Analysis of Economic Feasibility and Reductions of Carbon Dioxide Emission of Geothermal Heating and Cooling System using Groundwater

지하수를 이용한 지열 냉난방시스템의 경제성 및 이산화탄소 저감량 분석

Abstract

The development of renewable energy technologies that can replace fossil fuels is environmentally important; however, such technologies must be economically feasible. Economic analyses are important for assessing new projects such as geothermal heating-cooling systems, given their large initial costs. This study analyzed the economics and carbon dioxide emissions of: a SCW (standing column well), a vertical closed loop boiler, a gas boiler, and an oil boiler. Life cycle cost analysis showed that the SCW geothermal heating-cooling system had the highest economic feasibility, as it had the highest cost saving and also the lowest carbon dioxide emissions. Overall, it appears that geothermal systems can save money when applied to large-scale controlled agriculture complexes and reclaimed land.

신재생에너지는 지금까지 화석연료의 잔량과 환경적인 면에서 그 중요성이 부각되었지만, 경제성에 대한 요구도 점차 커져가고 있다. 특히, 지열 냉난방시스템은 초기 투자비가 큰 점이 단점으로 부각되어 경제성 분석을 통한 결과 제시가 더욱 중요해지고 있다. 따라서 본 연구에서는 지열 냉난방시스템의 경제성과 이산화탄소 발생량을 경유보일러, 도시가스 보일러, 수직밀폐형 및 SCW형의 4가지 방식으로 비교하여 분석을 수행하였다. 생애주기비용분석 결과, 지열 냉난방시스템의 경제성이 높게 나타났으며, 이중 SCW형 지열 냉난방시스템을 이용하는 경우 절감액이 가장 높은 것으로 분석되었다. 또한 이산화탄소 발생량 분석 결과, SCW형 지열 냉난방시스템을 적용할 때 저감량이 가장 크게 나타났다. 따라서 본 연구결과에서 제시된 분석 결과를 대규모 시설농업단지나 간척지에 적용 시 많은 비용을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.

서 론

최근 신재생에너지(New & Renewable Energy)가 각광을 받는 이유는 화석연료의 잔량이 많지 않다는 측면과 환경적인 영향이 크다는 것이다. 이와 더불어 경제적인 측면에 대한 요구도 증가되어가고 있다. 증가하는 화석연료에 대한 경제적인 부담과 화석연료의 고갈에 대비한다는 측면에서 신재생에너지에 대한 연구와 개발이 시작되었지만, 현실적으로 신재생에너지를 기존 화석연료보다 높은 가격으로 사용해야 한다면 비용에 대한 부담감은 클 수 밖에 없다. 따라서 최근에는 신재생에너지의 환경적 측면은 당연하며 경제적으로 절감할 수 있는 비용에 대한 구체적인 자료를 제시해 주기를 원하고 있다. 또한, 더 나아가 지구의 기후 변화를 고려한 온실가스 저감량까지도 요구하고 있다.

이러한 배경으로 지열에너지에서도 기존 화석연료 대비 경제성 분석의 필요성이 제기되었다. 또한, 지열 냉난방시스템은 지중열교환기 시공을 포함한 전체 시스템의 초기투자비가 기존 설비보다 다소 큰 것이 단점으로 부각되어 경제성 분석을 통한 결과 제시가 더욱 중요해졌다(US DOE, 2001; Ozgener et al, 2007).

국내 지열 냉난방시스템의 경제성 분석에 대한 연구는 주로 기계 분야나 건축 설비 분야에서 다양하게 시도되었다. 초기에는 주로 건물을 대상으로 경제성 분석이 시도되었으며(Lim et al., 2004; Kim, 2005; Kim et al., 2006b; Ko et al., 2007; Koh et al., 2008; Lee, 2011; Lee et al., 2011; Park et al., 2011; Oh and Choi, 2012), 이후에 주택(Park et al., 2007; Sohn et al., 2007; Sohn and Kang, 2009), 학교(Park, 2007; Cho and Sohn, 2009), 기숙사(Yang et al., 2008), 도서관(Choi, 2012) 등으로 확대되었다. 이러한 경제성 분석은 지열이 시설농업에 적용되면서 농업분야로도 확대되어 시설원예, 축사시설 등에도 시도되었다(Jang et al., 2009; Choi et al., 2011; Kim and Yoon, 2012). 또한, 최근에는 국내에서도 시도되고 있는 지열발전에도 경제성 분석이 도입되어 Chung et al. (2010)은 석모도에서 국내 저온 지열 발전의 타당성을 살펴본 바 있다.

