지하수를 이용한 지열 냉난방시스템의 경제성 및 이산화탄소 저감량 분석 Analysis of Economic Feasibility and Reductions of Carbon Dioxide Emission of Geothermal Heating and Cooling System using Groundwater원문보기
신재생에너지는 지금까지 화석연료의 잔량과 환경적인 면에서 그 중요성이 부각되었지만, 경제성에 대한 요구도 점차 커져가고 있다. 특히, 지열 냉난방시스템은 초기 투자비가 큰 점이 단점으로 부각되어 경제성 분석을 통한 결과 제시가 더욱 중요해지고 있다. 따라서 본 연구에서는 지열 냉난방시스템의 경제성과 이산화탄소 발생량을 경유보일러, 도시가스 보일러, 수직밀폐형 및 SCW형의 4가지 방식으로 비교하여 분석을 수행하였다. 생애주기비용분석 결과, 지열 냉난방시스템의 경제성이 높게 나타났으며, 이중 SCW형 지열 냉난방시스템을 이용하는 경우 절감액이 가장 높은 것으로 분석되었다. 또한 이산화탄소 발생량 분석 결과, SCW형 지열 냉난방시스템을 적용할 때 저감량이 가장 크게 나타났다. 따라서 본 연구결과에서 제시된 분석 결과를 대규모 시설농업단지나 간척지에 적용 시 많은 비용을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
신재생에너지는 지금까지 화석연료의 잔량과 환경적인 면에서 그 중요성이 부각되었지만, 경제성에 대한 요구도 점차 커져가고 있다. 특히, 지열 냉난방시스템은 초기 투자비가 큰 점이 단점으로 부각되어 경제성 분석을 통한 결과 제시가 더욱 중요해지고 있다. 따라서 본 연구에서는 지열 냉난방시스템의 경제성과 이산화탄소 발생량을 경유보일러, 도시가스 보일러, 수직밀폐형 및 SCW형의 4가지 방식으로 비교하여 분석을 수행하였다. 생애주기비용분석 결과, 지열 냉난방시스템의 경제성이 높게 나타났으며, 이중 SCW형 지열 냉난방시스템을 이용하는 경우 절감액이 가장 높은 것으로 분석되었다. 또한 이산화탄소 발생량 분석 결과, SCW형 지열 냉난방시스템을 적용할 때 저감량이 가장 크게 나타났다. 따라서 본 연구결과에서 제시된 분석 결과를 대규모 시설농업단지나 간척지에 적용 시 많은 비용을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
The development of renewable energy technologies that can replace fossil fuels is environmentally important; however, such technologies must be economically feasible. Economic analyses are important for assessing new projects such as geothermal heating-cooling systems, given their large initial cost...
The development of renewable energy technologies that can replace fossil fuels is environmentally important; however, such technologies must be economically feasible. Economic analyses are important for assessing new projects such as geothermal heating-cooling systems, given their large initial costs. This study analyzed the economics and carbon dioxide emissions of: a SCW (standing column well), a vertical closed loop boiler, a gas boiler, and an oil boiler. Life cycle cost analysis showed that the SCW geothermal heating-cooling system had the highest economic feasibility, as it had the highest cost saving and also the lowest carbon dioxide emissions. Overall, it appears that geothermal systems can save money when applied to large-scale controlled agriculture complexes and reclaimed land.
The development of renewable energy technologies that can replace fossil fuels is environmentally important; however, such technologies must be economically feasible. Economic analyses are important for assessing new projects such as geothermal heating-cooling systems, given their large initial costs. This study analyzed the economics and carbon dioxide emissions of: a SCW (standing column well), a vertical closed loop boiler, a gas boiler, and an oil boiler. Life cycle cost analysis showed that the SCW geothermal heating-cooling system had the highest economic feasibility, as it had the highest cost saving and also the lowest carbon dioxide emissions. Overall, it appears that geothermal systems can save money when applied to large-scale controlled agriculture complexes and reclaimed land.
