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1 녹색성장연구 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 이희선 안세웅 현윤정 김윤승 조공장

2 연구진연구책임자이희선 ( 한국환경정책 평가연구원선임연구위원 ) 참여연구원안세웅 ( 한국환경정책 평가연구원연구원 ) 현윤정 ( 한국환경정책 평가연구원부연구위원 ) 김윤승 ( 한국환경정책 평가연구원부연구위원 ) 조공장 ( 한국환경정책 평가연구원연구위원 ) 연구자문위원김동진 ( 환경부국토환경정책과장 ) 김형수 ( 중원대학교에너지환경공학부교수 ) 박영민 ( 한국환경정책 평가연구원연구위원 ) 송윤호 ( 한국지질자원연구원지열자원연구부책임연구원 ) 이근상 ( 한양대학교자원환경공학과교수 ) 이수재 ( 한국환경정책 평가연구원연구위원 ) 이진용 ( 강원대학교지질학과교수 ) 장기창 ( 한국에너지기술연구원글로벌신재생에너지연구센터책임연구원 ) 주현수 ( 한국환경정책 평가연구원연구위원 ) c 2012 한국환경정책 평가연구원발행인이병욱발행처한국환경정책 평가연구원서울특별시은평구진흥로 215 ( 우편번호 ) 전화 02) 팩스 02) 인쇄 2012년 12월 26일발행 2012년 12월 31일출판등록제17-254호 ISBN 값 9,000원

3 서언 최근국제사회에서기후변화와에너지안보문제가심각하게대두되면서신재생에너지의개발과보급은중요한공통관심사로크게부각되고있습니다. 특히지열에너지는태양광, 풍력등의많은신재생에너지기술과는달리연중지속적이고안정적으로에너지를공급함으로써기저부하를담당할수있다는가장큰장점이있습니다. 이에따라미국, 일본및유럽선진국들뿐만아니라지리적으로지열에너지개발에유리한필리핀, 인도네시아등에서도연구와보급에적극적으로나서고있는실정입니다. 우리나라의지열에너지보급은다른선진국들에비해출발은다소늦으나최근정부의다양한지원사업에힘입어보급이폭발적으로증가하고있어국가에너지안보확립에큰기여를할것으로기대되고있습니다. 모든신재생에너지가그러하듯, 지열에너지역시환경을생각하여개발되고보급하는기술인만큼환경친화적이고지속가능하도록하는것이무엇보다중요합니다. 이러한관점에서본연구는지열에너지의환경성을분석하고환경친화적인보급확대방안을도출함으로써지속가능한개발이이루어질수있도록정책적추진방안을제시하고자수행되었습니다. 본연구의결과가지열에너지의환경친화적이고지속가능한이용에의미있게활용되기를기대합니다. 본연구의내용은본연구원의공식견해가아닌연구자개인의견해임을밝혀드립니다 년 12 월 한국환경정책 평가연구원 원장이병욱

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5 국문요약 본연구는지열에너지개발및이용에따른환경적영향을분석하고, 사업계획, 설치, 운영및폐쇄과정에서나타나는환경적문제점및제도적문제점들을분석하여개선방안을모색함으로써지열에너지의환경친화적인개발과이용확대를위한정책적추진방향을제시하고자수행되었다. 지열에너지는저온의열수를난방 급탕등에직접이용하거나지하의연중일정하게유지되는온도를냉난방등에활용하는천부지열이용과고온열수를이용하여전력을생산하는심부지열이용으로나뉘는데, 각각에따라적용되는기술 환경적문제점등이상이하게다르므로이를구분하여연구를수행하였다. 연구의결과로서천부지열이용부문에서는환경관리지침개선, 전문인력참여방안, 이력관리도입, 지열공시공비현실화를제시하였으며, 심부지열이용부문에서는관련법규의제정방향과신재생에너지의무할당제도의적용및개발리스크지원제도운영을제시하였다. 지열에너지잠재량은향후우리나라의지열에너지보급목표및정책추진방향을설정하는데중요한기초자료이다. 심부지열에너지잠재량에대한연구결과는기존선행연구를통하여많이나타나며, 2011년 EGS(Enhanced Geothermal System) 발전기술을기반으로산정한바에따르면기술적잠재량은약 19.6GW 이다. 한편천부지열잠재량의경우아직까지우리나라에서조사연구가수행된바없으므로본연구에서문헌조사를바탕으로산정하였고, 그결과지열히트펌프의이용가능잠재량은약 9.2Mtoe 인것으로나타났다. EGS 발전기술에의한심부지열잠재량 ( 연간설비이용률 80% 적용 ) 과지열히트펌프에의한천부지열잠재량의총합은 20,988ktoe로, 이는 2030년지열에너지보급목표 1,261ktoe의약 17배수준이다. 실제지열에너지를이용하기위해서는경제적타당성,

6 지속가능성등이추가적으로고려되어야하는만큼, 지열에너지자원을효율적이고환경 친화적이며지속가능하게사용하는것이무엇보다중요할것으로판단된다. 지열히트펌프이용에따라나타나는환경적영향으로는천공과정및지열공의부실관리에따른오염물질유입, 히트펌프냉매누출, 지중열교환루프에서의열교환유체누출, 그라우팅물질에의한영향, 지하수온변화에따른지하수화학및미생물변화, 재주입지하수에의한수질오염, 지하수사용에따른지반침하및수량변화, 사후열교환유체의부적절한방치, 소음 진동의발생등이있다. 한편활용한지하수를배출하는완전개방형시스템의경우배출수에의해주변지표수의온도변화를야기할가능성도있다. 이와같은문제는기술적으로해결가능하거나관리를통하여제어가가능하나, 문제발생시에는토양및지하수등에직접적으로영향을미쳐오염이누적되고일단오염이되면장기간지속될수있으며복원이어려운만큼설치에서부터폐쇄이후까지의환경관리가매우중요할것으로판단된다. 심부지열개발및이용에따라나타나는환경적영향으로는온배수의배출에따른주변지표수또는해수온도의상승에따른영향, 굴착, 진입도로, 플랜트건설과정에서주변지형, 경관및생태계훼손, 열수나증기에함유된유해성분배출및대기오염, 열수내포함된유해물질에의한주변수역오염, 열수배출및재주입과정에서의미소진동발생 (EGS의경우인공저류층생성으로인한미소진동발생 ), 다량의지하수 ( 열수 ) 사용에따른지반침하발생등이있다. 그러나환경적영향의정도나발생가능성은화석연료를사용하는발전소뿐만아니라다른신재생에너지설비에비해서도매우낮은수준으로나타난다. 또한우리나라에서적용가능한 Binary 방식또는 EGS 방식은폐쇄형시스템이므로오염물질의외부배출에의한환경적문제가나타날가능성은매우낮으며, EGS 적용에의한미소진동발생도사전의철저한지질학적검토를통하여제어및관리가가능한것으로평가되고있다.

7 천부지열의개발과이용과정에서나타나는문제점으로는, 우선지나치게낮게책정된지열공시공비용문제가있다. 민간기업의견적사례를분석한바에따르면, 개방형지열공의굴착에소요되는비용은공정이유사한지하수를개발하는비용의약 47.5% 수준이며, 이는국가등공공기관의지하수개발사업에서책정되는비용의약 25.2% 에불과하다. 밀폐형지열공의경우이보다더욱낮은가격으로시공되고있는데, 민간사업의경우공정이유사한일반시추비용의 7.8%, 국가등공공기관의경우에도 12.8% 에불과한것으로나타난다. 이와같은지나치게낮은시공단가는지반굴착분야에서경제활동을하는업체의도산과어려움을야기하게되며, 궁극적으로는지열시설의부실시공과불량자재의사용등에따른토양및지하수의오염을초래할수있다. 또한환경친화적이용을위하여현행지침의개선과보완이요구된다. 현재지열히트펌프시스템과관련하여운영되고있는지침은에너지관리공단의 신재생에너지설비의지원등에관한기준및지침 과환경부의 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 이있으나, 두지침의성격상민간사업을대상으로환경적영향을고려하여이에적합한조치를취하도록규제할수없으며, 정부사업을대상으로도폐쇄및사후관리단계에서적합한환경관리조치를취하도록규제할수없다. 또한두지침간에도언급하고있는세부내용에차이가나타나고있어지침간통일성이요구된다. 심부지열을개발하고이용함에있어가장큰문제는심부지열자원에대한정의, 자원의성격, 자원의소유, 탐사및개발권한, 절차, 사업자의의무와권리등에대한법적근거가마련되어있지않다는점이다. 심부지열자원은지하에매장되어있는광물자원의특성과유사한점이많으므로해당지열자원에대한권리가명확하지않을경우국가와사업자, 사업자와토지소유주, 국가와토지소유주간의권리분쟁이발생하게되며, 무분별한난개발로이어질가능성이높다.

8 또한심부지열의이용과개발을위한지원제도의마련도요구된다. 지열발전은지하심부깊숙이위치한에너지원을활용하므로초기투자비용이높다. 특히열수발전용지열자원의부존이확인되지않는우리나라에서적용가능한발전시스템인 EGS의경우초기투자비용뿐만아니라시설운영비용도다른설비들에비해높아독립적인설비로는경제성을갖추기는어려운실정이다. 한편심부지하의상태와변화를완벽히조사 예측하는것이불가능하므로그만큼시추공붕괴나공내사고등으로인한시추실패위험확률이높다. 또한시추에성공하더라도충분한유량을확보하기어려운상태일경우생산성이떨어지게되어손실이불가피하다. 이에따라심부지열발전을활용하고있는국가들에서는발전차액지원제도나초기리스크관리를위한지원제도를운영하고있으나, 아직까지우리나라에는이러한지원대책이마련되고있지않다. 천부지열의환경친화적이용과보급활성화를위하여먼저지열공굴착및지하부설비시공비용을현실화할필요성이있다. 최소한개방형지열시스템은정부설계기준에의한지하수개발비용과, 밀폐형의경우시추비용에준하는설계기준이적용되어야하며, 품셈역시이에준하도록설정되어야한다. 나아가설계기준에국내지침에서제시하고있는환경관리를위한항목들을검토하여추가하고이에상응하는품셈을추가적으로적용함으로써환경친화적인시공이이루어지도록하며, 지열시스템설치와지열공굴착부문을분리발주하여하도급에재하도급으로인해시공비용이감액되는것을차단하는방안도검토되어야한다. 한편국내에적용되고있는모든사업과기술을대상으로하고, 각기술적특성에따라환경적영향을세부적으로검토하여사업자로하여금개발 이용시고려토록하는환경관리지침이반드시필요하다. 현재운영되고있는에너지관리공단의 신재생에너지설비의지원등에관한기준및지침 과환경부의 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 을상호보완하고개선함으로써종합적이고실행력을갖춘지침이마련될수있을것으로판단된다.

9 또한향후천부지열설비의환경관리를위하여이력관리제의도입을검토할필요가있다. 현재의보급현황에미루어볼때, 2030년보급목표달성시점을기준으로설치에서부터폐쇄에이르기까지환경관리가요구되는지열공약 66만개와, 설치된지열시스템이폐쇄된후토지이용에일정부분제약이발생하는부지약 28km 2 가전국적으로분산되어존재하게된다. 그러나현재의신고 허가체계에의한정보관리로는향후천부지열설비의환경관리가어려우므로, 사업자로하여금지열시스템의기본정보및환경관리에필요한정보들을공통의양식에따라기록 유지하고, 신고또는허가시설계도와함께승인기관에제출토록하며전업및폐업시에도승인기관에서관리할수있도록모든기록을인계하도록하며, 이러한정보들을통합적으로일괄관리할수있도록해야한다. 이력관리는사업허가심의와는별개로운영되어야하며, 모든천부지열설비사업을대상으로신고의무를부여해야한다. 국내심부지열자원의개발과이용을위하여가장우선적으로지열자원의소유권한에대한법적명시와심부지열에너지를탐사하고개발하는데필요한절차와사업자의의무, 권리등에대한법체계가확립되어야한다. 심부지열자원은지하자원의개념으로해석하는것이타당하며, 공공자산인법정광물로포함하여야한다. 이러한관점을기초하여기존의광업법을개정함으로써해당법률안에서지열자원에대한소유권을국가가갖도록규정하고, 탐사권과개발권허가체제를마련함으로써토지소유권과의권리관계를명확히해야한다. 이와함께개발권부여에앞서환경영향평가절차가이행되어야하며, 이를위하여심부지열개발에적합한환경영향평가기법의개발이필요하다. 또한심부지열자원의보급활성화를위하여제도적지원방안의마련이필요하다. 먼저현재우리나라에서시행중인 RPS 제도내에지열발전을포함시키도록해야하며, 기술수준과경제성, 환경성등을종합적으로고려하여타당한수준의공급인증서가중치가설정되도록하는논의가시작되어야한다. 또한이와별개로시추비용의일부를지원하고, 경제성있는지열원을발견하지못했을경우에는투자금상환의무를완화시켜줄수

10 있는지원정책을운영함으로써사업자의초기개발리스크를줄여주는방안도필요하다. 주제어 : 지열에너지, 지열히트펌프, 지열발전, 환경친화적이용, 보급활성화

11 차례 제 1 장서론 1 1. 연구의목적과필요성 2 2. 연구의내용및범위 4 제2장지열에너지의정의와종류 7 1. 지열에너지의정의 8 2. 지열에너지의구분 8 3. 지열에너지이용기술 10 가. 천부지열에너지이용기술 10 1) 저온지열원활용 10 2) 지열원열펌프기술 10 나. 심부지열에너지이용기술 14 1) 고온열수발전기술 14 2) 저온 Binary 발전기술 14 3) 인공지열저류층생성기술 (Enhanced Geothermal System; EGS) 15 제3장지열에너지주요현황 차에너지현황 재생에너지현황 지열에너지주요현황 22 가. 천부지열이용현황 22 1) 국외현황 22 2) 국내현황 30 나. 심부지열이용현황 33 1) 국외현황 33

12 2) 국내현황 45 제4장지열에너지잠재량및보급계획과의연계분석 지열에너지잠재량의개념과분류 우리나라의지열에너지잠재량 52 가. 심부지열잠재량 53 나. 천부지열잠재량 56 1) 지열원온도직접이용잠재량산정 57 2) 지열히프펌프이용잠재량산정 59 3) 우리나라의천부지열잠재량산정결과및시사점 지열에너지보급목표 보급목표와잠재량과의연계분석및시사점 65 제5장환경적영향및문제점분석 지열에너지이용에따른환경적영향 68 가. 천부지열이용에따른환경적영향 69 1) 천공과정에서의오염물질유입 69 2) 히트펌프냉매의영향 70 3) 지중열교환기열교환유체 ( 부동액 ) 의누출 71 4) 그라우팅물질의영향 73 5) 온도변화및재주입지하수에의한영향 74 6) 지하수사용에따른지하수위하강및지반침하 77 7) 심부천공으로인한대수층연결및수리적간섭 78 8) 사용종료후토지이용 79 나. 심부지열이용에따른환경적영향 80 1) 수질오염 80 2) 지형훼손 80 3) 대기오염 81

13 4) 지반침하 82 5) 지진유발 82 6) 소음 83 7) 환경적영향에대한종합 제도적문제점분석 86 가. 천부지열에너지 86 1) 지열공시공비현실화문제 86 2) 환경관리지침의문제점 96 나. 심부지열에너지 119 1) 지열발전관련법적체계미비 119 2) 지원제도미비 120 제6장환경친화적개발및보급활성화를위한개선방안 천부지열에너지 126 가. 지침개선 126 1) 설치위치 127 2) 시스템간또는시스템내열적간섭 127 3) 천공과정에서의오염물질유입 128 4) 천공, 케이싱및그라우팅 129 5) 그라우팅물질 130 6) 밀폐형시스템에서의지중열교환기열교환유체 130 7) 개방형시스템에서의지하수보전 131 8) 지중순환수누출 132 나. 전문인력의참여및지원 133 다. 환경관리를위한이력관리제도입 135 라. 굴착시공비현실화를위한비용설계제안 138 1) 개방형지열공굴착 138 2) 밀폐형지열공굴착 143

14 3) 국가지원사업에서의지열공굴착설계방향 심부지열에너지 147 가. 지열발전관련법적체계마련방향 147 나. 개발리스크지원제도 152 제 7 장결론 155 참고문헌 161 Abstract 165

15 표차례 표 2-1. 주요지열히트펌프시스템의특성 13 표 3-1. 세계 1차에너지수요전망 ( 기준시나리오 ) 19 표 년주요선진국재생에너지공급현황 21 표 3-3. 전세계지열에너지직접이용현황 (1995~2010 년 ) 22 표 3-4. 국가별천부지열에너지이용현황 (2010년 ) 23 표 3-5. 미국의지열시스템지원정책 25 표 3-6. 보급사업및설치의무화사업을통한국내보급현황 31 표 3-7. 보급사업및설치의무화사업지원현황 32 표 3-8. 미국에너지부의지열시스템자금지원방안 36 표 3-9. 필리핀의전력생산현황 38 표 필리핀의지열개발기업투자인센티브 39 표 인도네시아지역별지열발전잠재량분포 40 표 인도네시아지열발전운영현황 40 표 독일의주요지열발전소 44 표 독일의지열발전보조정책 45 표 4-1. 미국및아이슬란드사례를통해산정된전세계자원잠재량 50 표 4-2. 우리나라의심부지열잠재량 53 표 4-3. EGS 기반우리나라의심부지열기술적잠재량산정결과 54 표 4-4. 우리나라의지열원온도직접이용가능잠재량 58 표 4-5. 지하수직접이용에의한지열에너지잠재량 60 표 4-6. 수직폐쇄형 GSHP 의열교환기천공길이당열획득량 61 표 4-7. 수직밀폐형 GSHP 에의한지열에너지잠재량 61 표 4-8. 우리나라의천부지열에너지잠재량 62

16 표 4-9. 국가에너지기본계획에의한신재생에너지원별공급목표 64 표 우리나라의지열에너지잠재량과보급목표 (2030년 ) 66 표 5-1. 지열에너지개발에따른환경적영향 69 표 5-2. 부동액이갖추어야할기술적특성기준 71 표 5-3. 부동액의영향에대한종합평가결과 72 표 5-4. 지열발전시스템에따른대기오염물질배출 81 표 5-5. 지열발전시스템소음발생정도 83 표 5-6. 지열직접이용이환경에미치는영향의확률과심각성 85 표 5-7. 지하수개발비용 (A 정부투자기관설계기준 : 200mm, 125m) 87 표 5-8. 구경 심도별개략지하수개발비용 ( 민간견적기준 ) 88 표 5-9. 시추비용 (A 정부투자기관설계기준 : 125m 심도 NX 기준굴착비용 ) 90 표 지하수개발 ( 공공및민간 ) 과일반시추의설계 / 견적비용비교 91 표 개방형지열공굴착비견적사례 ( 민간기업견적기준 ) 92 표 밀폐형지열공굴착비견적사례Ⅰ( 민간기업사례, 150mm, 200m 적용시 ) 93 표 밀폐형지열공굴착비견적사례Ⅱ( 민간기업사례, 150mm, 200m 적용시 ) 93 표 그린홈 100만호사업견적기준사례 ( 밀폐형 ) 94 표 지하수개발및지열굴착비용비교 95 표 설치위치선정시고려사항에대한명시내용 97 표 천공과정에서의오염물질유입방지관련지침내용 99 표 천공, 케이싱및그라우팅방법관련지침내용 100 표 그라우팅물질관련지침내용 105 표 환경부지침에서의밀폐형지열설비그라우팅재질종류 106 표 환경부지침에서의지질학적조건에따른권장그라우팅재질종류 107 표 밀폐형시스템의지중열교환기열교환유체 ( 부동액 ) 관련지침내용 108 표 부동액의구비특성 ( 국제지열원히트펌프협회기준 ) 109 표 개방형또는 SCW형시스템의지하수보전관련지침내용 110

17 표 개방형또는 SCW형시스템의지하수위하강및지반침하관련지침내용 112 표 지중순환수 ( 열교환유체 ) 누출방지관련지침내용 114 표 밀폐형지열설비의지중열교환기폐쇄절차 116 표 신규지열발전소건설비용구조 120 표 신재생에너지원별가중치 123 표 6-1. 천부지열설비설치에따른지열공및면적 136 표 6-2. 이력관리양식의예 138 표 6-3. 암반지하수개발 ( 개방형지열공굴착 ) 설계 ( 안 ) 140 표 6-4. 민간사업에서의개방형지열공굴착 ( 암반지하수개발 ) 설계 ( 안 ) 142 표 6-5. 밀폐형지열공개발설계 ( 안 ) 143 표 6-6. 민간사업에서의밀폐형지열공굴착설계 ( 안 ) 145 표 6-7. 각국가별지열에너지적용법률범위 147 표 6-8. 호주의각지방자치정부별지열에너지적용법률 150 표 6-9. South Australia 주에서부여하는지열관련주요라이선스 151

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19 그림차례 그림 2-1. 지중온도에따른지열에너지활용기술 9 그림 2-2. 열원및열전달유체의순환방식에의한지열히트펌프시스템의분류 11 그림 2-3. 열교환기설치방식에따른지반이용밀폐형히트펌프시스템의종류 12 그림 2-4. 지하수이용히트펌프의종류 13 그림 2-5. Binary 지열발전모식도 15 그림 2-6. EGS 지열발전개념도 16 그림 3-1. 세계 1차에너지공급현황 18 그림 3-2. 세계신재생에너지원별공급현황 20 그림 3-3. 미국지열히트펌프컨소시엄구성 25 그림 3-4. 일본의지열에너지용도별이용현황 26 그림 3-5. 스위스의지열시스템방식별분포 27 그림 3-6. 국가별지열발전시설현황 33 그림 3-7. 전세계지열발전용량증가추이 (MWe) 34 그림 3-8. 전세계지열발전플랜트별보급비율 35 그림 3-9. 필리핀에너지공급현황 37 그림 인도네시아지열발전로드맵 41 그림 4-1. Muffler and Cataldi(1978) 에따른지열부존량의정의와분류 51 그림 4-2. Rybach(2010) 에따른지열부존량의정의와분류 52 그림 4-3. EGS 기반우리나라의심부지열잠재량분포도 55 그림 4-4. 천부지열의개념과깊이에따른온도분포 56 그림 4-5. 지열원온도에따른지열에너지량의분포 58 그림 4-6. 지열에너지단계별기술개발및보급목표 65 그림 5-1. 재생에너지기술별환경적효율분석 (1MW 발전시 ) 84 그림 5-2. 민간기업에서의굴착심도별공사비개략변화 (200mm 구경 ) 89

20 그림 5-3. 민간기업에서의굴착심도별공사비개략변화 (150mm 구경 ) 89 그림 5-4. 지중공기이용설비의모식도 ( 예시 ) 104 그림 5-5. 암반대수층양수에의한오염물질유입 113 그림 5-6. 지열에너지이용설비별건설비용 121 그림 5-7. 지열에너지이용설비별운영유지비 122

21 제 1 장 서론

22 2 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 1. 연구의목적과필요성 최근기후변화와에너지문제는국제사회가당면한가장큰문제로인식되고있다. 기후변화문제에대한세계적인공감대는 1992년브라질리우에서기후변화협약을탄생시켰으며, 1997년교토의정서채택, 2001년 Annex 1 국가의온실가스감축의무부담방식확정을거쳐 2005년 2월러시아의국회비준과함께효력을발휘하게되었다. 2007년에는발리로드맵이채택되어 Post-Kyoto 체제에대한논의와감축목표를협의하는단계에까지나아갔으나, 2010년코펜하겐협상결과와 2011년칸쿤합의에따라개별국가단위의자율적목표설정과이행의방식으로조정됨에따라교토의정서를바탕으로한의무감축논의는당분간소강상태를맞이하게되었다. 그럼에도불구하고국가간의정책조율과협력, 그리고배출권거래제상호간의연계확대를통해국제적감축노력을촉진하는상황이지속될것으로예상된다. 한편근래지속된중동정세의불안과산유량감소에따른국제에너지가격의상승은각국가들의에너지안보에대한위기의식을고취시켜왔으며, 가장현실적인대안으로주목받던원자력발전에대한불안감이나날이커지면서기존의에너지원을대체하기위한수단의확보가매우절실한문제로떠오르게되었다. 특히우리나라의경우최근들어하절기와동절기에전력소비가급증함에따라대규모정전사태우려가제기되고있는가운데예비전력확보를위한에너지생산설비의확충이절실한상황이나, 기존화석연료및원자로를이용한발전시설에대한환경적우려로심각한반대에부딪히고있어대처방안마련에더욱어려움을겪고있다. 이와같은기후변화와에너지위기는국제사회에환경 경제적인측면에서큰위협이되고있으며, 국가뿐만아니라국민개개인의삶의질에도상당한영향을미치는수준에이르렀다. 그러나이러한위기는한편으로는탄소배출권거래, 신재생에너지, 친환경자원 소재등의녹색시장 (Green Ocean) 이전세계적으로급성장하게됨에따라새로운성장기회를제공하고있다. 우리나라는과거정부주도하의고도성장정책으로인해에너지다소비형산업구조를