그리고, 지열 냉난방시스템에 경제성과 더불어 기후변화를 고려한 CO2 저감량까지 분석되고 있으며(Nam and Paek, 2007), 2030년 온실가스 감축 목표 달성을 위한 전략로드맵의 15대 온실가스감축기술에 지열이 선정되어 미래의 청정에너지 자원으로서의 역할이 점점 커지고 있다(Lee, 2012).

지열 냉난방시스템은 열교환 방식에 따라 밀폐형(closed loop type)과 개방형(open type)으로 나눌 수 있으며, 밀폐형은 수평밀폐형(horizontal closed loop type)과 수직밀폐형(vertical closed loop type)으로 세분 할 수 있다. 또한, 개방형도 시추공과 지하수 이용 방식에 따라 단일관정형(single well), 스탠딩컬럼웰형(standing column well, SCW) 및 복수관정형(doublet or double well)으로 세분된다(Kim et al, 2013). 이 중 국내에서는 수직밀폐형 지열 냉난방시스템(이하 수직밀폐형)이 가장 많고 개방형인 SCW형 지열 냉난방시스템(이하 SCW형)이 다음 순으로 보급되었으며(Shim and Lee, 2010), 지하수가 풍부한 지역에서는 수직개방형의 효율이 더 높다고 보고된 바가 있다(Hahn et al., 2006; Kim et al., 2006a; Park et al., 2006; Kim and Kong, 2011; Kim et al., 2014).

따라서 본 연구에서는 시설원예사업에서 점점 증가하고 있는 지열 냉난방시스템 도입에 따른 경제성과 이산화탄소 발생량을 화석연료인 경유 보일러, 또한 점차 증가하고 있는 도시가스보일러 및 수직밀폐형, SCW형의 4가지 방식에서 비교하여 분석을 수행하였다.

 

지열 냉난방시스템의 경제성 분석

경제성 분석 방법의 종류

경제성 분석 방법에는 초기투자비법(initial investment cost), 투자이익률법(savings to investment ratio), 내부수익률법(internal rate of return), 회수기간법(payback period) 및 생애주기비용(life cycle cost, LCC) 분석법 등이 있다.

초기투자비법은 초기투자비만을 비교하여 안을 선택하는 가장 간단한 경제성 평가 방법으로 향후 운영비가 필요 없는 경우에 주로 사용하며, 회수기간법은 여러 가지 안 중에서 그 사업에서 얻을 수 있는 이익에 따라 투자금액의 회수기간을 정하여 회수기간의 길이에 의하여 경제성을 판단하는 방법으로 초기투자비, 운영비, 잔존가치를 고려하며 시간가치도 고려가 가능하다. 투자이익률법은 각종 안에 대하여 투자 금액당 이익률을 산출하고 투자 금액의 효율성을 판단하여 그 대소로 계획안의 우열을 판단하는 방법이며, 발생된 이익의 현재 가치가 초기 투자액과 같아지는 할인율을 내부수익률이라고 하는데 내부수익률법은 그 크기로 안을 선택하는 방법이다. 생애주기비용 분석법은 대상물의 초기 기획 단계부터 사용 후 폐기처분단계까지의 모든 비용(초기투자 비용, 에너지비용, 유지관리비용, 시설교체비용, 폐기비용 등)을 일정한 시점의 가격으로 환산(과거의 가격은 물가 상승율 적용, 미래의 가격은 할인율 적용)하여 가장 작은 비용이 소요되는 안을 선택하는 방법이다(Jung, 2002).

과거에는 초기투자비법이 주로 사용되었으며, 내부수익률법과 투자수익률법은 계산방법의 어려움으로 인해 사용빈도가 적으며, 현재는 회수기간법과 LCC 분석법을 주로 사용하고 있다(Cho and Sohn, 2009).

본 연구에서는 상기의 경제성 분석 방법 중에서 모든 비용을 고려하고 계산의 난이도도 높지 않은 LCC 분석법을 이용하였다.

LCC 분석법

LCC 분석법은 건물이나 기반시설물의 계획·설계·시공·운영 단계에서 관리주체의 장기비용을 미리 예측함으로써 투자의사 결정을 용이하게 하기 위한 구체적 정보를 제공해 주는데 있으며 여러 가지 다른 프로젝트 대안에 대한 상호 비교를 통해 경제적 대안을 결정할때 매우 유용하다(Cho et al., 2009). 근래에 이르러 지열 냉난방시스템을 도입되면서 초기투자비가 많이 투자되어 외면하는 경향이 있었는데 이 분석법을 통해 객관적 자료를 제시함으로써 설득력 있게 받아들여지고 있다(Sohn et al., 2007; Cho and Sohn, 2009; Sohn and Kang, 2009; Lee, 2011; Lee et al., 2011).