따라서 본 연구에서는 시설원예사업에서 점점 증가하고 있는 지열 냉난방시스템 도입에 따른 경제성과 이산화탄소 발생량을 화석연료인 경유 보일러, 또한 점차 증가하고 있는 도시가스보일러 및 수직밀폐형, SCW형의 4가지 방식에서 비교하여 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 온실 시공비용, 전기인입비 등의 공통적인 시공 비용은 제외하고 순수하게 냉난방시스템 설치 시 소요된 비용만을 산정하였다. 수직밀폐형은 기존 경유보일러로 난방을 하던 시스템에서 교체하였으므로 순수한 지열 냉난방시스템 공사비 산출이 가능하였으며, SCW형은 총 공사비에서 냉난방 설비 부분만 따로 분리하여 산정하였다.
본 연구에서는 전기, 경유, 도시가스에 대한 CO2 배출량을 산정하기 위해 먼저 각 에너지원의 총 발열량을 조사하여(에너지법 시행규칙(2013.03.23)), 해당 연료의 TOE를 계산하였다. 이때, 경유와 LNG의 탄소배출계수는 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 제시한 값을 이용하였으며, 전기의 탄소배출계수는 환경부의 ‘탄소포인트제 운영에 관한 규정(2012.
1%의 낮은 가동률을 나타내며, 총 301,938 kWh의 전기를 사용하였다. 수직밀폐형, 경유 보일러와 도시가스보일러는 동일한 가동 시간에서의 에너지비용을 산출하기 위하여 세가지 방식의 시간당 에너지 소비량을 SCW형 측정자료의 운전시간에 적용하여 분석하였다. 분석 결과, 단위면적(2,050 m2) 당 수직밀폐형은 97,245 kWh의 전기, SCW형은 60,683 kWh의 전기, 경유보일러는 2,559 kWh의 전기와 42,635 L의 경유, 도시가스보일러는 2,559 kWh의 전기와 1,605,914MJ의 도시가스를 소모하는 것으로 나타났다(Table 4).
이산화탄소 발생량은 온실가스를 거의 배출하지 않는 청정에너지원으로 알려져 있는 지열과 기존의 화석연료 난방시스템을 비교하였다.
대상 데이터
SCW형 시설원예 온실은 2009년에 준공되었으며, 면적은 10,200 m2이다. 지열공은 8공(구경: 150~250 mm, 심도: 330 m × 3공, 500 m × 5공)이 시공되어 있으며, 50RT 규모의 히트펌프 3대, 30 RT 규모의 히트펌프 2대와 축열조 2대가 설치되어 있어 총 210 RT (735 kW) 규모의 설비용량을 가지고 있다.
도시가스를 사용하는 시설원예 온실은 현재는 존재하지 않지만, 도시가스의 보급이 날로 확대되고 있으며 시설원예 단지가 도시 인근에도 많다는 점에서 향후 시설원예 난방시스템에 사용될 가능성을 고려하여 경제성 분석 대상에 포함시켰다. 따라서 도시가스를 사용하는 난방시스템은 견적자료를 활용하여 분석하였다.
수직밀폐형 시설원예 온실은 2010년에 준공되었으며 재배면적이 2,050m2이다. 수직밀폐형 지열공 11공(구경: 150 mm, 심도: 157 m)을 시공하고 30 RT 규모의 히트펌프 2대를 설치한 총 60 RT (211 kW) 규모의 설비용량을 가지고 있으며, 부하용량의 80%를 지열에너지로 이용하고 있다.
지열 냉난방시스템의 경제성 분석 중 제일 중요한 부분은 에너지비용으로 본 연구의 연간 에너지 소비량은 SCW형을 운영 중인 시설원예 온실에서 2011년의 1년 동안 측정된 데이터를 이용하였다. 조사 결과, 경제성 분석 대상지인 경기도 가평은 위도가 높아서 여름에는 특별히 냉방을 하지 않고 송풍과 환기로만 실내온도를 유지한다고 하며, SCW형에서도 냉방을 활용하지는 않았다고 한다.
