Plus Tip ※자료 : KISTI

국제 유가 폭등으로 초고유가 시대가 도래 하고, ‘교토의정서’의 본격적인 시행으로 친환경적 성격의 새로운 에너지원의 필요성이 커지고 있다.

‘지열펌프 이용 기술동향’은 지열펌프 이용기술의 개요와 이에 관련된 국내외의 연구, 개발, 기술특허 동향 등을 자세히 분석한 것으로, 국내 관련 산업 및 기술정책수립과 연구개발에 도움을 주어 국내 에너지자원 문제 해결에 일조하고자 한다.

<편집자 주>

목 차

제1장 서론
제2장 지열펌프 이용기술의 개요
제3장 세계 지열펌프 이용 현황
제4장 국가별 지열펌프 이용 현황
제5장 국내 지열펌프 이용 현황
제6장 세계 지열펌프 관련 연구 활동 동향
제7장 세계 지열펌프 관련 기술특허 동향
제8장 결론 및 제언

제5장 국내 지열펌프 이용현황

3. OECD 주요 국가와 한국의 지열에너지 보급현황

2003년도 OECD 주요 국가의 지열에너지 공급현황은 일본의 경우 1차 에너지 소비량이 517.10백만toe이었고, 신·재생에너지 공급량 18,932천toe가 차지하는 비중은 3.7%이며, 신·재생에너지 중 지열에너지 3,223천toe가 차지하는 비중은 17.0%로 OECD 국가 중 제일 높다.

미국의 경우 신·재생에너지 중 지열에너지가 차지하는 비중은 8.3%, 독일의 경우 1.1%를 보이고 있다.

한국(2005)의 경우는 1차 에너지 소비량이 205.30백만toe이었고, 그 중 신·재생에너지 공급양은 4,879천toe로 1차 에너지 소비량에 2.1%를 차지하며, 지열에너지는 3,000toe로 신·재생에너지에 0.1%로 덴마크와 동일한 값을 보이고 있다.

4. OECD 주요 국가와 한국의 지열에너지 R&D 정부예산

2003년도 주요 OECD 국가의 지열에너지 R&D 정부예산은 미국의 경우 신·재생에너지 부문의 예산액이 2억4천770만 달러로 1위이며, 그 중 지열에너지부문 예산이 2,898만 달러로 역시 1위이지만 신·재생에너지에 대한 비중은 11.7%로 4위에 랭크되고 있다.

2003년도 주요 OECD 국가 중 지열에너지 R&D 정부예산은 미국이 2,898만 달러로 1위이고, 2위가 1,427만 달러의 독일이며, 3위가 433만 달러의 호주이며, 4위가 264만 달러의 프랑스이며, 5위가 223만 달러의 스위스의 순이다.

한국의 경우 신·재생에너지부문 R&D 정부예산 규모는 1,352만 달러로, 그 중 지열에너지부문 예산은 69만 달러로 지열에너지 예산이 신·재생에너지 예산에 차지하는 비중은 5.1%에 불과한 실정이다.

제6장 세계 지열펌프 관련 연구 활동 동향

1. 개요

세계 지열펌프(Geothermal Heat Pump) 이용기술 관련 문헌정보를 분석하기 위해 SCI 저널을 위주로 1986년 이후 자료만을 취급하는 ‘ISI Web of Knowledge’에 검색어 ‘geothermal heat pump’를 이용하여 총 75편의 문헌정보(2007. 4. 25 기준)를 얻었으며, 1960년대 중반 이후 세계 모든 저널을 대상으로 하는 ‘Science Direct’로는 총 119편의 문헌정보(2007. 4. 24 기준)를 얻을 수 있었다.

전자(Web of Science)의 경우는 1988∼2007년도 기간의 문헌이 검색되었으며, 검색된 75편의 문헌 정보를 이용하여 세계 지열펌프 관련 문헌의 ‘연도별 발표현황’, ‘세부기술 분야별’, ‘발표 국가별’, ‘저자별’, ‘발표 학회지별’, ‘발표 언어별’, ‘발표 연구소별’, ‘발표 문헌의 형태별’로 분류하였다.