본 연구에서 LCC 분석을 위한 절차는 다음과 같다. 먼저 대안을 설정하기 위한 대상물의 적용사례나 각종 경제지표에 대한 기초 조사를 실시한 후, 비교할 대안을 설정하였다. 이때 기존 방식과 새롭게 도입하려는 여러가지 방식을 설정하여 최종 결론에서 비교하였다. 다음으로는 분석기간, 할인율, 환산율 등 LCC 분석에 필요한 가정들을 설정하였는데, 이는 비용을 상대적으로 비교하기 위한 시점을 결정하는 것으로 과거와 현재 시점의 화폐 가치의 차이를 보정할 목적으로 반드시 필요한 과정이다. 마지막으로는 각 요소별로 비용을 계산하여 앞에서 결정한 시점으로 환산하는 LCC를 계산하였다 (Fig. 1).

Fig. 1.A schematic diagram of the procedural structure for LCC (modified from Cho and Sohn, 2009).

이러한 LCC 분석법의 계산 방법은 다음과 같다.

여기서 I는 초기투자비용(initial investment cost), E는 에너지비용(energy consumption cost), OM&R은 유지 관리비용(operating, maintenance and repair cost), R은 시설교체비용(replacement cost), RV는 잔여가치(residual value)를 말한다.

경제성 분석 대상 지역

우리나라는 남북으로 길게 뻗어있고 동고서저의 지형을 갖고 있기 때문에 위도, 고도 및 지역에 따른 온도 차이가 크게 나타난다. 이러한 온도 차이는 부하량에 영향을 미쳐서 에너지 소모비용에 차이가 발생하므로 유사한 온도 분포를 가지고 있는 위도(latitude), 고도(elevation) 및 지역(region)에서 경제성 분석 대상지를 선정하였다. 또한, 시설원예 사업의 재배작물은 각각의 생육에 맞는 설정 온도가 있어 이러한 온도도 부하량에 영향을 미치기 때문에 유사한 설정 온도를 가진 작물을 재배하는 지역을 선정하였다.

경기도 가평군 상면에는 SCW형으로 ‘심비디움’을 재배하는 시설원예 온실이 있으며, 이 곳과 약 200 m 떨어진 곳에서는 경유 보일러 난방으로 ‘동양란’과 ‘교배종’을 재배하는 온실이 있다. 이 지역은 동경 127o 17', 북위 37o 50'에 위치하며 해발 약 240 m의 고도를 가진다. 여기에 인접한 가평군 북면에는 수직밀폐형으로 국화 등을 재배하는 온실이 동경 127o 32', 북위 37o 52', 해발 약 110 m의 고도에 위치하고 있으며, 이는 SCW형 시설원예 온실에서 동쪽으로 약 22.7 km 떨어져 있다. 두 지역은 고도 상으로는 130 m 정도의 차이가 있지만, 비슷한 위도와 지역에 위치하고 있어 거의 유사한 온도유형에 속한다고 할 수 있다(Fig. 2).

Fig. 2.Two study areas selected for the economic analysis. They are located in the same latitude.

또한, 재배온도별 야간온도 설정기준을 살펴보면, SCW형으로 재배하는 ‘심비디움’과 수직밀폐형으로 재배하는 ‘국화’는 고온성 작물로서 15℃의 설정온도를 가지며, 경유보일러로 난방을 하는 ‘동양란, 교배종’은 중온성 작물로서 설정온도는 14~10℃이다(RDA, 2008). SCW형과 수직밀폐형은 동일한 설정온도이며, 경유보일러는 다소 낮지만, 차이가 근소하여 분석에서 제외하였다.

SCW형 시설원예 온실은 2009년에 준공되었으며, 면적은 10,200 m2이다. 지열공은 8공(구경: 150~250 mm, 심도: 330 m × 3공, 500 m × 5공)이 시공되어 있으며, 50RT 규모의 히트펌프 3대, 30 RT 규모의 히트펌프 2대와 축열조 2대가 설치되어 있어 총 210 RT (735 kW) 규모의 설비용량을 가지고 있다. 인접해 있는 경유보일러 사용 온실의 재배면적은 4,000 m2이다. 냉난방을 위하여 750,000 kcal/hr (872 kW) 용량의 경유 보일러 1대를 가동하고 있으며 준공 시기는 불명확하다.

수직밀폐형 시설원예 온실은 2010년에 준공되었으며 재배면적이 2,050m2이다. 수직밀폐형 지열공 11공(구경: 150 mm, 심도: 157 m)을 시공하고 30 RT 규모의 히트펌프 2대를 설치한 총 60 RT (211 kW) 규모의 설비용량을 가지고 있으며, 부하용량의 80%를 지열에너지로 이용하고 있다.

