전 세계적으로 유가의 급변과 수급 불안정, 지구환경 오염에 의한 지구 기후 온난화에 따른 화석연료 사용 제한 등으로 인해 이를 대체하는 에너지 자원의 개발과 확보가 매우 시급한 국가적 현안으로 대두되었다.
이에 3개의 신에너지(연료전지, 석탄액화 가스화, 수소에너지)와 8개 재생에너지(태양열, 태양광, 바이오, 풍력, 수력, 지열, 해양, 폐기물)가 제시되었다.
우리나라는 2004년 “신에너지 및 재생에너지 개발 이용 보급촉진법”을 통해 신 재생에너지 사업에 대한 투자권고 및 공공기관의 신 재생에너지 이용이 의무화되면서 재생에너지의 설치가 확대되고 있다(이진용 등, 2008).
우리나라의 경우 심부 지열원이 많은 북유럽 및 화산지대가 많은 일본, 이태리 등과 같이 심부지열을 직 간접으로 이용할 수는 없으나, 지하 100∼150m 깊이의 지열을 이용한 지열히트펌프의 보급은 활성화되는 추세이다(조윤주 등, 2009).
이들 재생에너지 중 지열에너지의 장점으로는 무공해의 친환경적이고, 화석연료의 수급에 영향받지 않으며, 경제성도 확보된다는 점 그리고 가장 중요한 장점은 에너지의 원천이 땅속에 내재되어 있어서 기후에 상관없이 연중무휴 일정한 온도의 에너지 공급이 반영구적인 가능하다는 사실이다.
지열이란 지열 냉ㆍ난방시스템은 지중 온도가 연중 일정하게 유지되는 지열을 이용하여 냉방과 난방을 동시에 수행하는 친환경적인 기술이 이용하여 처음으로 발전이 이루어진 것이 이 기술의 시초라고 할 수 있지만 100년 전에 소개된 기술임에도 불구하고(송윤호와 안은영, 2005), 그동안 상업적인 시장이 형성되지 못하였다. 그러나 세계적으로 고유가와 화석연료로 인하여 발생되는 환경문제에 대한 인식이 고조되면서 무한정한 에너지 자원인 지열을 이용
하고자 하는 노력들이 발생하고 있다.
우리나라에서도 고유가 및 2004년 ‘신에너지 및 재생에너지 개발 이용 보급촉진법’ 시행과 더불어 저탄소 녹색성장 정책을 추진하면서 에너지원으로써 지열에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재까지 이 시스템은 주거건물의 냉ㆍ난방뿐만 아니라 정부 공공건물 시설, 농업용 원예온실에 이용되고 있다.
축산 환경 분야에서도 지열 냉ㆍ난방시스템이 효과적인 동절기 난방, 하절기 냉방을 가능하게 하는지의 여부와 축사의 환경개선 및 더 나아가 가축의 생산성을 개선시키고자 이 시스템을 돈사 및 계사에 적용하기에 이르렀다. 농촌진흥청 축산과학원에서 돈사 및 계사용으로 개발된 이 시스템은 특히 겨울철, 여름철 축산 농가의 가장 큰 애로사항인 냉․난방비를 획기적으로 절감할 수 있을 것으로 기대되며, 친환경 기술을 이용하여 가축을 생산한다는데 그
의미를 부여할 수 있다.
따라서 본 연구의 목적은 겨울철, 여름철 돈사, 계사의 난방원으로 지열 냉난방시스템을 적용하여 돈사, 계사의 난방효과, 환경변화 및 연료 절감에 미치는 효과를 분석하고, 분만 돈의 생산성 조사를 통해 이 시스템을 돈사, 여름철 냉방(계사)의 난방시스템 대안으로 활용하기 위한 기초 자료를 제시하고자 하였다.
