우리나라의 연간 전력 소비량은 세계적으로 상위권에 속해 있으며, 전력을 생산하는 방법으로는 화력발전의 비중이 높아 $CO_2$의 배출량도 세계 10위이다. 이에 정부는 온실가스 감축을 위해 신재생에너지 기술 확보 및 실용화에 주안을 두고 있으며, 에너지 공급의 탈 화석화를 실현하기 위한 국가에너지기본계획을 수립하고 추진 중이다. 신재생 에너지의 하나인 해양심층수열에너지의 자원화 기술은 저탄소 녹색성장을 위한 해양자원의 다각적 이용을 위한 핵심기술로서 자원 확보와 환경개선을 위해 국내 외에서 새롭게 주목을 받고 있다. 해양심층수 에너지의 해양온도차 발전과 냉난방 이용을 대상으로 다음과 같이 연구개발의 경제성 타당성을 분석하였다. 첫째, 1MW급 온도차발전 플랜트에서 해양심층수 및 발전소 온배수를 이용하여 전기를 생산할 경우 경제성은 미흡하나 연구개발을 통해 상용화 규모로 개발하면 전기의 생산 뿐 아니라 식수 및 탄소배출권 등을 고려할 때 경제성이 커질 수 있을 것으로 판단된다. 둘째, 1,000RT급을 대상으로 해양심층수의 냉난방 이용은 경제성은 양호한편이며 특히 탄소배출권을 고려한다면 충분한 경제성을 확보 가능하다. 이를 해양온도차 발전, 담수화, 농수산 이용 등과 연계하여 이용하면 경제적 파급효과가 커질 것으로 판단되어, 조기 실용화 및 보급 확산을 위한 연구개발이 필요하다.
우리나라의 연간 전력 소비량은 세계적으로 상위권에 속해 있으며, 전력을 생산하는 방법으로는 화력발전의 비중이 높아 $CO_2$의 배출량도 세계 10위이다. 이에 정부는 온실가스 감축을 위해 신재생에너지 기술 확보 및 실용화에 주안을 두고 있으며, 에너지 공급의 탈 화석화를 실현하기 위한 국가에너지기본계획을 수립하고 추진 중이다. 신재생 에너지의 하나인 해양심층수 열에너지의 자원화 기술은 저탄소 녹색성장을 위한 해양자원의 다각적 이용을 위한 핵심기술로서 자원 확보와 환경개선을 위해 국내 외에서 새롭게 주목을 받고 있다. 해양심층수 에너지의 해양온도차 발전과 냉난방 이용을 대상으로 다음과 같이 연구개발의 경제성 타당성을 분석하였다. 첫째, 1MW급 온도차발전 플랜트에서 해양심층수 및 발전소 온배수를 이용하여 전기를 생산할 경우 경제성은 미흡하나 연구개발을 통해 상용화 규모로 개발하면 전기의 생산 뿐 아니라 식수 및 탄소배출권 등을 고려할 때 경제성이 커질 수 있을 것으로 판단된다. 둘째, 1,000RT급을 대상으로 해양심층수의 냉난방 이용은 경제성은 양호한편이며 특히 탄소배출권을 고려한다면 충분한 경제성을 확보 가능하다. 이를 해양온도차 발전, 담수화, 농수산 이용 등과 연계하여 이용하면 경제적 파급효과가 커질 것으로 판단되어, 조기 실용화 및 보급 확산을 위한 연구개발이 필요하다.
Annual power consumption of our country is positioned in the upper percentile in the world, and because the proportion of fossil power generation is high, which ranks the 10th $CO_2$ emission country. In this regard, government has established and is implementing the National Energy Basic...
Annual power consumption of our country is positioned in the upper percentile in the world, and because the proportion of fossil power generation is high, which ranks the 10th $CO_2$ emission country. In this regard, government has established and is implementing the National Energy Basic Plan to realize to get out of fossilization in energy supply while focusing on securing the technology for renewable energy as well as its commercialization in order to reduce greenhouse gas. Resource recovery technology for deep seawater thermal energy which is one of renewable energies is newly getting attention domestically as well as in overseas for securing resources and environmental improvement as a core technology for multilateral use of marine resources for low carbon and green growth. Economic feasibility analysis was conducted for the research and development as follows on the use of ocean thermal energy conversion and seawater air conditioning. First, in the case of power generation using deep seawater and warm discharge water from ocean thermal energy conversion plant of 1MW level, it is judged that the economic feasibility is insufficient but the feasibility will be significantly improved if we consider not only power generation but also drinking water and certified emission reduction by developing the power plant to the size for commercialization. Second, the economic feasibility for the use of deep seawater as air conditioning for the power plant of 1,000RT level turned out to be very good. Especially, when we consider certified emission reduction, it will be possible to secure sufficient economic feasibility. When we use it in connection with ocean thermal energy conversion, water conversion and agricultural and fishery use, it is judged that economic ripple effect will be significant and therefore it will be necessary to conduct research and development for early commercialization, distribution and diffusion of deep seawater energy.