23 제 1 장서론 3 형성하고있어기후변화에따른국제사회의규제와에너지가격상승에따른파급효과가다른어느국가보다클것으로예상된다. 이에따라정부에서는 2008년신국가발전패러다임으로 저탄소녹색성장 을제시하고녹색성장구현을위한중장기에너지마스터플랜과에너지자립및기후변화대응을위한저탄소사회로의체제변환을명시하였다. 또한 2030년까지전체에너지소비량의 11% 를신재생에너지로보급하는것을목표로기술개발및확대보급을위한여러가지정책지원과투자를시행하여왔으며, 신재생에너지공급확대를위한새로운수단으로서기존의발전차액지원제도 (FIT) 를폐지하고 2012년부터의무할당제도 (RPS) 를시행하고있다. 지열에너지는다른신재생에너지와는달리외부기후조건또는환경변화와상관없이연중지속적이고안정적으로에너지를공급함으로써기저부하를담당할수있다는가장큰장점이있다. 지하심부의고온지열에너지는발전을통하여기저부하의전력생산을담당할수있으며, 천부의저온지열또는연중일정한지하의온도는가정이나산업체, 공공기관등의냉 난방에활용됨으로서에너지소비절감에크게기여할수있다. 이에따라미국, 일본, 필리핀, 인도네시아, 아이슬란드등지리적으로고온의지열자원이풍부한국가들뿐만아니라, 상대적으로고온의지열자원이부족한유럽선진국들에서도각국가의지리적조건에맞는지열에너지이용방안의개발과보급을적극적으로추진하고있다. 우리나라에서실제적으로지열을개발하여활용하고자하는연구는 1990년대부터시작되었으며, 고유가와에너지안보에대한중요성이부각되면서 2000년이후본격적인지열에너지이용및설비보급이확대되어최근 2~3년동안에는연간 100% 이상의높은성장세를나타내고있다. 향후이러한성장세는당분간지속될것으로전망되고있어국가에너지안보확립에큰기여를할것으로기대된다. 한편지열에너지이용의역사가짧은탓에아직까지지열에너지를지속가능하고환경친화적으로이용하기위한연구들과제도적정비는다소미흡한상태이다. 지열에너지는

24 4 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 기존의화석연료를이용한에너지설비뿐만아니라다른재생에너지설비와비교하여도환경적영향의정도나유발가능성이매우낮게평가된다. 그러나오염발생시에는토양과지하수에직접적인영향을끼치고토양과지하수의특성상누적되고오랜기간동안지속되며, 오염확산을예측하기어렵고복원이거의불가능함에따라무엇보다도철저한환경관리가필요하다할수있다. 모든재생에너지가그러하듯, 지열에너지역시환경을생각하여개발되고보급하는기술인만큼환경친화적이고지속가능하도록하는것이무엇보다중요하다. 이러한관점에서본연구는지열에너지의환경성을분석하고환경친화적인보급확대방안을도출함으로써지속가능한개발이이루어질수있도록정책적추진방안을제시하고자한다. 2. 연구의내용및범위 제2장에서는지열에너지에대한전반적인이해를돕기위하여지열에너지의정의와종류에대하여간략히기술하였다. 제3장에서는국내외에너지및재생에너지전반에대한주요현황을간략히기술하고, 지열에너지이용및보급정책현황을천부지열이용과심부지열이용을구분하여국가별로분석하여나타내었다. 제4장에서는현재까지연구된바없는국내천부지열잠재량을문헌분석을통하여간략히산정하였으며, 기존의선행연구에서제시된심부지열잠재량을반영하여국내전체지열에너지잠재량을산정하였다. 또한이를정부의 2030년보급목표와연계하여분석함으로써시사점을도출하였다. 제5장에서는천부지열이용중연중일정한지중온도와대기온도와의차이를냉 난방에활용하는지열히트펌프시스템과고온의심부열원을발전에활용하는지열발전시스템을중심으로환경적영향과제도적문제점들을살펴보았다. 제6장에서는앞선제5장에서나타난환경적 제도적문제점들을개선하여환경친화적

25 제 1 장서론 5 이용및보급활성화를위한정책방안을제시하였다. 천부지열이용부문과관련한개선방안으로현행지침의개선, 전문인력의참여및지원, 환경관리를위한이력관리제도입, 굴착시공비현실화를위한비용설계등을제시하였으며, 심부지열이용부분과관련한개선방안으로는지열발전관련법적체계마련방향, 개발리스크지원제도마련을제시하였다.

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27 제 2 장 지열에너지의정의와종류

28 8 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 1. 지열에너지의정의 지열에너지에대한정의는연구자마다차이는있으나, 일반적으로땅을구성하는토양, 암반, 지하수, 지표수등이가지고있는열에너지자원으로정의된다. 대륙에서는상부지각을구성하고있는물질내부의방사성원소의붕괴 ( 약 40%) 및하부열의방출 ( 약 60%, 방사성원소붕괴 + 냉각 ) 에의해지하약 10m 하부에서부터대기온도와관계없이지하심부로내려갈수록온도가증가하게되는데, 이를이용하는것이지열에너지기술이다. 1) 한편으로는지하 300m 이내의연중일정한지하온도와대기온도차를이용하는기술또한지열에너지기술에포함된다. 2. 지열에너지의구분 지열에너지는자원의특성에따라심부지열에너지와천부지열에너지로구분되며, 이용방법에따라서는직접이용기술과간접이용기술로분류된다. 심부지열에너지는일반적으로지하 500m ~ 수 km 깊이에부존하는고온의열에너지를, 천부지열에너지는지하 300m 깊이이내에부존하는저온의열에너지를지칭하나, 깊이에대한기준또한연구자에따라다양하다. 직접이용기술은지하의토양, 암반, 지하수등이가진열에너지또는연중일정한지중온도와지표의온도차를이용하는것으로, 열을추출하여사용자에게직접공급하거나열펌프와같은에너지변환기기를통해냉 난방에활용할수있다. 직접이용기술중가장큰부분을차지하는것은지열히트펌프시스템 (Geothermal Heat Pump system, GHP) 으로, 상대적으로저온의에너지를활용하지만연중일정한온도를유지하기때문에항온 1) 송윤호 (2012).

29 제 2 장지열에너지의정의와종류 9 성이우수하며지리적제약이없는것이큰장점이다. 간접이용기술은땅에서추출한고온의열수나증기로플랜트를구동하여전기를생산하는지열발전 (Geothermal Power Generation) 을지칭하며, 지질학적조건에까다로워제약이매우크다. 2) < 그림 2-1> 은지중온도에따른지열에너지활용기술을개략적으로나타낸것이다. 자료 : 에너지관리공단 (2010). 그림 2-1. 지중온도에따른지열에너지활용기술 2) 에너지관리공단 (2010).

30 10 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 본연구에서는심부의고온열에너지를활용하여전기를생산하는것을 심부지열에너지 로, 열수를이용하여난방및온수에활용하거나천부지층의 15 내외의안정적인온도를히트펌프등을통하여냉난방에활용하는것을 천부지열에너지 로정의하여기술하였다. 3. 지열에너지이용기술 가. 천부지열에너지이용기술 1) 저온지열원활용 저온의지열을난방이나급탕에활용하는가장간단한기술로, 인류가지열을에너지로이용한가장전통적인방법이다. 지하에충분한지열수가존재해야만활용이가능하다. 아이슬란드의경우지열수를이용한난방이매우보편적이며, 국가전체난방의 90% 이상을담당하고있다. 2) 지열원열펌프기술 지열원히트펌프 (Ground-Source Heat Pump, GSHP) 기술은외부환경과무관하게연중 12~25 의일정한온도를유지하는천부지중또는지하수의온도와대기와의온도차를이용하여냉난방에활용하는방식이다. 까다로운조건없이어느곳에서나적용이가능한장점이있으며, 1990년이후전세계적으로활발히보급되어현재에는지열직접이용의주류를이루고있다. 지열원열펌프를이용하는기술은열원종류에따라크게지반이용히트펌프 (Ground

31 11 제2장지열에너지의정의와종류 Coupled Heat Pump, GCHP), 지하수이용히트펌프 (Ground Water Heat Pump, GWHP), 지표수이용히트펌프 (Surface Water Heat Pump, SWHP) 및복합지열원히트펌프 (Hybrid Ground Source Heat Pump, HGSHP) 시스템의네가지로구분되며, 열교환유체의순환방식에따라밀폐형 (closed loop) 과개방형 (open loop) 으로구분하기도한다 ( 그림 2-2 참조 ). 3) 자료 : 신현준 (2004). 그림 2-2. 열원및열전달유체의순환방식에의한지열히트펌프시스템의분류 3) 한국지하수토양환경학회 (2008).

32 12 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 지반이용히트펌프 (GCHP) 시스템은흔히밀폐형 ( 폐쇄형 ) 으로불린다. 지중열교환기 (Ground Heat Exchanger) 의설치방식에따라수직형 (vertical) 과수평형 (horizontal) 으로구분하며, 최근에는에너지파일형 (energypile) 이보급되고있다 ( 그림 2-3참조 ). 밀폐형은주로지중에설치된루프 (loop) 를통해열교환유체 ( 흔히물 + 부동액 ) 를순환시켜열을회수혹은교환하는방식으로이루어진다. 자료 : 강신형 (2007). 그림 2-3. 열교환기설치방식에따른지반이용밀폐형히트펌프시스템의종류 지하수이용히트펌프 (GWHP) 의경우 2개의관정을이용하는복수관정형 ( 개방형 ) 과단일관정을이용하는 ( 준 ) 밀폐형에속하는 SCW(Standing Column Well, 수주지열정 ) 방식으로구분한다. 개방형의경우한관정에서지하수를양수하고다른관정으로이용한지하수를재주입하는방식 4) 이며, SCW형은단일관정에서양수하고동일관정에지하수를재주입하는방식이다 ( 그림 2-4참조 ). 5) 개방형시스템에서는지하수자체가열교환유체역할을한다. 우리나라에서는지중열원으로지반 (GCHP) 과지하수 (GWHP) 를주로이용하며, 순환 4) 혹은인근하천등으로방류하는경우도있다. 5) Rafferty(2001); 한정상외 (2006); Lee et al.(2006); 한국지하수토양환경학회 (2008).

33 13 제2장지열에너지의정의와종류 방식으로는밀폐형지반이용 ( 주로수직형 ) 과밀폐형에준하는지하수이용 (SCW) 방식이 주로적용된다. < 표 2-1> 은주요지열히트펌프시스템종류와그에따른장단점을나타낸것이다. 자료 : 환경과자연에너지 (2008). 그림 2-4. 지하수이용히트펌프의종류 표 2-1. 주요지열히트펌프시스템의특성 6) 종류장점단점 수직밀폐형 (GCHP) 수평밀폐형 (GCHP) 수주지열정 (GWHP) 에너지파일 (GCHP) 가장일반적형태 ( 높은신뢰성 ) 좁은시공부지, 열성능우수 시공비가저렴하며용이 유지보수간단 시공비비교적저렴 열성능우수 좁은시공부지 시공비저렴, 열성능우수 지중열교환기부지불필요 시공이용이 높은시공비 넓은설치부지 ( 도심설치불가 ) 타형태에비해열성능미흡 지속적인지하수량필요 지하수위저하우려 지하수질에의한장비고장 구조물일체형, 전문가설계 암반깊이, 기초말뚝종류, 대지면적에따른용량의한계 6) 박성구 (2006); 강신형 (2007).

34 14 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 나. 심부지열에너지이용기술 7) 1) 고온열수발전기술 지하 2~3km 깊이에부존하는 180 이상의고온지열저류층 ( 지열수또는증기가부존하는층 ) 에시추공을굴착하여스스로솟구치는증기로발전기터빈을돌려전기를생산하는방식이다. 지열저류층에증기만부존할경우 dry steam 발전이라하며, 물이섞여있을경우물을별도로분리하여증기만터빈으로보내는방식을사용하는데이를 flash 발전이라한다. 지열저류층이존재하기위해서는열원, 저류구조, 유체 ( 지열수 ) 의조건을갖추어야하며, 주로화산지대가여기에해당한다. 1904년이탈리아투스카니 (Tuscany) 지방의 Larderello에서지열증기를이용해전구 5개를밝힌것이시초이며, 1913년에이지역에서상업적발전을시작하였다. 2010년현재전세계지열발전설비용량 10.7GW 중약 90% 가고온열수발전이며, 통상적으로하나의터빈은 20~50MW급이나최근에는 100MW급대형발전기도뉴질랜드에서가동중에있다. 가장큰지열발전지대는미국 California 주 The Geysers Field로서총 26개의터빈에총발전용량 1,585MW 를갖추고있다. 2) 저온 Binary 발전기술 지열수는풍부하게부존하나온도가 180 이하로증기압력이높지않을때끓는점이낮은냉매 ( 주로유기냉매 ) 와지열수의열교환을통해증기화된냉매가발전기터빈을돌려전기를생산하는기술이다. 고온열수발전에비해발전소의규모가작아통상 3~5MW급터빈이적용되며, 비화산지대에서도지열발전이가능케한핵심기술이다. 7) 송윤호 (2011) 를발췌하여인용.

35 15 제2장지열에너지의정의와종류 2010년 1월현재총약 1.1GW의 Binary 지열발전이보급되었다. 고온열수발전과는달리냉매가지속적으로순환하기위해서터빈을돌리고난기체냉매를응축하는냉각장치의가동에전력이소요되므로 ( 그림 2-5참조 ), 냉각방식의선택이순발전량의크기를좌우한다. 열역학기술의발달로발전이가능한온도가점차낮아져가장낮은온도로지열발전소가가동되는곳은미국 Alaska 주 Chena Hot Springs 로 74 의지열수로 200kW급발전기 3대가가동중에있다. 자료 : Clauser(2006). 그림 2-5. Binary 지열발전모식도 3) 인공지열저류층생성기술 (Enhanced Geothermal System; EGS) 비화산지대이면서지하에충분한지열수가부존하지않을경우약 5km 깊이까지굴착하여수압으로암반의균열대를활성화시킴으로써 ( 수압파쇄또는수압자극 ) 지열저류층을생성한후물을주입하고가열된증기를생산정을통해끌어올려발전하는기술이다 ( 그림 2-6 참조 ).

36 16 지열에너지의 환경성 평가 및 환경친화적 이용방안 1970년대 미국 Los Alamos 국립연구소에서 고온 암반지대를 대상으로 연구를 시작한 후 일본과 영국 등지에서도 시도되었고, 1980년대 말부터 프랑스 Alsace 지방의 Soultz에 서 EU 공동 프로젝트로 수행되어 2007년 말에 1.5MW급 발전소를 건설한 것이 효시이다. 미국, 호주, 독일 등지에서 활발히 시도되고 있으며, 독일의 Landau에서 저온 열수발전에 EGS 기술을 접목한 2.9MW 열병합발전이 가장 성공적인 사례로 인정받고 있다. 앞으로 전 세계 지열발전의 주요 기술로 자리 잡을 것으로 기대되며, 미국에서는 2050년까지 100GW를 보급함으로써 미국 기저부하의 10%를 담당할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 자료: 송윤호(2012). 그림 2-6. EGS 지열발전 개념도

37 제 3 장 지열에너지주요현황

38 18 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 1. 1 차에너지현황 2009년세계 1차에너지공급량은 12,256백만 toe이며, 이가운데약 81% 가화석연료에의해생산되고있다. 연료원별로살펴보면, 석유가 33%(4,095.6백만 toe) 로가장높은비중을차지하고, 석탄 27%, 천연가스 21%, 신재생에너지 13% 등의순으로나타난다 ( 그림 3-1참조 ). 폐자원과소수력을제외한지열, 태양열등의신재생에너지비중은 0.82%(100백만 toe) 내외이다. 원자력 703.3(6%) 신재생에너지 1,617.8(13%) 석탄 3,299.5(27%) 천연가스 2,540.2(21%) 석유 4,095.6(33%) ( 단위 : M toe) 자료 : IEA(2011). 그림 3-1. 세계 1 차에너지공급현황 세계 1차에너지공급량은 1980년 7,228백만 toe에서 2009년 12,256백만 toe로약 70% 가까이증가하였으며, 세계 1차에너지수요는 2030년까지연평균 1.5% 증가하여 2007년대비 40% 증가한 168억 toe에이를것으로전망된다 ( 표 3-1참조 ). 국제에너지기구 (IEA, 2011) 에서는에너지수요의증가가주요개도국인중국과인도에의해주도되며, 중동지

39 19 제3장지열에너지주요현황 역국가들에의한수요증가도크게나타날것으로예상하고있다. 에너지원의경우기존과마찬가지로 80% 가량이화석연료에의한에너지수요가될것으로전망되며, 이가운데석유가약 30% 로현재와마찬가지로가장큰비중을차지할것으로예상된다. 신재생에너지의경우, 2007년 1,515백만 toe에서 2030년에는 2,376백만 toe로확대되어전체에너지수요량의약 14% 를차지할것으로분석된다. 수력이나바이오매스등을제외한지열, 태양광, 풍력등기타부문의에너지수요량은연평균 7.3% 씩증가하여가장높은증가율을나타낼것으로예상된다. 표 3-1. 세계 1 차에너지수요전망 ( 기준시나리오 ) ( 단위 : 백만 toe, %) 구분 연평균증가율 (2007~30) 석탄 1,792 2,292 3,184 3,300 3,828 4, % 석유 3,107 2,655 4,093 4,096 4,234 5, % 가스 1,234 2,085 2,512 2,540 2,081 3, % 원자력 % 수력 % 신재생바이오및에너지폐기물 749 1,031 1,176 1,238 1,338 1, % 기타 % 신재생에너지합계 909 1,311 1,515 1,618 1,815 2, % 총계 7,228 10,018 12,013 12,256 13,488 16, % 자료 : IEA(2011). 2. 재생에너지현황 2009 년세계재생에너지공급량은 1,535 백만 toe 이며, 이가운데바이오매스에의한

40 20 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 공급량이약 74%(1,139백만 toe) 를차지한다. 바이오매스중에서는가연성고형바이오매스의비중이약 94% 로거의대부분이며, 이는개도국등에서전통적방식에따라취사및난방용으로소비하는양 ( 약 86%) 에기인한바가크다 (IEA, 2011). 그밖에수력 8) 에의한공급량이 17.4%(266백만 toe), 지열 3.8%, 폐기물 2.4%, 풍력 1.4%, 태양열 0.8% 의비중을각각나타내고있다 ( 그림 3-2참조 ). 태양열 12.4 (0.81%) 태양광해양풍력 1.6 (0.11%) (0.003%) 21.8 (1.42%) 수력 (17.35%) 폐기물 36.0 (2.35%) 지열 57.5 (3.75%) 바이오매스 1,139.1 (74.22%) ( 단위 : M toe) 자료 : IEA(2011). 그림 3-2. 세계신재생에너지원별공급현황 < 표 3-2> 는 2009년기준주요선진국별재생에너지공급현황을나타낸것이다. 미국의경우자국내 1차에너지공급량의 5.7% 를재생에너지로생산하고있으며, 바이오매스에의한공급량이 81백만 toe로전체재생에너지공급량의 62.7% 를차지한다. 독일의경우 1차에너지공급량의 9.8%(31백만 toe) 를재생에너지로공급하고있으며, 바이오매스에의한공급량이 8) 2003 년부터대수력을수력에포함하여산정한다.

41 21 제3장지열에너지주요현황 62.7%(19.6백만 toe) 로가장높은비중을차지한다. 덴마크의경우 1차에너지공급량의 19.5%(2.9 백만 toe) 를재생에너지로공급하고있으며, 재생에너지원중바이오매스에의한공급량이 51.4% 로가장높게나타났다. 영국의경우 1차에너지공급량의 3.4%(5.5백만 toe) 를재생에너지로공급하고있으며, 이는 2008년의 2.5% 에비하여크게증가한것으로풍력과바이오매스에의한에너지공급량이대폭증가한것에기인한다. 우리나라의재생에너지공급량은 6,856천 toe로전체에너지공급량의 2.6% 를차지하며, 에너지원중에서는폐기물에의한재생에너지공급량이 71% 로가장높으며, 폐기물에너지공급량의상당부분은폐가스에의한것이다. 국가 에너지 792 미국 23,869 (18.4) 독일 1,976 (6.3) 일본 6,569 (40.8) 덴마크 2 (0.05) 프랑스 4,952 (24.6) 영국 716 (13.0) 한국 451 (IEA) (13.1) 한국 ( 국내 ) 9) (11.6) 표 년주요선진국재생에너지공급현황 ( 단위 : 천 toe, %) 수력풍력바이오폐기물지열태양광태양열해양합계비중 (%) 5,937 (4.6) 3,091 (9.9) 236 (1.5) 538 (18.4) 631 (3.1) 744 (13.5) 55 (1.6) 176 (2.6) 자료 : IEA(2011), 에너지관리공단 (2012). 81,189 (62.7) 19,558 (62.7) 4,567 (28.4) 1,505 (51.4) 12,120 (60.1) 3,065 (55.5) 668 (19.4) 755 (11.0) 9,323 (7.2) 5,201 (16.7) 1,558 (9.7) 858 (29.3) 2,247 (11.2) 934 (16.9) 2,169 (63.1) 4,862 (70.9) 7,598 (5.9) 441 (1.4) 2,499 (15.5) 11 (0.4) 103 (0.5) 1 (0.01) 21 (0.6) 33 (0.5) 136 (0.1) 526 (1.7) 221 (1.4) 0 (0.0) 14 (0.1) 2 (0.03) 45 (1.3) 166 (2.4) 1,447 (1.1) 379 (1.2) 453 (2.8) 13 (0.4) 48 (0.2) 65 (1.2) 26 (0.8) 29 (0.4) 0 (0.0) 129,498 (100.0) 0 31,172 (0.0) (100.0) 0 16,102 (0.0) (100.0) 0 2,926 (0.0) (100.0) 40 20,154 (0.2) (100.0) 0 5,526 (0.0) (100.0) 0 3,438 (0.0) (100.0) ,856 (0.003) (100.0) ) 한국 ( 국내 ) 통계치는 2011 년기준이며, 우리나라의경우폐가스를신재생에너지통계에포함하여집계하기때문에 IEA 에서집계하는통계와차이가있다.

42 22 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 3. 지열에너지주요현황 가. 천부지열이용현황 1) 국외현황 2010년현재전세계 78개국가에서천부지열이용기술을활용하고있다. 지열에너지의활용방식면에서지열히트펌프시스템이설비용량기준으로전체의약 69.7%(35,236MWth), 이용량기준으로약 49%(214,782 TJ/yr) 를차지하며, 온천및수영, 지역난방의순으로높은활용도를나타내고있다 ( 표 3-3참조 ). 표 3-3. 전세계지열에너지직접이용현황 (1995~2010 년 ) 구분 보급용량 (MWth) 이용량 (TJ/yr) 지열히트펌프 35,236 15,384 5,275 1, ,782 87,503 23,275 14,617 지역난방 5,391 4,366 3,263 2,579 62,984 55,256 42,926 38,230 온실난방 1,544 1,404 1,246 1,085 23,264 20,661 17,864 15,742 양식업 ,097 11,521 10,976 11,733 13,493 농산물건조 ,662 2,013 1,038 1,124 산업이용 ,746 10,868 10,220 10,120 온천및수영 6,689 5,401 3,957 1, ,032 83,018 79,546 15,742 융설 ,126 2,032 1,063 1,124 기타 ,045 3,034 2,249 합계 50,583 28,269 15,145 8, , , , ,441 자료 : John W. Lund(2010). 최근 5 년간 (2005~10 년 ) 보급용량은약 80%, 이용량은약 60% 증가하였으며, 지열히트 펌프시스템이보급용량기준 2.3 배 ( 연평균 18%), 에너지이용량기준 2.45 배 ( 연평균 19.7%) 증가하여가장큰증가폭을보였다.

43 23 제3장지열에너지주요현황 국가별로살펴보면, 미국이설비용량을기준으로 12,612MWth 를보급하여가장많은직접이용설비를보급한것으로나타나며, 중국 (8,898MWth), 스웨덴 (4,460MWth), 독일 (2,485MWth) 의순으로나타난다. 이용량기준으로는중국이 20,932GWh/yr로가장높은이용량을나타내며, 미국 (15,710GWh/yr), 스웨덴 (12,585GWh/yr), 터키 (10,248GWh/yr) 의순으로높은이용량을나타내고있다 ( 표 3-4참조 ). 국가 표 3-4. 국가별천부지열에너지이용현황 (2010 년 ) 설비용량 (MWth) 이용량 (GWh/yr) 국가 설비용량 (MWth) 이용량 (GWh/yr) 미국 12,612 15,710 아이슬란드 1,826 6,768 중국 8,898 20,932 네덜란드 1,410 2,972 스웨덴 4,460 12,585 프랑스 1,345 3,592 독일 2,485 3,546 스위스 1,061 2,143 일본 2,100 7,139 노르웨이 1,000 3,000 터키 2,084 10,247 핀란드 994 2,213 자료 : John W. Lund(2010). 활용방식면에서가장높은비중을차지하고있는것은지열히트펌프시스템으로, 전세계 78개국의지열이용국가중 43개국가에보급되었으며, 미국과스웨덴, 독일을포함한유럽그리고중국등이보급시장을주도하고있다. 전세계보급용량을 12kWth 급열펌프로환산하였을때약 294만대가보급된것으로추정되며, 이는 2005년 ( 약 130만대 ) 대비 2배이상증가한것이다 (Lund, 2010). 미국의전체보급용량 (12.6GWth) 중지열히트펌프시스템이차지하는비중은 95%(12GWth) 이며, 이용량에서는 84%(13,167GWh) 를점유하고있다. 2009년말까지보급한용량을 12kWth 급열펌프로환산했을때, 100만대이상보급한것으로추정된다. 또한지난 5년동안매년 10~12만대를설치였으며, 연평균 10% 이상의증가율을보였다. 이러한추세라면 2013년의누적보급대수는약 248만대에이를것으로전망된다. 독일 스웨덴 프

44 24 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 랑스 핀란드 오스트리아등을포함한 EU의주요 8개국은 2009년까지약 85만 ~90만대 ( 보급용량 9,8GWth) 를보급하였으며, 특히 2007년에서 2008년사이 9.5% 이상성장하였다. 주요 8개국을포함하여유럽전역에서약 110만대가보급되었으며, 연평균 12% 이상의성장세를보였다 (Lund, 2010). 가 ) 미국미국의천부지열설비용량은 12,612MWth 로세계최대이다. 1990년대까지는주로관공서나군부대, 학교등공공기관을중심으로설치되었으며, 1999년을기준으로약 35만대가보급되었다. 2000대이후매년평균 4만대정도가설치, 연평균약 12% 의증가율을보이고있으며, 2010년에는 140만대의열펌프가보급되어전체적으로 1,500만대에이를것으로추정된다 ( 에너지관리공단, 지열전문위원회, 2007). 미국은지열히트펌프시스템이미국전체냉난방에너지의약 1% 를점유하며 (EIA, 2008), 2005년까지지난 10년간신재생에너지누적사용량은전체에너지의 2.5% 를차지하여바이오매스를제외하면가장큰비중을차지하였다. 지열히트펌프종류별로는수직밀폐형이 46%, 수평밀폐형이 38%, 개방형이 15% 인것으로나타난다 (Curtis et al., 2005). 미국환경보호청 (Environmental Protection Agency, EPA) 은지열히프펌프시스템이현존하는냉난방기술중에서효율적이고환경친화적이며비용효과가우수한것으로평가하고있다. 이에따르면지열히트펌프시스템은최대공기열원열펌프의 44%, 에어컨과전열기에비해 72% 까지에너지를절감할수있는것으로나타난다 ( 에너지관리공단, 2010). 미국은에너지부와환경보호청을중심으로관련산업체, 대학, 연구소및국제지열히트펌프협회등이참여하는컨소시엄을구성하여다양한보급노력을하고있으며 ( 그림 3-3 참조 ), 연방정부차원에서는에너지관리프로그램 (Federal Energy Management Program; FEMP) 을통해연방정부시설에지열을포함한신재생에너지를보급하고있다 ( 표 3-5 참조 ).