후자(Science Direct)의 경우는 1959년부터 자료검색이 가능하지만, 검색결과는 1970년 1편이 검색되었고, 1983년과 1984년에 각기 1편, 1985∼2002년까지는 연간 1∼7편의 논문이 간헐적으로 발표되었으며, 2003년도부터 최근 5년간 비교적 활발하게 연간 10여편 이상이 발표되고 있으며, 2007년에는 아직 상반기 중인데도 17건이 발표되어 1970년 이래 현재(2007. 4. 24)까지 총 119편의 문헌이 검색되었다.

2. 세계 지열펌프 관련 문헌의 세부기술 분야별 현황

세계 지열펌프 관련 문헌 75편의 10위권 ‘세부기술 분야별’ 현황은 ‘에너지 및 연료 분야’가 58편으로 전체의 78.3%로 1위이고, ‘열역학 분야’가 22편에 29.7%로 2위이고, ‘메커닉스(mechanics) 분야’가 16편에 21.6%로 3위이지만, 분야 간에 중복현상이 있어서 제시된 수치가 조금은 과장되어 있으므로 참고하기 바란다.

세부기술 분야별 제4위로 ‘공학 및 기계분야’가 15편에 20%이며, ‘지구과학 및 다목적분야’가 12편으로 16%, ‘건축기술분야’가 9편으로 12%이며, 그 외에는 ‘공학 및 화학 분야’(9편, 12.14%), ‘공학 및 토목공학 분야’(9편, 12%), ‘물리학 및 핵 분야’(7편, 9.3%), ‘핵 과학 및 기술 분야’(5편, 6.6%)의 순이다.

3. 세계 지열펌프 관련 문헌의 발표 국가별 현황

세계 지열펌프 관련 문헌은 17개 국가에서 75편이 발표되었으며, 10위권 발표 국가 중 총 22편을 발표한 터키가 전체의 29.3%를 차지하여 1위권 국가이고, 중국과 미국이 각기 10편을 발표하여 전체의 13.3%씩 26.6%를 차지하여 2위권이고, 멕시코(6편), 캐나다(4편), 독일(4편), 일본(4편), 스위스(3편), 영국(2편), 그리스(2편), 인도(2편), 아일랜드(2편) 순이다.

4. 세계 지열에너지 관련 문헌의 10위권 저자 현황

1988∼2007년 기간에 세계 지열펌프 관련 문헌 75편을 발표한 저자는 총 124명으로, 그 중 발표 10위권 저자 중 5편 이상을 발표한 저자는 4명뿐으로 총 34편을 발표하여 전체의 45.2%를 점하며, 나머지 6명은 2∼4편을 발표하여 총 20편으로 전체의 25.9%를 점하고 있다.

세계 지열펌프 관련 문헌의 10위권 저자 현황은 저자별로 2∼15편을 발표하였으며, 그 중 Hepbasli, A.가 15편을 발표하여 전체 문헌 75편 중 22%로 1위이고, Ozgener O.가 9편을 발표하여 12.0%를 점하여 2위이고, Zhao L.과 Holland FA가 각기 5편을 발표하여 6.6%씩 전체의 13.3%를, Ding GL, Heard CL, Siqueiros J.가 각기 4편을 발표하여 5.3%씩 16%, Rybach L.과 Sanner B.가 각기 3편씩을 발표하여 4%씩 8%를, Akdemir O. 등 18명이 각기 2편씩을 발표하였고, Abodahab N. 등 95명이 각기 1편씩을 발표하였다.

5. 세계 지열에너지 관련 문헌의 Source Title별 현황

세계 지열펌프 관련 문헌 75편이 발표된 과학기술 전문 정기간행물(잡지)/학회지(source title)의 10위권 발표 현황은 지열에너지자원을 총괄하는 ‘Geothermics’를 비롯하여 Energy/heat를 다루는 간행물 10개가 주를 이루고 있다.