Annual power consumption of our country is positioned in the upper percentile in the world, and because the proportion of fossil power generation is high, which ranks the 10th $CO_2$ emission country. In this regard, government has established and is implementing the National Energy Basic Plan to realize to get out of fossilization in energy supply while focusing on securing the technology for renewable energy as well as its commercialization in order to reduce greenhouse gas. Resource recovery technology for deep seawater thermal energy which is one of renewable energies is newly getting attention domestically as well as in overseas for securing resources and environmental improvement as a core technology for multilateral use of marine resources for low carbon and green growth. Economic feasibility analysis was conducted for the research and development as follows on the use of ocean thermal energy conversion and seawater air conditioning. First, in the case of power generation using deep seawater and warm discharge water from ocean thermal energy conversion plant of 1MW level, it is judged that the economic feasibility is insufficient but the feasibility will be significantly improved if we consider not only power generation but also drinking water and certified emission reduction by developing the power plant to the size for commercialization. Second, the economic feasibility for the use of deep seawater as air conditioning for the power plant of 1,000RT level turned out to be very good. Especially, when we consider certified emission reduction, it will be possible to secure sufficient economic feasibility. When we use it in connection with ocean thermal energy conversion, water conversion and agricultural and fishery use, it is judged that economic ripple effect will be significant and therefore it will be necessary to conduct research and development for early commercialization, distribution and diffusion of deep seawater energy.
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문제 정의
심층수 열에너지 개발 경제성 분석의 목적은 심층수 열에너지를 해양온도차 발전과 해수 냉난방에 활용할 경우의 경제적 효율성을 평가하기 위한 것이다. 경제적 타당성 평가를 위한 방법으로는 순현재가치법, 비용편익분석법, 내부수익률법 등 다양한 방법이 이용되고 있으나, 심층수 열에너지 개발사업은 국내외적으로 전례가 많지 않기 때문에 NPV=0이 되는 가격을 우선적으로 분석하고 다른 방법은 보조적으로 검토하였다.
또한 심층수는 담수화가 가능하고 운영비용이 적다는 것이 가장 큰 장점이며, 제2차 오염물질이 타 발전에 비해 적게 생산될 뿐만 아니라 계속되는 유류비의 상승으로 인해 타 에너지산업과 비교해 경쟁력 확보가 가능할 것으로 전망되고 있다. 해양심층수 에너지자원을 이용한 발전 방식에는 지역 냉난방과 온도차 발전이 있을 수 있는데, 본 연구에서는 이 2가지 발전 방식에 대해 향후 에너지자원으로 이용 가능한지 경제성 분석을 통해 판단해보고자 한다.
가설 설정
난방을 위한 가스사용량 분석에 대해서는 실적치 분석자료를 바탕으로 연간 사용되는 가스 총량의 80%가 난방을 위해 사용되는 것으로 가정하였다.
또한 해수 열에너지 시스템은 열교환기를 비롯하여 해수 취수펌프, 대용량 취수관, 열펌프, 그리고 부수적인 시스템 구조물 등으로 구성되는 것으로 가정하였다. 단 여름에는 열교환기만으로 운용하고, 겨울에는 열펌프로 운용하는 시스템으로 가정하였다.
해양온도차 발전이 신재생에너지 개발이라는 공익적 측면이 높은 사업임을 고려하여 연구개발비는 경제성 분석 대상에서 제외하고, 순수하게 기술개발이 완료된 후에 설치·운영하는 비용만을 대상으로 경제성을 분석하였으며 Table 2에 해양온도차 발전을 위한 초기 투자비는 플랜트 설비업체의 자문을 받아 산정하였다. 또한 1 MW의 전력생산을 위해서는, 1일 100,000톤의 취수가 가능한 대용량 취수관을 개발하여 설치하는 것으로 가정하였다.
으로 구분이 가능하지만, 본 연구에서는 순발전량 기준으로 1MW와 10MW급 발전설비를 설치하여 운영하는 것으로 가정하였다. 또한 온도차 발전은 방식에 따라 폐쇄순환식, 개방순환식, 복합순환식 등으로 구분할 수 있으나 본문에서는 경제성 향상을 위해서 최근에 주로 개발되고 있는 개방순환식으로 가정하여 분석하였다.
여름에는 수온 2 ℃ 이하의 심층수를 취수하여 냉방시스템을 운용하는 것으로 가정하였으며, 겨울에는 수온 10 ℃이상의 표층수를 취수하여 난방시스템을 운용하는 것으로 가정하였다. 또한 해수 열에너지 시스템은 열교환기를 비롯하여 해수 취수펌프, 대용량 취수관, 열펌프, 그리고 부수적인 시스템 구조물 등으로 구성되는 것으로 가정하였다. 단 여름에는 열교환기만으로 운용하고, 겨울에는 열펌프로 운용하는 시스템으로 가정하였다.
경제성 분석을 위해서 강원도 삼척캠퍼스의 난방시스템과 심층수연구센터에서 실증한 냉방시스템을 결합한 시스템을 구성하여 열효율을 분석하였다. 심층수를 활용한 냉방시스템의 에너지 절감 효과는 73.8%로 가정하고, 표층수를 이용한 난방시스템의 에너지 절감효과는 63.2%로 가정하였다9).
