지오릿에너지

신재생에너지

지열 냉난방 시스템

수열 냉난방 시스템

태양광

연료전지

주요실적

지오릿에너지의 지열 냉난방 시스템을 소개합니다.

지열에너지의 정의

Geothermal energy

산업통상부에서 제정한 ‘신에너지 및 재생에너지 개발 이용 보급 촉진법’에는
지열에너지를 재생에너지의 하나로 지정하고 있으며, 동법 시행규칙에 ‘지열에너지
설비: 물, 지하수 및 지하의 열 등의 온도차를 변환시켜 에너지를 생산하는 설비’라고
정의하고 있습니다.

지열에너지의 특성

지하를 구성하는 토양, 암반 그리고 지하수가 가지고 있는 열에너지.

지열에너지는 날씨나 기후조건과 관계없이 개발 및 활용이 가능하므로 재생에너지원 중에서 유일하게
기저부하(Base load)를 담당하며, 부하 조건에 맞게 출력조절이 쉬운 운전 특정을 가짐

지열에너지의 활용분야와 기술의 분류

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지열에너지의 활용 심도에 따라 심부지열과 천부지열로 분류
심부 지열은 통상 지하 300m 깊이 이상의 지열수 또는 높은 암반의 열을 활용
천부 지중열은 통상 지하 300m 깊이 이내의 연중 일정한 지하 온도와 대기의 온도차를 활용
국내의 경우 지열원 열펌프를 이용한 천부 지중열을 주로 활용

지열의 기본 원리

태양열의 51%를 지표면과 해수면에서 흡수 (인류사용 에너지량의 500배)
지하 20 ~ 200m의 지중온도는 일정한 온도(15°C)를 유지
지하 200m 이하로 내려가면 2.5°C/100m 씩 상승
지열냉난방 시스템은 지중온도(15°C) 이용함
해수, 하천, 지하수, 호수의 에너지도 지열에 포함됨
지열은 무한정 사용이 가능한 "재생에너지"

지열의 우수성

땅속 10m 이하에 연중 일정하게 유지되는 지중 온도(보통 15 ± 5 ℃)를 이용하여 히트펌프와 함께 냉동사이클을
구성하여 냉방, 난방 및 급탕에 활용하는 시스템으로 에너지 비용을 획기적으로 줄이면서 경제성을 높인 친환경
냉난방 시스템입니다. 지열 냉난방 시스템은 지열을 추출하거나, 실내에서 추출한 열을 지중으로 방열하기 위해
지중에 설치된 순환회로를 이용하여 지중에서 지열을 흡수 또는 방열합니다. 또한 미국 환경보호국(EPA)에서 공인한
가장 효율적, 환경친화적 냉난방 시스템입니다.

지열 냉난방 시스템의 분류

지열냉난방시스템에서 지하수를 직접 이용하는 개방형 시스템이 효율면에서 우수하나, 모든 곳에서 필요한 수량의 지하수를 확보하기 어렵습니다.
또한 지하수 보호를 위해 지하수를 직접 이용하는 것을 금하기도 합니다.
밀폐형 시스템은 열원으로 지중에 저장되어 있는 지중열을 사용하는 시스템으로 HDPE 재질 등의 파이프를 지중에 매설한 뒤 폐회로 시스템을 구성한 후,
내부에 유체를 충전하고 순환유체가 열교환을 하도록 하여 열을 흡수 또는 방출하여 냉난방이 이루어지도록 하는 시스템입니다.
국내 환경에서는 개방형 지열시스템보다 밀폐형 지열시스템을 적극적으로 사용하고 있습니다.

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회로형식	시스템 종류	열원
개방형 지열시스템	우물정 시스템 (Open loop system) 수직심정형 시스템 (Standing column well system)	천부지열, 지하수, 해수 및 지표수 이용
밀폐형 지열시스템	수직폐회로 시스템 (Vertical-closed loop system) 수평폐회로 시스템 (Horizontal-closed loop system) 수정폐회로 또는 폐회로 물순환 시스템 (Modified closed water loop system)	천부지열, 지하수 및 지표수 이용
복합형 지열펌프시스템	기존의 냉각탑 또는 보일러와 연계시킨 지열펌프 시스템, 경우에 따라 개회로 및 폐회로를 사용함	천부지열, 지하수, 기존의 냉난방시설 이용

장점

폐회로내에서 순환하여 순환수 누수 손실이 없다.
스케일 및 부식과 같은 문제를 최소화시킬 수 있다.
밀폐형은 개방형에 비해 액체를 순환시키는데 필요한 동력이 적다. (50% 이하임)
시스템의 구성요소를 기계실에 설치하여 보수가 간편하다.