세계 지열펌프 관련 문헌 75편을 발표한 5위권 전문분야 정기간행물은 ‘Geothermics’가 10편으로 전체의 13.3%를 점유하여 1위이며, 5편 이상 발표한 간행물은 ‘Energy Conversion and Management’(7편, 9.3%), ‘Applied Thermal Engineering’(6편, 8%), ‘International Journal of Energy Research’(5편, 6.6%), ‘Applied Energy’(4편, 5.3%) 등으로 총 32편에 42.5%를 점하고 있다.

6. 세계 지열에너지 관련 문헌의 발표 언어별 현황

세계 지열펌프 관련 문헌 75편의 발표 언어별 현황은 영어가 73편으로 전체의 97.3%로 대부분을 점하여 1위이며, 다음 불어와 독일어가 각기 1편씩 2.6% 등으로 3개 국어가 총 75편 100%를 이루고 있다.

7. 세계 지열에너지 관련 문헌의 발표 연구소 현황

세계 지열펌프 관련 문헌의 발표 연구소는 최대 15편(20%)을 발표한 ‘EGE Univ.’가 1위이며, ‘Shanghai Jiao Tong Univ.’와 ‘Tianjin Univ.’가 각기 4편(5.3%)씩 10.6%로 공동 2위였으며, ‘Firat Univ.’, ‘Geowatt AG’, ‘Inst Invest Elect’, ‘Univ. Giessen’ 등이 각기 3편(4%)씩 16%, ‘Indian Inst Technol’ 등 8개 연구기관에서 2편(2.6%)씩 총 16편(20.8%)을 발표하였고, ‘Ataturk Univ.’ 등 48개 연구기관에서 각기 1편(1.3%)씩 48편을 발표하였다.

8. 세계 지열에너지 관련 문헌의 Document Type별 현황

세계 지열펌프 관련 문헌 75편의 ‘문헌 형태(document type)별’ 분포는 논문(Article)이 71편으로 전체의 94.6%로 1위를 점하며, 그 다음으로 개관(Review)이 2편 2.6%, 논평문(Editorial Material)이 1편 1.3%, 회의 초록(Meeting Abstract)이 1편에 1.3%의 순으로 점유하고 있다.

제7장 세계 지열펌프 관련 기술특허 동향

1. 개요

지구상에서는 총 37개 국가에서 지열펌프를 이용하고 있는데, 최근 유럽에서는 26개 국가에서 지열펌프를 이용하여 시설용량 7,092.2MWh를 보유하여, 연간 이용량이 56,432TJ/y로 전 세계 이용량의 58.5%를 점하고 있으며, 다음은 북미주로 3개 국가에서 시설용량 7,635.0MWh(전 세계의 49.7%)로 제1위를 점하고 있어서, 본 보고서에서는 미국특허청자료를 분석함으로써 전 세계의 개략적인 지열펌프 기술특허 동향을 파악할 수 있을 것으로 판단하였다.

개략적인 세계 지열펌프 관련 기술특허동향을 분석하기 위하여 대한민국 특허청에서 개발한 최신(2006년 6월) 특허분석 프로그램인 ‘Pias 2.1’(Patent Information Analysis System)을 이용하여 검색어 ‘geothermal heat pump’에 대하여 미국 특허청자료를 검색한 결과 47건의 자료를 검색하여 다음과 같이 분석하였다.

미국의 지열펌프 관련 기술특허의 연도별 출원인 현황은 1983∼1992년까지는 연간 출원인 수가 1건 내외였으나, 1993∼2000년까지는 연간 3∼5건으로 증가하였고, 2001년도부터 증가하기 시작하여 2004년도에는 10건으로 증가한 것과 같이 세계적으로 지열펌프에 대한 관심이 집중되기 시작한 것은 2000년대 진입하면서 뚜렷해진 경향을 통계자료에서 확인할 수 있었다.

