모니터링분석 1 엑서지분석에의한폴란드지열자원의분류 한국과학기술정보연구원전문연구위원윤정진 (chchyoun50@reseat.re.kr) 1. 서언 폴란드에서난방용지열 (geothermal) 이용은 20세기에시작되었다. 첫번째지열발전소의실험단계가 1992년포드하레 ( 타트라산맥의해구 ) 지역에서시작되었다. 이때부터난방용으로설치된 5개발전소는폴란드지열발전을위한주요부문이되었다. 경우에따라지열에너지는독점적인에너지자원뿐아니라다른재생에너지또는일반적인에너지자원과결합하여제안되고있다. 지난몇년동안국가에너지에관련한정책예로 2030년까지폴란드에너지정책전략, 2009년 EU의신재생에너지자원촉구를위한 EU지침서같은정책이도입되었다. 신재생에너지의무사용비율에따라 2020년까지폴란드의최종에너지에서신재생에너지사용은 15% 에달한다. 폴란드의주요신재생에너지인지열은 EU 회원국가로서의폴란드가의무사용량을충당시킬수있는대안이되고있다. 더욱합법적인규정과경제및재정장려책이도입되고있다. 이것은지열개발을용이하게해준다. 2. 폴란드에서가동중인지열발전소 피치체 ( 설치용량 48MWt) 와무스쵸누프 ( 설치용량 10.2MWt) 의지열난방발전소는지열자원과가스보일러를이용하여소비자수요를충족시키고있다. 2개발전소에서운영중인시스템은흡수식히트펌프와히트펌프가소비자수요에충분한열을생성하지못한추운날의최대부하시에사용되는저온-가스연소보일러결합으로구성된다. 무스쵸누프지열발전소는 Sanyo 의흡수식히트펌프, 최대부하시에사용
모니터링분석 2 되는저온보일러그리고고온의보일러로구성된다. 펌프의열공급은유량이 55m³/h이고 42 온도의우물에서나오는온천이다. 온천은냉각되어음료로이용되고나머지는하천표면으로방출된다. 포드하레의난방시스템은온천, 가스-연소보일러그리고천연가스로부터열및전기에너지발생유닛으로구성된다. 이것은 100백만 US$ 비용으로추정된유럽최대의지열프로젝트의하나다. 발전소의목표용량은연 1.2백만 GJ 에너지생산량을갖춘 125MW( 이중에서 93MW는온천에서직접발생됨 ) 이다. 이프로젝트는약 70km² 지역을담당하게된다. 2006년스타르가르트발전소는열교환기 ( 물온도 87 ) 에의해 10MW급지열발전용량이가동되어지역인구 7만명의 75% 에게제공하고있다. 또한 2001년 Uniejow( 중앙폴란드 ) 도시에 5.6MWt급이가동되고 2000년이후 7개수영장이건립되었다. 3. 온도및엔탈피에의한지열자원의분류 지열자원의열역학분류하나만으로는어디에지열발전소를건설하는가에대한질문에답할수가없지만지열자원의질적인정의에중요한역할을하고있다. 지열자원의가장일반적인분류는엔탈피를나타내는지열유체의온도평가이다. 그러나 Lee는온도또는엔탈피단독으로의지열자원분류는일관성이없고혼란스러운것이라고평하고있다. 비엔탈피 h는 ( 액상구역, 0 에관련된 ), ( 액상과증기구역 ), ( 증기구역 ) 이다. p는압력 (bar), 물의비열, 는상수 p(kj/kg K) 에대한증기의평균비열, t와 는온도및온도증가분 ( ), v는비체적 (m³/kg) 이다. 와 는포화수와포화증기의비체적 (kj/kg), x는건조도그리고 r은증발비열 (kj/kg) 이다. 엔탈피는온도에만관계되는것이아니라액체상 (phase of the liquid) 에상당히의존하기때문에분류온도에서의엔탈피는혼돈될수있다.