이론/모형
본 연구에서는 상기의 경제성 분석 방법 중에서 모든 비용을 고려하고 계산의 난이도도 높지 않은 LCC 분석법을 이용하였다.
23)), 해당 연료의 TOE를 계산하였다. 이때, 경유와 LNG의 탄소배출계수는 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 제시한 값을 이용하였으며, 전기의 탄소배출계수는 환경부의 ‘탄소포인트제 운영에 관한 규정(2012.07.19)’ 을 참조하였다(Table 11).
성능/효과
이러한 연구 결과들은 지열 냉난방시스템이 경제적으로 우수함을 증명하고 있으며, 본 연구 결과와도 유사한 결과를 나타내고 있다. SCW형은 일반적으로 지열공의 심도가 약 300~500 m로 굴착비용이 많이 소요되는 것을 감안할 때, 사전 지질조사를 통해 지하수의 흐름이 있거나 충적층에 점토층이 존재하는 지역인 경우, 이를 감안하여 지열공 굴착 심도를 줄이면 굴착비용 감소로 인해 초기투자비가 줄어들어 경제성은 더욱 좋아질 것으로 판단된다. 그리고 본 연구에서는 생애주기기간을 30년으로 설정하였는데 생애주기기간이 더 길어질수록 생애주기비용 차이는 더욱 커질 것이다.
1억 정도 작은 금액이 소모되는 것으로 분석되었다. 각 시스템별 LCC 비용을 가장 많은 비용이 소모되는 경유 보일러와 비교해 보면, 도시가스는 6%, 수직밀폐형은 50%, SCW형은 61%가 절감되는 것으로 나타났다(Table 9).
7억이 적게 나타났다. 각 시스템별 LCC 비용을 가장 많은 비용이 소모되는 경유보일러와 비교해 보면, 도시가스는 42%, 수직밀폐형은 62%, SCW형은 72%가 절감되어 면세유, 농사용 전력의 경우보다 절감율이 훨씬 큰 것으로 나타났다(Table 10).
6 t CO2를 발생시킨다. 각 시스템별 발생량을 경유보일러와 비교해 보면, 지열 냉난방시스템의 저감율이 상당히 높게 나타나며 이중 SCW형에서 더욱 높게 나타나 82%의 이산화탄소를 저감하며, 수직밀폐형에서는 71%를 저감한다(Table 12) (Fig. 5).
결론적으로, 지열 냉난방시스템은 유류비 절감을 통한 경제적인 이익과 이산화탄소 저감을 통한 환경적인 이익을 동시에 가져다주는 매우 우수한 냉난방시스템으로 분석되었다. 특히, 수직개방형인 SCW형을 적용 시에는 더 많은 경제적 이익과 이산화탄소를 저감할 수 있고, 대규모 시설농업단지에 적용 시에는 상당한 이익을 볼 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 경제성 평가와 더불어 실시한 이산화탄소 발생량은 경유보일러 대비 수직밀폐형은 71%, SCW형은 82%라는 많은 양의 이산화탄소를 절감하여 온실가스 배출로 인한 지구의 온난화를 지연시키는 효과도 볼 수 있을 것이다. 따라서, 지열 냉난방시스템은 기존 화석연료가 배출하는 많은 양의 이산화탄소를 줄이는 친환경적인 에너지 시스템인 것으로 판명되었다.
면세유, 농사용 전력을 사용하는 경우의 항목별 비용을 세분해서 살펴보면, 지열 냉난방시스템은 초기투자비가 화석연료 난방시스템보다 높게 나타나고, 에너지비용은 기존 화석연료 난방시스템이 지열 냉난방시스템보다 월등히 높게 나타나 전체적인 LCC 비용은 화석연료 사용 시스템이 지열 냉난방시스템보다 약 1.9~2.6배 정도 높게 나타난다(Fig. 3.