냉방을 위한 전력사용량 분석에 대해서는 호텔 및 리조트의 전기의 주요사용처로 조명, 전기 및 가전제품, 기계설비(전체 전기사용량의 10%), 수처리시설 등이 있다. 여기서는 연간 총 전기사용량의 약 40%를 냉방에 사용하는 것으로 가정하였다.
냉난방시스템은 여름철에는 심층수를 이용하여 냉방을 하고, 겨울철에는 표층수를 이용하여 난방을 하는 이원화된 체계를 구성하여 운영하였다. 여름에는 수온 2 ℃ 이하의 심층수를 취수하여 냉방시스템을 운용하는 것으로 가정하였으며, 겨울에는 수온 10 ℃이상의 표층수를 취수하여 난방시스템을 운용하는 것으로 가정하였다. 또한 해수 열에너지 시스템은 열교환기를 비롯하여 해수 취수펌프, 대용량 취수관, 열펌프, 그리고 부수적인 시스템 구조물 등으로 구성되는 것으로 가정하였다.
온도차 발전플랜트는 총발전량 기준(Gross power OTEC plant)7)과 순발전량 기준(Net power OTEC plant)8)으로 구분이 가능하지만, 본 연구에서는 순발전량 기준으로 1MW와 10MW급 발전설비를 설치하여 운영하는 것으로 가정하였다. 또한 온도차 발전은 방식에 따라 폐쇄순환식, 개방순환식, 복합순환식 등으로 구분할 수 있으나 본문에서는 경제성 향상을 위해서 최근에 주로 개발되고 있는 개방순환식으로 가정하여 분석하였다.
또한 순발전량 1 MW급의 개방순환식 온도차 발전 시스템에서는 기대효과에서 후술하는 바와 같이 CO2 배출권 확보, 식수로 사용이 가능한 물(Pure Water) 등 부가적 생산물이 생산된다. 이렇게 부가적으로 생산되는 것도 경제성 분석에 포함시켜 분석하였는데, 1 MW당 약 4,260톤의 CO2 배출권 확보가 가능하며, 식수의 경우에는 1,150톤의 확보가 가능한 것으로 가정하였다.
전체공정은 약 2년 6개월간의 플랜트 건설 및 각종 기기의 설치, 약 6개월간의 테스트 및 시험운영을 거친 다음 20년 동안 운영하는 것으로 가정하였으며, 해수를 사용하는 특수한 상황을 고려하여 열교환기, 히트펌프 등 주요 장비 및 소모품에 대해서는 설비의 특성을 고려하여 내구연한을 설정하였다.
한편 분석기간은 심층수 열에너지 개발을 위한 연구개발(온도차 발전시스템, 해수냉난방 시스템, 취수관 개발 등)과 산업 활동을 위한 민간투자(이용 및 생산시설)를 2012년까지 완료하고, 2013년부터 실제로 해수 냉난방이 이루어지는 것으로 가정하여 추정하였다. 하지만 온도차 발전에 대해서는 향후 장기간의 연구개발이 필요한 실정이나 본 분석에서는 2013년까지 기술개발이 이루어지고 2013년부터 실용화가 추진되는 것으로 가정하여 분석하였다.
경제성 평가에서는 전체 기간에 발생하는 모든 비용과 편익을 동일한 기준시점으로 계산하여야 하는데, 본 분석에서는 심층수를 이용한 심층수 열에너지의 현장적용 실험이 본격화되는 2008년도를 기준연도로 설정하고 인플레율은 고려하지 않았다. 한편 분석기간은 심층수 열에너지 개발을 위한 연구개발(온도차 발전시스템, 해수냉난방 시스템, 취수관 개발 등)과 산업 활동을 위한 민간투자(이용 및 생산시설)를 2012년까지 완료하고, 2013년부터 실제로 해수 냉난방이 이루어지는 것으로 가정하여 추정하였다. 하지만 온도차 발전에 대해서는 향후 장기간의 연구개발이 필요한 실정이나 본 분석에서는 2013년까지 기술개발이 이루어지고 2013년부터 실용화가 추진되는 것으로 가정하여 분석하였다.
해양온도차 발전시스템은 다양한 방식의 발전 사이클 개발이 추진되고 있으나 경제성 향상을 위해 다목적으로 활용이 가능한 개방순환식 OTEC 시스템을 개발하여 설치·운영하는 것을 목표로 설정하였으며, 해양온도차 발전시스템은 열교환기(Heat Exchanger)를 비롯하여 냉수관(Cold Water Pipe), 터빈, 증발기, 발전시스템 구조물 등으로 구성되는 것으로 가정하여 분석 하였다.
