1. 연구배경 및 목적
수년전부터 유럽을 중심으로 보급되고 있는 4세대 지역난방시스템은 기존에 활용되지 못했던 태양열이나 산업폐열, 기타 미활용 에너지 자원을 난방 및 급탕 분야에 이용하게 한다. 하절기 태양열을 저장하였다가 동절기에 난방용으로 사용하는 방안은 화석에너지 소비절감과 화석연료 연소로 인한 환경오염, 에너지안보 위기 등으로부터 벗어나게 할 것으로 기대된다. 본 연구는 계절간 대용량 태양열 열저장 시설을 활용한 유럽 사례를 살펴보면서 국내에 적용 가능한 계간 축열 사업의 난방열 생산 단가를 추정하고 지역난방사업부분에 적용 가능한지를 검토하였다.

2. 연구내용 및 시사점
열에너지를 일시적으로 저장하였다가 사용하는 기술은 이미 오래전부터 주택이나 건물, 지역난방시스템 등에서 사용되어져 왔다. 최근 들어 재생에너지 이용이 확대되면서 태양열 에너지의 하고동저(夏高冬低)와 열 수요의 동고 하저(冬高夏低)를 보완하는 개념의 대용량이 계간 축열설비 프로젝트가 유럽에서는 다양하게 진행되고 있다. 현재 유럽 등에서 활용되고 있는 대용량 계간 축열설비의 대표적인 형태로는 탱크형(TTES, tank thermal energy storage), 피트형(PTES, pit thermal energy storage), 관정형(BTES, borehole thermal energy storage) 및 대수층 활용형(ATES, Aquifer thermal energy storage)의 4가지가 있다.
탱크형은 콘크리트, 강철 혹은 유리섬유강화플라스틱 등을 이용하여 물을 저장하는 탱크를 제작하여 설치하는 방식이다. 피트형은 탱크형과 같은 고정 축조물 없이 대형 땅 구덩이를 파고 경사면에 단열 막과 방수필름을 설치하고 덮개를 덮는 방식으로 물이나 저장매체를 담는 구조물이다. 관정형은 시추공을 통해 지하로 열을 주입하여, 흙, 자갈, 모래 등을 저장매체로 활용하는 기술이다. 마지막으로 대수층 활용형은 지하에 있는 대수층에 열을 저장하는 방식이다.
열저장의 효율성 측면에서는 물을 매체로 열을 저장하는 TTES와 PTES가 우수하다. 지상에 설치되는 TTES와 PTES는 부지 확보에 제약이 있는 반면 지하에 열을 저장하는 BTES 혹은 ATES는 지질적 조건에 부합되는 입지를 찾아야 하는 제약이 있다. TTES는 부지 특성에 맞추어 신축적으로 할 수 있으나 탱크 제작 용량에 한계가 있다. 반면, PTES는 용량 규모의 조절은 상대적으로 자유로우나 덮개 시공의 어려움이 있다. 설비 건설 및 운용비용 면에서는 TTES와 PTES가 BTES나 ATES보다 많이 소요된다.
동일한 형태의 축열설비라도 지질, 부지가격, 수질 등 개별적인 조건에 따라 구축비용에 차이가 클 수 있다. 특히 규모의 경제성 때문에 대용량인 경우 단위 투자비를 낮출 수 있다. 해외 자료에 따르면, 10,000m³이상의 프로젝트는 150€/m³ 이하, 15,000m³이상의 ATES, BTES와 PTES는 75€/m³ 이하로 나타나고 있다. 태양열 및 축열설비 투자비는 초기 프로젝트에서 겪었던 시행착오에 따른 학습효과와 기술개발에 의해 비용이 계속 낮아지는 추세이다. Delta Energy & Environment Ltd.(2016)는 다양한 사례 조사를 통해 대형 지역난방용 TTES의 단위 투자비 범위를 120~150€/m³로, PTES는 30~148€/m³로, BTES는 25~40€/m³WE(물환산m³)로, ATES는 25~40€/m³WE로 제시하고 있다.
