES시스템은 △고객 △컨설턴트 △품질관리 △정부 △시공사 △사용자 등 다양한 이해관계자들이 있다. 특히 협력사는 스크린이나 특수제어시스템, 펌프 등의 신뢰성이 중요하게 다뤄지는 만큼 핵심적인 주체다. 이러한 시스템, 컴포넌트 등은 ATES 전용으로 만들어져야 하기 때문에 협력사의 역할이 중요하다. 또한 시공사는 유지보수, 특별서비스 제공 등 1년 2회 이상 파견, 점검 등이 진행 가능한지 확인해야 한다.

 

바스 대표는 “정부는 지하공간 보호, 지하수 품질, 활용에 대해 보호해야 한다”라며 “이에 따라 신재생에너지원이 필요하며 ATES를 새로운 신재생에너지로 사용하는 것을 권장한다”고 말했다.

 

시스템 신청자들은 위해성이 없다는 것 증명할 의무도 있다. 열 낭비가 없도록 하는 것이 초점이며 주변시스템에 해가 되지않는지 이해관계 상충유무를 보고해야 하고 기존시스템에 영향이 없음을 밝혀야 한다.

 

바스 대표는 "천공 진행 시에도 자격을 갖춘 사업자가 진행해야하며 결과발표 등도 정확한 기록으로 DB화돼야 한다"라며 "에너지량도 정확하게 기입해야 하며 지하수샘플 채취 및 약 5년간 평가과정 등이 필요하다"고 강조했다.

 

ATES 국내 사업자 애로사항 공유

모든 강연이 종료된 후 추가 토론이 이어졌다. 살레 수석연구원과 바스 대표는 강연 중 진행했던 질문들을 활용해 참석자들 의견을 파악했다. 

 

국내 ATES 전문가들은 ATES사업을 진행하면서 생긴 의문을 나누며 애로사항 등을 공유했다. ATES 활성화를 위해 지열과 함께 도입하는 방식을 고려해야 한다는 의견 등을 제시했다.

 

김남훈 ATES코리아 대표는 “ATES를 어떤 분야에 적용할 것인가에 대해 고민하고 있다”라며 “단열효과가 있는 일반건물 등에 적용하는 것이 COP측면에서 효과가 좋을 것”이라고 말했다. 

 

살레 수석연구원은 “네덜란드 유리온실 적용사례를 보면 충분한 효과와 높은 에너지효율을 가졌다는 것을 확인했다”라며 “현재까지는 시범사업으로 진행되고 있는 상황으로 장기적 ATES 검토가 필요할 것”이라고 말했다.

 

한 국내 관계자는 “국내에 어떤 분야에서 ATES를 적용할 수 있는 지 고민된다”라며 “ATES가 건물에 적용되기 위해서는 법적으로 제도권에 ATES가 들어와있어야 냉난방에 적용될 수 있는 여지가 커질 것”이라는 의견을 제시했다.

 

김남훈 ATES코리아 대표는 “ATES 농업, 온실 등에 적용하는 것을 구상하고 있다”라며 “그러나 농업관련 에너지가격이 낮은 수준에서 공급되므로 ATES가 자리잡기에 어려움이 있을 것으로 보이는 만큼 건물 냉난방용이 더욱 적합할 것”이라고 말했다.

 

이어 “당장 상용화할 수 있는 대규모건물에 적용시킬 수 있도록 단열효과가 우수한 건축물 등에 적용하는 것을 단기사업 목표로 설정했다”고 말했다

 

살레 수석연구원은 “공공건물 등에 ATES를 적용하겠다는 의사도 있다”라며 “이러한 기업들을 어떻게 도우면 좋을 지에 대한 의견공유가 필요할 것”이라고 강조했다.