제안 방법
두 번째로 목욕탕에서 해수열 이용을 한 경우인데, 이 시스템은 해수열을 열원으로 하여 목욕탕에 온수를 가온하는 시스템이다(지식경제부[2008]). 강원도 동해안에 있는 한 콘도에 40RT급 해수열원 1대와 동일 용량의 폐수열원 열펌프를 설치하여 버려진 폐수를 열원으로 활용 15 ℃ 정도의 지하수 온도를 55 ℃ 수준으로 승온시켜 수요처에 공급하였다. 1일 온수 발생량은 200톤이며, 연간생산가능 열량은 2,521 Gcal/일로, 연간 에너지절감액은 49,536천 원으로 투자회수시간은 2.
경제성 분석을 위해서 강원도 삼척캠퍼스의 난방시스템과 심층수연구센터에서 실증한 냉방시스템을 결합한 시스템을 구성하여 열효율을 분석하였다. 심층수를 활용한 냉방시스템의 에너지 절감 효과는 73.
심층수 열에너지 개발 경제성 분석의 목적은 심층수 열에너지를 해양온도차 발전과 해수 냉난방에 활용할 경우의 경제적 효율성을 평가하기 위한 것이다. 경제적 타당성 평가를 위한 방법으로는 순현재가치법, 비용편익분석법, 내부수익률법 등 다양한 방법이 이용되고 있으나, 심층수 열에너지 개발사업은 국내외적으로 전례가 많지 않기 때문에 NPV=0이 되는 가격을 우선적으로 분석하고 다른 방법은 보조적으로 검토하였다. 분석의 범위는 해양온도차 발전과 해수 냉난방 기술개발 후 시범사업에 대하여 사업추진주체의 입장에서 심층수를 활용한 열에너지 개발에 직접적으로 필요한 사업으로만 한정하여 분석하였다.
할인율이 높아질수록 초기투자 비용의 현재가치는 증대하는 반면 상당기간이 지난 후에 발생하는 편익의 현재가치는 현저히 작아지는 경향이 있으므로, 심층수를 활용한 열에너지 개발과 같이 공공적 성격이 강한 사업의 경우 시장할인율이나 가중평균할인율 등을 획일적으로 적용하는 것은 다소 무리가 있다. 따라서 정부에서는 국고지원 대상사업에 대해 공공사업간의 상호비교가 가능하도록 모든 공공사업에 5.5%의 실질 사회적 할인율을 적용하도록 권유하고 있으며 본 분석에서는 신뢰도와 정확도를 더욱 높이기 위해 리스크 프리미엄을 감안한 7.5%의 사회적 할인율을 적용하여 분석하였다(한국개발연구원[2008]).
또한 신소재 및 재료의 개발 등으로 내구성이 증가하면서 건물 및 설비의 내구연한은 일반적으로 25년이나 그 이상을 상정하는 경우도 있으나, 본 분석에서는 해수를 사용하기 때문에 부식 등으로 인해 기기 및 장비의 수명이 짧아질 수 있다는 점 등을 고려하여 20년으로 가정하고 2032년까지의 비용과 편익의 흐름을 현재 가치로 환산하여 경제적 타당성을 분석하였다.
또한 전기료의 단가는 실제로 사용한 총량을 1년 동안 지불한 전기료로 나누어 단가를 계산(2008.03~2009.03)하였는데, kW당 85원인 실적치를 적용하여 계산하였다.
경제적 타당성 평가를 위한 방법으로는 순현재가치법, 비용편익분석법, 내부수익률법 등 다양한 방법이 이용되고 있으나, 심층수 열에너지 개발사업은 국내외적으로 전례가 많지 않기 때문에 NPV=0이 되는 가격을 우선적으로 분석하고 다른 방법은 보조적으로 검토하였다. 분석의 범위는 해양온도차 발전과 해수 냉난방 기술개발 후 시범사업에 대하여 사업추진주체의 입장에서 심층수를 활용한 열에너지 개발에 직접적으로 필요한 사업으로만 한정하여 분석하였다. 한편 분석기법은 순현재가치법(NPV), 내부수익률법(IRR), 비용편익비율법(BCR)을 이용하여 분석하고 실제 조업에 착수할 경우 부가적으로 발생하는 이산화탄소 저감효과 및 부가적인 생산물(용수 및 수소의 생산 등)에 대해서도 분석 범위에 포함하였다.
8년으로 보고되었다. 세 번째는 에너지기술연구원에서 강원대학교 삼척캠퍼스 해양관광레저스포츠 센터에 표층수를 이용한 냉난방에 관한 실험진행(2008년)을 하였다. 본 실험 결과 냉난방 에너지의 절감율은 57% 가량으로 나타났으며, 이로 인해 연간 약 526만 원의 예산을 절감할 것으로 예측하였다.
해양온도차 발전을 위한 비용은 초기 시설투자비와 20년간의 지속적인 운영에 소요되는 연간운영비로 나눌 수 있는데, 이를 각각의 온도차 발전 규모에 따라 계상하였다. 운영비에 대해서는 온도차 발전설비를 운영하는 인건비와 유지보수비로 크게 나누어지며, 연간 운영비 및 유지보수비는 기존 자료를 바탕으로 플랜트 설비 업체의 자문을 받아 산정하였다(Table 3).