45 25 제3장지열에너지주요현황 자료 : 신현준 (2004); 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌. 그림 3-3. 미국지열히트펌프컨소시엄구성 표 3-5. 미국의지열시스템지원정책 구분 연방정부 주정부 지원내용 1990년대부터대규모시범사업추진 미연방정부에너지관리프로그램 (FEMP) 주정부차원의시범사업추진 IGSHPA 교육참가자교육비 50% 지원 지열히트펌프시공전타당성검토지원 ( 뉴욕주 : 지원상한 5만달러 ) 전력회사리베이트 ( 지불금액의일부환불, 캘리포니아주 : 1RT당 1,500 달러 ) 전력요금절감지원 ( 전력요금누진제도개선 ) 타당성검토후지열히트펌프시스템설계비용지원 저소득층지원 ( 저소득층주택에지열히트펌프시스템도입 ) 세금감면및융자 ( 연방정부와주정부에서각종세금감면및초기설치비장기저리융자 ) 자료 : 에너지관리공단지열전문위원회 (2007); 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌.

46 26 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 나 ) 일본일본은화산지대가발달한지리적이점을이용, 온천과지열발전을중심으로지열에너지를이용하고있으며, 최근에는기후변화대응을위한수단으로지열히트펌프시스템도입에도적극나서고있다. 일본의연간지열히트펌프시장은 700~800 만대인것에반해시장의성장은다소느린편으로, 2005년까지지열히트펌프시스템설치수는약 130~140개에불과하였으나 2002년이후부터는다시큰성장세를나타내고있다. 일본의경우도로제설을위한지열히트펌프설치율이전체이용량의 20% 에이를정도로높은편이다. 기후적특성상겨울철에눈이많이내리는지역의지방자치단체에서는지열에너지를이용한도로의제설시스템을도입하여현재 27개의시설이일본전역에설치되어있으며, 매년설치가증가하고있다 ( 그림 3-4참조 ). 일본의경우지열의이용및개발에관하여별도의법규가마련되어있지는않으며, 굴착은온천법에, 시설의승인은지방정부의위원회결정에의해영향을받는다. 자료 : IEA(2006). 그림 3-4. 일본의지열에너지용도별이용현황

47 27 제3장지열에너지주요현황 다 ) 스위스스위스는국토 2km 2 당 1대의지열시스템이설치되어있을정도로지열시스템밀도가높은국가중의하나이다. 1970년대말지열시스템이도입된후지속적으로성장하여지열히트펌프의보급대수는통계를내기시작한 1982년이후연평균 10% 이상의증가율을보이며, 특히 20kW 미만의소용량시스템은연간 15% 이상증가하고있다. 지열방식에있어서는수직밀폐형이가장지배적이며, 다음은지하수이용방식으로우리나라와유사하다 ( 그림 3-5참조 ). 자료 : Rybach(2002). 그림 3-5. 스위스의지열시스템방식별분포 스위스는국가에너지프로그램인 스위스에너지 (SwissEnergy) 와스위스지열단체총 연합회위원회 (SGS Committee) 를통해지열에너지보급에힘쓰고있으며, 경제적인센 티브 ( 시스템가격이기존보일러와동등, 이산화탄소배출세면제, 친환경적시스템도입

48 28 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 에따른전기료환급등 ) 제도를통해지열시스템의보급확대에큰성과를거두고있다. 라 ) 캐나다 10) 캐나다는기후특성상주로건물난방용으로지열히트펌프시스템을활용하고있으며, 전체가구중에서히트펌프를사용하는비율은아직까지 4~9.3% 수준으로낮으나지속적으로증가하고있는추세이다. 캐나다에서의천부지열이용은지열히트펌프 (GHP), 대수층열에너지저장 (ATES), 광산수에너지, 온천리조트의네가지로분류되며, 전체설치용량은 2010년말기준 1,126MWth이다. 천부지열에너지이용중 95% 이상이지열히트펌프이며, 매년 10~15% 의증가율을나타낸다. 지열히트펌프시스템이설치된곳의 1/3은상업및공공기관또는복합주택지역이다. 캐나다는국민과사업자들의지열히트펌프시스템에대한이해를증진시키고보급을촉진시키기위하여일반주택용과상업용건물을구분하여일반적소개, 에너지절감, 설치방법 ( 지열방식, 루프, 히트펌프의선택등 ), 환경적고려사항, 관련법규등을담은가이드라인을제작하여배포하고있다. 또한지열히트펌프의보급촉진을위하여지역별로다양한인센티브 ( 예를들어일정기한까지의지방세면제등 ) 를제공하고있다. 마 ) 스웨덴 11) 스웨덴은천부지열이용량과지열히트펌프시스템보급이가장많은국가중하나이다. 1980년대초반지열히트펌프시스템 (GHP) 이도입된이후 1985년까지 5년사이약 5만대가보급되었으며이후 10년간유가하락으로 GHP 시장이축소되어연평균 2,000대정도판매되다 1995년부터정부의지원과보조금제도로 2001~02년에주거용주택의 90% 인 2.7만대가설치되었다. 2005년기준으로총약 20만대의 GHP가보급된것으로 10) 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌, 인용. 11) 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌, 인용.

49 29 제3장지열에너지주요현황 추산된다. 지열히트펌프방식별로는수직밀폐형이 80% 이상이고대부분단일 U 튜브 (PE, 직경 40mm) 이며, 수직의경우평균 125m 그리고수평밀폐형의경우총연장 350m 정도를설치한다. 최근다세대대규모주택의지열히트펌프시스템에대한관심이고조되어이분야시장전망이양호한것으로나타났다. 바 ) 독일독일은전세계적으로지열시스템의기술과도입에서선도적인역할을하고있는국가로, 1996년 1,782대, 2000년 4,744대, 2004년 9,249대그리고 2005년에는 13,250대의지열히트펌프가판매되어설치되었다. 독일전체히트펌프판매에서지열히트펌프가차지하는비중은 1980년대에는 30% 보다작았으나, 1996년 78%, 2002년 82%, 2005년 73% 로평균 70% 이상매우크게나타난다. 지열히트펌프를지반이용방식 (GCHP) 과지하수이용방식 (GWHP) 으로구분하여비교해보면 (1996~2005) 지하수이용방식이 13.6~21.2%( 평균 16.6%) 를차지하여우리나라 ( 약 30% 수준 ) 와비슷하거나약간낮은수준으로나타난다. 최근에는지하수이용시스템의설치사례가다소증가하고있으나, 주류는여전히지반이용방식이다. 독일의지열히트펌프는주로가정용으로설치되었으며, 최근에는사무실건물등에대용량시스템의설치사례가증가하고있다. 개보수건물에기존의보일러를대체하거나신축건물에지열시스템과보일러등을함께설치하기도한다. 지열을직접이용하는시설은 140여개가있으며, 주로집중난방 ( 지역난방 ), 건물난방및스파시설로구성된다.

50 30 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 2) 국내현황 2000년대들어서면서처음으로지열히트펌프시스템을도입한우리나라는지난 2~3년동안연간 100% 이상의지속적인성장세를보일정도로시장이확대되고있다. 2003년말까지약 30개소에불과했던지열히트펌프시스템은 2007년에는 48,716kWth, 2008년에는 118,893kWth가설치되었으며, 2009년에는누적설치용량이약 334,000kWth 에이르렀다. 정부는지열히트펌프시스템의보급확대를위하여 공공기관설치의무화사업, 일반보급보조사업, 지방보급사업, 융자사업 등의지원제도를운영하고있다. 정부보급사업을통한지열히트펌프시스템은주로교육시설과사회복지시설에적용되고있으며, 그외에도공공기관과상업용건물그리고산업시설에시공되었고, 최근그린홈 100만호사업을통한보급사례도나타나고있다. 또한지식경제부에서는시설원예농가를대상으로약 1,100억원규모의 시설원예지열설비보급사업 을 2009년시행하였으며, 현재농림수산식품부가주관하고있는이사업은 2010년부터 2014년까지매년 2,000억 ( 국고 1,200 억, 지방비 400억, 자부담 400억 ) 을지원할계획이다. 이사업을통한용량까지추가하면국내보급량은크게증가할것으로예상된다. < 표 3-6> 은정부의보급사업및설치의무화사업을통한국내지열히트펌프보급현황을나타낸것이다.

51 31 제3장지열에너지주요현황 표 3-6. 보급사업및설치의무화사업을통한국내보급현황 구분 2005 년 2006 년 2007 년 2008 년 2009 년 2010 년합계 그린홈 100 만호 일반보급보조 지방보급보조 설치의무화사업 합계 개소 ,421 1,813 용량 (kwth) ,024 13,694 18,718 개소 용량 (kwth) 8,832 16,604 27,535 14,046 6,828 5,113 78,958 개소 용량 (kwth) 5,247 3,717 2,622 88,564 14,393 11, ,632 개소 ,265 용량 (kwth) 34,119 32,593 17,921 20,164 70,294 71, ,036 개소 ,800 3,461 용량 (kwth) 46,820 52,914 48, ,774 96, , ,966 주 : 2005 년수치는 2005 년까지의누적실적치이며, 2010 년실적은사업승인을기준으로함. 자료 : 에너지관리공단 (2011). 민간사업에의한지열히트펌프시스템의국내보급현황에대한정확한통계자료는아직없으나, ( 사 ) 한국지열협회의 2009년조사결과에따르면민간재원으로시공된용량은 19,950kWth이고, 25,760kWth이시공중이며, 설계중인용량 93,800kWth 를더하면약 140MWth 가 2009년과 2010년에시공될것으로추산된다. 12) 또한지열히트펌프시스템외에도개별 지역난방, 온실, 온천등의직접이용설비용량은 2010년말기준약 43.6MWth 로추정된다. 13) 국가지원보급지원사업에의한보급량과민간사업에의한보급량을합산할경우, 2010 년기준우리나라의지열에너지직접이용설비용량은약 652MWth 이다. 12) 에너지관리공단 (2010). 13) 송윤호 (2012).

52 32 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 국가지원보급지원사업규모를살펴보면, 먼저그린홈 100만호사업의경우 2009년에 292개의주택에약 39억원을지원한것을시작으로 2010년에는 1,421개주택에약 115억원을지원하여약 3배로지원규모가확대되었다. 일반보급사업의경우 2010년현재까지 150개소에 386억원가량이지원되었으며, 2006년에 41개소 95억원규모의가장높은지원실적을나타낸후점차하향세를나타내고있다. 지방보급사업의경우 2010년까지 231개사업에약 1,002억원이지원되었으며, 특히 2008년에는 139개소에 734억원이지원되어가장큰실적을나타내었다. 세사업을종합하면, 2010년현재까지총 1,449개사업에 1,542억원가량이지원된것으로나타난다. 표 3-7. 보급사업및설치의무화사업지원현황 ( 단위 : 백만원 ) 구분 2005년 2006년 2007년 2008년 2009년 2010년 합계 그린홈 100만호 ,868 11,504 15,472 일반보급보조 5,776 9,541 8,351 7,689 4,153 3,065 38,575 지방보급보조 5,914 3,740 2,266 73,394 9,093 5, ,176 합계 13,695 15,287 12,624 83,091 19,123 22, ,223 자료 : 에너지관리공단 (2011).

53 33 제3장지열에너지주요현황 나. 심부지열이용현황 1) 국외현황 2010년현재전세계 24개국가에서 526기, 설비용량약 10,715MWe 의지열발전플랜트가운영되고있으며, 연간약 67,246GWh 의전기를생산하고있다. 전체플랜트중 88% 가미국 (3,093MW), 필리핀 (1,904MW), 인도네시아 (1,197MW), 멕시코 (958MW), 이탈리아 (843MW), 뉴질랜드 (628MW), 아이슬란드 (575MW) 에있다 ( 그림 3-6참조 ). 자료 : Bertani, R.(2010). 그림 3-6. 국가별지열발전시설현황

54 34 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 최초의지열발전플랜트는 1913년이탈리아 Larderello에서건설되었으며, 1970~80년대를시작으로지열발전플랜트의보급이급격히증가하였다. 최근 5년동안을살펴보면, 2005년 8,933MWe 에서연평균약 4%(350~400MWe) 의성장세를보여 2010년에는 10,715MWe 에이르렀으며 ( 그림 3-7참조 ), 2015년에는약 18GWe 에이를것으로전망되고있다 ( 에너지관리공단, 2010). 자료 : 송윤호 (2012). 그림 3-7. 전세계지열발전용량증가추이 (MWe) 방식별설비용량을살펴보면, 1단습증기 41%(3,294MWe), 건증기 27%(2,878MWe), 2단습증기 20%(2,092MWe), 바이너리 (binary) 11%(1,178MWe), 배압 (back pressure) 방식 1%(145MWe) 의점유율을보였다. 반면플랜트수에있어서는전체 526기플랜트중바이너리방식이 236기로 44% 를점유하여다른방식보다많은비중을차지하고있다 ( 그림 3-8참조 ).

55 35 제3장지열에너지주요현황 자료 : 에너지관리공단 (2010). 그림 3-8. 전세계지열발전플랜트별보급비율 가 ) 미국 14) 미국은지열발전부문에서세계최고의기술력을보유하고있으며, 설비용량에서도 세계최고를기록하고있다. 미국지열에너지협회에따르면, 2011 년미국의지열발전 플랜트설비용량은약 3,102MWe 이며, 15 개주에서 146 개정도의지열개발 프로젝트가 계획, 진행되고있는것으로나타난다. 또한향후지열에너지생산량은수년안에현재보다약 3배증가할것으로보이며, 9~15개주에서이러한발전용량을갖출것으로예상하고있다. 미국에너지부 (DOE) 에서는지열발전을위해 GRED(Geotheraml Resource Exploration Development), HDR(Hot Dry Rock) 프로젝트등국가주도의연구개발을추진하고있으며, 각주별로도지열분야연구개발이진행중이다. 또한지질과학국가연구실주도의연구과제도수행하고있다. 2009년미국에너지부 (DOE) 는새로운지열자원의탐사와개발및선진적지열기술연구에최대약 3억 3,800만달러를미국재생에너지법자금으로부터조성하였으며, 39개 14) 녹색기술정보포럼 (2011); 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌인용.

56 36 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 주의 123개프로젝트를대상으로민간기업, 학술기관, 원주민부족사업체, 주정부및 DOE 산하국립연구소에지원하였다. 또한민간및연방정부이외의공적자금 3억 5,300만달러가비용분담금으로서프로젝트에추가된다. 이조성금은새로운지열지대의특정과개발에대한것으로혁신적탐사, 굴착프로젝트와데이터개발, 수집을통하여지열개발에동반되는선행투자위험을경감하기위한것이며, 전국에걸친지열히트펌프실증설비의보급과창조적파이넌스제안을지원한다. 조성금의대상으로선택된프로젝트와내용은 < 표 3-8> 과같다. 표 3-8. 미국에너지부의지열시스템자금지원방안 구분비용및대상프로젝트내용 혁신적탐사와굴착 석유, 가스자원개발과정에서의부산물 EGS(Enhanced Geothermal system) 연구개발 EGS(Enhanced Geothermal system) 실증지열데이터의개발, 수집및유지관리 지열히트펌프실증 최대 9,810 만달러 24 개프로젝트 최대 2,070 만달러 11 개프로젝트 최대 8,150 만달러 45 개프로젝트 최대 5,140만달러 3개프로젝트최대 2,460만달러 3개프로젝트 최대 6,190 만달러 37 개프로젝트 혁신적감지, 탐사와지열공굴착기술을기용하여새로운지열자원개발 방대하게존재하나현재미개발된새로운저온지열자원개발 석유및가스굴착과정에서발견된지열자원 EGS(Enhanced Geothermal system) 기술연구개발사업 EGS(Enhanced Geothermal system) 실증사업 ( 탐사, 굴착, 개발 ) 새로운지열자원의특성및평가를지원하기위한국가전체의포괄적지열자원 DB 구축 학술기관, 주정부청사, 상용빌딩등다양한건물의냉난방에활용되는지열히트펌프실증 자료 : 녹색기술정보포럼 (2011)

57 37 제3장지열에너지주요현황 나 ) 필리핀 15) 필리핀은미국에이어세계 2위의지열발전에너지생산국으로, 국토가환태평양조산대에위치하고있어지열발전에매우유리한이점이있다. 필리핀은특히 Wet Steam Fields' 활용발전분야에서는세계최고수준으로, 1979년최초로지열발전소를가동하기시작했으며, 2010년기준전체전력생산량의 14.66% 를지열발전이차지한다 ( 그림 3-9, 표 3-9참조 ). 필리핀석유공사의자회사인 EDC에따르면, 필리핀전국에확인된지열에너지잠재량은 2,048MWe 이며, 그외에도 4,790MWe 의잠재적인지열에너지를보유한것으로파악하고있다. 자료 : KOTRA & Globalwindow(2012). 그림 3-9. 필리핀에너지공급현황 15) 필리핀에너지부웹사이트 ( 필리핀 EDC 웹사이트 ( KOTRA & Globalwindow 웹사이트 ( 발췌인용.

58 38 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 표 3-9. 필리핀의전력생산현황 구분 석유 4,868 5,381 7,101 수력 9,843 9,788 7,803 지열 10,723 10,324 9,929 석탄 15,749 16,476 23,301 기타재생에너지 천연가스 19,576 19,887 19,518 합계 60,821 61,934 67,743 자료 : KOTRA & Globalwindow(2012). ( 단위 : GWh) 2010년말기준으로필리핀에서는 12개의지열발전소가운영중이며, 설비용량은 1,966MWe이다. 지열발전량의대부분은 EDC(Energy Development Corporation) 와미국석유회사유노칼 (UNOCAL) 의자회사인 PGI(Philipine Geothermal Incorporated) 2개업체에서생산하고있다. 특히 EDC는최대규모인 Malitbog 플랜트를포함해현재 5개의지열발전소를운영하며, 필리핀전체지열발전량의약 60% 인 MW 를생산하고있다. 필리핀은 2009년 필리핀에너지계획 2009~30 을수립하고만성적인전력부족문제와고유가시대에원유수입을대체하는주요수단으로서지열발전에주목하고보급활성화에노력하고있으며, 그일환으로 10년내 1,200MW 수준의발전용량을증설할계획을마련하였다. 이가운데 610MW는정부기업인 PNOC-EDC 에서추진하고, 나머지는민간기업의투자로충당할예정이며, 이에필요한매년 36개의지열정중 25개는 PNOC-EDC 가, 나머지 11개는민간기업의재원으로추진하여 2012년까지매년지열에너지생산량을 0.8% 씩늘려갈방침이다. 필리핀정부는지열에너지를통해향후 10년간연평균 25MMBOE 상당의원유수입대체효과와 6억달러의외화절약효과를거둘것으로기대하고있다. 필리핀정부는만성적인전력부족해소를위해서신재생에너지, 지열발전, 대체에너지

59 39 제3장지열에너지주요현황 분야등에대한높은관심과함께집중적인지원을아끼지않고있으나, 실제정부노력에도불구하고이들분야에대한민간투자는저조한상태이다. 민간기업의투자부진은인식부족과환경 사회문화적인우려, 기술제약등의요인이복합적으로작용하는것으로알려지고있다. 그럼에도불구하고향후정부의지속적인민간유치노력에따라필리핀의지열발전량은미국을제치고세계최대의지열발전국가로성장할전망이다. < 표 3-10> 은필리핀정부에서지열개발기업에지원하는투자인센티브를정리한것이다. 표 필리핀의지열개발기업투자인센티브 소득외모든세금면제 소득세산정시정부지분제외 관련기계, 장비, 부품, 원료수입시관세면제 자본재에대해 10년간감가상각인정 외국인근로자 ( 가족포함 ) 고용인정 자본재, 이익금본국회수 ( 송금 ) 보장 지열발전의경우, 대형프로젝트로금융, 기술이복합된 FTAA(Financial Technical Assistance Agreement) 방식으로추진시외국기업에대해 100% 지분허용 자료 : KOTRA & Globalwindow(2011). 다 ) 인도네시아 16) 인도네시아는세계최대지열발전잠재량 (29,038MW) 을갖춘나라로평가되며, 국토전역에걸쳐약 276개의지열발전유망지역이존재한다. 지열발전잠재량대부분은자바 (46.5%), 수마트라 (34.8%) 에집중되어있다 ( 표 3-11 참조 ). 16) KOTRA & Globalwindow 웹사이트 ( 발췌인용.

60 40 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 표 인도네시아지역별지열발전잠재량분포 구분 발전유망지역수 발전잠재량 (MW) 수마트라 86 13,516 (46.5%) 자바 71 10,092 (34.8%) 발리, 누사퉁가라 27 1,767 (6.1%) 칼리만탄 (0.4%) 술라웨시 55 2,519 (8.7%) 말루쿠 (3.3%) 파푸아 3 75 (0.3%) 합계 ,038 (100%) 자료 : KOTRA & Globalwindow(2011). 2011년기준인도네시아의지열발전용량은 1,198MW로세계 3위의규모이며, 전체잠재량의 4.9% 만개발된상태이다. 현재운영중인지열발전소는 7개소이며, 지역적으로는자바지역에전체용량의 93.9% 가집중되어있다 ( 표 3-12 참조 ). 운영중인지열발전소중 6개소가 Flash Steam형방식을, 1개의발전소가 Dry Steam 방식을사용하고있다. 표 인도네시아지열발전운영현황 업체 위치 설비용량 (MW) PT. PERTAMINA Geothermal Energy(PGE) Sibayak, North Sumatera 12 JOC PGE-Chevron G. Salak, Ltd. G. Salak, West Java 375 JOC PGE-Star Energy Geothermal, Ltd. Wayang Windu, West Java 227 PT. PERTAMINA Geothermal Energy(PGE) Kamojang, West Java 200 JOC PGE-Chevron G. Indonesia, Ltd. Darajat, West Java 255 PT. Geo Dipa Energi Dieng, Central Java 60 PT. PERTAMINA Geothermal Energy(PGE) Lahendong, North Sulawesi 60 자료 : 인도네시아광물에너지자원부 (2011). 인도네시아정부는지열발전용량을 2012 년에 3,442MW, 2025 년까지 9,500MW 로확대

61 41 제3장지열에너지주요현황 하여전체에너지수요의 5% 를지열발전으로충당할계획이다 ( 그림 3-10참조 ). 지열발전의확대를위하여민간부분과외국기업의참여를적극유도하고, 기존발전소의효율성개선, 유망발전지역에대한경제적타당성분석확대, 3,000 이상의초고온지열을활용하는기술개발을위한 R&D 투자확대를적극추진하고있다. 17) 한편인도네시아광물에너지자원부는 2011년지열발전시추실패를대비해 3,500억루피아 (3,900 만달러 ) 의예산을배정하였다. 자료 : KOTRA & Globalwindow(2011). 그림 인도네시아지열발전로드맵 인도네시아지열발전업체는주로탐사, 시추및파이핑 (Piping) 에주력하고있으며, 자본투자나설비공급, 교육등의역할은일본, 이탈리아, 독일, 뉴질랜드, 아이슬란드의글로벌회사들이주로수행한다. 일본 JBIC(Japan Bank for International Cooperation) 의경우이미 2006년인도네시아정부와 IPP(Independent Power Plant) 발전소건설에적극협력하기로협정을체결하고 Sumatera Sarulla 지열발전소건설에 8억달러를투자한바있다. 또한향후일본기업들이프로젝트에참여하게될경우인도네시아지열발전에투자를확대할것이라고밝히고있다. 미국 USTDA(United States Trade and 17) KOTRA & Globalwindow(2011).