도시가스를 사용하는 시설원예 온실은 현재는 존재하지 않지만, 도시가스의 보급이 날로 확대되고 있으며 시설원예 단지가 도시 인근에도 많다는 점에서 향후 시설원예 난방시스템에 사용될 가능성을 고려하여 경제성 분석 대상에 포함시켰다. 따라서 도시가스를 사용하는 난방시스템은 견적자료를 활용하여 분석하였다.

항목별 비용 산정

본 연구의 생애주기 기간은 30년으로 설정하였다. 분석 시 잔여가치는 없는 것으로 설정하였으며, 시설 폐기비용은 전 시스템에서 동일한 비용으로 가정하고 분석에서 제외하였다. 또한, 모든 비용은 수직밀폐형 면적 2,050 m2을 단위면적으로 정하고 이 면적으로 환산하여 비교하였다. 청문 결과, 수직밀폐형은 부하량의 80%로 시공하고 피크 부하 시에는 보일러를 추가 가동하므로 이 시스템에서는 모든 비용을 100% 부하량으로 환산하였다.

(1) 초기투자비용(initial investment cost, I)

초기투자비(initial investment cost)는 어떤 활동을 처음 시작할 때 지불되는 비용을 말하는 것으로서 새로운 활동을 시작함으로써 발생되는 여러 종류의 비용으로 구성되어 있다(Kong, 2006).

본 연구에서는 온실 시공비용, 전기인입비 등의 공통적인 시공 비용은 제외하고 순수하게 냉난방시스템 설치 시 소요된 비용만을 산정하였다. 수직밀폐형은 기존 경유보일러로 난방을 하던 시스템에서 교체하였으므로 순수한 지열 냉난방시스템 공사비 산출이 가능하였으며, SCW형은 총 공사비에서 냉난방 설비 부분만 따로 분리하여 산정하였다. 경유보일러는 준공 후 오랜 시간이 경과되어 산정이 불가능하여 견적자료를 활용하였으며, 도시가스보일러도 견적 자료를 활용하였다. 또한, 실제 시공 비용의 초기투자비가 과거 비용인 경우 물가상승률을 고려하여 현재의 비용으로 환산하였다.

초기투자비 계산 결과, 총 비용은 SCW형, 수직밀폐형, 도시가스보일러, 경유보일러 순으로 나타났으나, 단위면적당 비용으로 환산한 결과는 수직밀폐형, SCW형, 도시가스보일러, 경유보일러 순으로 나타났다. 지열 냉난방시스템은 초기투자비가 단점이라고 보고된 바가 있는데(US DOE, 2001), 분석 결과에서도 지열 냉난방시스템의 초기투자비가 화석연료를 사용하는 난방시스템 보다 약 3.2~5.9배 정도 높게 나타났으며, 그 중에서도 수직밀폐형의 초기투자비가 더 높게 나타났다(Table 1).

Table 1.Initial investment cost of each system.

(2) 에너지비용(energy consumption, E)

지열 냉난방시스템의 경제성 분석 중 제일 중요한 부분은 에너지비용으로 본 연구의 연간 에너지 소비량은 SCW형을 운영 중인 시설원예 온실에서 2011년의 1년 동안 측정된 데이터를 이용하였다. 조사 결과, 경제성 분석 대상지인 경기도 가평은 위도가 높아서 여름에는 특별히 냉방을 하지 않고 송풍과 환기로만 실내온도를 유지한다고 하며, SCW형에서도 냉방을 활용하지는 않았다고 한다. 따라서 모든 시스템에서 냉방을 사용하는 여름철(6~9월)의 자료를 제외하고 난방에 사용된 에너지 비용만 산정하였다.

지열 냉난방시스템은 전기만으로 사용이 가능하고, 경유보일러는 경유와 전기, 도시가스보일러는 도시가스와 전기를 사용한다. 시스템별 시간당 에너지 소비량을 살펴보면, 단위면적(2,050 m2) 당 전기 사용량은 수직밀폐형이 97.3 kWh로 가장 많은 전기를 소모하고, SCW형에서는 60.7 kWh이며, 경유보일러와 도시가스보일러에서 전기는 부가적으로 사용하기 때문에 2.6 kWh의 전기만 소모하고, 경유는 42.7 L/h, 도시가스는 1,606.8MJ/h가 소모된다(Table 2).