본 연구에서 LCC 분석법을 사용한 결과, 시설원예라는 특성을 감안한 면세유, 농사용 전력을 사용 시에 경유보일러 대비 지열 시스템이 50~61%의 경비 절감 효과를 볼 수 있는 것으로 나타났으며, 초기투자비 회수기간을 산정해도 SCW형은 5년, 수직밀폐형은 7년차에 비용이 회수되는 것으로 나타났다. 일반적으로 건물, 주택에 사용되는 비면세유(일반유), 일반용 전력 사용 시에는 62~72%의 경비를 절감할 수 있으며, 초기투자비 회수기간은 더욱 빨라져 SCW형은 3년, 수직밀폐형은 4년차에 비용이 회수되는 것으로 분석되었다.
또한 Choi (2008)는 기존 유류 시스템 대비 지열원 히트펌프 시스템이 57%의 이산화탄소 저감 효과가 있다고 하였다. 본 연구에서 경제성 평가와 더불어 실시한 이산화탄소 발생량은 경유보일러 대비 수직밀폐형은 71%, SCW형은 82%라는 많은 양의 이산화탄소를 절감하여 온실가스 배출로 인한 지구의 온난화를 지연시키는 효과도 볼 수 있을 것이다. 따라서, 지열 냉난방시스템은 기존 화석연료가 배출하는 많은 양의 이산화탄소를 줄이는 친환경적인 에너지 시스템인 것으로 판명되었다.
. 이처럼 지열 냉난방이 먼저 시작된 미국에서도 지열 냉난방시스템은 매우 경제적인 시스템이라는 결과가 이미 도출되었다.
본 연구에서 LCC 분석법을 사용한 결과, 시설원예라는 특성을 감안한 면세유, 농사용 전력을 사용 시에 경유보일러 대비 지열 시스템이 50~61%의 경비 절감 효과를 볼 수 있는 것으로 나타났으며, 초기투자비 회수기간을 산정해도 SCW형은 5년, 수직밀폐형은 7년차에 비용이 회수되는 것으로 나타났다. 일반적으로 건물, 주택에 사용되는 비면세유(일반유), 일반용 전력 사용 시에는 62~72%의 경비를 절감할 수 있으며, 초기투자비 회수기간은 더욱 빨라져 SCW형은 3년, 수직밀폐형은 4년차에 비용이 회수되는 것으로 분석되었다.
4억으로 나타났다. 지열 냉난방시스템이 기존 화석연료를 사용하는 경유/도시가스 보일러에 비해 39~53% 정도로 작게 나타났으며, 이 중에서도 SCW형이 수직밀폐형에 비해 1.1억 정도 작은 금액이 소모되는 것으로 분석되었다. 각 시스템별 LCC 비용을 가장 많은 비용이 소모되는 경유 보일러와 비교해 보면, 도시가스는 6%, 수직밀폐형은 50%, SCW형은 61%가 절감되는 것으로 나타났다(Table 9).
항목별 비용 중 에너지비용은 화석연료 냉난방시스템이 지열 냉난방시스템보다 상당히 높게 나타나고, 경유보일러는 도시가스보일러보다 2배가 넘고 전체 LCC 비용의 약 92%에 해당되는 금액이 산출되었다(Fig. 4.
후속연구
결론적으로, 지열 냉난방시스템은 유류비 절감을 통한 경제적인 이익과 이산화탄소 저감을 통한 환경적인 이익을 동시에 가져다주는 매우 우수한 냉난방시스템으로 분석되었다. 특히, 수직개방형인 SCW형을 적용 시에는 더 많은 경제적 이익과 이산화탄소를 저감할 수 있고, 대규모 시설농업단지에 적용 시에는 상당한 이익을 볼 수 있을 것으로 기대된다.
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