전술한 기본적 전제조건을 바탕으로 경제성을 분석하되, 시범사업임을 고려하여 대표적으로 선정된 적지를 대상으로 실제의 전기 및 난방 연료소비량을 어느 정도 감축할 수 있는가를 분석하였으며, 대상지역은 동해안 지역에 위치한 시설로서 호텔과 콘도를 운영하기 위해 냉방을 위한 전기와 난방을 위한 연료를 대량으로 소비하고 있는 시설을 선정하여 분석하였다.
다음으로 해수 냉난방을 위한 경제적 비용은 초기시설 투자비와 지속적 운영을 위한 연간 운영비로 구분할 수 있는데, 초기 시설비의 경우 냉난방 공조 설비와 취수시설비 등 크게 두 부분으로 나눌 수 있다. 한편 냉난방 공조설비에는 히트펌프시스템을 비롯하여 해수용 열교환기, 전기제어시스템, 공조배관설비, 시공비 등을 포함하여 산정하였다(Table 7).
분석의 범위는 해양온도차 발전과 해수 냉난방 기술개발 후 시범사업에 대하여 사업추진주체의 입장에서 심층수를 활용한 열에너지 개발에 직접적으로 필요한 사업으로만 한정하여 분석하였다. 한편 분석기법은 순현재가치법(NPV), 내부수익률법(IRR), 비용편익비율법(BCR)을 이용하여 분석하고 실제 조업에 착수할 경우 부가적으로 발생하는 이산화탄소 저감효과 및 부가적인 생산물(용수 및 수소의 생산 등)에 대해서도 분석 범위에 포함하였다.
한편 심층수를 이용한 냉난방의 경우 동해안의 12개 후보지역(고성, 속초, 양양, 강릉, 동해, 삼척, 영덕, 울진, 경주, 포항, 울산, 울주)을 조사(냉난방을 사용할 수 있는 건축물의 규모, 건축물과 해안가의 거리, 전력소비 및 유류소비량, 심층수와의 거리 등)한 결과 양양의 한 리조트가 가장 경제성이 있는 것으로 판단되어 이 리조트에 대한 경제성을 분석하였다. 분석 결과 심층수 열에너지를 이용한 냉난방시스템은 현재에도 경제성이 있는 것으로 분석되었다.
해양온도차 발전을 위한 비용은 초기 시설투자비와 20년간의 지속적인 운영에 소요되는 연간운영비로 나눌 수 있는데, 이를 각각의 온도차 발전 규모에 따라 계상하였다. 운영비에 대해서는 온도차 발전설비를 운영하는 인건비와 유지보수비로 크게 나누어지며, 연간 운영비 및 유지보수비는 기존 자료를 바탕으로 플랜트 설비 업체의 자문을 받아 산정하였다(Table 3).
해양온도차 발전이 신재생에너지 개발이라는 공익적 측면이 높은 사업임을 고려하여 연구개발비는 경제성 분석 대상에서 제외하고, 순수하게 기술개발이 완료된 후에 설치·운영하는 비용만을 대상으로 경제성을 분석하였으며 Table 2에 해양온도차 발전을 위한 초기 투자비는 플랜트 설비업체의 자문을 받아 산정하였다.
대상 데이터
경제성 평가에서는 전체 기간에 발생하는 모든 비용과 편익을 동일한 기준시점으로 계산하여야 하는데, 본 분석에서는 심층수를 이용한 심층수 열에너지의 현장적용 실험이 본격화되는 2008년도를 기준연도로 설정하고 인플레율은 고려하지 않았다. 한편 분석기간은 심층수 열에너지 개발을 위한 연구개발(온도차 발전시스템, 해수냉난방 시스템, 취수관 개발 등)과 산업 활동을 위한 민간투자(이용 및 생산시설)를 2012년까지 완료하고, 2013년부터 실제로 해수 냉난방이 이루어지는 것으로 가정하여 추정하였다.
한편 국내 해양심층수 열에너지의 냉난방 이용은 2001년부터 국책연구사업으로 추진되어 온 ‘해양심층수의 다목적 이용 개발’ 사업의 일환으로 기초실험이 실시된 바 있는데, 이는 해양심층수의 다목적 이용과 관련하여 자원의 지속가능한 개발 및 이용을 통한 자원의 안정적 확보 그리고 해양 신산업 창출을 선도하는 것을 목표로 하여 2007년도에 해양심층수 저온 특성 연구를 진행하였다. 본 연구는 고성에 있는 해양심층수 연구센터의 냉방시스템에 적용되었으며, 취수지역은 고성군 송지호 남동측 해안으로 수심 300 m, 500 m의 해양심층수 및 천해역 표층해수를 취수하였다. 2006~2007년까지 해양심층수연구센터에서 이루어진 해양심층수를 이용한 냉방실험 결과, 전기료가 70% 정도 절감되는 것을 확인하였다.
성능/효과
본 연구는 고성에 있는 해양심층수 연구센터의 냉방시스템에 적용되었으며, 취수지역은 고성군 송지호 남동측 해안으로 수심 300 m, 500 m의 해양심층수 및 천해역 표층해수를 취수하였다. 2006~2007년까지 해양심층수연구센터에서 이루어진 해양심층수를 이용한 냉방실험 결과, 전기료가 70% 정도 절감되는 것을 확인하였다. 이와 같이 해양심층수를 냉난방에 이용한 사례는 한국에서는 해양심층수연구센터 일부 건물에 대한 냉방 적용이 유일하다.