Table 2.※ ( ) is per unit area (2,050 m2)

경제성 분석 대상지는 시설원예를 재배하고 있는 온실로서 우리나라에서는 이러한 온실에 면세유와 농사용 전력이 공급된다. 따라서 에너지비용을 면세유와 농사용 전력을 사용하는 경우와 비면세유(일반유)와 일반용 전력을 사용하는 경우의 두 가지 경우로 구분하여 분석하고, LCC 분석에서도 두 가지 경우로 구분해서 결과를 제시하였다(Table 3).

Table 3.※ The timing of this data is August 2012.

SCW형에서 2011년 6~9월을 제외한 8개월 동안의 데이터를 분석해 본 결과, 총 999.46 시간을 가동하여 여름철의 가동 중지 기간을 제외하면, 약 17.1%의 낮은 가동률을 나타내며, 총 301,938 kWh의 전기를 사용하였다. 수직밀폐형, 경유 보일러와 도시가스보일러는 동일한 가동 시간에서의 에너지비용을 산출하기 위하여 세가지 방식의 시간당 에너지 소비량을 SCW형 측정자료의 운전시간에 적용하여 분석하였다. 분석 결과, 단위면적(2,050 m2) 당 수직밀폐형은 97,245 kWh의 전기, SCW형은 60,683 kWh의 전기, 경유보일러는 2,559 kWh의 전기와 42,635 L의 경유, 도시가스보일러는 2,559 kWh의 전기와 1,605,914MJ의 도시가스를 소모하는 것으로 나타났다(Table 4).

Table 4.Energy consumptions of each system (2011).

Table 4.Energy consumptions of each system (2011) (continued).

면세유·농사용 전력 단가를 적용한 결과, 단위면적(2,050 m2) 당 경유보일러가 가장 많은 4,409만원의 에너지비용이 산출되었으며, 도시가스는 3,790만원의 에너지비용이 산출되었다. 지열 냉난방시스템은 상대적으로 매우 작아 SCW형은 254만원, 수직밀폐형은 509만원으로 분석되어 수직밀폐형의 에너지비용이 SCW형보다 약 2배 정도 많은 것으로 분석되었다(Table 5).

Table 5.Energy costs of each systems (2011): tax-free oil, agricultural electricity.

Table 6.Energy costs of each systems (2011): general oil, general electricity.

또한 비면세유와 일반용 전력을 적용한 에너지비용 분석 결과, 단위면적(2,050 m2) 당 경유보일러가 가장 많은 7,637만원, 도시가스는 3,806만원의 에너지비용이 산출되었다. 지열 냉난방시스템의 수직밀폐형은 1,129만원으로 분석되었으며, SCW형은 561만원의 에너지비용이 산출되었다.

(3) 유지관리비용(operatingmaintenance and repair cost, OM&R)

유지관리비는 크게 일상적인 보전을 위한 일반관리비, 운영인건비, 청소비, 점검비 등의 운영관리비와 소모품 교환, 간단한 수리 등의 수선비로 구분할 수 있다. 이 비용은 직접 현장조사를 실시한 결과를 반영하는 것이 타당하나, 시설원예 농가에서는 실질적으로 유지관리비에 대한 정확한 산정이 어려워, 지열 냉난방시스템의 경우 초기투자비의 1.5%, 기존 화석연료 난방시스템인 경유보일러와 도시가스보일러는 초기투자비의 5%를 적용하여(Kirk and Dell'Isola, 1995; Shonder et al., 2000; Kong, 2006), 생애주기 기간인 30년동안 매년 지출하는 것으로 계산하였다.

또한, SCW형은 지하수법에 의거하여 매 5년마다 지하수 영향조사를 실시하게 되어 있으므로, 생애주기인 30년의 마지막을 제외하고 총 5회의 영향조사를 실시하는 것으로 설정하고 견적자료를 활용하여 영향조사비를 산출하였다.

유지관리비 산정 결과, 단위 면적(2,050 m2) 당 수직밀폐형 400만원, SCW형 321만원, 경유보일러 226만원 및 도시가스 보일러 338만원으로 나타났다. 유지관리비는 정확한 산정이 어려워 초기투자비에 대한 비율로 산정하였으므로 초기투자비가 높은 순서대로 분석되었다(Table 7).

Table 7.Operating, maintenance and repair costs of each system.

(4) 시설교체비용(replacement cost, R)

시설교체비는 내구연수가 종료된 기계설비를 교체하는 비용을 말하는 것으로 시스템의 갑작스런 고장에 의한 교체는 없는 것으로 설정하였다. 지열 냉난방시스템에서 지중 열교환기는 반영구적으로 사용이 가능하여 교체대상이 아니므로, 수직밀폐형 경제성 분석 대상지의 설계자료를 바탕으로 냉난방기 설치 공사비를 산정하고, 이를 SCW형에도 동일하게 적용하였다. 경유보일러와 도시가스보일러도 견적자료를 참고하여 분석하였다.