2. 지열펌프 관련 기술특허 동향

가. 지열펌프 관련 기술특허의 상위 7위권 국가 분석

지열펌프 관련 기술특허 상위 7위권 국가는 미국(US)이 49건으로 1위이고, 다음 일본(JP)이 10건으로 2위이며, 한국(KR)이 4건으로 3위, 다음은 각기 1건으로 네덜란드(NL), 프랑스(FR), 유럽연합(EP), 호주(AU) 등이다.

나. 지열펌프 관련 기술특허의 상위 10위권 출원인 분석

지열펌프 관련 기술특허의 상위 10위권 출원인은 Enlink Geoenergy Service, Inc가 8건으로 1위이고, 다음으로 Phillips Petroleum Company가 4건으로 2위이며, Maritime Geothermal Ltd.와 Earth to Air Systems, LLC가 각기 3건으로 공동 3위, Envirotherm Heating & Cooling이 2건으로 4위이고, Jilim Co. LTD. E. 등 5개 회사가 공동 5위를 점하고 있다.

다. 지열펌프 관련 기술특허의 상위 7위권 출원인 점유율 분석

지열펌프 관련 기술특허의 상위 7위권 출원인 현황은 Enlink Geoenergy Service Inc가 8건에 11%로 1위를 점하고 있으며, 다음으로 Phillips Petroleum Company가 4건에 5%로 2위, Maritime Geothermal Ltd와 Earth to Air Systems, LLC가 각기 3건에 4%로 3위, Envirotherm Heating & Cooling이 2건에 1%로 4위를 점하고, Jilim Co LTD. E.와 Geothermal Heat Pumps, Inc가 각기 1건에 1%로 5위를 점한 것으로 보아서 다수의 출원인이 1건 정도를 출원한 것으로 보인다.

라. 지열펌프 관련 기술특허의 상위 7위권 국가 진입 시기 분석

지열펌프 관련 기술특허의 상위 7위권 국가 진입 시기는 1983년 일본(JP), 1984년에 프랑스(FR), 미국(US)이 1989년, 유럽연합(EP)이 1997년, 네덜란드(NL)가 2000년, 대한민국(KR)은 2003년 뒤늦게 진입하였다.

마. 지열펌프 관련 기술특허의 상위 7위권 출원인 진입 시기 분석

지열펌프 관련 기술특허의 상위 7위권 출원인 진입 시기는 1993년 Maritime Geothermal Ltd, 1994년에 Phillips Petroleum Company, 1996년에 Geothermal Heat Pumps, Inc, 1998년 Envirotherm Heating&Cooling, 1999년 Enlink Geoenergy Services, Inc, 2003년에 Earth to Air Systems, LLC, 그리고 2005년에 Jium Co LTD E가 진입하였다.

제8장 결론 및 제언

에너지자원을 전량 해외 수입에 의존하는 자원빈국인 우리나라는 친환경성 에너지 절약형 신·재생에너지, 특히 지열에너지 자원의 개발·이용을 극대화하여 에너지 절약은 물론 열에너지의 안정적 공급과 예측 불가능한 국제유가 변동과 에너지자원 고갈에 대비하여야 하겠다.

현재와 같이 예측 불허한 국제 유가변동, 범세계적이면서 조만간 닥쳐올 화석연료의 고갈에 대비하여 청정, 친환경적, 에너지 절약형, 비고갈성 및 미활용 재생에너지이면서 국토 어디서나 가장 저렴하게 개발·이용할 수 있는 천부 지열자원의 개발보급에 우리나라도 국가적인 최우선 정책으로 다루어져야 하겠다.

세계적인 화석연료의 고갈과 교토의정서와 같은 기후변화협약 등 국제환경 규제 강화에 대비하여 우리나라도 선진 제국과 같이 환경친화적인 신·재생에너지 개발·이용이 국가적인 명제임에 틀림이 없다.

국내 가용 신·재생에너지자원 중 개발 가능량이 풍부하고, 기후와 장소에 제한을 받지 않고, 언제 어디서나 경제적으로 개발 이용이 가능한 천부지열자원을 냉난방 에너지 자원으로의 확대 보급이 절실하다.