62 42 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 Development Agency) 의경우 2개지열발전프로젝트타당성검토에 160만달러를무상지원해주기로결정하였다. 총지원금액중약 73만달러는자국기업인 AECOM USA 가참여하는 PT. Star Energy Geothermal Halmahera에지원되며, 나머지약 93만달러는자국기업인 Raser Technologies가참여하는 PT. Indonesia Power에지원될예정이다. 인도의 TATA Power 사는북 Sumatera 에있는 55MW급 Sonik Merapi( 향후 200MW로확대 ) 입찰에참가할예정이며, 인도네시아 PT. Supraco와컨소시엄을체결할예정으로프로젝트규모는 1억 1,000만 ~1억 6,500만달러이다. 한편세계은행은신재생에너지를사용하는국가지원을위해 4억달러를책정했으며, 인도네시아의지열발전선정가능성이높은것으로전망되고있다. 라 ) 일본 18) 일본은화산지대에위치한지리적이점으로세계 3위의지열자원량을보유하고있으나, 발전능력은불과 540MW로세계 8위수준이다. 1973년석유파동후화석에너지를대체하기위한자원으로지열이각광을받았으며, 이데미츠흥산과규슈전력이 1996년에지열발전운전을시작하기에이르렀다. 그러나이후원자력발전을추진하는에너지정책전환으로지열발전보급은시들해졌으며, 1997년새로운에너지법에서 신에너지 카테고리에서벗어나 1999년운전을시작한도쿄전력하치조지마지열발전소를마지막으로상업용신규건설은중단되었다. 이는앞서언급한대로원자력발전을추진하는에너지정책의전환에기인한바도크나, 일본내풍부한지열자원이부존되어있는자연공원내의개발규제, 지하자원의개발리스크, 거액의초기투자비용, 장기간의개발기간, 기타지열자원이용자와의관계등에도기인한다. 2010년지열발전설비용량은 MW로 1996년의 MW에비해 1.9% 의증가에그쳐 14년간보합상태가지속되고있다. 그러나최근원자력발전에대한안정성논란이가속화되는것과맞물려일본에서 18) 한국지하수토양환경학회 (2008); 야노경제연구소 (2011) 발췌및인용.

63 43 제3장지열에너지주요현황 다시지열발전이주목을받고있다. 일본의지열발전설비용량은 2011 년이후 10 년간 새로이약 180MW 의지열발전설비가도입되어, 2020 년에는약 721MW 가될것으로 예측되고있다. 또한현재몇몇대형지열개발계획이 추진됨에따라 2030 년까지약 200MW의발전용량이추가로증가될것으로전망된다. 일본의지열발전시장규모는약 580억엔규모로집계되고있으며, 지하자원조사약 10억엔, 지열발전플랜트건설 추가굴착약 20억엔, 메인터넌스약 20억엔, 전력시장약 530억엔가량으로분석된다. 신규개발을위한지하자원조사및지열발전소의신설은거의이루어지지않는상황이며, 지열발전시장은매전시장및기설플랜트의메인터넌스, 추가굴착을중심으로구성되어있다. 2010년이후에는바이너리발전시스템시장으로의진출이활발해지고있으며, 2020년까지의소규모바이너리시스템도입량은 10MW로예측되지만, 향후에는기술경쟁으로인한시스템의가격저하 소형화및성능 발전효율의향상등을통해시장이확대될것으로예상된다. 2011~20년의일본국내지열발전시장규모는약 8,490억엔규모로급격히확대될것으로예측되며, 발전소신설시장이약 870억엔, 지하자원조사가약 250억엔, 기설플랜트의추가굴착 증기배관등부설이약 200억엔, 메인터넌스가약 230억엔, 매전시장이약 6,940억엔가량될것으로전망된다. 또한, 2011~2020년도의일본계메이커의터빈 발전기등의수출시장규모는약 3,200억엔으로추산되므로, 이기간의지열발전의국내산업규모는약 1조 1,690억엔에달할것으로예측된다. 마 ) 독일 19) 독일의지열발전은 2003 년 11 월 Mecklenbrug-Vorpommern 주의 Neustadt-Glewe 19) KOTRA & Globalwindow 웹사이트 ( 및한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌및인용.

64 44 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 시에서시설용량약 230kW 규모의설비가운영되면서시작되었으며, 2007년에는 Rheinland-Pfalz 주의 Landau 시에 3MW 규모의발전소가가동되면서첫 MW 단위의지열발전시설이운영되었다. 같은해가동이시작된운터하힝지열발전소는독일에서가장규모가큰지열발전소로한차례장비교체과정을걸쳐 2008년재가동되었으며, 지하 3,400m에서약 122 의지열수를끌어올려연간 38MW의열과 3.4MW의전력을생산하고있다. < 표 3-13> 은독일의주요지열발전시설에대하여정리한것이다. 표 독일의주요지열발전소 프로젝트 ( 가동시기 ) 전력생산규모 (MW) 열생산규모 (MW) 열수온도 ( ) 노이슈타트-글레베 (2003) 란다우 (2007) 운터하힝 (2008) 자료 : KOTRA & Globalwindow(2010). 독일은 2000년재정된재생에너지법 (Renewable Energy Act) 에의해지열발전전력의단가가결정되며, 이를기반으로지열발전프로젝트들이라인분지상류, 뮌헨, 북부독일등에서진행되고있다. 또한독일연방정부는지열발전프로젝트장려정책을새롭게정비하여 2009년 1월에재생에너지법을개정하였으며, 새로운대출금제도를도입하여지속적인연구를지원하고 2억유로의투자금을마련하여총 20개의새로운프로젝트를승인, 추진하고있다. 또한효율과기술등에따라보조금제도를마련하여운영하고있으며 ( 표 3-14참조 ), 유럽에서는최초로열수발굴보증보험을통하여지열발전투자에가장큰걸림돌이던높은굴착비용을보증함으로써, 충분한열수확보가불가능하게되었을경우에도투자금회수에대한부담감을최소화하였다. 2001년발주된운터하힝프로젝트는이러한열수발굴보증보험의혜택을받은최초의프로젝트이다.

65 45 제3장지열에너지주요현황 표 독일의지열발전보조정책 보조금항목 기본금 내용 지역공급자는 20 년간고정가구입의무를가짐 ( 이가격은 10MW 이하발전소에한함 ). 2009~11 년 (10MW 이하 ) 보조금 (cent/kwh) 2012 년이후 ( 용량제한없음 ) 조기가동 2015 년이전가동에들어가는발전소에한함. 4 열효율 기술 복합발전소에서 20% 이상의열발전을할경우 EGS의 Petrothermal 기술을사용할경우 ( 예 : Hot Dry Rock system, Deep Heat Mining, Hot Wet Rock, Hot Fractured Rock, Stimulated Geothermal System) 자료 : KOTRA & Globalwindow(2010); 독일연방환경청. 독일은 2020년까지열수방식지열발전설비규모가약 280MW에이를것으로예상되며, 연간 18억 kwh에이르는전력을생산하게될것으로전망하고있다. 모든지열발전분야의에너지생산량은 2020년 82억 kwh에이를것으로전망되며, 지속적으로성장세를유지하여 2030년에는전력생산규모가 850MW에이를것으로예상하고있다. 2) 국내현황 우리나라에서지열을에너지원으로개발하고자하는시도는 1960년대말부터시작되었으며, 1991년최초로과학적탐사기법을이용하여실제적인지열개발시추를통해지역난방에까지활용하고자하는연구개발사업이착수되었다. 이사업은경남마산 창원부근의심부지열수를개발하여지역난방에활용하고자하는계획으로, 과학적방법을동원한

66 46 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 탐사를통하여부존자원량을확인하고경제성을분석하는단계에까지이르게된다. 또한비슷한시기에제주도에서도지열개발을위한연구개발사업이동시에추진되기도하였으나, 높은시추비용에따른위험부담과정부의인식부족으로그이상의진행은되지못하였다. 그러다가 2000년이후고유가와에너지안보에대한중요성이부각되면서부터한국지질자원연구원을중심으로대규모심부지열자원개발연구프로젝트가다시시작되었으며, 이후국내심부지열자원개발과관련된많은연구성과들이나타나고있다. 20) 정부에서도심부지열에너지활용의필요성과중요성을재인식하여국가에너지기본계획을통하여심부지열기술의개발과설치확대목표를명시하였으며, 정책적으로지원하는방안을모색하고있다. 제3차신재생에너지기술개발및이용보급기본계획 에서는 2030년까지의지열간접이용개발목표를지열발전플랜트개발및실증화로설정하고, 심부지중탐사, 설계, 시공기술개발을중점적으로추진함과더불어지역지열발전소건설에서의각종사회 환경적문제에대처가능한방안마련연구를추진하도록하고있다. 단계별로는 2010년까지 1MW급소형지열발전플랜트를구축하고, 2020년까지 10MW 이하급중형지열발전플랜트를, 2030년까지 10MW 이상급의대형지열발전플랜트를구축하는것으로목표를설정하고있다. 2012년현재국내에는아직전력을생산하는지열발전설비는없으나, 지열발전개발및이용을위한탐사와핵심기술개발, 실증사업들이추진중이다. 2009년부터석모도지역에서추진중인지열개발사업의경우, 지하 3km 이내에부존하는저온지열열병합발전에활용할수있는지열자원확보를위한조사 탐사 개발과이용을위한종합적인지질자원핵심기술개발과함께, 한반도지열이상대분포, 생성원인과지질학적인연관성규명등을목표로연구가진행중이다. 이사업은 2015년까지국내최초의지열열병합발전실현을목표로추진중이며, 발전용량 200kWe, 열용량 5MWth 이상의지열수자원확보를통하여연간 4,000toe 이상의화석연료대체와 7,000톤이상의이산화탄소배출저감 20) 송윤호외 (2006).

67 47 제3장지열에너지주요현황 효과를가져올것으로기대된다. 현재는약 70 의지열수자원을확보하여석모도지역의지역난방과시설영농, 양식업등에공급하고있다. 한편 2012년 9월에는경북포항시에 2015년상업운전을목표로 EGS 발전소건설사업이시작되었다. 이사업은아시아에서는최초로화산지대가아닌곳에서지하 5km 내외에부존된지열에너지를이용하여전력을생산하는 1.5MW급발전설비를건설하는계획으로, 총사업비 473억원이소요되며이가운데정부가 195억원을투입하게된다. 2011년부터 2012년까지진행되는 1단계사업에서는총 113억원 ( 정부 65억원, 민간 48억원 ) 이투입되어지열발전의경제적타당성확인 (3km, 100 ) 을위한시추작업이진행된다. 또한 2단계사업 (2012~15년) 에서는총 360억원 ( 정부 130억원, 민간 230억원 ) 을투자하여지열발전을위한플랜트설비를건설하게된다. 21) 21) 가스신문 (2012).

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69 제 4 장 지열에너지잠재량및보급계획과의연계분석

70 50 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 1. 지열에너지잠재량의개념과분류 지열에너지는증기또는지열수와같은지하유체의대류나마그마의유동과관련이있어이동성이높은특성을가지기때문에특정지역에부존하며, 이동성이없는지하자원에적용하는일반적인 부존량 의개념을적용하는것은적합하지않다. 그럼에도불구하고신재생에너지의정량적평가의필요성때문에지금까지여러연구자들에의해지열부존량에대해다양한정의가제시되어왔다. 지열에너지는이를활용코자하는방법 ( 발전, 저온지열원직접이용또는지열히트펌프 ) 에따라그정의가달라지는관계로아직까지전세계적으로통일된개념은없으며, 표준화된정의와평가방법또한정립되어있지않다. 최근미국및아이슬란드에서의발전및지역난방에의활용사례를바탕으로한연구결과가발표된바있는데, 이에따르면전세계에서이용가능한최소잠재량은 1.5TWth 정도로추정되고있다 ( 표 4-1참조 ). 그러나이는지열이높은지대에서고온의지열을활용하는경우만을고려하여산정한것이므로, 지열히트펌프를활용할경우이보다훨씬높은잠재량이예상된다. 표 4-1. 미국및아이슬란드사례를통해산정된전세계자원잠재량 구분 최소추정부존량 확인된자원으로부터최대추정부존량추정된부존량 발전에이용할수있는자원량 0.05 TWe 0.2 TWe 1~2 TWe 직접이용가능자원량 1 TWth 4.4 TWth 22~44 TWth 전체부존량 1.5 TWth 6 TWth 30~60 TWth 주 : 하첨자 e 는전기에너지, th 는열에너지를말하며, 1TWh 는연간약 750Mtoe 에해당함. 자료 : 에너지관리공단 (2010). Muffler and Cataldi(1978) 는지열을광물자원에대한개념을바탕으로부존량관점에 서접근하였으며, 100 년미만의기간동안경제 기술적으로개발이가능하게될자원으로

71 51 제4장지열에너지잠재량및보급계획과의연계분석 접근가능한 부존잠재량 (accessible resource base) 으로정의하고체적법 (volumetric method) 을이용하여부존량을평가하였다. 체적법은특정심도구간내지하암반이가지고있는온도 ( 또는열량 ) 와전체부피를곱하는방식이다. 접근가능한부존잠재량은지질학적확실성에따라예상매장량, 추정매장량, 확정매장량으로분류하며, 경제성에따라부존매장량, 가용매장량으로분류하게된다. 자료 : 송윤호 (2008). 그림 4-1. Muffler and Cataldi(1978) 에따른지열부존량의정의와분류

72 52 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 한편 Rybach(2010) 는부존잠재량에대해보다정리된개념을발표하였으며, < 그림 4-2> 에나타낸바와같이이론적, 기술적, 경제적, 지속가능, 그리고개발가능 (developable) 잠재량으로구분하였다. 자료 : Rybach(2010). 그림 4-2. Rybach(2010) 에따른지열부존량의정의와분류 현실적으로볼때기술적잠재량은추정매장량의근거가될것이며, 경제성을만족할경우에는경제적잠재량이된다. Rybach(2010) 에의해새롭게도입된개념인지속가능 (sustainable) 잠재량은 50년정도동일한생산량이유지될수있는수준의개념이다. 개발가능잠재량은지정학적및사회적인입지조건을고려하고정책적인면까지포함되어실제현재상황에서개발할수있는에너지량을말한다. 2. 우리나라의지열에너지잠재량 우리나라는 10 여년전까지만해도지열에너지활용실적이거의전무하여합리적인

73 53 제4장지열에너지잠재량및보급계획과의연계분석 추정을위한자료가전혀없는실정이었기때문에, 우리나라와지열부존상황이유사한실정에서지역난방이나열펌프활용이매우활발한스위스의경우를참고하여동일한면적당활용량을가정하여이용가능자원량을추정하여왔다. 최근국제적으로심부지열개발과이용에대한관심이높아지면서우리나라에서도한국지질자원연구원을중심으로우리나라의심부지열에너지잠재량에대한조사연구가활발히수행되었으며의미있는결과들이제시되고있다. 반면천부지열잠재량의경우국내상황을고려하여제시되고있는연구가아직까지없어, 본연구에서여러전문가의의견및문헌조사를통해잠재량을산정하였다. 가. 심부지열잠재량 지난 2008년한국지질자원연구원과에너지기술연구원의연구결과에따르면, 우리나라의심도 5km 기준전체부존잠재량은 2,352,347백만 toe이며, 개발가능한발전시설입지조건을고려한가용잠재량은부존잠재량의 6.81% 인 백만 toe이다. 또한 125 에서의발전효율최대 10% 를적용 (Clauser, 2006) 하고 2% 의열회수율 (MIT, 2006) 과가동률 73%(WEC, 2007) 을적용한기술적잠재량은 23.4백만 toe이다 ( 표 4-2 참조 ). 표 4-2. 우리나라의심부지열잠재량 구분 내용 잠재량 (ktoe) 부존잠재량 심도 5km 내전국의지열에너지부존총량 2,352,347,459 가용잠재량 개발가능지역의부존량 ( 남한면적의 6.81%) 125 이상지역선정 발전시설입지고려 고도 200m 이하로한정 160,131,880 현기술수준으로개발가능한잠재량 기술적잠재량 열회수율 2%, 발전효율 125 기준최대 10%, 233,793 가동률 73% 적용 자료 : 에너지관리공단 (2010).

74 54 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 한편 2011년한국지질자원연구원에서는 EGS(Enhanced Geothermal System) 발전기술을기반으로하여우리나라의심부지열자원잠재량을산정하였으며, 이에따르면지하 3~10km 범위의이론적잠재량은 6,975GW 로 2010년우리나라총발전용량인 76GW 의약 92배에달하는것으로나타났다. 지하 3~6.5km 깊이구간및개발행위가가능한지역만을고려하고또한암반으로부터의열회수율 (0.14) 과발전시설의온도특성까지포함해서산출된기술적잠재량은온도하강요소 10 를고려할때총 19.6GW이며, 만약온도하강요소를경제적잠재량에포함시킬수있도록제외한다면기술적잠재량은 56GW로늘어난다 ( 표 4-3). 22) 심도 표 4-3. EGS 기반우리나라의심부지열기술적잠재량산정결과 전국토대비가능지역면적비율 (%) 온도강하를고려한기술적잠재량 (MW) 온도강하를고려하지않은기술적잠재량 (MW) 3~4km ~5km ,181 7,738 5~6km ,838 24,102 6~6.5km ,841 23,276 합계 19,567 55,939 자료 : 송윤호외 (2011). 22) 송윤호, 백승균, 김형찬, 이태종 (2011), 우리나라 EGS 지열발전의이론적및기술적잠재량평가, 자원환경지질 44(6):

75 55 제4장 지열에너지 잠재량 및 보급계획과의 연계 분석 (a) 3~4km (b) 4~5km (c) 5~6km (d) 6~6.5km 자료: 송윤호 외(2011). 그림 4-3. EGS 기반 우리나라의 심부지열 잠재량 분포도

76 56 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 나. 천부지열잠재량 천부지열이란일반적으로지표아래약 200~300m 이내의토양과암석이태양복사열이나지구내부의마그마열때문에보유하고있는지중열이거나약 10~15m 심도이하의지하수가보유하고있는에너지를의미한다. 특정깊이의천부지열은계절에상관없이연중거의일정한온도를유지하는특성이있다 ( 그림 4-4 참조 ). 그림 4-4. 천부지열의개념과깊이에따른온도분포 지열발전과같이간접이용에활용되지못하는모든지열자원은이론적으로직접이용이가능하나, 에너지활용방식에따라잠재량이달라질수있으므로이에대한고려가필요하다. 지금까지지열에너지자원잠재량의산정또는추정은모두지하로부터열또는유체를추출하는관점에서만이루어졌으나, 최근지열펌프를포함한직접이용이확대됨에따라전세계적으로열펌프이용등에너지를활용하는방식을포함한직접이용지열자원잠재량에대한평가의필요성이제기되고있다. 천부지열에너지잠재량을산정하는방식은아직까지국제적으로공인된방법론이없으며, 히트펌프이용까지고려하여천부지열잠재량을별도로산정한선행연구도찾아보기

77 57 제4장지열에너지잠재량및보급계획과의연계분석 어렵다. 앞서언급한바와같이, 지열발전과같이간접이용에활용되지못하는모든지열자원은이론적으로직접이용이가능하므로이는가장큰포괄적의미에서의천부지열잠재량이라고할수있다. 반면이렇게산정된잠재량에는최근가장흔한형태의지열에너지이용방식인히트펌프이용잠재량은포함되지않는다. 본연구에서는지열원온도에따른에너지분포를이용하여직접이용이가능한지열잠재량과, 지하수이용량및국내지반열특성을이용하여히트펌프 ( 개방형및밀폐형 ) 의활용이가능한천부지열에너지잠재량을구분하여산정하였다. 1) 지열원온도직접이용잠재량산정 Stefanson(2005) 은미국과아이슬란드의지열수온도별분포조사를통하여온도가증가할수록지열수분포빈도가지수함수적으로감소한다는결과를제시한바있다. 단위질량당에너지는온도에따라증가하므로특정온도범위에서의에너지량을분포수와그온도에서의에너지를곱하여구할수있는데, 이에따라계산된온도별에너지량의분포도는 < 그림 4-5> 와같다. 23) 그림에서와같이, 130 이하의지열자원부존량은전체부존량의약 68% 를차지한다. 고온의지열이필요한지열발전과달리직접이용이가능한 130 이하의지열수또는증기는비교적전세계에고르게분포하고있으므로, < 그림 4-5> 의온도별에너지량분포가우리나라에도유효하다는가정하에 < 표 4-2> 에서제시된가용잠재량을기준으로지열에너지직접이용잠재량을추정할경우부존량은 340,280Mtoe이된다 ( 표 4-4참조 ). 23) Povarov and Tomarov(2006); modified from Stefanson(2005).

78 58 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 자료 : Stefanson(2005). 그림 4-5. 지열원온도에따른지열에너지량의분포 표 4-4. 우리나라의지열원온도직접이용가능잠재량 24) 구분내용잠재량 (Mtoe) 전체잠재량 전체매장량 2,352,800 심부지열발전가용잠재량 개발가능 지역의 부존량 ( 남한 면적의 6.81%) 125 이상지역선정 발전시설입지고려 고도 200m 이하로한정 160,132 직접이용가능잠재량 가용잠재량 ( 접근가능부존량 ) 340,280 자료 : Stefanson(2005). 단, 우리나라의경우 125 이상의고온지열수를지열발전에사용하도록되어있으므 로이를기준으로하였으나, 실제화산대에서의지열발전이활발하게진행중인미국과 24) Stefanson(2005) 에의한잠재량산정은지열원온도가가진에너지량을기반으로하므로지중의일정한온도차를이용하는지열히트펌프에의한잠재량은배제되어있다. 따라서 천부지열 대신 직접이용 이라는용어를선택하였다.

79 59 제4장지열에너지잠재량및보급계획과의연계분석 아이슬란드에비해우리나라는 125 이상의지열발전가능자원이적기때문에실제 125 이하지열자원부존량은전체의 70% 이상을차지할것으로예상된다. 2) 지열히프펌프이용잠재량산정 지반은토양입자또는암반등고체와입자사이의공극또는암반의절리면, 균열, 파쇄대등에포함된공기와물로이루어져있다. 이중공기는지하수위위의불포화대에만존재하여절대량이적고열용량이미미하므로천부지열에너지의보급잠재량은토양및암반과지하수의온도와외기온도의차에서발생하는에너지를주어진시간에얼마나획득할수있는지에따라결정된다. 한편물질에너지의이용량은물질이가지는에너지용량과기술적획득률에따라결정되므로에너지용량이크더라도기술, 환경, 경제적구속조건에의해획득이제한되면이용량이한정될수있다. 여기에서는지열에너지이용에있어서의구속조건들을함께고려하여천부지열에너지잠재량중지열히트펌프의이용가능잠재량을산정하였다. 가 ) 지하수의직접이용지하수는지반의고체성분에비해열용량이높아지하수관정을이용하여지하수를분리해내면가장효율적으로지열에너지를사용할수있다. 이와같은이용방식을사용하는대표적인예가온천수의사용이며, 이외에도시설원예단지의수막보온, 지열히트펌프 (Ground-Source Heat Pump, GSHP) 중개방형열교환기를이용한냉난방등이활용되고있다. 과도한지하수사용은지하수위변동으로바람직하지않은지하수유동을야기하고지반을약화시킬수있으므로, 지하수지열의이용은안전하고지속가능한지하수사용량에의해제한될수있다. 2002년지하수관리기본계획에따른 10년빈도가뭄을가정한이수안전지하수개발량

80 60 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 117 억 m 3 /yr 25) 중지하수이용량 38 억 m 3 /yr 26) 을제외한지하수량을이용하면 < 표 4-5> 와 같이보급잠재량 3.9Mtoe/yr( 설비용량 5.2GW) 를예측할수있다. 표 4-5. 지하수직접이용에의한지열에너지잠재량 구분 수치 지속가능한지하수사용량 79억 m 3 /yr 물의열용량 4.185kJ/kg/ 열교환온도차 5 물의밀도 1,000kg/m 3 잠재량 79억 m 3 /yr 4.185kJ/kg/ 5 1,000kg/m 3 = 3,948ktoe/yr (5.2GW) 지열에너지시스템은양수후회수까지걸리는시간이짧은경우가대부분이므로이수 안전지하수개발량을적용한보급잠재량은매우보수적으로산정된것이다. 나 ) 폐쇄형 GSHP 전세계적으로천부지열에너지원활용을위해가장보편적으로사용되고있는시스템은밀폐형열교환기를사용한 GSHP로, 개방형시스템과달리토양과암반을포함한지반을열원으로사용한다. 밀폐형 GSHP의설치를위해서는열교환기설치를위한공간이필요해에너지이용의구속조건으로작용한다. 열교환기는그배열에따라수평형과수직형으로구분되는데토지이용도가높은우리나라의특성상수직형에대한선호도가절대적으로높다고볼수있다. 지반의열전도율및열용량은지하수에비해낮아지열에너지회수의구속조건이된다. 지반열특성은토양또는암반의재료특성이외에도 25) 문현주 (2007). 26) 국토해양부 (2010).