청문 조사를 바탕으로 열원설비에 대한 내구연수는 지열 냉난방시스템의 경우 15년, 경유/도시가스보일러는 10년으로 설정하여, 생애주기 기간 30년 동안 마지막 연도는 제외하고 지열 냉난방시스템은 1회, 경유/도시가스 보일러는 2회 교체하는 것으로 설정하였다. 그러므로 냉난방기 부분에 대한 잔여가치는 존재하지 않고, 생애주기 기간 30년 후에는 모든 설비를 전량 폐기하는 것으로 가정하여 전체 시스템의 잔여가치는 없는 것으로 간주하였다. 또한, 모든 시스템에서 폐기비용이 발생하므로 동일한 비용으로 가정하고 LCC 분석에서 폐기비용은 제외하였다.

시설교체비 산정 결과, 단위 면적(2,050 m2) 당 지열냉난방시스템은 9,611만원, 경유보일러는 3,383만원, 도시가스보일러는 4,510만원으로 초기투자비가 높은 지열 냉난방시스템의 시설교체비가 높게 나타난 반면, 화석연료인 경유보일러와 도시가스보일러가 낮게 나타났으며 이 중 경유보일러의 시설교체비가 가장 낮게 분석되었다(Table 8).

Table 8.Unit replacement costs of each system.

경제성 분석 결과

면세유, 농사용 전력을 사용하는 경우의 LCC 분석 결과를 살펴보면, 생애주기기간(30년) 동안 비용은 전체적으로 4.1억~10.4억으로 나타났다. 지열 냉난방시스템이 기존 화석연료를 사용하는 경유/도시가스 보일러에 비해 39~53% 정도로 작게 나타났으며, 이 중에서도 SCW형이 수직밀폐형에 비해 1.1억 정도 작은 금액이 소모되는 것으로 분석되었다. 각 시스템별 LCC 비용을 가장 많은 비용이 소모되는 경유 보일러와 비교해 보면, 도시가스는 6%, 수직밀폐형은 50%, SCW형은 61%가 절감되는 것으로 나타났다(Table 9).

Table 9.Results of LCC each system: tax-free oil, agricultural electricity.

면세유, 농사용 전력을 사용하는 경우의 항목별 비용을 세분해서 살펴보면, 지열 냉난방시스템은 초기투자비가 화석연료 난방시스템보다 높게 나타나고, 에너지비용은 기존 화석연료 난방시스템이 지열 냉난방시스템보다 월등히 높게 나타나 전체적인 LCC 비용은 화석연료 사용 시스템이 지열 냉난방시스템보다 약 1.9~2.6배 정도 높게 나타난다(Fig. 3. (a)). 또한, 지열 냉난방시스템의 투자비 회수기간을 살펴보면, 경유보일러 대비 SCW형은 5년차, 수직밀폐형은 7년차에 초기투자비용이 회수되며, 도시가스보일러와 대비해서도 같은 연차에 초기투자비가 회수되는 것으로 나타났다(Fig. 3. (b)).

Fig. 3.Results of LCC each system: tax-free oil, agricultural electricity, (a) cost by items, (b) cumulative cost of LCC.

비면세유(일반유), 일반용 전력을 사용하는 경우의 LCC 분석 결과, 생애주기비용은 4.7억~16.9억으로 나타났다. 경유/도시가스보일러는 지열 냉난방시스템보다 비용이 1.5~3.6배 정도 많이 나타났으며 지열 냉난방시스템에서는 SCW형이 수직밀폐형보다 약 1.7억이 적게 나타났다. 각 시스템별 LCC 비용을 가장 많은 비용이 소모되는 경유보일러와 비교해 보면, 도시가스는 42%, 수직밀폐형은 62%, SCW형은 72%가 절감되어 면세유, 농사용 전력의 경우보다 절감율이 훨씬 큰 것으로 나타났다(Table 10).

Table 10.Results of LCC each system: general oil, general electricity.

항목별 비용 중 에너지비용은 화석연료 냉난방시스템이 지열 냉난방시스템보다 상당히 높게 나타나고, 경유보일러는 도시가스보일러보다 2배가 넘고 전체 LCC 비용의 약 92%에 해당되는 금액이 산출되었다(Fig. 4. (a)).

Fig. 4.Results of LCC each system: general oil, general electricity, (a) cost by items, (b) cumulative cost of LCC.