즉, 총 11개 분야의 신재생에너지 중 지열에너지를 이용한 냉․난방 활용은 지역 조건, 기후조건에 거의 상관없이 사용 가능하고 기존의 화석연료에 의한 냉난방을 대체하기에 이산화탄소 저감효과까지 기대할 수 있는 청정에너지원 이다. 적용분야도 건축물에서 화훼, 축산 등 그 범위가 점차 확대되고 있는 추세이다. 이에 축산분야에서 화석연료를 대체하여 지열에너지를 사용함으로써 그 기대효과를 정량적․정성적으로 살펴보고자 한다.
1. 지열시스템 개요
지질학적으로 지열(geothermal)은 영어로 땅을 의미하는 “Geo”와 열을 의미하는 “therm” 합쳐진 것으로, 문자 그대로 풀이하면 ‘땅속에 저장돼 있는 열’을 말한다. 지열은 지구가 생성될 때부터 땅속에 저장된 열과 지각을 구성하는 암석에 포함된 방사성 동위원소가 끊임없이 붕괴하며 생성되는 열이 더해져서 만들어진다(이태종, 2012).
통상 지열은 토양, 지하수, 지표수 등이 태양 복사에너지 또는 지구 내부의 마그마 열원에 의해 보유하고 있는 열에너지를 말한다.
지구 내부의 열원은 정리하면 다음과 같다
맨틀 내부 자연 방사성 물질의 붕괴 열, 초기 지구 형성 당시 많은 운석 충돌에 의한 충격과 압축열, 지구 내부 형성 시 무거운 금속(철, 니켈, 구리 등)의 내부 하강 마찰 열, 지구자기장에 의한 전기 자기장의 영향으로 열이 발생, 지구 자전 시 조석에 의한 영향으로 열이 발생한다(이진용, 2011).
① 직접이용
열을 다른 형태의 에너지로 변환하지 않고 열 자체를 이용하는 것(30∼50℃) 으로 온천이나 가정용 급탕, 아파트 등의 지역난방, 농업 분야 등에 주로 활용된다.
② 간접이용
지열발전 방식(전기 생산)에 해당되며, 주로 화산지대에서는 150℃ 이상의 고온의 증기가 생산돼 충분한 증기압으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 전통적인 방식의 지열발전이 가능하다. 최근에는 끓는점이 낮아 저온에서도 기체 압력을 높일 수 있는 “2차 유체(binary fluid)”를 이용해 전기를 생산하는 바이너리 발전 기술이 개발되었기에 지열수의 온도가 90℃만 되어도 전기를 생산할 수 있게 되었다.
③ 지열 열펌프 이용
우리나라의 경우, 지하 25m 깊이에서는 대략 16℃ 정도로 일 년 내내 온도가 일정하다. 이렇게 연중 일정한 온도를 건물의 냉난방에 주로 이용한다. 한편 일부 연구자는 지열 열펌프 분야를 직접 이용에 포함시켜 크게 직접이용과 간접 이용으로 구분하기도 한다. 또한 지열 에너지를 온도에 따라 중저온 에너지((10∼90℃)와 고온 에너지(120℃ 이상)로 구분하기도 하고(왕용필, 2015), 10∼20℃의 저온 에너지로 구분하기도 한다(한정상 등, 2004).
한정상 등(2004)은 1995∼2002년 236개소의 암반 지하수 관측정을 대상으로 조사하여, 태백산맥과 소백산맥을 포함하여 조선계 및 평안계 분포지역의 연평균 지하수 온도가 국내에서 가장 낮으며, 경북의 남부지역과 경남의 중부 및 전남의 북동부 지역에 분포하는 중생대의 경상계 퇴적암과 화강암의 연평균 지하수 온도가 국내에서 가장 높다고 하였다.
또한 연평균 지하 수온이 가장 높은 암종(14.7∼14.8℃)은 화산암, 관입암, 쇄설성 퇴적암이고, 연평균 지하수온이 가장 낮은 암종(12.6℃)은 석회 암류라고 하였다.
지열의 직접 이용을 기준으로 전 세계적인 지열 이용 현황을 살펴보면 2010년 기준으로 전 세계 78개 나라에서 총 50,583 MWt1)이 보급되어 사용량은 438,071
TJ2)로 정리할 수 있다(송윤호, 2011).
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