81 61 제4장지열에너지잠재량및보급계획과의연계분석 간극률, 포화도등구조적특성에따라서도변하며, 연중기후변화에의해서도영향을받는다. 따라서밀폐형 GSHP의열획득률을정확하게산정하기위해서는대상지반에대한열전달거동시험및모델링이필요하다. 일반적인지반조건에서수직밀폐형 GSHP 가지반으로부터취득할수있는개략적인열량은 < 표 4-6> 과같다. 표 4-6. 수직폐쇄형 GSHP 의열교환기천공길이당열획득량 Ground Type 항목 구분 1 구분 2 Operation Period 1,800h 2,400h Poor underground & Dry sediment 25W/m 20W/m Normal underground & water-saturated sediment 60W/m 50W/m Consolidated rock 84W/m 70W/m 자료 : Tim Dwyer and Yan Evans(2010). 한편시스템의안전한설치및열간섭현상방지를위해보어홀간일정거리를유지하여설치하고있으며, 국내의경우 5~7m 정도의이격거리를두고있는것으로알려져있다. 이의평균값인 6m를구속조건으로설정하여수직밀폐형 GSHP의보급잠재량을산정하면 < 표 4-7> 과같다. 표 4-7. 수직밀폐형 GSHP에의한지열에너지잠재량항목수치천공길이당열획득량 20W/m 천공길이 100m 천공설치가능면적 km 2 (2010년건축허가면적 ) 천공간이격거리 6m 20W/m 100m km 2 6m 잠재량 = 5,249ktoe/yr (7.0GW) 계산된보급잠재량은가정용 12kW 급 GSHP 를약 1,161,500 대가동 ( 가동률 50%) 할 수있는에너지이며, 이는우리나라한가구당약 0.07 대보급가능하고, 2011 년기준 에어컨보급률 0.61 대의 10% 이상을 GSHP 로대신할수있는양에해당한다.

82 62 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 3) 우리나라의천부지열잠재량산정결과및시사점 < 표 4-8> 은앞서산정한천부지열잠재량을종합하여나타낸것이다. 표 4-8. 우리나라의천부지열에너지잠재량 히트펌프이용가능잠재량 구분지열원온도직접이용가용잠재량 지하수직접이용폐쇄형 GSHP 소계 잠재량 340,280 Mtoe/yr 3,948 ktoe/yr 5,249 ktoe/yr 9,197 ktoe/yr 표에서나타난바와같이, 지열발전과같이간접이용에활용되지못하는상대적으로낮은온도 (125 이하 ) 의모든지열자원은이론적으로직접이용이가능하며, 이관점에따라산정한우리나라의천부지열잠재량은약 340,280Mtoe 이다. 이는선행연구에서제시된우리나라의심부지열자원잠재량중가용잠재량을바탕으로 Stefanson(2005) 에의해제시된지열원온도별에너지량분포에따라산정된결과로이론적인값에가까우며, Rybach(2010) 이제시하고있는실제개발가능량과가장가까운경제적잠재량과는큰차이가있을수있다. 한편외부환경에영향을받지않고일정하게유지되는지하수또는지중의온도를이용하여냉난방에활용하는히트펌프설비의이용가능잠재량은약 9.2Mtoe 이다. 이는우리나라의지하수이용가능량과열적특성지반의열적특성을이용하여산정한이론적인값이며, 지하수의직접이용설비와수직밀폐형설비에대해서만산정되어있어실제이용가능한잠재량과는차이가있을수있다. 이와같이연구에서산정된결과값은이론적수치에가까우며실제이용가능한값과는큰차이가나타날수있다.

83 63 제4장지열에너지잠재량및보급계획과의연계분석 현재까지우리나라를비롯하여해외에서도천부지열잠재량에대한연구는거의이루어지지않고있다. 우리나라의경우지리적인제약으로인해심부지열자원의활용이제한되는반면, 사계절이뚜렷한기후적인특성에의해히트펌프등을이용한천부지열자원의활용도가높다는측면을감안할때, 향후객관적지표를통한천부지열잠재량을산정하여이를바탕으로보급목표를설정하는것이중요할것으로판단된다. 또한현재까지천부지열에너지의기술적, 지속가능, 경제적잠재량산정을위한공인된방법론이나객관적지표가확립되어있지않으므로, 향후별도의추가연구를통하여방법론을마련하는것이우선되어야한다. 3. 지열에너지보급목표 제1차국가에너지기본계획 에서는 2030년까지신재생에너지의보급비중을전체 1차에너지수요량의 11% 까지점차확대하는목표를설정하고, 신재생에너지를신성장동력산업으로육성하기위하여우리가강점을가지고있고산업파급효과가큰세부기술, 즉풍력, 태양에너지, 바이오에너지에초점을맞추어한정된자원을집중함으로써국내기술개발및보급을적극추진하는전략을세웠다. 원별목표전망을살펴보면, 현재의폐기물중심에서바이오에너지, 태양에너지, 풍력등자연재생에너지중심으로전환되며, 해양에너지, 지열, 태양열, 풍력등의증가율이높게나타나는반면, 현재비중이높은폐기물과수력의증가율은낮아질전망이다 ( 표 4-9참조 ).

84 64 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 표 4-9. 국가에너지기본계획에의한신재생에너지원별공급목표 27) ( 단위 : 천 toe) 구분 2008년 2010년 2015년 2020년 2030년 연평균증가율 태양열 ,882 (0.5) (0.5) (0.5) (2.0) (5.7) 20.2 태양광 ,364 (0.9) (1.8) (2.7) (3.2) (4.1) 15.3 풍력 ,084 2,035 4,155 (1.7) (2.9) (9.2) (11.6) (12.6) 18.1 바이오 ,210 4,211 10,357 (8.1) (13.0) (18.8) (24.0) (31.4) 14.6 수력 ,071 1,165 1,447 (14.9) (12.8) (9.1) (6.6) (4.4) 1.9 지열 ,261 (0.1) (0.6) (2.4) (3.1) (3.8) 25.5 해양 ,540 (0.0) (0.9) (3.4) (5.2) (4.7) 49.6 폐기물 4,688 5,097 6,316 7,764 11,021 (73.7) (67.4) (53.8) (44.3) (33.4) 4 합계 6,359 7,567 11,730 17,520 33,027 (2.58) (2.98) (4.33) (6.08) (11.0) 7.8 전체 1차에너지 247, , , , , 자료 : 국가에너지위원회 (2008). 지열에너지의경우, 2008년 9천 toe에서 2020년 544천 toe, 2030년에는 1,261천 toe로연평균 25.5% 씩증가하여전체재생에너지가운데 3.8% 의비중을차지하게될전망이다. 단계별기술개발및보급목표를살펴보면, 1단계인 2010년까지지열히트펌프시스템설치가격목표를 RT 당 370만원으로낮추고, 지열히트펌프효율 ( 냉방 ) 을 4.5로상승시키며, 1MW 급이하소형지열발전플랜트를구축하도록하였다. 2단계인 2020년까지는지열시스템설치가격목표를 RT당 290만원까지낮추고, 지열히트펌프효율을 5.0까지상승시키며, 시스템보급을 500,000RT까지확대하고, 10MW 급이하의중형지열발전플랜트를구축 27) 국가에너지위원회 (2008).

85 65 제4장지열에너지잠재량및보급계획과의연계분석 하는목표를설정하였다. 3단계인 2030년까지는지열시스템설치가격목표를 RT당 250만원까지낮추고, 지열히트펌프효율을 5.5까지상승시키며, 시스템보급을 2,200,000RT까지확대하고, 10MW급이상대형지열발전플랜트를구축하는목표를설정하고있다 ( 그림 4-6참조 ). 자료 : 지식경제부 (2008). 그림 4-6. 지열에너지단계별기술개발및보급목표 4. 보급목표와잠재량과의연계분석및시사점 < 표 4-10> 은앞서산정한우리나라의지열에너지잠재량과국가에너지기본계획에의한 2030 년지열에너지보급목표를비교하여정리한것이다.

86 66 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 표 우리나라의지열에너지잠재량과보급목표 (2030 년 ) 심부지열잠재량 천부지열잠재량 구분 심부지열기술적잠재량 (2008) EGS 기반심부지열에너지 온도강하고려시 기술적잠재량 (2010) 온도강하미고려시 지열원온도직접이용가용잠재량 잠재량 233,793 ktoe 11,791 ktoe 33,708 ktoe 340,280,000 ktoe 히트펌프이용가능잠재량 지하수직접이용 3,948 ktoe 폐쇄형 GSHP 5,249 ktoe 히트펌프소계 9,197 ktoe 2030년지열에너지보급목표 1,261 ktoe 2030년 1차에너지소비량 300,000 ktoe 주 : EGS 잠재량의경우 < 표 4-3> 에나타난잠재량에연간설비이용률 80% 를적용하여환산. 현재우리나라의지질학적구조상실제적용가능한지열에너지시스템이 EGS 발전기술과지열히트펌프시스템라고볼때, 우리나라의지열에너지잠재량총합은 20,988ktoe ( 온도강하고려한 EGS 기술적잠재량 11,791ktoe + 히트펌프이용가능잠재량 9,197ktoe) 으로볼수있다. 2030년정부의지열에너지보급목표가 1,261ktoe 이므로, 우리나라의지열에너지잠재량은 2030년보급목표의 17배가량을보유하고있는것으로판단된다. 연구에서산정된잠재량은기술적잠재량을기준한것이며, 실제지열에너지를이용하기위해서는경제적타당성, 지속가능성등이추가적으로고려되어야한다. 이렇게실제지열에너지를이용하기위하여고려해야하는지표들을추가하게될경우잠재량은표에서제시하고있는잠재량보다다소줄어들것으로추정되나, 아직까지이를정확히산정하기위한방법론이제시되고있지않으므로정확한수치를판단하기어렵다. 다만, 우리나라에서활용가능한지열자원이막연히무한하게존재하고있는것은아닌만큼, 지열에너지자원을효율적이고환경친화적이며지속가능하게사용하는것이무엇보다중요할것으로판단된다.

87 제 5 장 환경적영향및문제점분석

88 68 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 1. 지열에너지이용에따른환경적영향 지열에너지는자원의특성에따라천부지열과심부지열로, 또는이용방식에따라직접이용과간접이용으로나뉘며, 각각에적용되는기술도다양하고이에따라나타나는환경적영향또한큰차이가있다. 본연구에서는지열에너지활용에따라나타나는환경적영향에대하여지중의연중일정한온도를냉난방에활용하는지열히트펌프시스템과고온의심부열원을발전에활용하는지열발전시스템을중심으로살펴보았다. 지열히트펌프이용에따라나타나는토양및지하수에의영향은시공, 운영및사용후폐기단계에서의오염물질유입이나시스템자체적요소 ( 열, 유체, 지하수등 ) 에의해나타난다. 세부적으로는천공과정및지열공의부실관리에따른오염물질유입, 히트펌프냉매누출, 지중열교환루프에서의열교환유체누출, 그라우팅물질에의한영향, 지하수온변화에따른지하수화학및미생물변화, 재주입지하수에의한수질오염, 지하수사용에따른지반침하및수량변화, 사후열교환유체의부적절한방치, 소음 진동의발생등이있다. 한편활용한지하수를배출하는완전개방형시스템의경우배출수에의해주변지표수의온도변화를야기할가능성도있다. 심부지열이용에따라나타나는환경적영향은온배수의배출에따라주변지표수또는해수온도의상승에따른영향, 굴착, 진입도로, 플랜트건설과정에서주변지형, 경관및생태계훼손, 열수나증기에함유된 CO 2, H 2 S, NH 3, CH 4 등의배출및고온에의해용해도가높아진 NaCl, B, As, Hg 등의배출에따른대기오염, 열수내포함된붕소, 불소화합물, 비소등에의한주변수역오염, 열수배출및재주입과정에서의미소진동발생, EGS(Enhanced Geothermal System) 공법적용시인공저류층생성으로인한미소진동발생, 다량의지하수 ( 열수 ) 사용에따른지반침하발생등이있다. 이러한내용들은 < 표 5-1> 에정리하여나타내었다.

89 69 제5장환경적영향및문제점분석 구분 토양 지하수 천부 공통 표 5-1. 지열에너지개발에따른환경적영향 내용 히트펌프냉매, 지중열교환기열교환유체 ( 부동액 ) 누출 그라우팅물질의영향 재주입지하수에의한원대수층수질변화 사후 BHE 방치에따른열교환유체누출 BHE 심부천공으로인한대수층 ( 천부및암반대수층 ) 연결문제 지하수온변화 ( 열적충격 ) 에따른미생물학적변화 재주입지하수수질에의한미생물학적변화 지열공을통한오염물질유입 지하수사용에따른지반침하, 지하수량변화및수리적간섭 열펌프 지중열교환기 (BHE 및지하수관정 ) 설치시발생하는소음 진동 소음 진동 건설과정에서의소음 진동발생발전 열수배출및재주입과정에서의미소진동발생 EGS 인공저류층생성으로인한미소진동발생대기발전 열수나증기에함유된 CO 2, H 2 S, NH 3, CH 4 등의배출 고온에의해용해도가높아진 NaCl, B, Hg 등의배출 온배수 공통 발전 경관및생태계발전 지열수배출에따른주변지표수또는해수온도변화에따른영향 열수내포함된붕소, 불소화합물, 비소등에의한주변수역오염 굴착, 진입도로, 플랜트건설과정에서의지형, 경관및생태계훼손 가. 천부지열이용에따른환경적영향 1) 천공과정에서의오염물질유입 28) 지열에너지의활용을위한천공과정과실내기 ( 히트펌프및실내덕트등 ) 와연결하여 28) 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌및인용.

90 70 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 시스템을완성하기까지에는상당한기간이소요되며, 이는일반적인지하수이용 개발의경우보다더길다. 이기간동안적절한관리가없을경우강우시빗물의유입및지표오염물질의지하침투등으로인해토양및지하수오염이발생할가능성이있다. 일례로국내 A 대학교지열히트펌프시스템의경우지열시스템관정에서채취한지하수에서일반세균, 총대장균군, 대장균군, 분원성대장균군등지표유래오염물질이기준을현저히초과하여검출된바있으며, 이는지열시스템 (SCW형 ) 용관정의설치중부실한현장및관정관리에서비롯된것으로분석되고있다. 2) 히트펌프냉매의영향 29) 히트펌프는일반적으로냉매 (refrigerant) 를사용하며, 전통적으로전세계에서가장많이사용되는냉매는 HCFC-22(R-22) 이다. 국내에서도 2008년까지설치된지열히트펌프에 R-22가거의대부분 ( 약 96%) 사용된것으로보고되고있다. 그러나 R-22는염소를포함하고있어오존층파괴물질로분류되어전세계적으로이의생산과사용을금지하는 추세이다. 캐나다의경우 2020 년까지 R-22 의사용을완전히금지할계획이며 ( 기존의 냉방기또는에어콘시설만 (0.5%) 2030년까지유예 ), 스웨덴은 CFC, HCFC 계열의냉매사용을완전히금지하고있다. 현재 R-22를대체하는냉매가연구개발중이며, 최근에는 R-410A(HFC-32와 HFC-125 의혼합물 ) 와 R407C(HFC-134a와 HFC-125 의혼합물 ) 가상용화중이다. 히트펌프시스템내의냉매 ( 국내의경우대부분 R-22) 는오존고갈가능성과독성및가연성이있지만, 히트펌프의내부에서누출되어토양및지하수오염을유발할가능성은매우낮은것으로나타난다. 29) 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌및인용.

91 71 제5장환경적영향및문제점분석 3) 지중열교환기열교환유체 ( 부동액 ) 의누출 30) 밀폐형지열히트펌프의경우열교환유체 (heat exchange fluid) 가지중루프 ( 수직형및수평형모두 ) 내를순환하며열을전달하게된다. 열교환유체는지열히트펌프설비가냉방모드인경우실내의열을지중으로방출하고, 반대로난방모드일경우에는지중에서흡수한열을실내로전달하는역할을한다. 열교환유체는일반적으로물과동결방지제 (antifreeze fluid) 로구성되며, 때에따라부식방지제 (anti-corrosive) 가첨가되기도한다. 동결방지제는동절기동파방지를위해일정조건을구비한부동액을사용하며, 루프내를순환하는열교환유체가동결가능성이없을경우부동액을첨가하지않아도된다. 국제지열원히트펌프협회 (International Ground Source Heat Pump Association) 에서는열교환유체로사용되는부동액은 < 표 5-2> 와같은중요한특성을가져야한다고규정하고있다. 표 5-2. 부동액이갖추어야할기술적특성기준구분특성기준내용생분해성 90% 이상생분해가가능해야함. 물질부식성 지열시스템의내부물질에대한저부식성발화점 발화점 194 (90 ) 이상 BOD 5 (10) 생물학적산소요구량 0.1~0.2g Oxygen/g 성질어는점 18 (-8 ) 이하독성 LD 50 (5g/kg) 보다작으면 NFPA 유해물질등급 1 초과안됨. 저장안정성 열 / 추위에분리혹은탁도증가안됨. 품질품질 순도, 색깔균질, 이물질없음. 자료 : 한국지하수토양환경학회 (2008). 30) 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌및인용.

92 72 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 부동액은일반적으로메탄올, 에탄올, 프로필렌글리콜, 아세트산칼륨등이사용된다. 메탄올의경우부식성이크고생분해성이낮으며, 사람이장기간고농도에노출되면두통, 멀미등이발생하게된다. 에탄올은마실경우알려진발암성물질이며, 메탄올과에탄올은다른부동액물질에비해수질오염의영향이큰것으로평가되고있다. < 표 5-3> 은일반적으로사용되는부동액의영향에대한종합평가결과를나타낸것이다. 표 5-3. 부동액의영향에대한종합평가결과 구분 Methanol Ethanol Propylene Glycol Potassium Acetate CMA Life Cycle Cost Corrosion Leakage Health Hazard Risk Fire Risk Environmental Risk Risk of Future Use Urea 주 : - 미약하거나잠재되지않은문제, - 약한문제발생가능성, - 잠재적문제. 사용자의주의필요. 자료 : 한국지하수토양환경학회 (2008). 각국가의정부나지방정부가제정한법령조건에따라사용가능한부동액의종류는차이가있다. 미국의경우독성, 인화성및환경적이유로메탄올의사용을전역에걸쳐금지하고있으며, 캐나다도온타리오주를비롯한다수주에서금지하고있고, 에틸렌글리콜의경우도동일하게사용이금지되고있다. 우리나라의경우공업용메탄올 (10~20%) 을사용하는경우가가장많다. 밀폐형지중열교환루프내의열교환유체는장기간운영중에지중루프의부식혹은자연적 인위적사고로인하여누출될수있으며, 이로인한토양및지하수오염의가능성

93 73 제5장환경적영향및문제점분석 이있다. 또한지열시스템의수명이다한후실내의장치 ( 히트펌프및덕트시설등 ) 들은회수하거나처리할가능성이크지만, 대부분의지중열교환기 (BHE) 는연결배관만잘라내고지중부분은적절한처리없이방치할가능성이크므로, 이로인해지중루프내에남아있는부동액이점차누출되어장기간경과후지하수오염을유발할가능성이있다. 염화칼슘이나염화마그네슘, 에탄올등을지중루프내부동액으로사용할경우이들이누출되면주변의그라우팅물질의수리전도도 (hydraulicconductivity) 를증가시켜지표오염물질등의유입을초래할수있다. 4) 그라우팅물질의영향 31) 밀폐형 ( 수직형 ) 지열히트펌프를설치할경우 150~200m 깊이의보어홀 ( 직경약 150mm) 에 U 루프를설치하고, 루프와보어홀의빈공간은투수성은낮으나열전도성이좋은그라우팅물질로뒤채움을하게된다. 그라우팅은 BHE와주변지중과의열교환을원활하게할뿐만아니라, 지상오염물질이공내로유입되거나보어홀주변지하수가지표로유출되는것을막고, 또다른대수층을관통한보어홀로인해상호물질교환이발생하는것을방지하는역할을한다. 그라우팅물질은이러한역할을하기위해서적절한특성을갖추어야하는데, 일반적으로수리전도도가충분히낮고 (10 ⁷~10 ⁹ cm/sec), 열전도계수가크며, 화학적으로안정되고, 수축에저항하며, 혼합이용이해야한다. 국내외에일반적으로사용하는그라우팅물질은순수벤토나이트, 벤토나이트 / 첨가제혼합, 순수시멘트, 시멘트 / 첨가제혼합등으로구분할수있다. 그라우팅물질은수리전도도가충분히낮아상부로부터지표오염물질을막는역할을해야하나, 장기간운영에따라수축등이발생하여그라우팅구간에틈 (crack) 이발생하면쉽게지표오염물질이유입되어지하수오염을유발할수있다. 또한지중열교환에따라 31) 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌및인용.

94 74 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 보어홀주변에온도가상승하거나 ( 특히냉방모드 ) 시멘트계그라우팅물질을사용할경우온도가상승하여그라우팅의수밀성이감소됨으로써지하수오염이발생할가능성도있다. 밀폐형과 SCW형 ( 혹은개방형 ) 의뒤채움재인그라우팅물질 ( 대부분 Na벤토나이트 + 규사 ) 의용탈 (leaching) 에의한지하수영향은 Na와 Si의부화 (enrichment) 로나타날수있으나, 지하수수질규제항목에해당사항이없다. 한편시멘트계의그라우팅물질을사용할경우 ph의상승으로인한지하수이용성감소등장기간의수질교란이발생할수있다. 5) 온도변화및재주입지하수에의한영향 32) 지하수히트펌프시스템 (GWHP) 의경우양수한지하수는열교환후방류하거나혹은대수층으로재주입 (SCW형 + 개방형 (two well)) 하게되며, 재주입지하수는양수한원대수층에주입을하거나때로는상부토양층에주입하는경우도있다. 우리나라의경우완전한개방형 (two well) 은드물며대부분 SCW( 전체지열원히트펌프의약 30%) 형태이다. 이경우양수한지하수는원래대수층으로재주입된다. 지하수형지열히트펌프의경우일반적으로지하수의온도만이용하고이용모드 ( 냉방혹은난방 ) 에따라 4~10 정도상승혹은하강한지하수를재주입하게되며, 이로인한대수층수온변화는연간 10 이내로물리적변화만발생하므로재주입지하수와원대수층지하수의수질에큰영향이없는것으로평가되고있다. 또냉방모드와난방모드의주기적전환으로온도의변화는연중으로보면상쇄되는것으로도기대하지만, 지열히트펌프시스템의경우상당히오랜기간의운영이있은후에야온도변화로인한문제를파악할수있는측면이있어단정적으로평가하기는어렵다. 32) 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌및인용.

95 75 제5장환경적영향및문제점분석 1993년미국뉴저지리처드스톡턴대학교의대규모 (1,681RT) 밀폐형지열히트펌프시스템 ( 수직루프 400천공 130m 깊이 ) 의 4년간운영결과에서는연간약 1 지중온도가상승한것으로보고되었으며, 스위스에서도 10m 깊이의밀폐형지열시스템의 10년간운영결과 ( 스위스의경우거의대부분난방모드로사용 ) 지중온도가평균 4 정도상승한것이보고된사례가있다. 지하수 ( 혹은지중 ) 의온도변화는기존대수층지하수의화학적균형을교란시켜미생물군집및용존이온의용해도 ( 이온평형 ) 에영향을미쳐수질변화를유발할수있으며, 대수층의지하수유동능력을변화시킬수있다. 앞선미국뉴저지의사례에서는이러한열적변화로인해지열공 (BHE) 주변에총미생물수가증가하고, 미생물수가증가하지않은인접지역의경우미생물군집의종류가변한것이확인된바있다. 그러나실제로이에대해보고된연구사례는많지않으며, 열적변화에의한미생물환경의변화는지하수히트펌프시스템의경우찬물과따뜻한물이만나는경계부를제외하고는크게변화가발생하지않는다는연구사례도있다 (Kai et al., 2005). 미국의연구보고 (York et al., 1998) 에따르면, 대규모밀폐형지열히트펌프시스템에서열적변화가미생물환경에미치는영향을살펴본결과상부대수층에서는비교지역과영향지역의박테리아수가차이가없거나오히려영향지역이적은데반하여, 하부대수층에서는확연히구분될정도로조사기간에걸쳐모두영향지역에서박테리아가증식된것을확인하였고, 이는지열히트펌프시스템장기간운영에따른지온증가영향으로해석하였다. 그러나이러한영향은제한적인온도영향권역내로한정되며, 그외부는정상적인상태라고보고하였다. 미국에너지부 (DOE) 는 1980년에지하수히트펌프시스템 (GWHP) 의광범위한도입에앞서선행연구 (Armitage et al.,1980) 에서적절한수리지질조사에기반한설계만있다면본시스템에의한미생물환경적및수질환경적영향은최소라고보고하기도하였다. 또한지하수재주입은대수층의수압과용존산소농도를변화시켜금속의침전과이산

96 76 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 화철의산화를유발할수있다. 국내에도강변의지하수 ( 충적층지하수 ) 등에서혐기성상태의철과망간의양수에의한침전이흔한것으로알려지며유사한환경에서비슷한현상들이흔히보고되고있다. 또한캘리포니아에서재주입지하수정에서가장문제가되고있는것은칼슘과철의침전이라는보고가있다. 산소가많은지하수 ( 히트펌프를빠져나온지하수는흔히원래보다용존산소가증가 ) 가혐기성상태의대수층에주입되면철수화물이형성되고, 또한용존산소의증가는산소의존성박테리아의증가를가져와다시 2가철의 3가철수산화물침전을배가시키며, 이와같은현상은지열배관에서도발생할수있다. 북미, 캐나다및중국등과같이난방부하가큰경우재주입지하수의온도는원지하수보다낮아질수있으며, 이로인하여용존산소의용해도가증가하여대수층수질조성에변화를유발할수있다. 원대수층이오염되었을경우 ( 지열히트펌프시스템사용에이상이없는항목일경우도있음 ) 이를다른대수층에주입한다면지하수오염을유발할수있다. 우리나라에서는현재지하수형의경우생활용수기준을적용하고있으므로문제가될소지는적다. 우리나라에서지열히트펌프시스템에의한혹은지하수재주입에의한대수층지하수오염에대한보고사례는아직없으며, 대부분수질에문제가없는것으로알려지고있다. 그러나이와같은시스템을설치및운영한지얼마되지않아섣부른판단을하기는어려우며, 장기적인모니터링이필요하다. 한편히트펌프내부를순환하는지하수는장기간의운영에따라배관과펌프로부터금속 ( 주로 Cu, Pb) 이용출 (leaching) 되어원대수층을오염시키거나또는살균제및방식제첨가에의해염소및용존고형물질 (TDS) 등이이차적인수질기준 (secondary MCLs) 을초과하기도한다. 이러한사례로미국뉴욕주알바니시에서는지열재주입의설계잘못으로케이싱을충분한깊이까지설치하지않아지열히트펌프재주입정에의해식수원 (Underground

97 77 제5장환경적영향및문제점분석 Source of Drinking Water; USDW) 이오염되는사고가보고된바있다. 재주입정의지하수시료를분석한결과총용존고형물질 (TDS) 이 14,000mg/L 이고염소이온이 9,000mg/L 에달하는것으로보고되었다. 33) 또한 1985년 Itasca-Mantrap Co-op 가소유한지열히트펌프재주입정지하수에서 0.61mg/L 의납 (Pb) 과 1.8mg/L의구리 (Cu) 가발견되었는데, 34) 납이지열히트펌프시스템 ( 배관및펌프 ) 으로부터용출된것으로추정하고추가적인모니터링을하도록조치를취한사례가보고되었다. 1984년미네소타주메이플우드시의재주입정지하수에서도 0.061mg/L 의납이검출되어정화조치가취해진사례가있다. 또한주입전의재주입지하수에대한정기적인수질검사 ( 운전특성과관련된항목을중심으로 ) 를고려하는것이필요하다. 6) 지하수사용에따른지하수위하강및지반침하 35) 지하수히트펌프에서지하수를양수하여재주입 ( 다른관정또는동일관정 ) 하지않고지표에방류할경우일반적인지하수개발이용시설과마찬가지로지하수사용량에따라지하수위하강과지반침하가나타날가능성이높다. 특히도심지에완전개방형지하수히트펌프를다수설치한다면수리지질학적안정성을해쳐일반적인도심의지하수과다사용에따른지하수위하강및지반침하영향과동일한현상을유발할수있다. 국내에서완전개방형은거의없으며대부분 SCW형으로양수한지하수는전량혹은대부분재주입하는것으로파악되고있다. SCW형으로시공하는경우에는기존의지하수개발이용시설과동일하게단기적으로영향권역에지하수위하강을유발하겠지만, 장기적 33) 미국에서는 TDS 와염소이온에대하여이차적인수질기준 (secondary drinking water MCLs) 을각각 500mg/L 과 250mg/L 으로설정한다. 34) 미환경청의납정화기준은 0.015mg/L, 구리정화기준은 1.3mg/L 이다. 35) 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌및인용.