위와 같은 조건하에서 가스 절감에 따른 CO2 배출권 확보 약 1,692톤, 전기사용량 절감에 따른 1,268톤 등 총 2,960톤의 배출권을 톤당 20달러에 판매가 가능하다면 순현재가치로 897백만 원의 흑자가 가능하다. CO2 배출권의 가격이 톤당 40달러로 가정하여 분석한 결과에서는 순현재가치로는 1,474백만 원의 흑자를 보이며, IRR은 8.9%로 경제성이 있는 것으로 분석되었으며, CO2 배출권의 가격이 톤당 60달러로 가정하여 분석한 결과에서는 2,052백만 원의 흑자를 기록하여 경제성이 매우 높은 것으로 분석되었다(Table 9).
가스 및 전기의 사용량 저감에 따라 약 2,960톤의 CO2 배출권 확보가 가능할 것으로 보이며, 이는 배출권 거래가격을 톤당 20달러로 가정할 경우 2,960톤/년×20달러×1,100원/달러=65,120천 원이 거래되어 경제성 향상에도 크게 기여할 것으로 전망된다.
시범개발사업인 1,000RT급의 대상시설을 대상으로 경제성을 분석한 결과 현재 가격수준으로도 경제성이 있는 것으로 분석되었다. 대상시설에서 실제로 2008년에 구입한 kW당 전기료 85원, 가스 kg 당 1,078원을 적용한 결과 순현재가치로는 320백만 원의 흑자가 가능한 것으로 나타났다. 위와 같은 조건하에서 가스 절감에 따른 CO2 배출권 확보 약 1,692톤, 전기사용량 절감에 따른 1,268톤 등 총 2,960톤의 배출권을 톤당 20달러에 판매가 가능하다면 순현재가치로 897백만 원의 흑자가 가능하다.
또한 본격적인 상업생산을 위한 10 MW급의 경제성 분석 결과에서도 현재 전기료 수준으로는 경제성이 부족한 것으로 나타났다. CO2 배출권 거래가격이 톤당 20달러, 물의 판매가격은 수돗물 가격의 전국평균인 톤당 700원, 전기료의 국내 평균인 kW당 80원을 가정하면 순현재가치로 약 692억 원의 적자를 기록할 것으로 보인다.
세 번째는 에너지기술연구원에서 강원대학교 삼척캠퍼스 해양관광레저스포츠 센터에 표층수를 이용한 냉난방에 관한 실험진행(2008년)을 하였다. 본 실험 결과 냉난방 에너지의 절감율은 57% 가량으로 나타났으며, 이로 인해 연간 약 526만 원의 예산을 절감할 것으로 예측하였다. 마지막으로 한국해양대학교에서 기숙사 건물에 표층수와 열교환기 및 열펌프를 이용한 해수냉난방시스템(2009년)을 설치, 가동하여 냉방에너지 65%, 난방에너지 57% 절감한 경우가 있는데, 이들은 가용설비의 적용성 실험 수준에 그쳤다.
한편 심층수를 이용한 냉난방의 경우 동해안의 12개 후보지역(고성, 속초, 양양, 강릉, 동해, 삼척, 영덕, 울진, 경주, 포항, 울산, 울주)을 조사(냉난방을 사용할 수 있는 건축물의 규모, 건축물과 해안가의 거리, 전력소비 및 유류소비량, 심층수와의 거리 등)한 결과 양양의 한 리조트가 가장 경제성이 있는 것으로 판단되어 이 리조트에 대한 경제성을 분석하였다. 분석 결과 심층수 열에너지를 이용한 냉난방시스템은 현재에도 경제성이 있는 것으로 분석되었다.
분석결과 해수 냉난방 이용 개발사업은 현재의 수준에서도 경제성이 높은 것으로 판단되고 있으나 석유 등 화석연료의 가격이 지속적으로 상승하여 전기료 상승의 부담이 커지고 있으며, CO2 배출권 거래가격도 제2차 온실가스 감축 의무공약기간이 시작되는 2013년부터는 지속적으로 상승할 것으로 전망되어 사업추진을 위한 경제성 확보가 충분할 것으로 판단된다.
시범개발사업인 1 MW급을 개발하여 동해안 지역의 온도차 발전이 가능한 후보지로 고려되는 월성, 고리, 울진 원자력 발전소와 영동, 영남 화력발전소 인근지역에 설치할 경우를 상정하여 경제성을 분석한 결과 현재의 국내 전기료 수준으로는 경제성이 매우 미흡한 것으로 분석되었다(Table 4).
시범개발사업인 1,000RT급의 대상시설을 대상으로 경제성을 분석한 결과 현재 가격수준으로도 경제성이 있는 것으로 분석되었다. 대상시설에서 실제로 2008년에 구입한 kW당 전기료 85원, 가스 kg 당 1,078원을 적용한 결과 순현재가치로는 320백만 원의 흑자가 가능한 것으로 나타났다.