유럽의 계간 축열 설비들은 EU의 공동연구 프로젝트가 기금 또는 국가의 RD&D 자금 지원을 받아 구축되는 사례가 많다. 덴마크 마스탈(Mastal)의 PTES는 EU의 SUNSTORE 프로젝트에 의해 건설되었고, 독일의 대표적인 계간 축열 시스템인 크라일스하임(Crailsheim)의 BTES은 독일 정부의 Solarthermie 프로젝트의 결과이다. 또 EU의 도시계획 관련 RD&D 프로그램인 PITAGORAS는 이탈리아 브레시아(Brescia)와 오스트리아 크렘스뮌스터(Kremsmünster)의 계간 축열 설비 구축을 지원하였다.
제시된 유럽의 여러 사례는 화석연료 소비절감과 기후 변화 대응이라는 장기적인 국가 에너지 및 환경정책의 목표 달성이라는 관점에서 계간 축열을 긍정적으로 가능성을 검토하고 있다는 것을 보여주고 있다. 유럽 각국은 비용 경제성만으로는 구축할 수 없는 에너지시스템을 매래의 가능성으로 보고 공적지원으로 다양한 RD&D 사업을 추진함으로써, 반복 가능한 안정적인 기술로 발전시키고 있다. 우리도 단기적인 성과에 연연하지 않고, 연구개발 및 시범용의 파일럿 프로젝트에 대한 공적 투자를 활발히 진행하여 미래 활용 가술로 개발할 필요가 있다.
본 연구는 정부가 추진한 충북 진천의 친환경에너지타운에 건설된 공공빌딩의 난방 부하에 제로에너지 주택 200호의 부하가 추가될 경우를 가정하여 계간 축열을 활용한 지역난방사업의 가능성을 한국에너지기술연구원의 지원을 받아 검토하였다. 그 결과는 다음과 같이 요약 될 수 있다.
첫째, 계간축역 이용 난방열 공급시스템은 기존의 지역난방보다 열원가가 2배 이상 높을 것으로 추정되었다. 이는 아직까지 동 기술의 상업화에는 더 많은 노력이 필요하다는 것을 의미한다.
둘째, 열원 설비 중에서 히트펌프의 역할이 중요하다. 히트펌프는 공기나 지열, 상하수도 열을 이용하여 필요한 온도의 난방 및 급탕을 할 수 있어 에너지 융·복합 시스템 구성에 매우 중요한 역할을 한다. 경제성 확보를 위해서는 히트펌프용 전기비용이 크지 않도록 시스템을 구성할 필요가 있다.
저탄소 친환경에너지 사회를 위한 계간 축열시스템 도입에는 정부나 공공부분에서 고려해야 할 부분이 적지 않다. 첫째, 우선 신재생에너지 융·복합시스템의 히트펌프를 효율적으로 이용할 수 있도록 하는 전기요금의 조정이 필요하다. 둘째, 저렴하고 안정적인 계간 축열기술인 대수층 활용형(ATES)이나 관정형(BTES)을 이용하려면 이에 대한 지질조사 데이터베이스를 구축해야 한다. 정부는 이런 지질 자료를 신재생열 사업자와 공유하고, 지역난방 사업예정지역에 대해 계간 축열 가능성을 우선적으로 검토하게 한다. 셋째, 국제 협업 연구와 다양한 시범 사업을 통하여 안정적인 기술의 확보가 요청된다. 넷째, 신재생 열 보급을 위한 재정 인센티브(RHI) 도입도 면밀히 검토되어야 한다.
향후 계간 축열이 지역난방시스템에 안정적으로 통합되기 위해서는 저온 지역난방의 기반이 마련되어야 한다. 그리고 국가온실가스 저감 대책과 신규 열 수요 시장 개발에 대응하여 계간 축열 관련 프로젝트는 지속될 필요가 있다.