98 78 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 으로는물수지균형을이룰것으로예상된다. 면밀한평가를위해서는지하수모델링 분석등추가적인연구가필요하다. 7) 심부천공으로인한대수층연결및수리적간섭 36) 미국, 캐나다및유럽등 (30~60m 이내, 개방형은 ~150m) 과달리우리나라는밀폐형과 SCW형의지중열교환기 (BHE 혹은관정 ) 를설치할때심부 ( 밀폐형은 150~200m, SCW형은 ~500m) 까지굴착하고있다. 이는미국이나캐나다의경우토양층 ( 천부충적대수층 ) 이두껍게발달해있는반면, 우리나라는얇은토양층밑에바로암반대수층이발달해있기때문이다. 지중열교환기설치를위한심부천공은상부충적대수층과하부암반대수층을연결하는통로가될수있다. 시공중지표오염물질이유입되거나혹은시공상결함 ( 혹은자연적변형 ) 으로그라우팅에손상이가해지면이를통해암반지하수까지오염시키는결과를초래할수있다. 또한이와같은보어홀혹은관정을통한직접적유입이아니더라도하부암반대수층에서양수를하게되면인근의지하수흐름이상부충적대수층에서하부암반대수층으로향하게되어, 두대수층을분리하는저투수층이충분히발달되어있지않다면천층대수층의오염이하부로확산될수있다. 지하수를이용하는히트펌프시스템의경우일정구역내에다수의시스템을설치할때일반지하수개발이용시설과마찬가지로수리적간섭현상이예상되며, 이로인한분쟁의소지가있을수있다. 한편국내에서일반적으로인식되고있는일부과다설계에의한보어홀천공수의증가및천공깊이의과다로인한지하수오염가능성도제기되고있다. 36) 한국지하수토양환경학회 (2008) 발췌및인용.

99 79 제5장환경적영향및문제점분석 8) 사용종료후토지이용 수직형지열히트펌프를설치할경우일반적으로수십내지수백미터깊이의보어홀에지중루프를설치하게되며, 원칙적으로는사용이종료된후에는이러한지하부시설물도철거하는것이바람직하다. 그러나현실적으로이를철거하는데에는기술적으로도어려움이따르며매우큰비용이소요된다. 이에따라환경부에서는사용종료후열교환유체를전량회수하고지상에서일정깊이까지절단한후투수성이낮고안정적인그라우팅물질로지열공과루프를봉인함으로써, 사후에도오염물질이지하로유입되어토양이나지하수가오염되는것을방지토록권고하고있다. 37) 이렇게안정적으로지열공과루프를봉인하여오염을방지하는것과는별개로향후이부지를이용하거나개발하는것에는일정부분제약이발생하게된다. 예를들어새로운건축물을건설하기위해기초공사를하거나수도, 가스등인프라시설을설치하기위하여토지를굴착할경우, 지중에봉인된루프등의시설물에의해방해받거나또는봉인된지중구조물의파손등으로인해오염물질이이를통해지하로유입, 토지나지하수오염을유발할가능성이있다. 따라서지열시스템의설치단계에서부터사용종료후의토지이용이고려되어야하며, 천부지열시스템의설치정보가종합적으로관리되어사후관리및토지이용에활용될수있도록해야한다. 37) 환경부 (2010).

100 80 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 나. 심부지열이용에따른환경적영향 38) 1) 수질오염 지열발전시스템의설계에따라온배수의배출량이다르지만, 지열수배출에따라지표수및해수가 2~3 정도상승한다면지역수생태계에미치는영향이크다. 온도변화에민감한수생식물또는어류가폐사하므로먹이사슬이붕괴되어어업과양식업에피해를준다. 온배수를냉각하여방류하게하는경우도있으며, 주변생태계에영향을최소화하기위하여저장연못이나냉각탱크를거치기도한다. 또한지열발전시스템으로부터나온온배수에는고농도의붕소, 불소화합물, 비소등을포함되어있을수있으며, 이러한경우수처리를위한대책이필요하다. 2) 지형훼손 지열발전개발을위한진입도로의개설, 지온의변화조사를위한조사정굴착등의과정에서는지형훼손이불가피하다. 일반적으로지열발전에필요한부지는 300~700m 굴착시에는 300~500m2, 2,000m 굴착시에는 1,200~1,500m2가필요하다. 이러한공사는그지역의지표지형을바꾸고식생및야생동물에해를끼칠수있다. 지열유체를옮기는파이프라인이나지열이용플랜트의건설이지형변경이나생태계에영향을주고지역경관을바꿀수있다. 38) 한국지하수토양환경학회 (2008); Alyssa Kagel et al.(2007) 발췌및인용.

101 81 제5장환경적영향및문제점분석 3) 대기오염 지열발전플랜트의열수나증기등의지열유체에는일반적으로이산화탄소 (CO 2 ), 황화수소 (H 2 S), 암모니아 (NH 3 ), 메탄 (CH 4 ) 등의가스성분이포함되어있으며, 온도에의해서용해도가높아진염화나트륨 (NaCl), 붕소 (B), 비소 (As), 수은 (Hg) 등이공기중에배출될수있다. 초기의지열발전플랜트는대기오염의문제가컸으며, 황화수소가가장큰오염물질인것으로알려져있다. 황화수소로인해사람이악취를느끼는농도는 5ppb이며, 그이상이되면인체에악영향을준다. 그러나지열발전시스템에따른대기오염의영향은화석연료를사용하는발전시설와비교할때매우낮은수준인것으로나타난다. 미국에서지열발전설비중대기오염발생이가장큰고온열수방식의지열발전시설 3곳을대상으로조사한결과에따르면, 지열발전시스템에의한대기오염물질배출량을기존의석탄화력발전시설과비교했을때이산화탄소는 1/24, 이산화황은 1/10,837, 질산화물은 1/3,865 수준인것으로보고되고있다 ( 표 5-4 참조 ). 표 5-4. 지열발전시스템에따른대기오염물질배출 구분 NOx SO 2 PM CO 2 환경적영향 지열발전시스템배출량 (lb/mwh) 석탄화력발전배출량 (Lb/MWh) 지열발전에따른연간배출저감량 자료 : Alyssa Kagel et al.(2007). 호흡기자극기침스모그생성수질악화 호흡곤란흉부압박감호흡기질병생태계파괴 천식, 기관지염암, 대기오염시각적장애 지구온난화해수면상승홍수위험빙하용해 0 0 ~ ~ ,000 톤 78,000 톤 17,000 톤 16,000,000 톤

102 82 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 이밖에황화수소의경우에도탈황장치를통해그대부분이제거되고있으며, 미국의 경우 1976 년이후지열발전시설용량이 500MW 에서 2,000MW 로증가한반면, 황화수소 의배출량은시간당 1,900lbs 에서 200lbs 로감소한것으로보고되고있다. 4) 지반침하 다량의열수를지하로부터꺼내사용하면열수가차지하고있던부피만큼의지반침하가발생할수있다. 지열발전시스템에따른지반침하는비교적넓은범위에서천천히진행되며, 문제가되기까지수년이걸릴수도있다. 심각한경우에는 10cm에서 1m에이를수있으며지열플랜트나인근주택을파괴할수있으므로, 다량의열수를뽑을경우지반침하를장기간모니터링할필요가있다. 5) 지진유발 일부지역에서는열수를꺼내거나다시주입하는경우 ( 미국은 UIC 프로그램으로규제 ) 지진의원인이되거나지진의빈도를높일가능성이증가한다. 일반적으로는지진의규모가작아서고정밀도의지진계만으로감지할수있으며, 대규모의지진이발생할가능성은적은것으로보고있다. EGS(Enhanced Geothermal System) 공법적용시에는인공저류층생성으로인해미소진동이발생할가능성이있다. 한편 2006년 12월스위스바젤에서는 EGS 개발로인해 30여차례, 최대리히터규모 3.4의지진이발생한사례가있다. 그원인은사전지질학적검토의부족으로인해지하부의단층존재를파악하지못한상태에서 EGS 발전을위해지하수 km까지주입된물이지하의단층이동을유발시켰기때문인것으로밝혀졌다. 결과적으로계속하여시추할경우 5억달러규모의재산피해가나타날가능성이높다는과학적검토끝에바젤지역의 EGS 발전소건설계획

103 83 제5장환경적영향및문제점분석 은중단되었다. 또한스위스정부는이사건으로인해도심지역인근에서의지열발전시설 건설을금지하도록조치한바있다. 6) 소음 지열발전소의주요소음원인은냉각탑의팬, 증기배출기, 터빈등이며, 지열유체를반송하는파이프라인에서도소음이발생하는것으로알려져있다. 지열발전플랜트에서발생하는소음은일반적으로환경기준치를초과하지는않으며, 일반적인운영과정에서는 15~28dB, 건설과정에서는 51~54dB, 천공과정에서는 55dB 가량의소음이발생하는것으로나타난다 ( 표 5-5참조 ). 그러나소음은지형적조건이나인접도등주변환경에따라영향이다르게나타날수있으며, 인근주민에의한민원의소지가많으므로이에대한주의와대책마련이필요하다. 표 5-5. 지열발전시스템소음발생정도 소음원 소음정도 (dba) Geothermal normal operation 15 ~ 28 Near leaves rustling from breeze 25 Whisper at 6 feet 35 Inside average suburban residence, Near a refrigerator 40 Geothermal construction 51 ~ 54 Geothermal well drilling 54 Inside average office, without nearby telephone ringing 55 Speech at 3 feet, normal voice level 60 Vacuum cleaner at 10 feet 70 Garbage disposal at 3 feet 80 자료 : Alyssa Kagel et al.(2007).

104 84 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 7) 환경적영향에대한종합 심부지열의이용에따른환경적영향은천부지열을이용하는경우에비하여영향의가능성과범위, 정도가높은편으로나타난다. 그러나발생하는실제영향의정도나범위는기존화석연료를이용하는발전시설에비하여매우낮은수준이며, 지질학적검토의부족으로발생할수있는지진의경우등과같이특수한경우를제외하고는대체로용인가능한수준이다 (Lunis et al., 1991). 또한다른재생에너지를이용하는발전시설과비교하여도가장낮은수준의영향정도를나타낸다 ( 그림 5-1, 표 5-6참조 ). 자료 : Clauser(2006). 그림 5-1. 재생에너지기술별환경적효율분석 (1MW 발전시 )

105 85 제5장환경적영향및문제점분석 표 5-6. 지열직접이용이환경에미치는영향의확률과심각성 환경영향 발생확률 결과의심각성 공기오염 낮음 보통 지표수오염 보통 보통 지하오염 낮음 보통 지반침하 낮음 낮음 ~ 보통 소음 높음 낮음 ~ 보통 시추공의급격한증기분출 낮음 낮음 ~ 보통 문화유산, 유적지등의훼손 낮음 ~ 보통 중간 ~ 높음 사회 경제적인문제 낮음 낮음 화학적또는열적오염 낮음 보통 ~ 높음 고체폐기물방출 보통 보통 ~ 높음 자료 : Lunis et al.(1991). 또한앞에서언급된대부분의환경영향은고온열수발전방식에서주로나타나며, 우리나라의경우지질학적특성상고온열수방식발전이적용되기어렵다. 우리나라에적용가능한심부지열에너지이용방식은저온지열발전 (Binary 방식등 ), EGS 발전등이며, 이경우지열수 ( 또는증기 ) 는생산부터주입까지폐쇄된시스템에따라순환되기때문에지열수 ( 또는증기 ) 로인한대기나수질오염등의가능성은거의없다. EGS 발전방식에따라제기되는지진발생우려의경우충분한지질학적검토를통해시공함으로써기술적으로제어가가능하다. 현재까지우리나라는지열발전과관련하여아무런법적근거가마련되어있지않은상태이며, 최근인천석모도와포항에서의심부지열에너지개발과맞물려심부지열의이용과개발에관련된법제가우선적으로마련되어야한다는목소리가높아지고있다. 이와더불어과학적연구에기초한환경적기준과제도적조치방안도병행하여마련됨으로써지열발전이온전히지속가능하고환경친화적인에너지시스템으로정착되도록할필요성이있다.

106 86 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 2. 제도적문제점분석 가. 천부지열에너지 1) 지열공시공비현실화문제 39) 가 ) 지하수개발을위한굴착비용굴착하는단계만을놓고볼때지하수를이용하는것과지열을이용하는것은공정상으로매우유사하므로, 지하수개발에따른비용과관련된데이터를통하여지열공굴착에소요되는일반적인비용을가늠해볼수있다. < 표 5-7> 은국가 ( 정부투자기관 ) 에서발주하는지하수개발설계의예를나타낸것이다. 표에서보는바와같이, 지하수개발을위하여필요한전기비저항탐사, 우물굴착, 지하수영향조사, 펌프등양수및전기설비설치, 굴착공의지중확인을위한공내카메라등제반공종이모두포함된것으로설계되어있다. 구경 200mm에 150m 굴착으로우물을개발할경우의개략적인공사비는약 5,720만원으로서미터당약 45.7만원에이른다. 이중에서우물굴착에직접소요되는비용은약 2,300만원이며, 양수및전기설비에약 500만원등이소요된다. 39) 김규범 (2012).

107 87 제5장환경적영향및문제점분석 표 5-7. 지하수개발비용 (A 정부투자기관설계기준 : 200mm, 125m) 공종 세부공종 개략비용 ( 만원 ) 전기비저항탐사 수직법 1,300 장비설치, 배관및운전 100 우물굴착공사 착정 1,700 케이싱및자재설치 400 그라우팅및공보호공 100 대수성시험 ( 영향조사 ) 단계, 장기, 회복시험 800 오염방지시설설치 - 펌프등전기설비설치 - 수질분석 - 공내카메라 - 계 - 5,720 < 표 5-8> 은지하수를개발하는중소기업의지난 5년간지하수개발에대한견적서약 50건을토대로개략적인굴착비용을정리한것이다. 표에서제시된금액은지하수관정굴착, 펌프및배관등관정자재설치, 시설보호를위한오염방지시설설치, 수질분석등이포함된것으로서, 적지선정을위한지구물리탐사와양수시험등지하수영향조사는포함되지않았다. 일반적으로지구물리탐사의경우에는약 500만 ~1,000만원정도이며, 지하수영향조사의경우에도약 1,000만원이소요된다. 민간이발주하는지하수개발비용을국가에서발주하는가격과비교해보면, 민간이발주하는견적에서는 200mm 구경에 125m 굴착시총 1,767만원정도공사비가제시되었는데, 이공사비에포함되지않은지하수영향조사비 (1,000만원 ) 와전기탐사비 (1,000 만원 ) 등을포함할경우약 3,767만원으로서 1m당금액은약 30.1만원에해당한다. 이금액은국가에서발주하는 m당단가인 45.7만원의약 66% 수준에해당되어, 지하수개발에있어서국가설계에비하여민간에서의견적이약 66% 수준으로파악된다. 또한각구경별및심도별로민간견적금액을비교해보면 ( 지하수영향조사및전기탐

108 88 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 사미포함 ), 구경 150mm를기준으로 100m 심도로굴착하는경우 m당약 9만원, 150m 심도인경우에는약 8.7만원, 300m 심도인경우에는약 10.3만원정도에해당한다. 구경 200mm를기준으로보면, 100m 심도로굴착하는경우 m당약 14.1만원, 150m 심도인경우에는약 15.7만원, 300m 심도인경우에는약 12.6만원정도에해당한다. 구경 250mm의경우 150m 굴착시견적이높은것은지하수개발여건이일반적이지않은경우로서부대공사가많은견적이일부포함되었기때문이다. 표 5-8. 구경 심도별개략지하수개발비용 ( 민간견적기준 ) ( 단위 : 만원 ) 심도구경 50m 100m 125m 150m 200m 250m 300m 150mm ,160 1,300-2,600 3, mm 1,100 1,417 1,767 2,363 2,400 2,700 3, mm , 주 : 지하수영향조사비약 1,000 만원제외, 전기탐사비미포함. < 그림 5-2> 와 < 그림 5-3> 은민간에서견적제출시파악된지하수개발공사비를심도에따라상관관계를도시한것이다. 그림에서보는바와같이두가지경우 (200mm 구경과 150mm 구경 ) 의심도변화에따른공사비는거의일정한상관관계를보이는것으로파악된다. 즉구경에따른큰차이가없이심도와공사비가거의 1:100의관계를유지하고있음을알수있다. 이와같은것은심도가 50m 증가할때약 500만원의공사비가증액되고있음을보여준다.

109 89 제5장환경적영향및문제점분석 40,000 35,000 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 - y = x 그림 5-2. 민간기업에서의굴착심도별공사비개략변화 (200mm 구경 ) 35,000 30,000 25,000 y = 100.2x ,000 15,000 10,000 5, 그림 5-3. 민간기업에서의굴착심도별공사비개략변화 (150mm 구경 ) 시추 (NX 또는 BX 등 ) 작업은지하수개발공사와달리보다단순한공정으로이루어진 다. < 표 5-9> 는정부투자기관에서발주설계시작성되는 NX 구경에대한시추비용을

110 90 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 나타낸것이다. 시추작업은지하수개발에비하여매우단순한데, 지하수영향조사, 펌프등양수자재및전기설치, 수질분석, 오염방지시설, 지구물리탐사등이기본적인사항에포함되지않는다. 즉부지의정리와교섭, 시추작업, 코아상자등부속작업등으로구성이된다. 지하수개발이나지열공굴착등과비교하기위하여 NX 구경으로 125m 심도를굴착할때의시추비용이약 3,230만원정도로설계되었는데, 1m당시추비용은약 25.8만원에해당한다. 표 5-9. 시추비용 (A 정부투자기관설계기준 : 125m 심도 NX 기준굴착비용 ) 공종 세부공종 개략비용 ( 만원 ) 용지사용교섭및기초작업 굴착 지층의구성에따라차이가있으나, 충적층약 15m, 암반 100m 를기준으로한것임. 3,000 코아상자등부속재료 계 - 3,230 지하수개발과일반시추를 150m 굴착기준으로비교해보면 < 표 5-10> 과같다. 지하수개발을위한공공기관의설계금액은 m당약 45.7만원으로서, 낙찰률 88% 를고려할때약 40.2만원에해당한다. 일반적으로공공지하수개발이발주되면원도급자가지하수개발부분에대하여하도급을시행하게되는데, 이때하도급율은일반적으로 60~70% 에해당하는것으로알려져있으며, 이비율을고려할때 24.1만원에불과하게된다. 이금액은다양한공종이포함되어있지않은 NX 구경시추의공공기관발주설계에도미치지못하는수준이다. 또한실제재하도급이실시되는경우에는원설계의 50% 이하로공사가이루어지기도한다.

111 91 제5장환경적영향및문제점분석 표 지하수개발 ( 공공및민간 ) 과일반시추의설계 / 견적비용비교 구분 지하수개발 ( 공공기관 ) 지하수개발 ( 민간 ) 시추 규격 200mm 구경 150m 심도 200mm 구경 150m 심도 NX 구경 150m 심도 1m 당설계또는견적금액 낙찰률 (88%) 고려시 비고 45.7 만원 40.2 만원설계 30.1 만원 - 민간견적 25.8 만원 - 설계 주 : 미터당설계또는견적금액에는지하수영향조사비및탐사비등이포함. 나 ) 지열개발이용 1 개방형지열공의굴착비용비교 < 표 5-11> 은민간기업에서 150mm 이상구경으로 450m의개방형지열공을굴착하는견적사례를나타낸것이다. 6개의지열공과그부대공사의총비용은 16,200만원으로개소당약 2,700만원에불과하다. 본견적에는지하수영향조사가포함되어있으며, 이를포함한 m당비용은약 6만원에불과하다. 지하수개발공종 ( 공공기관설계 ) 에서수중모터펌프등전기설비, 전기비저항탐사및수질검사비용등을제외하고 m당단가를산정해보면약 29.7만원이다. 한편민간견적에대해서는 < 표 5-10> 의공공및민간의비율인 66% 를적용하면 m당약 19.6만원의단가가계산된다. 따라서개방형지열개발공사비중굴착및지하수영향조사등지질지반분야에서중점적으로수행하는과업에대한민간견적금액은유사한공종을갖는지하수개발단가에비하여공공기관설계기준대비 20%, 민간견적대비 31% 에불과한실정이다. 본검토는국가의설계및민간의견적을중심으로비교검토한것으로서, 실제시공현장에서는이보다낮은금액으로의시공이관행적으로이루어지고있는실정이다.