CO2 배출권 거래가격이 톤당 20달러, 물의 판매가격은 수돗물 가격의 전국평균인 톤당 700원, 전기료의 국내 평균인 kW당 80원을 가정하면 순현재가치로 약 692억 원의 적자를 기록할 것으로 보인다. 위와 같은 조건하에서는 전기료가 최소한 kW당 169원이 되어야 NPV가 0이 되는 수준의 경제성 확보가 가능하고, CO2 배출권 거래가격은 톤당 60달러, 물의 판매가격을 톤당 1,364원을 가정하면, 10 MW급이 경제성을 갖추기 위해서는 전기료가 최소한 kW당 148원 이상이 되어야 순현재가치가 0이 되는 수준의 경제성을 확보할 것으로 분석되었다.
배출권 거래가격 추정치가 톤당 20달러, 물의 판매가격은 수돗물 가격의 전국평균인 톤당 700원, 전기료의 국내 평균인 kW당 80원을 가정하면 순현재가치(NPV)로 약 137억 원 적자를 기록할 것으로 나타났다. 위와 같은 조건하에서는 전기료가 최소한 kW당 256원이 되어야 NPV가 0이 되는 수준의 경제성 확보가 가능하며, CO2 배출권 거래가격은 톤당 60달러, 물의 판매가격은 수돗물 가격 중 가장 높은 정선군의 가격인 1,364원을 적용해도 전기료가 kW당 195원이 되어야 순현재가치가 0(NPV=0)이 되는 수준의 경제성을 갖출 것으로 분석되었다.
표층 및 중층해수를 이용한 냉난방 실용화에 관한 연구는 양식장에서 해수열을 이용한 경우가 있는데, 이는 폐열을 이용하여 육상수조식 양식장 급수가열시스템으로 사용하고 있는 유류보일러를 대처하기 위한 시스템에 적용한 것이다. 이 시스템은 용량 40 RT의 열펌프시스템을 동절기 4개월 동안 저온해수(5.1~13 ℃)를 양식 수조에 알맞은 온도(13~19 ℃)로 가열 급수시킨 결과 경유보일러 시스템보다 에너지비용이 10.3배(90.4%) 정도 절약되었던 것으로 나타났으며, 열펌프시스템의 하절기 냉각 가동율은 동절기 가동율의 50% 가량으로 적정 급수온도를 충분히 조절 할 수 있는 것으로 조사되었다. 두 번째로 목욕탕에서 해수열 이용을 한 경우인데, 이 시스템은 해수열을 열원으로 하여 목욕탕에 온수를 가온하는 시스템이다(지식경제부[2008]).
후속연구
국내 신재생에너지원으로 급성장하고 있는 태양광·풍력에너지와 비교하여 심층수 열에너지는 에너지 생산과 동시에 물의 공급을 가능하게 하는 차별성이 있어, 향후 부가적으로 생산되는 물을 이용한 산업진흥을 도모할 수 있는 수단으로써 활용 가능하다.
현재의 경제성 분석 결과만으로는 경제성이 전혀 없는 것으로 판단될 수 있으나 석유 등 화석연료의 가격이 지속적으로 상승하고 있어, 전기료 상승의 부담이 커지고 있다. 또한 CO2 배출권 거래가격도 제2차 온실가스 감축 의무공약기간이 시작되는 2013년부터는 지속적으로 상승할 것으로 전망되어 기술개발의 가치는 충분할 것으로 판단된다. 특히 전기료는 매년 3~4%의 인상이 불가피한 상황이며, 수돗물의 가격도 매년 상승하고 있으나 이러한 상승요인은 고려되지 않은 반면에 기술개발을 통한 신기술의 개발로 각종 설비의 성능이 향상되고 있어 경제성 향상에 기여할 것으로 보인다.
배출권의 확보도 가능하다. 또한 개방순환식 시스템의 운영과정에서 부가적으로 생산되는 물과 각종 부산물들은 관광객이 많은 여름 및 갈수기의 식수 및 생활용수 부족문제 해결과 더불어 양식을 비롯한 타 산업 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구의 핵심인 심층수 열에너지에 대한 선진국 연구결과를 보면 화석연료에 의한 전기 및 보일러 사용에 비해 70% 가량의 에너지 절감효과를 기대할 수 있을 것으로 전망되고 있으나, 한국의 경우에는 선진국에 비해 이 분야의 연구가 활발히 이루어지지 못하고 있다. 하지만 동해안에 무한한 청정 에너지자원인 심층수를 보유하고 있을 뿐만 아니라, 연간 최대로 약 2,100천만 톤2) 가량의 발전소 온배수가 배출되고 있기 때문에 온도차 발전이 가능할 것으로 전망되고 있다.
해양심층수 에너지자원화의 경제적 가치가 높기 때문에 정부의 신재생에너지산업화 정책에서 해양에너지 분야를 더욱 강조하고 연구개발 투자액을 늘려야 한다. 이러한 투자를 바탕으로 경제성을 높이기 위한 핵심기술의 국산화와 함께 해양환경을 파괴하지 아니하는 지속가능한 기술개발이 되어야 할 것이다.