비면세유(일반유), 일반용 전력의 생애주기연도별 누계액을 살펴보면, 지열 냉난방시스템은 초기투자비가 많아서 처음에는 다소 비용이 높게 나타난다. 그리고, 시설교체비로 인하여 생애기간 15년에 약간의 상승이 있었지만, 전체적으로는 소폭의 상승세를 보이고 있다. 화석연료 냉난방시스템은 처음에 작은 금액으로 시작하지만 비용이 가파르게 상승하며 특히, 경유보일러는 에너지비용으로 인해 타 시스템과 상당한 격차를 보이고 있다. 지열 냉난방시스템의 투자비 회수기간을 살펴보면, 경유 보일러 대비 SCW형은 3년차, 수직밀폐형은 4년차에 초기투자비용이 회수되며, 도시가스보일러와 대비해서도 5년차, 9년차에 초기투자비가 회수되는 것으로 나타났다(Fig. 4. (b)).

전체적으로 LCC에서 지열 냉난방시스템은 초기투자비가 많이 소요되며, 화석연료 난방시스템에서는 에너지비용이 대부분을 차지한다. 그리고 적용한 에너지비용은 가동률이 낮은 17.1%에 대한 비용이므로, 가동률이 높아진다면 LCC 격차는 더 크게 벌어질 것이다.

 

이산화탄소 저감량 분석

현재 인류가 이용하고 있는 에너지의 대부분인 화석연료는 지각에 파묻힌 동식물의 유해가 오랜 세월에 걸쳐 화석화하여 만들어지는데 이는 연소 시 이산화탄소등을 배출하여 지구 온난화를 일으키는 주범으로 지목되고 있다. 전 세계적으로 에너지 연소에 의한 CO2 배출량은 2010년 기준 30,326 Mt CO2이고, 우리나라의 CO2 배출량은 563.08Mt CO2로서 세계 7위에 해당하며, 1인당 CO2 배출량은 11.52 t CO2로 세계 20위에 해당한다. 또한, 2003년 농업 전체의 에너지 소비량은 1,826 천 TOE(ton of oil equivalent)이고, 농업부문에서 가장 많이 소비되는 화석 연료인 경유는 826 천 TOE 이며, 이로 인한 CO2 배출량은 1,256 천t CO2인 것으로 분석되었다(Kim and Lee, 2009).

이러한 배경으로 국내에서도 화석연료 사용을 줄이기 위하여 에너지 절약, 신재생에너지 지원 사업 및 법적규제 등의 다양한 노력이 계속되고 있으며, 온실가스 감축사업인 청정개발체제(clean development mechanism, CDM) 관련 사업도 도입되었다.

이산화탄소 발생량은 온실가스를 거의 배출하지 않는 청정에너지원으로 알려져 있는 지열과 기존의 화석연료 난방시스템을 비교하였다.

온실가스 배출량을 직접 측정하는 방법은 실시간 모니터링이 어렵고 많은 비용이 요구되어 일반적인 온실가스 배출량은 문서화된 탄소배출계수와 연료사용량을 이용하여 분석하며(Choi, 2008), 계산식은 아래와 같다.

본 연구에서는 전기, 경유, 도시가스에 대한 CO2 배출량을 산정하기 위해 먼저 각 에너지원의 총 발열량을 조사하여(에너지법 시행규칙(2013.03.23)), 해당 연료의 TOE를 계산하였다. 이때, 경유와 LNG의 탄소배출계수는 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 제시한 값을 이용하였으며, 전기의 탄소배출계수는 환경부의 ‘탄소포인트제 운영에 관한 규정(2012.07.19)’ 을 참조하였다(Table 11).

Table 11.Gross calorific value and carbon emission factor by energies.

이산화탄소 저감량 분석 결과

Table 4의 각 시스템별 에너지 소모량을 참고하여 단위면적당(2,050 m2) 이산화탄소 발생량을 분석한 결과, 수직밀폐형과 SCW형에서는 전기에너지의 이산화탄소 발생량만으로 34.8 t CO2, 21.7 t CO2가 발생하였다. 경유보일러에서는 전기 0.9 t CO2, 경유 117.9 t CO2를 발생시켜 총 118.8 t CO2로 가장 많은 이산화탄소를 발생시키며, 도시가스 보일러에서는 전기 0.9 t CO2, 도시가스 89.7 t CO2를 발생시켜 총 90.6 t CO2를 발생시킨다. 각 시스템별 발생량을 경유보일러와 비교해 보면, 지열 냉난방시스템의 저감율이 상당히 높게 나타나며 이중 SCW형에서 더욱 높게 나타나 82%의 이산화탄소를 저감하며, 수직밀폐형에서는 71%를 저감한다(Table 12) (Fig. 5).

Fig. 5.Results of calculated CO2 emission quantity by system (2011).

Table 12.Results of calculated CO2 emission quantity each system (2011).