112 92 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 표 개방형지열공굴착비견적사례 ( 민간기업견적기준 ) 공종 규격 단위 수량 단가 ( 원 ) 금액 ( 원 ) 지열천공공사 Ø=6.5~8", D=450m 공 6 20,308, ,851,000 굴착행위신고 450m * 6공 식 1 1,200,000 1,200,000 지하수영향조사 450m * 6공 식 1 6,170,000 6,170,000 굴착토처리 450m * 6공 식 1 3,221,640 3,221,640 PVC관설치 Ø=4~5", D=450m 공 6 4,149,000 24,894,000 소계 157,336,640 일반관리비및제경비 3% 이내 식 1 4,663,360 계 162,000,000 총계 ,000,000 2 밀폐형지열공의개발비용비교 < 표 5-12> 와 < 표 5-13> 은밀폐형지열공굴착비의두가지사례를나타낸것이다. < 표 5-12> 사례에서는밀폐형굴착시천공과부대공사를포함한것으로서, 개략적인 1개공당공사비는약 400만원으로 m당으로환산하면약 2만원에불과하다. 이와같은금액은 < 표 5-10> 의공공기관설계기준으로볼때 NX 구경의 m당시추비인 25.8만원의 1/10에불과한매우낮은금액이다. NX 시추에서순수한굴착을제외한부대작업과표준관입시험등을제외한굴착비용은 m당약 20만원으로서, 이와비교하더라도약 1/10에불과한실정이다. 오히려밀폐형지열공천공에서벤토나이트등의비용이천공비용의 10% 정도추가된다는점을고려할때 1/10 이하의견적이라고볼수있다. < 표 5-13> 은밀폐형지열시스템을설치할때의고가로설계된민간견적의사례로서, 지상의지열장치설치, 기계실과팬코일배관, 자동제어장치설치, 지중열교환기설치, 지반굴착등이포함된것이다. 이중에서순수하게지반굴착에해당하는부분을검토해보면, 1개소당약 3,100만원으로 m당으로환산하면약 7.7만원에불과하다. 본사례는 < 표 5-12> 에비하여약 4배높은단가의견적에해당되나, 공공기관설계기준 (NX 구경 ) 의 m당시추비인 25.8만원의 30% 에불과하다. 이와같이민간이견적에의하여제시하는

113 93 제5장환경적영향및문제점분석 밀폐형지열공굴착비용은일반적인시추비용과비교해도 10~30% 의수준에머무르고있으며, 이와같은수준은일반적인시추공사의낙찰률 88% 를고려하여 22.7만원으로도급한것을하도급하는경우 (60% 고려시 ) 의 13.6만원에도미치지못하는수준으로매우낮은금액이다. 표 밀폐형지열공굴착비견적사례Ⅰ( 민간기업사례, 150mm, 200m 적용시 ) 공종 규격 단위 수량 단가 ( 원 ) 금액 ( 원 ) 천공비 φ150*200m 공 9 4,000,000 36,000 루핑작업 m 3, ,160 PE 파이프 30A m 3,600 2,000 7,200 그라우팅작업 밀크그라우팅 m 1,800 6,000 10,800 벤토나이트 톤 7 400,000 2,800 유동화재 통 3 50, 일반관리비 5% 이내 식 총계 59,996 표 밀폐형지열공굴착비견적사례Ⅱ( 민간기업사례, 150mm, 200m 적용시 ) 공종 규격 단위 수량 금액 ( 원 ) 지열장비설치 지상장치설치 - 162,000 기계실배관 - 85,000 팬코일배관 - 109,000 자동제어설치 - 29,000 지중열교환기 지중장치및덮개등 - 40,000 지열천공 1600m(400m) 개 4 125,000 일반관리비등 - 2,000 총계 552,000

114 94 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 한편정부에서지원하는 100만호그린홈사업에서의밀폐형지열공굴착비를검토해보면 < 표 5-14> 와같다. 표에서보는바와같이, 구경 150mm, 심도 150m의지열천공에소요되는공사비는 1개소에약 500만원으로서 m당굴착비용은 3.3만원에불과하다. 이사례는민간의견적사례인 m당 2만원과 7.7만원의중간금액으로서매우낮다할수있다. 국가에서지원하는지열확산사업에서도 m당단가는일반적인시추단가 (NX 구경 ) 의 m당비용인 25.8만원의 12.8% 에불과한실정이다. 국가에서지원하는지열사업조차도기존의시추굴착에서공인된설계금액에비하여매우낮아지열보급에앞서굴착업에종사하는기업의영업을보장하지못하며, 이로인한추가적인기술개발등은전혀기대하기어려운실정이다. 표 그린홈 100만호사업견적기준사례 ( 밀폐형 ) 공종 규격 단위 수량 금액 ( 원 ) 지열장비설치공사 히트펌프등 - 7,300 지열천공공사 150mm, 150m 2 개소 10,200 열교환기설치공사 각종배관등 - 4,100 지열자동제어공사 - 1,320 총계 22,920 3 굴착비용의비교이상에서검토한지하수개발, 시추및지열굴착에있어서 m당굴착비용을종합적으로비교해보았다. 비교의기준은유사한규격의비교를위하여구경 150~200mm로굴착할경우의 m당굴착비용을비교하였다. 지하수개발비용에서보았듯이구경에따른 m당굴착비용은유사한구경의경우에는큰차이가나지않고있다. 각기유사한조건으로비교하기위하여양수시험 ( 영향조사 ), 전기비저항탐사등물리탐사, 공내검층 ( 카메라 ) 등을제외한금액을기준으로비교하였다. < 표 5-15> 에서보는바와같이, 지하수개발시에는민간의비용이국가의약 53% 에

115 95 제5장환경적영향및문제점분석 불과하여그동안통상적으로하도급비율 ( 약 60~70%) 에근접하고있다. 그러나개방형지열공의굴착에소요되는비용은민간의경우 m당약 67천원으로서국가등공공기관에서지하수를개발하는비용의약 25.2% 에불과하고, 민간이지하수를개발하는견적비용의약 47.5% 에불과하다. 이와같은사실은지하수개발과개방형지열굴착시지하수를활용하기위한굴착과부대시설공사는거의유사한공종임에도불구하고 50% 미만의가격으로거래가되고있는실정임을보여준다. 밀폐의지열공굴착은개방형지열공굴착보다훨씬저가로수행되고있는데, < 표 5-15> 에서보는바와같이국가에서지원하는밀폐형지열개발사업에서조차도공공기관에서발주하는시추비용의 12.8%, 지하수개발비용의 12.4% 에불과한실정이다. 이와같은공사비는지하수개발이단순한밀폐형지열공굴착보다복잡한공종이있는점을고려하더라도지나치게낮은금액이라할수있다. 민간에서발주하는밀폐형지열공의경우에는더욱낮은견적으로굴착수행되고있는데, 민간지하수개발비의약 14.1%, 공공기관지하수개발비의약 7.5% 에불과하다. 표 지하수개발및지열굴착비용비교 ( 단위 : 만원 ) 구분 국가등공공기관 민간 비율 지하수개발 총금액 3,320 (125m) 1,767 (125m) m당 % 시추 (NX) 총금액 3,230 (125m) - m당 총금액 - 2,700 (400m) 개방형지열 25.2% ( 국가지하수 ) 굴착 m당 % ( 민간지하수 ) 밀폐형지열굴착 총금액 500 (150m) 400 (200m) m 당 주 : 밀폐형지열굴착시공비는 100 만호그린홈사업에대한것임. 12.8% ( 국가간비교 : 시추 ) 14.1 ( 민간간비교 : 지하수 )

116 96 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 이와같은지나치게낮은시공단가는지반굴착분야의경제활동을하는업체의도산과어려움을야기하게되며, 궁극적으로는지열시설의부실시공과불량자재의사용등이초래될수있다. 이는곧지중의눈에보이지않는시설물을설치함에있어서냉매의누수, 지하수맥의차단등추가적인환경재앙에대한가능성과지열공의사후처리에대한문제점을갖게된다. 2) 환경관리지침의문제점 국내에천부지열에너지이용과관련된법규로는 지하수법, 지하수의수질보전등에관한규칙, 신에너지및재생에너지개발 이용 보급촉진법 등이있으며, 천부지열설비를설치 운영함에있어고려하여야할세부사항들에대하여명시하고있는지침으로는에너지관리공단의 신재생에너지설비의지원등에관한기준및지침 과환경부의 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 이있다. 신재생에너지설비의지원등에관한기준및지침 은 신에너지및재생에너지개발 이용 보급촉진법 제12조및제27조에따른고시로, 신에너지및재생에너지개발 이용 보급촉진법 및시행령에따라국가의지원을받아신재생에너지설비를설치하거나의무적으로설치하는데준수하여야할사항들을규정하고있다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 은천부지열이용설비를설치 운영및폐쇄하는과정에서지하수및토양환경에미치는영향을최소화하기위하여고려하여야할환경관리사항을제시한환경부의권고사항이다. 신재생에너지설비의지원등에관한기준및지침 은지식경제부에서에너지관리공단을통하여지원하는보급사업과설치의무화사업을대상으로장관고시에의해정한규정으로서, 사업자가준수하여야하는의무사항이므로구속성을갖고있다. 반면환경부의 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 은관계법령, 행정규칙등에서규정하고있는사항을제외한권고사항에대해서는이행여부를강제하는구속력이없다.

117 97 제5장환경적영향및문제점분석 가 ) 환경영향관련지침내용 1 설치위치천부지열이용설비는토양및지하수의환경에직접적인영향을미칠수있으므로, 설비설치시이러한요소들을고려하여위치를선정하여야한다. < 표 5-16> 은설치위치의선정시고려사항에대하여 신재생에너지설비의지원등에관한기준및지침 과 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에명시된내용을정리하여비교한것이다. 설치위치와관련하여 신재생에너지설비의지원등에관한기준및지침 에서는기존의지중구조물또는시설물과의간섭을고려하도록하고있으며, 개방형의경우반경 500m 안에지열이용시스템의성능또는지하수의오염에영향을줄수있는요인이있을경우적용가능여부를검토하고결과를제출하도록하고있다. 한편 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는지하수와토양보존지역및소규모수도시설설치지역에서의설치를제한하도록하고있으며, 밀폐형과개방형모두 500m 반경내에다른지열에너지시스템이있을경우열적간섭에대하여고려토록하고있다. 또한개방형에대해서는 신재생에너지설비의지원등에관한기준및지침 과마찬가지로지하수의오염에영향을줄수있는요인이있는지검토하고, 지열설비설치및운영에따른지하수오염확산가능성도검토하도록하고있다. 표 설치위치선정시고려사항에대한명시내용 구분 설치위치고려사항 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) 지중열교환기는구조물또는각종지중매립시설물과간섭이없는곳에설치하여야하며, 가급적기계실등관련설비로부터가까운곳에설치 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) 지열설비는지하수보전구역, 토양보전대책지역, 소규모수도시설설치지역의경우지하수및토양환경영향을감안하여설치를제한하도록권고

118 98 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 구분 설치위치고려사항 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) ( 지열이용검토기준 ) 지하수이용시반경 500m 안에지열히트펌프시스템의성능에영향을미치는시설및지하수이용으로인한오염영향요인이있는지확인한다. 지열히트펌프시스템의성능에영향을미치는시설이있을경우, 설치하고자하는지열히트펌프시스템의적용가능여부를검토하고결과를 지하수이용조사서 에첨부하여제출한다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) 지하수보전구역 충남당진군합덕읍석우리등 0.5km2 전남부안군부안읍성내리등 0.32 km2 토양보전대책지역 : 미지정 소규모수도시설설치지역 수도법규정에의한공공급수시설인마을상수도, 소규모급수시설설치장소로부터반경 100m 이내 ( 밀폐형 ) 반경 500m 이내에타지열설비가설치및운영되고있는지조사하고, 500m 이내에타지열설비가있는경우열적간섭영향을검토하고이를방지하기위한방법을강구한다. ( 개방형 ) 반경 500m 이내에 ( 지하수영향조사의거리기준준용 ) 타지열설비가설치및운영되고있는지조사하고, 500m 이내에타지열설비가있는경우열적간섭영향을검토하고이를방지하기위한방법을강구한다. ( 개방형 ) 반경 500m 이내에알려진오염지하수또는지하수오염원이있는지를확인하고, 지열설비의설치 운영에따른지하수오염확산가능성을검토한다. 2 천공과정에서의오염물질유입 < 표 5-17> 은천공과정에서오염물질이유입되어토양및지하수가오염되는것을방지하기위하여 신재생에너지설비의지원등에관한지침 과 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서명시한내용들을각각정리한것이다.

119 99 제5장환경적영향및문제점분석 구분 표 천공과정에서의오염물질유입방지관련지침내용 40) 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) 시기 내용없음. 배제시설 설치지역특성 지중열교환기공사중빗물이나지상오염물질이지하로침투하지않도록다음의배제시설을설치 수직밀폐형 : 보어홀덮개및빗물배수로 지중수평형 : 빗물배수로 에너지파일형 : 두부덮개및빗물배수로 스탠딩컬럼웰형 : 우물덮개및빗물배수로 (SCW) 지표층으로부터오염물질이유입되는것을방지하기위해지열우물공의상단부에밀폐장치를설치해야하며, 근접한거리에지열히트펌프시스템을위한지열우물공이라는표식을한다. 구분없음. 기타 내용없음. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) 지중열교환기설치를위한실외공사는강수가빈번한우기 (6~8월) 에는가능한피할것 굴착작업기간동안에빗물및외부의오염물질이지하로침투하지않도록설비의유형에따라적절한배제시설을설치 운영할것 수직밀폐형 : 보어홀마다불투성재질의덮개조치및작업장에빗물배수로설치 수평밀폐형 : 빗물배수로설치및우천시굴착작업장에비닐등불투성재질의덮개조치 개방형 : 지열우물공마다불투성재질의덮개조치및작업장에빗물배수로설치 지중공기이용설비 : 굴착부위의불투성재질의덮개및빗물배수로설치 ( 개방형 ) 과거침수피해지역이나집중호우시침수가능성이있는지형여건의지역에설치하는지열우물공은밀폐식상부보호공으로설치할것 굴착행위를하다가지중열교환기를설치하지않고종료한경우설치자재및오염물질을제거하고당초에굴착한바닥부터지표까지지정된그라우팅액을주입하여되메움할것. 다만암반선이하 1m 하부에는모래등물이침투하기쉬운재료주입가능 40) 에너지관리공단 (2012). 신재생에너지설비지원등에관한지침. 환경부 (2010), 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령.

120 100 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 표에서나타난바와같이, 두지침모두에서지중열교환기설치시지상오염물질이유입되지않도록덮개나배수로설치등의배제시설을갖추도록명시하고있으며, 특히 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는실외공사에대하여우기기간을가급적피할것과침수가능성이있는지역에서의개방형설비에대한밀폐식상부보호공설치, 그리고굴착행위를중단할경우의그라우팅처리등에대하여추가적으로언급하고있다. 3 천공, 케이싱및그라우팅 < 표 5-18> 은외부로부터의오염물질유입, 오염의확산, 지중순환수의누출등을방지하기위한굴착, 케이싱및그라우팅과관련하여 신재생에너지설비의지원등에관한지침 과 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서제시하고있는내용들을각각정리한것이다. 표 천공, 케이싱및그라우팅방법관련지침내용 구분 천공 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) ( 수직밀폐형 ) 설계도의깊이와직경을준수하여보어홀을천공하되, 보어홀깊이는트렌치바닥부터산정한다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) ( 밀폐형 ) 지표부터암반 ( 연암층 ) 선 1m 이상깊이까지의굴착부위에는지중열교환기파이프가보어홀측면에닿지않도록센트랄라이저 (centralizer) 등을설치하거나, 보어홀내지중열교환기파이프외경으로부터 5cm 이상이격될수있도록충분한굴착구경을확보하여파이프와보어홀벽사이에채움불량이발생하지않도록시공한다.

121 101 제5장환경적영향및문제점분석 구분 케이싱 그라우팅 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) ( 수직밀폐형 ) 천공시보어홀상단부의붕괴를방지하기위해지면에서지하암반층출현지점까지케이싱을삽입한다. 천공완료후케이싱을제거하지않을경우지표수가유입되지않도록조치한다. (SCW 형 ) 지열우물공시공시표토층부터풍화암층까지흙막이케이싱을설치한다. 흙막이케이싱과별도로지표하부보호벽용케이싱을암반 ( 연암층 ) 선아래로 1m 이상깊이까지설치하며, 이때케이싱외벽에서 50mm 이상의두께로그라우팅을실시한다. (SCW형) 내부케이싱으로스테인리스강관, 수도용 PVC 파이프, PE 관등지하수수질을오염시키지않는재질의제품을사용하며, 내부케이싱과지열우물공벽사이에지중순환수의흐름을방해할수있는충진재등을채워서는안된다. (SCW형) 내부케이싱은지열우물공바닥까지설치해야하며, 지하수순환을위해하단부에유공관을설치한다. ( 수직밀폐형 ) 보어홀천공시발생하는암석파쇄물 시추용슬러리 자갈등으로보어홀을채워서는안된다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) ( 밀폐형 ) 초기굴착시에는흙막이케이싱을설치하여토사층이무너지지않도록한후당초설계깊이까지하부굴착을진행한다. ( 개방형 ) 지열우물공설치를위한내부케이싱재질은스테인리스강판, 수도용 PVC 파이프, PE관등지하수수질을오염시키지않는제품을사용한다. ( 지중공기이용설비 ) 케이싱및케이싱외부그라우팅 ( 두께 5cm 이상 ) 은암반선아래 1m 깊이이상으로하되, 암반선이지표하부 3m 이내인장소는지표하부 4m까지설치한다. 다만, 제주도지역의경우지표하부 20m까지케이싱및케이싱외부그라우팅 ( 두께 5cm 이상 ) 을실시하도록한다. ( 밀폐형 ) 하부굴착이완료되면굴착구간내부에열교환기파이프 ( 수도용 HDPE 재질, 열융착법으로연결, 재생용품 HDPE 사용금지 ) 를삽입설치하고지열용그라우팅물질을충진하도록한다.

122 102 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 구분 그라우팅 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) ( 수직밀폐형 ) 그라우팅작업은이송펌프, 트레미파이프등전용장비를이용하여보어홀최하단부터올라오면서채워야하며, 침하되는부분을필히보충한다. ( 수직밀폐형 ) 지하수과다배출지역또는공법상보어홀전체에그라우팅이불가한경우대체방법에대해센터와협의하여야한다. 이경우에도암반 ( 연암층 ) 선아래로 1m 이상깊이까지반드시그라우팅을한다. ( 에너지파일형 ) 지열파일천공과정에서발생하는암석파쇄물, 시추용슬러리, 자갈등으로파일내부를채워서는안된다. 또한파일두부를정리할때발생하는부스러기가파일내부로들어가지않도록최대한주의를기울여작업한다. ( 에너지파일형 ) 그라우팅작업은이송펌프, 트레미파이프등전용장비를이용하여지열파일최하단부터올라오면서채워야하며, 침하되는부분을필히보충한다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) ( 밀폐형 ) 보어홀내부의그라우팅작업은트레미파이프를통해공간이발생하지않도록보어홀최하단부터올라오면서채우며, 침하부분은필히보충하여야한다. ( 밀폐형 ) 그라우팅주입이완료된후에는주입된재료가완전히굳어지는 3일이내에는후속작업을진행하지않도록하며, 굳어지는과정에서침하된부분은필히보충한다. 다만, 그라우팅액이시멘트액과속경성시멘트의혼합액으로구성된경우에는그라우팅주입이완료된후 1일이후에후속굴착을진행할수있다. ( 밀폐형 ) 보어홀에는굴착시발생한암석파쇄물, 시추용슬러리, 자갈등으로채워서는안되며, 보어홀의지표부위에는보어홀보다 1.5 배이상크기로약 5cm 두께의불투수차수층 ( 콘크리트등 ) 을설치하여밀폐하고, 그위에깨끗한흙으로두께 10~30cm 정도로되메우고잘다져야한다. ( 지중공기이용설비 ) 굴착부위에그라우팅등지하수오염방지시설을설치 ( 그림 6-1참고 ) 한다.

123 103 제5장환경적영향및문제점분석 구분 그라우팅 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) ( 밀폐형, 지하굴착중지중열교환기를설치하지않고종료한경우 ) 당초에굴착한바닥부터지표까지시멘트와모래, 물을혼합한그라우팅액 ( 차수용시멘트 ( 체적상으로 3% 의벤토나이트를함유한시멘트, 물과시멘트혼합물의중량비 1:2) 또는차수형시멘트그라우팅 ) 을주입하여되메움해야한다. 다만암반선이하 1m 하부에는모래등물이침투하기쉬운재료를주입하여되메움할수있다. 그라우팅주입이완료된후에는주입된재료가완전히굳어지는 3일이내에는후속작업을진행하지않도록하며, 굳어지는과정에서침하된부분은필히보충한다. 다만, 그라우팅액이시멘트액과속경성시멘트의혼합액으로구성된경우에는그라우팅주입이완료된후 1일이후에후속굴착을진행할수있다. 신재생에너지설비의지원등에관한지침 에서는수직밀폐형뿐만아니라스탠딩컬럼웰형설비시에도흙막이케이싱을할것을명시하고있으며, 수직밀폐형에대하여지질구조또는공법상그라우팅이어려울경우에대한내용이언급되어있는것이특징이다. 또한환경부의지침에서는제시되어있지않은에너지파일형의그라우팅관련내용도포함되어있다. 한편 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는설비시센트랄라이저 (centralizer) 등을이용한지중열교환기와보어홀간의간격유지에대한내용을명시하고있으며, 신재생에너지설비의지원등에관한지침 에서는나타나지않는지중공기

124 104 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 이용설비의케이싱, 그라우팅관련지침이명시되어있다. 특히지중공기이용설비의 케이싱가운데제주도지역에대해서는별도로 지표하부 20m 까지케이싱및케이싱 외부그라우팅 ( 두께 5cm 이상 ) 을실시하도록한다. 는내용을명시하고있다. 또한 그라 우팅이굳어지는시기를고려하여후속작업을진행할것을권고하는내용과, 작업중폐쇄하는경우에대한그라우팅지침이명시되어있는것이특징이다. < 그림 5-4> 는지중공기이용설비에대한환경부지침에서나타나는그라우팅방법의예를나타낸것이다. 자료 : 환경부 (2010). 그림 5-4. 지중공기이용설비의모식도 ( 예시 )

125 105 제5장환경적영향및문제점분석 4 그라우팅물질 < 표 5-19> 는그라우팅에사용되는그라우트물질의기준에대하여두지침에서제시하고있는 내용들을각각정리한것이다. 표 그라우팅물질관련지침내용 구분 그라우팅물질기준 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) ( 수직밀폐형 ) 보어홀그라우트로순수벤토나이트, 순수시멘트, 벤토나이트 - 열촉진제혼합물, 시멘트 - 열촉진제혼합물등을사용하며, 혼합물인경우설계혼합비율을준수하여주입한다. 순수벤토나이트및벤토나이트 - 열촉진제혼합물의열전도도는별첨 ( 생략 ) 자료를이용한다. ( 에너지파일형 ) 지열파일그라우트로시멘트와혼화제혼합물등을사용하여야하며, 방수성, 건조수축성, 열전도도등물성치자료를제출한다. 시공시설계혼합비율을준수하여주입한다. (SCW) 그라우팅재료로체적분율 3% 의벤토나이트를함유한시멘트혼합물을기준으로하고급결재도사용할수있다. 단, 물과시멘트혼합물의중량비를 1:2 로하여최대한수축을방지한다. 시공자는설계시혼합비율을준수하여케이싱하부부터채워야한다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) 지열용그라우팅물질은 20% 이상의고형물을포함하는벤토나이트, 벤토나이트-열촉진제혼합물 ( 설계혼합비율준수 ) 등 < 표 5-20> 에제시된그라우팅및동등이상의성능을가지는그라우팅또는시멘트와모래, 물이혼합된차수용시멘트그라우팅 ( 체적상으로 3% 의벤토나이트를함유한시멘트, 물과시멘트혼합물의중량비 1:2) 을사용한다. 모든지열용그라우팅물질이가져야하는투수율은 10-7 cm/s 이하가되도록한다. ( 지하굴착중지중열교환기를설치하지않고종료한경우 ) 당초에굴착한바닥부터지표까지시멘트와모래, 물을혼합한그라우팅액 ( 차수용시멘트 - 체적상으로 3% 의벤토나이트를함유한시멘트, 물과시멘트혼합물의중량비 1:2, 밀폐형의경우 < 표 5-20> 의차수형시멘트그라우팅포함 ) 을주입하여되메움해야한다. 다만, 암반선이하 1m 하부에는모래등물이침투하기쉬운재료를주입하여되메움할수있다. 이외에도지열용그라우팅의재료종류는지열설비를설치하고자하는지역의지질학적조건에따라 < 표 5-21> 을참고하여선택한다.

126 106 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 < 표 5-19> 에서나타난바와같이, 두지침에서제시하고있는기본적인그라우팅물질의재료는같다. 다만, 신재생에너지설비의지원등에관한지침 에서는혼합그라우팅물질의경우열전도도에대한많은고려를하는것이특징이며, 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는각그라우팅물질의혼합비율에대해보다상세하게명시하고설치지역의지질학적조건에따른권장그라우팅재질종류를분류하여제시하고있는특징이있다. < 표 5-20> 은환경부지침에서제시하는밀폐형지열설비그라우팅재질의종류와혼합비율을나타낸것이며, < 표 5-21> 은지질학적조건에따른권장그라우팅재질종류를나타낸것이다. 표 환경부지침에서의밀폐형지열설비그라우팅재질종류 그라우팅종류내용 ( 혼합비율 ) 순수벤토나이트 고형물함량이 20% 이상인벤토나이트와물을혼합한슬러리 차수용시멘트 아래성분들의혼합물또는시멘트함유혼합물을말한다. 1. 물 23.5kg 2. 지름이 0.3mm 이하이며 US Sieve #50 을통과하는입자를 80% 이상함유하고있는규사 90.7kg mesh(0.075mm 체를통과한 ) 벤토나이트 0.45kg 4. 포틀랜드시멘트 1 포대 (42.6kg) 5. 감수제또는가소제 순수시멘트 열전도성벤토나이트 콘크리트 포틀랜드시멘트 1포대 (42.6kg) 당물 22.7kg을혼합단, 시멘트무게의 5% 이하에해당되는벤토나이트가그라우팅에혼합되어도되며, 이때벤토나이트와혼합되는물의양은 1% 벤토나이트추가시마다 2.27kg 이하가되도록한다. 규사또는다른물질을벤토나이트그라우팅과혼합하여지열설비의열적특성을증가시키는그라우팅으로고형물함량이 60% 이상포틀랜드시멘트 1포대 (42.6kg) 와건조된모래 (0.027m2) 그리고물을 22.7kg 이하로혼합한그라우팅 자료 : 환경부 (2010).