특히 기술개발이 지속적으로 추진됨에 따라 향후에도 기술 성숙도에 따라 초기투자비는 지속적으로 감소할 것으로 전망된다. 한편 온도차 발전 비용의 대부분을 차지하는 초기투자비용에 대한 민감도 분석결과 초기투자비용이 15% 감소할 경우 발전단가도 약 13.
또한 해양온도차 발전과 심층수를 이용한 냉난방의 경우 청정에너지인 심층수 열에너지를 개발하여 활용하므로, 화석연료나 전기의 사용량이 크게 감소하기 때문에 기후변화협약에 대비한 녹색기술로서의 적용가능성은 매우 클 것으로 판단된다. 특히 저탄소 청정에너지를 생산하여 에너지 자급율 개선 및 기후변화협약 대응 등을 위해 국내 실용화 및 해외자원 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
해양심층수를 이용하지는 못했지만 해양온도차 발전을 위한 핵심기술 기초연구가 1999년에 인하대 등에 의해 R-22 가스를 이용한 1 kW급 폐쇄순환식 OTEC 플랜트를 대상으로 실시되었으며, 한국해양연구원은 2001년에 OTEC 플랜트 구조물 개발을 위한 기초적 연구를 실시하고, 2010년부터 25억 원의 예산을 투입하여 향후 2016년까지 250억 원이 소요되는 연구개발을 추진할 예정이다. 하지만 온도차 발전에 적용될 수 있는 열교환기 및 해양구조물 등의 제작기술은 높은 수준이므로, 추가적인 연구개발 추가적인 연구개발을 통합하여, 최적배치를 통한 발전 효율의 향상 및 경제성의 제고를 추구해 나가는 것이 필요하다. 또한 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있지만 상용화를 위한 실증실험 단계까지 이르지 못하고 있어, 국내 실용화 뿐 아니라 해양플랜트 수출과 해외자원개발을 위한 원천기술 확보 및 대규모 실증실험이 필요한 상황이다.
그러므로 심층수가 존재하고 있는 한국의 동해안 지역에서는 월성, 울진, 고리원전 인근지역과, 영남, 영동화력발전소 인근지역 그리고 현재 종합발전단지로 건설 중인 삼척지역이 온도차 발전에 대한 후보지역으로 볼 수 있다. 하지만 이 후보지역에 대해 온도차 발전의 경제성을 평가해본 결과 현재에는 경제성이 부족한 것으로 나타났지만, 향후 화석연료의 가격 및 이산화탄소 배출권 가격의 상승이 예상되는 반면에 초기시설투자비의 절감과 에너지 효율상승을 위한 지속적인 연구개발을 통한 절감효과 등을 감안하면 경제성의 확보가 가능할 것으로 전망된다. 또한 해상형 온도차 발전을 통한 대형화를 추진할 경우 경제성은 더욱 개선될 것으로 예상되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해양온도차 발전이란?
해양온도차 발전은 해양심층수와 표층해수의 온도 차이에 의한 열에너지를 변환시켜 전기에너지를 생산하는 방식으로 해양온도차 발전 시스템 구성을 살펴보면 Fig. 2와 같은데, 온도차 발전 시스템에는 먼저 발전설비(증발기, 응축기, 터빈, 펌프, 발전기, 해수취수관 등)가 있고 다음으로 발전설비를 지지할 수 있는 지지구조물로 나눌 수 있다(국토해양부[2010]; Ocean Thermal Energy Conversion[2009]).
해양온도차 발전 시스템은 무엇으로 구성되는가?
해양온도차 발전은 해양심층수와 표층해수의 온도 차이에 의한 열에너지를 변환시켜 전기에너지를 생산하는 방식으로 해양온도차 발전 시스템 구성을 살펴보면 Fig. 2와 같은데, 온도차 발전 시스템에는 먼저 발전설비(증발기, 응축기, 터빈, 펌프, 발전기, 해수취수관 등)가 있고 다음으로 발전설비를 지지할 수 있는 지지구조물로 나눌 수 있다(국토해양부[2010]; Ocean Thermal Energy Conversion[2009]).
해양온도차 발전방법에는 무엇이 있는가?
해양온도차 발전방식은 터빈방식과 열전달방식이 있는데, 대부분이 터빈방식으로 운영되고 있다. 또한 발전방법에 따라 폐쇄순환식(Closed cycle type), 개방순환식(Open cycle type), 복합순환식(Hybrid cycle type), 습기순환식(Mist cycle type), 거품순환식(Foam cycle type)의 5가지로 나눌 수 있다(국토해양부[2010]).
참고문헌 (11)
국토해양부, 2010, 해양심층수 에너지자원 이용 타당성 조사연구, 61-103.
김기철, 2006, 건물의 냉방을 위한 해수역 취득에 관한 연구, 동의대학교, 3-12.
김현주, 2001, "해양심층수의 다목적 개발 및 다단계 이용", 어항 제56권, 18-23.
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