모니터링분석 3 그러나엔탈피자체는지열자원의에너지품질평가에좋은지표가아니다. 4. 엑서지에의한지열자원의분류 2000년 Lee는지열에너지의열역학적상태를명확히기술하기위해에너지변수, 즉최대유효에너지를나타내는엑서지 (exergy) 를도입하였다. 지열발전소를분석하기위해엑서지개념은 Bodvarsson와 Eggers에의해처음사용되었으며그후 Lee는분류방법을제안하였다. 비엑서지 (specific exergy) (4) 로계산된다. h는비엔탈피 (kj/kg), s는비엔트로피 (kj/kg K), T는절대온도 (K) 그리고 T0, h0, s0은싱크 (sink, 소스에너지발생원에서에너지를수취하는장치또는장소 ) 조건변수다. 삼중점 (triple point, T0 273 K, h0=0 kj/kg, s0=0 kj/kg K) 의싱크조건에서방정식 (4) 는 이다. Lee의연구에서우리는 1bar, 100 포화수의비엑서지 (specific exergy) 인 61kJ/kg는저급품질자원의상한선으로가정할수있다. 반면에 1bar, 100 포화증기의비엑서지 665kJ/kg은고품질자원의하한선으로가정된다. 중간품질자원은 61과 665kJ/kg의비엑서지값을가지고있다. 폴란드의지열자원대부분은저급품질이며코닌지역만중간급 ( 약 100kJ/kg) 자원으로분류된다. 엑서지에의한지열자원의분류는단독온도와엔탈피보다더일치하고기술적으로의미가있지만비엑서지값은싱크조건에매우민감하다. 품질지표에의한지열자원의분류는비엑서지지표인 SEI=e/emax로정의되는데이것은싱크조건에거의무관하다. Lee 제안에따르면 SEI가 0.5이면고엑서지자원이며 SEI가 0.5 이하면낮은엑서지자원그리고중간부분은중간엑서지자원이다. 폴란드대부분지열자원은낮은엑서지자원이다. 슈타가르트와포드하레 SEI는 0.046, 피치체의 SEI는 0.02, 무스쵸누프 SEI는 0.016 그리고유일한코닌지역은중간수치인 0.08의액세지자원을가지고있다.
모니터링분석 4 5. 결언 폴란드의여러저수지조건은다양한지열에너지가가능하다는가능성을보여주고있다. 천부지하수 (shallow groundwater), 암석형성그리고수열합성자원에기초한시스템이성공적으로개발되고있다. 온도관련한엔탈피에의한지열자원의분류는엔탈피가온도에선형함수이고온수자원인경우에만정확하다. 저수지조건의여러지열자원에적용될수있는온천수이다. 엔탈피값단독은지열자원의분류에적합한변수가아니다. 엔탈피및엔트로피함수로서의엑서지 (Exergy, 종합적인에너지의유효이용도를평가하는데쓰이는단위 ) 가더좋은기준이지만이것은싱크조건에달려있다. SEI에의한폴란드의지열자원은세계지열지역에비해낮은편이다. 그러나양적으로중요한대수층 (aquifer, 지하수를함유한지층으로모래, 자갈, 실트, 점토등공극량이많은것으로구성됨. 예로포드하레의한우물당 800m³/h 이상 ) 평가에있어경제적으로폭넓은응용을가능하게해준다. 출처 : Antoni Barbacki, Classification of geothermal resources in Poland by exergy analysis -Comparative study, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, 2012, pp123~128
모니터링분석 5 전문가제언 폴란드의여러저수지조건은다양한지열에너지가가능하다는가능성을보여주고있다. 본고는지열에너지의열역학적상태를명확히기술하기위해에너지변수, 즉최대유효에너지를나타내는엑서지 (exergy) 지표에의하여폴란드의지열자원에대하여분석하였다. 폴란드정부는 2012년 1월말총전력생산량중신재생에너지비율을작년기준 10% 에서 2020년까지 15.5% 로확대시키는내용의미래에너지수급방안을확정하였다. 사업예산도올해 30억즈워티 ( 약 7억2000만유로, 1 유로 =4.14 즈워티기준 ) 에서 2020년까지 80억즈워티로점차증액할계획이다. 폴란드는낮은신재생에너지원을보유했기때문에 EU의신재생에너지비율을충족하기위해서는대규모신규투자가불가피하다. 폴란드의신재생에너지확대사업은 EU에서부과한신재생에너지비율의무량을달성하기위한대책방안으로 EU는폴란드에 2020년까지총전력생산량중 15% 이상을신재생에너지로생산하도록하고있다. 신재생에너지개발이날이갈수록절박해지고있는가운데국내지열에너지가경제적이고실용적인대체에너지로주목받고있다. 지하에축적된지열에너지를건물의냉난방이나급탕등에활용하는시스템이다. 한국지열에너지학회는지열에너지를보다안전하고효율적인에너지원으로활용하기위해정책마련과기술지원을뒷받침함으로써지열에너지시스템을적극개발하고있다. 심부지열에너지의특성을충분히고려하지않는정부의재생에너지지원정책과그개발및이용을둘러싼인 허가제도가정비되지못한까닭에개발과정은큰난관에봉착해있는실정이다. 지열에너지개발및이용관련법제의여러문제점과과제를검토한후외국의입법례에비추어온천법의개정을포함한광업법을중심으로한인허가제도의재정비를제안하고있다. 이분석물은교육과학기술부과학기술진흥기금을지원받아작성하였습니다.