127 107 제5장환경적영향및문제점분석 표 환경부지침에서의지질학적조건에따른권장그라우팅재질종류 지질학적조건 모래, 자갈, 점토등으로구성된포화된충적대수층 모래, 자갈, 점토등으로구성된충적대수층불포화대 사암, 세일, 석회암, 백운암, 화강암, 편당등으로구성된암반대수층 파쇄또는절리되거나내부공간이생긴석회암 피압정이있는경우나메탄또는다른가스가발생하는경우, 또는지하수의경도가 500mg/L 이상인경우, 또는염소농도가 1,500mg/L 이상인경우 권장그라우팅의재료종류 순수시멘트그라우팅시멘트그라우팅콘크리트그라우팅열전도성벤토나이트그라우팅 순수시멘트그라우팅시멘트그라우팅콘크리트그라우팅열전도성벤토나이트그라우팅 순수시멘트그라우팅시멘트그라우팅콘크리트그라우팅순수시멘트그라우팅시멘트그라우팅콘크리트그라우팅암반내에지하수가비순환되는지역에는시멘트그라우팅과깨끗한자갈혼합물또는시멘트그라우팅이나순수시멘트그라우팅으로그라우팅하면서중간중간에깨끗한자갈층또는벤토나이트칩을번갈아가며그라우팅을한다. 순수시멘트그라우팅시멘트그라우팅콘크리트그라우팅 자료 : 환경부 (2010). 5 밀폐형시스템에서의지중열교환기열교환유체 < 표 5-22> 는 신재생에너지설비의지원등에관한지침 과 지열설비의설치 운영 등에관한환경관리요령 에서제시하고있는밀폐형시스템에서의지중열교환기열교환

128 108 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 유체 ( 지중순환수 ) 및부동액기준에대하여정리한것이다. 표 밀폐형시스템의지중열교환기열교환유체 ( 부동액 ) 관련지침내용 구분 열교환유체및부동액기준 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) ( 수직밀폐형, 지중수평형, 에너지파일형 ) 지중순환수로물과에틸알코올또는프로필렌글리콜을혼합하여사용해야하며, 혼합비율은동결점이 - 6 이하가되도록한다. 지중순환수의종류 특성 혼합비등을설계도서에명시해야하며, 시공시지중순환수의설계비율을준수하여주입한다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) 밀폐형지열설비내지중순환수로부동액을혼합사용하는경우에틸알코올또는프로필렌글리콜을사용하며, 부동액의혼합비율은동결점이 -6 이하가되도록하되최대 20% 를초과하지않도록한다. 밀폐형지열설비에사용되는지중순환수의운영관리를위하여지중순환수충전밸브에는부동액의종류, 특성, 혼합비, 충전날짜, 관련회사, 연락처등의정보를기록한라벨링을하여누구나항시확인할수있도록한다. 부동액은생분해성, 부식성, 발화점, BOD, 독성, 어는점등의특성에대한기준을만족해야하며, 다음과같은특성을구비해야한다 ( 표 5-23참고 ). 위와같은특성을가짐에도불구하고일반적으로독성과위해성이알려진에틸렌글리콜과메탄올은부동액으로사용해서는안된다. 두지침에서모두부동액으로서에틸알코올또는프로필렌글리콜을사용할것과동결점이 -6 이하가되도록할것을명시하고있으며, 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는추가적으로최대혼합비율을 20% 로제한하고있다. 또한생분해성, 부식성등의유해성기준과국제지열원히트펌프협회에서제시하고있는구비특성에맞는부동액을사용하고, 어떠한경우에

129 109 제5장환경적영향및문제점분석 도에틸렌글라콜과메탄올을사용하지말것을권장하고있다. 한편 신재생에너지설비의지원등에관한지침 에서는지중순환수사용내역에대하여설계도서에명시토록하고있는것에반해, 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는사용설비에도표시토록하여누구나확인가능하도록권고하고있다. 구분 물질 성질 표 부동액의구비특성 ( 국제지열원히트펌프협회기준 ) 내용 부동액은 90% 이상생분해가가능해야한다. 부동액은지열시스템의내부물질에대해저부식성이어야한다. 부동액은발화점이 90 보다높아야한다. 생물학적산소요구량 (BODs) 이 0.1~0.2g oxygen/g 이어야한다. 어는점은 -8 를초과하지않도록한다. 독성은 LD 50 (5g/kg) 보다작지않도록한다. 열과추위에분리되거나탁도가증가하지않아야한다. 품질 순수하며색깔이균질하고이물질이발견되지않아야한다. 자료 : 한국지하수토양환경학회 (2008). 6 개방형시스템에서의지하수보전방침 < 표 5-24> 는 신재생에너지설비의지원등에관한지침 과 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서제시하고있는개방형또는 SCW형시스템에서의지하수수질보전을위한방침들을정리한것이다. 표에서나타난바와같이, 개방형또는 SCW형시스템에서의지하수질기준은지하수법에의하여규제되므로두지침모두에서지하수영향조사의시행및동일한지하수질기준을제시하고있다.

130 110 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 표 개방형또는 SCW 형시스템의지하수보전관련지침내용 구분 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) 지하수영향조사 지하수질기준 지하수질검사기간및범위 전문지하수영향조사기관에서지하수영향조사를실시하고, 지열우물공설치에따른건축물의기초안정성등을검토한다. 지열우물공의지하수수질은지하수법시행령제 31 조에규정된생활용수기준을만족하여야하며, 수질항목및검사의주기등은지하수법을따른다. 다만, 지하수영향조사결과영향권내에먹는물수질기준에적합한음용수이용의지하수관정이위치하고있고, 이관정이양수하는대수층과같은대수층으로지하수를재주입하는경우에는먹는물수질기준에적합하여야한다. 지하수법에따른다. 지하수를이용하는개방형지열설비를설치하고자하는자는지하수법제 7 조및시행령제 12 조에의한지하수영향조사를받아야한다. 지열우물공의지하수수질은지하수의수질보전등에관한규칙의생활용수수질기준을만족하여야한다. 다만, 지하수영향조사결과영향권내먹는물수질기준에적합한음용수이용지하수관정이위치하고, 이관정이양수하는대수층과동일대수층으로지하수를재주입하는경우에는먹는물수질기준에적합하여야한다. 개방형지열설비의지열우물공을다수설치하는경우우물공별로지하수원수수질조사를실시하여야한다. 지하수영향조사는다수우물공중최단거리 ( 우물공간거리표시 ), 전체양수량 ( 양수능력 ) 등을종합적으로평가한다. 지하수에대해지하수의수질보전등에관한규칙제12조에따라생활용수항목 ( 수온, 용존산소, 전기전도도, 구리, 증발잔류물또는총용존고형량 ) 항목을추가한다.) 에대해 3년마다 1 회의수질검사를한다. 다만, 먹는물수질기준적합여부를확인해야할시설인경우에는먹는물수질검사항목 ( 수온, 용존산소, 전기전도도항목을추가한다.) 에대해 2년마다 1회의수질검사를한다.

131 111 제5장환경적영향및문제점분석 구분 지하수질검사기간및범위 지하수질검사항목 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) 지하수법에따른다. 지하수법에따른다. 개선조치 지하수법에따른다. 지하수질관련기타사항 지열우물공내퇴적물과내부케이싱안쪽의오염물침적으로인한열전달성능저하를방지하기위해 2 년에 1 회공내부를청소하는것을원칙으로한다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) 개방형지열설비의설치초기에는설비운영에따른지하수수질영향분석등수질관리를위해아래의항목은운영초기 6개월까지수질검사 ( 총 3회 : 1개월, 3개월, 6개월 ) 를한다. 총대장균군, 납, 구리, 증발잔류물또는총용존고형량, 전기전도도, 수온, 용존산소 지하수수질검사는지하수를대상으로실시하되, 검사항목중총대장균군, 납, 구리는재주입지하수를대상으로실시하며, 수질검사결과자료는보존관리한다. 지하수에대한수질검사결과지하수수질기준 ( 생활용수 ) 또는먹는물수질기준을초과하는경우수질기준이내가되도록해당지열우물공또는펌프설비등의운영을중단하고원인규명과수질개선조치를한다 수질검사결과에서총대장균군이검출되거나중금속, 증발잔류물또는총용존고형량, 전기전도도가 3 회연속하여증가되는경우에는원인제거조치를하여수질이악화되는것을방지한다. 지하수수질악화및열전달성능저하를방지하기위해지열우물공내퇴적물과내부케이싱안쪽의침적된오염물은주기적으로제거조치하도록한다.

132 112 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 < 표 5-25> 는개방형시스템에서의지하수사용에따른지하수위하강및이로인한지반침하에관련하여두지침에서나타난내용들을정리, 비교한것이다. 설계시지하수영향검사를받도록한것과별도로 신재생에너지설비의지원등에관한지침 에는우물공사이의최소거리를 15m로규정하고있으며, 특히지하수위측정을위해관측센서를설치하고 1일 1회이상측정하도록규정하고있다. 반면 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는설계시불필요하게과다설계되지않도록하는일반적인내용만명시하고있다. 한편지하수이용에따른지반침하와관련하여두지침모두사전에검토하여저감대책을수립하도록명시하였다. 표 개방형또는 SCW 형시스템의지하수위하강및지반침하관련지침내용 구분 설계시지하수위검토 설계시지반침하검토 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) 2 개이상의지열우물공설치시공사이의거리는최소 15m 이상이어야한다. 지열우물공내부에파쇄대또는연약지반등공붕괴가능성이있는경우이를방지하기위한보강공사를사전에수행해야한다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) 지하수를이용하는지열설비의설계는냉난방부하열량, 해당지역의토지이용상황, 오염원, 지하수수질, 수민 지질등의특성을검토하여지열우물공의개수, 위치및깊이를최적화하고불필요하게과다설계되지않도록한다. 개방형지열설비의경우굴착지점의지질구조분석등을통하여지하수이용에따른장 단기적인지반의변형 ( 예, 공내붕괴등 ) 가능성에대한검토를하고, 필요시저감대책을수립하도록한다. 운영시지하수위관측 지하수위를측정하기위해지열우물공또는관측공 ( 지열우물공으로부터 내용없음. 50m 이내 ) 내에자동관측센서를설치하여 1일 1회이상측정한다.

133 113 제5장환경적영향및문제점분석 한편 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는심부천공으로인한대수층연결및오염확산과관련하여지하수법시행령제12조제1항관련지하수영향조사를통하여적정양수량을산정하고, 과다한양수로인해지표혹은상부충적대수층오염물질이하부암반대수층으로유입되지않도록할것을권고하고있다 ( 그림 5-5참조 ). 자료 : 환경부 (2010). 그림 5-5. 암반대수층양수에의한오염물질유입 7 지중열교환기유체누출 < 표 5-26> 은 신재생에너지설비의지원등에관한지침 과 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에명시된지중순환수 ( 열교환유체 ) 의누출방지와관련된내용들을정리한것이다. 열교환기재질의경우두지침모두 HDPE을사용하도록하고있으며, 공법또한열융착법을제시하고있다. 신재생에너지설비의지원등에관한지침 에서는배관작업완료후수압시험을실시하여기록을제출하고, 배관주변의날카로운이물질에의한

134 114 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 손상이나동결에의한파손, 매설위치지상의구조물설치에따른파손등을방지토록하는등주로시스템설치시의지침들에대하여명시하고있는것이특징이다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는밀폐형에서부동액을혼합하여사용하는경우보충상태를확인및자동제어할수있는장치를설치하고, 시설을폐쇄할때에는부동액을전량회수하며, 개방형의경우지하수법에따른복원작업을수행토록하는등주로운영및폐쇄과정에서의고려사항을제시하고있다. 표 지중순환수 ( 열교환유체 ) 누출방지관련지침내용 구분 열교환기재질및공법 누출 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) 지중열교환기는고밀도폴리에틸렌 (HDPE) 파이프를사용하며, 지중순환열매체의누수방지를위해열융착법으로연결하여야한다. 시공자는보어홀 ( 수직밀폐형 ) 또는지열파일 ( 에너지파일형 ) 내삽입후, 되메우기 ( 수직밀폐형, 지중수평형 ), 콘크리트타설 ( 에너지파일형 ) 또는지중배관을되메우기 (SCW) 전, 기계실열원부배관작업완료후각각에대하여최고사용압력의 1.5배이상의압력에서 30분이상수압시험을실시하여이상이없음을확인하며, 설치확인신청시 수압시험결과자체기록서 를제출하여야한다. ( 수직밀폐형 ) 트렌치배관시공시배관이수평을유지할수있도록평탄작업을실시한후매설하며, 되메우기전에배관에손상을가하거나하중을가할수있는날카로운돌, 바위, 표석등을제거하여야한다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) 수도용 HDPE 재질, 열융착법으로연결, 재생용품 HDPE 사용금지 ( 밀폐형 ) 밀폐형지열설비내지중순환수로부동액을혼합사용하는경우부동액의보충상태를파악할수있는압력계와밸브및자동으로운전이정지되는장치를설치하여지열파이프의누출여부등을확인하고, 부동액누출이확인된경우운영을중단하고원인규명과개선조치를하도록한다.

135 115 제5장환경적영향및문제점분석 구분 누출 신재생에너지설비지원등에관한지침 ( 에너지관리공단 ) ( 에너지파일형 ) 수평배관주위에날카로운돌이나이물질이없어야하며, 최대한수평이되도록배관을설치하되건축물의기둥하부에는설치할수없다. ( 에너지파일형 ) 철근배관작업과콘크리트타설시배관에손상이가지않도록주의를기울여시공한다. ( 수직밀폐형 ) 트렌치되메움시지면으로부터약 0.5m 깊이에파이프가매설되어있다는경고표지를전구간에설치한다. ( 지중수평형 ) 지중열교환기매설위치 의지상에는지중열교환기의변형을일으킬수있는구조물및도로의설치, 나무식재등을할수없다. 단, 도로는도로법제2조제1항에서정의하는도로를칭한다. (SCW) 지하수공급관과환수관은고밀도폴리에틸렌파이프를사용하며, 지열우물공내에삽입되는파이프는이음부분이없도록연결하여야한다. 또한환수관끝단은안정수위보다아래에있어야하며, 블리딩배관및밸브를설치하여야한다. 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 ( 환경부 ) ( 밀폐형폐쇄시 ) 지열설비의소유자는 < 표 5-27> 의절차에의해지중열교환기파이프를적절히처리하여야하며, 또한지중열교환기파이프내부의지중순환수 ( 부동액 ) 에의한토양과지하수의오염을차단하기위하여이를전량회수해야한다. ( 개방형페쇄시 ) 지하수법제15조및시행령제24조규정에적법한절차및방법에따라처리한다. ( 개방형폐쇄시 ) 개방형지열설비의지열우물공및지중공기이용설비의일반적인원상복구절차는지하수개발 이용시설의원상복구절차 ( 국토해양부, 지하수업무수행지침 ) 를따른다. < 표 5-27> 은 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서제시하고있는밀폐형지열설비의지중열교환기폐쇄절차이다. 폐쇄시에는지중순환수를모두회수하고내부를세척하도록하며, 파이프를철거하는것을원칙으로하되수직형과같이철거가어려울경우그라우팅액을주입하여채운후절단된상부구간을지상부까지불투성재질로밀폐하도록하고있다.

136 116 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 표 밀폐형지열설비의지중열교환기폐쇄절차 지침 밀폐형지열설비의지중열교환기폐쇄절차 내용 1. 실내기와연결된지중열교환기파이프내부의지중순환수는폐쇄에앞서전량회수한다. 2. 지중순환수를회수한후지중열교환기파이프내부를깨끗한물로순환시켜이물질을제거하고내부를세척한다. 3. 지중열교환기 ( 특히수평형 ) 파이프는회수하여적법하게처리하여야한다. 다만, 수직형지중열교환기파이프의전량회수가불가능한경우에는최소지하 1m 아래에서절단되어야한다. 4. 회수되지못한수직형지중열교환기파이프내부에는그라우팅액을주입하여채운다. 5. 절단된수직형지중열교환기파이프의상부구간은지표까지불투성재료로채워야하며, 이때의불투성재료는일반지하수개발이용시설의원상복구에사용하는불투성재료에준한다. 자료 : 환경부 (2010). 8 지중및지하수온도변화지열히트펌프운영에따른지중및지하수의온도변화의경우, 일반적으로열을지하수의오염물질로간주하지않는다는점, 시스템상불가피한결과이라는점, 장기간운영에의해나타나므로장기적인모니터링이요구된다는점, 현실적으로설비사용자의냉난방모드활용빈도를규제할수없다는점등의이유로일괄적인규제지침을마련하기는어려운측면이있다. 다만, 냉난방모드를적절히균형있게조절하여사용함으로써연간열적균형을유지하는것이유일한방법이며, 이와관련하여 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는 지열설비를운영함에있어지중의연중열적균형이유지되도록가능한냉방및난방모드를균형있게사용하도록한다. 는내용을권고하고있다.

137 117 제5장환경적영향및문제점분석 나 ) 현행지침의문제점 1 천부지열이용설비전체를대상으로하는지침의부재 신재생에너지설비의지원등에관한기준및지침 은 신에너지및재생에너지개발 이용 보급촉진법 에따라국가의지원을받거나의무적으로신재생에너지설비를설치하고자할때준수하여야할사항들을장관고시로규정하고있으며, 정부의보급보조사업 ( 일반보급보조, 지방보급보조 ) 과금융지원사업을통해지원을받는설비나설치의무화에따른설비가적용을받으나, 민간사업에대해서는적용되지않는다. 신재생에너지설비의지원등에관한기준및지침 에의해사업자의이행이담보되는대상은국가지원사업또는의무화대상사업을통하여설치되는밀폐형 ( 수직및수평형 ) 과에너지파일형, SCW형설비로, 2010년현재설치된천부지열설비중약 70%(469MWh) 가이에해당한다. 이지침은정부의지원사업또는설치의무화사업에필요한일종의자격요건을제시하는성격이므로, 정부의지원또는의무화대상설비외에부분에대해서는명시하고있지않다. 한편 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 은천부지열설비의환경관리를목적으로한지침으로, 천부지열을이용하는설비를설치 운영및폐쇄함에있어고려하여야할환경관리사항을제시하고있는환경부의권고사항이다. 이지침은목적상모든천부지열사업을대상으로하나, 실제지침에명시된설비는밀폐형과개방형, 지중공기이용설비뿐이며, 지침내용중관계법령, 행정규칙등에서규정하고있는사항을제외하고는사업자의자발적이행에의존한다. 즉정부의지원또는설치의무화에따라이행되는사업이아니거나 ( 민간사업등 ) 사업대상에포함된설비가아닌경우환경적영향을고려 하여이에적합한조치를이행하도록하는규제방안은 현재없으며, 이에해당하는천부 지열이용설비는전체의약 30%(140MWh) 이다.

138 118 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 2 지침간의통일성두지침은동일하게천부지열설비를대상으로하고있는만큼, 각지침에서명시하고있는내용간통일성을갖추는것이필요하다. 예를들어 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는지하수법, 토양환경보전법, 수도법에서정하고있는지하수보전지역, 토양보존대책지역및소규모수도시설설치지역에서의천부지열설비설치를제한하도록권고하고있는반면, 신재생에너지설비의지원등에관한지침 에서설치제한구역에대한설정이나타나지않는다. 시스템간의열적 수리적간섭및지하수위보존등을위한영향조사범위설정도 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는개방형뿐만아니라밀폐형시스템에대해서도반경 500m 이내지열설비가있을시영향조사를하도록하고있으나, 신재생에너지설비의지원등에관한지침 에서는개방형에대해서만지하수영향조사를하도록하고있다. 또한 지열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서는보어홀과지중열교환기파이프가이격될수있도록센트랄라이저 (centralizer) 를설치하거나충분한굴착구경을확보하도록지시하고있으나, 신재생에너지설비의지원등에관한지침 에서는이와관련하여별도의내용이언급되어있지않다. 이밖에도지침의세부사항에서두지침간명시하고있는내용이다르거나누락되고있는부분이종종나타나고있다. 동일한설비에적용되는지침인만큼상호보완및개선을통하여지침간의통일성을갖출필요가있다. 3 폐쇄및사후관리관련지침의미비 신재생에너지설비의지원등에관한기준및지침 은정부의지원사업또는설치의무화사업에필요한일종의자격요건을제시하는성격이므로, 언급된내용은주로설치와운영부문에한정되어시스템의폐쇄와사후관리에대한내용들은언급되어있지않다. 천부지열이용설비에따른환경적문제점은설치와운영단계뿐만아니라적절한조치없이폐쇄하였을경우에도발생가능성이매우높다. 폐쇄와관련한내용은환경부의 지

139 119 제5장환경적영향및문제점분석 열설비의설치 운영등에관한환경관리요령 에서나타나고있으나, 이지침은현재 구속력이없어사업자의이행여부를담보할수없다. 따라서지침간상호보완을통하여 폐쇄절차에대해서도추가적으로명시할필요성이있다. 나. 심부지열에너지 1) 지열발전관련법적체계미비 지열에너지는 신에너지및재생에너지개발 이용 보급촉진법 에따라법률적으로에너지의범주로분류되나, 에너지와관련된어떠한법률에도심부지열발전과관련한내용은나타나지않으며, 열전도매체로서지하수를이용한다는관점에서지열에너지개발을위하여굴착행위를하는부분에서는지하수법을, 온도가 25 이상인지하수를이용하는경우에는온천법의적용을받고있다. 이두법률은심부지열에너지를이용한발전과직접적으로관계된법으로보기는어려우며, 지하수또는온천을개발 이용함에있어지열에너지개발 이용과유사하거나연관된사항에부분적으로적용된다. 따라서실제적으로우리나라에는심부지열의이용과개발에관련된법체제가전혀마련되어있지않다. 심부지열의이용과개발에관련한법체제를마련함에있어가장먼저고려되어야할것은지열자원의소유권한에대한법적명시이다. 심부지열자원은지하에매장되어있는자원의특성상첫시추지점의수직하부지점에만존재하는것이아니라심부지하에광범위하게분포하게된다. 이러한경우해당지열자원에대한권리가법적으로명확하게설정되어있지않다면지열개발사업자 ( 또는시추지점의토지소유주 ) 와그주변지열분포지역의토지소유자간권리분쟁이발생할가능성이많다. 특히우리나라는지질학적특성

140 120 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 상 EGS 발전기술의적용만이가능하며, EGS와같이방향성시추기술을이용한지열에너지개발은사업권자의소유부지에서시작한시추정의방향이심부지하에서는주변으로벗어나기때문에주변토지소유자의소유권을직접침해하는행위가됨으로써권리분쟁에따른법정소송등으로사업이중단될수있다. 현재지열에너지를개발 이용하는대부분의국가에서는관련법규를제정하여이러한권리분쟁의가능성을차단하고있다. 이외에도다른지하광물자원개발의경우와마찬가지로심부지열에너지를탐사하고개발하는데필요한절차와사업자의의무, 권리등이법률로서체계적으로재정되어야한다. 2) 지원제도미비 심부지열에너지는지하깊숙이매장되어있는자원이므로이를개발하는데에는높은초기투자비용이소요된다. 국제에너지기구에따르면, 20MW 급설비를기준으로고온열수발전시설의건설비용은 kw당 1,700~3,950달러수준이며, Binary 방식의경우약 2,400~5,900달러에이르는것으로나타난다 ( 그림 5-6참조 ). 발전소건설단계별로는일반적으로탐사 / 자원평가에 10~15%, 굴착에 20~35%, 지상설비에 10~20%, 발전시설에 40~60% 가량의비용이소요되는것으로알려져있으며, EGS의경우이와달리굴착에 70% 가량의비용이소요되는것으로나타난다 ( 표 5-28참조 ). 41) 표 신규지열발전소건설비용구조단계설비탐사 / 자원평가굴착지상설비발전소 Dry steam, Flash, Binary, Hybrid 10~15% 20~35% 10~20% 40~60% EGS 건설비용의 70~80% 가굴착에소요 자료 : IEA(2010). 41) IEA(2010).

141 121 제5장환경적영향및문제점분석 자료 : IEA(2010). 그림 5-6. 지열에너지이용설비별건설비용 < 그림 5-7> 은지열에너지이용설비별운영유지비를나타낸것이다. 고가의건설비용과는달리지열발전설비의운영비용은매우낮아, 대규모고온열수발전의경우 USD 9/MWh, 소형바이너리발전의경우 USD 25/MWh 수준에불과하여해외고온열수발전시설의경우정부의보조금없이자체적으로경제성을확보하여운영되고있기도하다. 이밖에도 50MW 이하의중소규모고온열수발전의운영비는 USD 50~70/MWh, 30MW 이상의바이너리발전은 USD 72/MWh 수준인것으로나타난다. 한편 EGS 발전의경우지질학적조건, 지열부존깊이, 지열수의온도등에따라편차가큰편으로, 미국에서는 USD 100/MWh(300, 4km) 에서 USD 190/MWh(150, 5km) 가량소요되는것으로나타나며, 유럽에서는 USD 250~300/MWh가량소요되는것으로발표되고있다.

142 122 지열에너지의환경성평가및환경친화적이용방안 자료 : IEA(2010). 그림 5-7. 지열에너지이용설비별운영유지비 열수발전용지열자원의부존이확인되지않는우리나라에서적용가능한발전시스템은 Binary 방식이나 EGS 정도로평가되고있다 ( 송윤호, 2012). 특히 EGS의경우지열자원개발을위한굴착과정에서많은비용이소요되며, 시설을운영하는데있어서도다른설비들에비해많은비용이소요된다. 미국이나 EU 등에서는 2030년까지계통한계가격이하로생산단가를낮추기위해저비용시추기술의개발에막대한기술개발을투자하고있으나, 현재까지는외부의지원없이독립적으로경제성을갖추기는어려운실정이다. 이에따라 EGS를개발및운영중인독일, 프랑스등의국가에서는강력한발전차액보조제도를시행하여지원을하고있으나, 아직까지우리나라에서는이러한제도적지원장치가마련되어있지않다. 우리나라는 2012년부터기존의발전차액지원제도 (FIT) 를폐지하고신재생에너지의무할당제도 (RPS) 를운영하고있으며, 공급인증서거래를통해개발업자간경쟁을촉진시켜비용을낮추는것을주요메커니즘으로하고있다. 공급인증서는신재생에너지설비로부터생산된전력임을입증하는증명서로신재생에너지를공급한자에게발급되며, 신재생