 

토의 및 결론

US EPA 자료에 의하면, 지열 냉난방시스템은 공기열원 히트펌프에 비해 44%, 에어컨과 전열기를 이용하는 경우와 비교하면 72%까지 에너지 소비를 절감할 수 있다고 보고하였으며(US EPA, 1993), 또한 미국의 중대형 상업용 건물에 설치된 지열 냉난방시스템의 연간 유지비용은 m2당 1.08~2.36 $이며, 이는 기존 냉난방설비의 평균 유지비용인 m2당 5.38 $보다 매우 낮은 비용이라고 하였다(GHPC, 1997) . 이처럼 지열 냉난방이 먼저 시작된 미국에서도 지열 냉난방시스템은 매우 경제적인 시스템이라는 결과가 이미 도출되었다.

본 연구에서 LCC 분석법을 사용한 결과, 시설원예라는 특성을 감안한 면세유, 농사용 전력을 사용 시에 경유보일러 대비 지열 시스템이 50~61%의 경비 절감 효과를 볼 수 있는 것으로 나타났으며, 초기투자비 회수기간을 산정해도 SCW형은 5년, 수직밀폐형은 7년차에 비용이 회수되는 것으로 나타났다. 일반적으로 건물, 주택에 사용되는 비면세유(일반유), 일반용 전력 사용 시에는 62~72%의 경비를 절감할 수 있으며, 초기투자비 회수기간은 더욱 빨라져 SCW형은 3년, 수직밀폐형은 4년차에 비용이 회수되는 것으로 분석되었다.

Kong (2006)은 생애주기 기간 20년 동안의 복수관정형 지열시스템, 수직밀폐형 지열시스템과 기존 냉난방시스템인 에어컨과 보일러 사용 시의 LCC 분석 결과, 수직밀폐형 지열 시스템이 41%, 복수관정형 지열시스템이 37%의 비용만 소모된다고 하여 지열시스템의 경제성이 매우 우수하다고 하였으며, 특히 복수관정형 지열시스템의 경제성이 더욱 뛰어나다고 분석하였다. 또한, Lim et al. (2004)은 에어컨, 보일러 사용 시보다 수직밀폐형 지열시스템의 비용이 32% 가량만 소모된다고 하였으며, Kim et al. (2006b)은 지열원 히트펌프시스템이 냉방부하보다 난방부하가 클수록 경제적이며, 운전시간이 길수록 경제적인 시스템으로 분석되었다고 하였다. 흡수식 냉동기와 지열 냉난방시스템의 생애주기 기간 60년의 비용 절감 효과는 18~26억원에 이른다는 연구 결과도 보고된 바 있다(Choi, 2012).

이러한 연구 결과들은 지열 냉난방시스템이 경제적으로 우수함을 증명하고 있으며, 본 연구 결과와도 유사한 결과를 나타내고 있다. SCW형은 일반적으로 지열공의 심도가 약 300~500 m로 굴착비용이 많이 소요되는 것을 감안할 때, 사전 지질조사를 통해 지하수의 흐름이 있거나 충적층에 점토층이 존재하는 지역인 경우, 이를 감안하여 지열공 굴착 심도를 줄이면 굴착비용 감소로 인해 초기투자비가 줄어들어 경제성은 더욱 좋아질 것으로 판단된다. 그리고 본 연구에서는 생애주기기간을 30년으로 설정하였는데 생애주기기간이 더 길어질수록 생애주기비용 차이는 더욱 커질 것이다.

또한 Choi (2008)는 기존 유류 시스템 대비 지열원 히트펌프 시스템이 57%의 이산화탄소 저감 효과가 있다고 하였다. 본 연구에서 경제성 평가와 더불어 실시한 이산화탄소 발생량은 경유보일러 대비 수직밀폐형은 71%, SCW형은 82%라는 많은 양의 이산화탄소를 절감하여 온실가스 배출로 인한 지구의 온난화를 지연시키는 효과도 볼 수 있을 것이다. 따라서, 지열 냉난방시스템은 기존 화석연료가 배출하는 많은 양의 이산화탄소를 줄이는 친환경적인 에너지 시스템인 것으로 판명되었다.

결론적으로, 지열 냉난방시스템은 유류비 절감을 통한 경제적인 이익과 이산화탄소 저감을 통한 환경적인 이익을 동시에 가져다주는 매우 우수한 냉난방시스템으로 분석되었다. 특히, 수직개방형인 SCW형을 적용 시에는 더 많은 경제적 이익과 이산화탄소를 저감할 수 있고, 대규모 시설농업단지에 적용 시에는 상당한 이익을 볼 수 있을 것으로 기대된다.