EREC(European Renewable Energy Council)는 2004년 ‘국가적인 재생에너지 공급증가정책’과 ‘Kyoto 기후변화협약’ 등에 의해 국제적인 협력이 심화될 것으로 가정한 AIP(Advanced International Policies) 시나리오에서 2030년에는 세계 전체 에너지 중 34.7%를 재생에너지가 공급할 것으로 발표한 바 있다.

한편 AIP 시나리오와는 달리 국제적인 협력이 강화되지 않고, ‘국가적 에너지정책’만을 감안한 DCP(Dynamic Current Policies) 시나리오는 2030년까지 세계 1차 에너지 소비량 중 재생에너지의 비중이 22.0%로 3,416MToe에 이를 것으로 전망하고 있어서, 앞으로 2030년에는 바이오메스와 대수력을 제외한 기타 재생에너지 중 풍력이 가장 큰 부분(395MToe)을 차지하게 될 것이고, 그 다음이 지열에너지(194MToe)의 순이며, 2030년까지 지열발전량은 현재보다 4배 이상 증가할 것으로 전망하고 있다.

최근에는 천부 지열에너지를 활용하는 지열 냉난방 기술의 보급이 매우 활발하게 이루어져 지열자원 활용 분야가 넓혀지고 있으며, 이에 대한 지구과학적인 연구도 본격적으로 시작되고 있어 우리나라에서 지열에너지연구의 전망은 밝다.

2000년 이후 우리나라에 보급되기 시작한 지열 열펌프(geothermal heat pump) 기술은 지하 100∼200m 사이의 연중 일정한 지온과 대기온도의 온도차를 이용해 여름에는 냉방, 겨울에는 난방을 하는 냉난방공조 기술이 상업화해서 최근 활발히 보급되고 있다.

우리나라는 1990년대 말부터 지열 열펌프가 보급되기 시작하였고, 2004년부터는 ‘신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법’이 개정되어 그 보급이 증가하고 있으며, 또한 한반도에는 지역적으로 풍부한 충적층 지하수자원이 부존하고 있어서 대용량의 지하수 열교환방식 냉난방 시스템 설치가 가능하나, 지중 열교환기 설치를 위한 시추공을 굴착해야 하는 초기투자비 과다로 대중적 보급이 어려운 실정이다.

지열에너지 특히, 열펌프의 대중화를 위해서는 정확한 설계를 통한 초기 투자비를 줄이기 위해 정밀 지질구조학적 조사가 선행되어야 하고, 토양 및 암반의 열전도도, 지반의 열물성 자료 등을 종합한 시추위치 선정, 정교한 시추기술 등이 뒷받침 되어야하므로 앞으로 국가적인 차원에서 이러한 기초적인 분야에 대한 종합자료를 수집하여 일반 국민에게 지속적으로 제공되어야 하겠다.

정부의 대체에너지 이용의무화 시범사업 지원범위를 확대하여 신도시 건설 및 공용개발 방식에 의한 공동주택 보급사업과 연계하여 추진한다면 더욱 효과적일 것이다.

미래의 에너지 수요변화에 대처하고 일반 소비자의 신뢰성을 확보하여 지열 냉난방 시스템의 보급 활성화를 위해서 성능평가 사업 및 실증연구 사업의 확대, 열펌프 설비에 대한 인증제도 도입, 대체에너지 시범마을(green village) 지정을 통한 시범보급사업 추진 등이 필요하다고 생각한다.

지열 냉난방 시스템에 대한 기술수요에 대처하고 국내 여건에 적합한 시공 및 설계기술을 확보하기 위해 공동주택에 적합한 표준화, 지반 조건별 열전도 계수 등 지열 설계자료 DB화, 고효율, 저비용 지중 열교환기 시공기술 개발, 열펌프 표준 모듈 개발 및 냉난방 부하 저감기술 개발이 필요하다.