밀폐형 시스템은 설치 시 지중조건에 구애받지 않는다.
비교적 유지비용이 저렴하고 효율이 높다.
지하수의 부존과 수질문제의 유무에 무관하게 시스템의 설치가 가능하다.

지열의 냉난방 시스템의 구성요소

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지중열교환기

땅속에 100m 이상을 천공하고 HDPE를 천공된 공 내부에 삽입 후 내부에 유체를
통하여 땅속의 열과 유체가 열교환을 합니다.
삽입되는 파이프는 누설 또는 부식등의 문제가 없어야 하며, 50년이상 물리적
화학적 성질을 유지해야 합니다.

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순환펌프

지열시스템의 작동유체를 순환시키기 위한 순환펌프입니다.

히트펌프

지중의 열을 흡수하거나 실내의 열을 방출하여 실내의 온도를 일정하게
냉난방할수 있도록 하는 지열시스템의 핵심장비입니다.
팽창밸브, 열교환기, 압축기, 4방 밸브로 구성되어 있습니다.

컨트롤판넬

지열시스템의 운전 및 이상을 판단하고 지열시스템의 동작을 관리함은 물론
계측된 데이터를 저장하여 분석하여 시스템 상태를 파악하도록 합니다.

히트펌프 정의 및 종류

열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시키는 장치입니다.
냉매의 압축, 응축, 팽창, 증발의 과정을 통해 열을 방출 또는 흡수합니다.
단일기기에서 냉방과 난방이 가능합니다.

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히트펌프 성능

구분	난방	성능 (COP)
에어컨	-	2.5
공기열원 히트펌프		여름 : 2.5 겨울 : 1.5
지열원 히트펌프		여름 : 4.0 겨울 : 3.5

지열 냉난방 시스템의 작동원리

냉방: 여름철 외부의 온도로 높아진 실내 온도를 흡수하여 지중열교환기로 순환하여 열을 방출합니다.
난방: 겨울에 외부의 온도로 차가워진 실내온도를 지중의 열을 흡수한 후 지중열교환기로 순환하여 실내 난방을 합니다.

[지열히트펌프의 냉난방 개념도]

지열시스템의 냉난방운전 흐름도

[지열시스템 냉방운전 흐름도]

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[지열시스템 난방운전 흐름도]

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지열 냉난방 시스템의 소요면적 및 부피

[소요 면적 및 부피]

연면적 : 3,300㎡ (1,000평)
100 RT 지열 시스템
공조고 2.7m

구분	건축물	지중열교환기	비율
연면적 (m²)	3,300	1,224	37%
부피 (m²)	9,900	183,600	1,850%

건물체적의 약 20배 상당하는 지중열교환기 필요

지열 냉난방 시스템의 경제성

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지열 냉난방과 지열 발전 비교

[지오릿에너지 지열냉난방]

[포항지열발전]

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특징	수직으로 150~200m의 지중열교환기를 설치하고 PE파이프 내의 유체순환을 통해 흡열 및 방열	지하 4,000~5,000m 깊이를 수직천공하고 물을 투입하여 지층을 파쇄하고 고온의 증기를 얻어내 지상의 발전소에서 전기생산
생산방식	연중 일정한 온도 (평균 15°C)인 땅속과 열교환만 하는 간접	지중 심부의 고온 (100°C 이상)을 추출하는 직접 이용방식
적용범위	한국지질지형 모든 곳 적용가능	지질조건에 대한 정밀 조사가 선행되어야 함
시장현황	국내 연간 200건, 해외 연간 100,000건 이상 시장확대 중	북유럽화산지대 등 화산지층에서 활용하나 환경문제로 감소 중

지열 냉난방 시스템의 장점

인류가 사용하는 냉난방시스템 중 가장 효율적인 시스템

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지열 냉난방 시스템의 설계

[시험천공 및 열전도도 테스트]

지열시스템의 설계에 요구되는 지중의 열전도도를 측정하기 위한 열응답시험
시험천공 및 지중 열전도도 테스트는 지열 기본설계의 타당성을 검증하고, 최종적인 지열시스템 사양을 결정하기 위함
시험공에 정해진 열부하를 주입하면서 열교환기 내부를 순환하여 지중으로 발산하는 유체 온도변화의 경사도 및 주입된 열량을 기준으로 하여 측정하게 됨
“신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침” 중 지열이용검토서 세부수행지침에 따라 시험천공 및 열전도도 테스트 결과를 반영한 지열이용검토서를 제출하여 평가 및 승인을 받아야 함

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[지중 열전도도 테스트 측정절차]

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[시뮬레이션을 통한 시스템 설계]

산정 방법 : 지중조건, 부하조건 및 열교환기 조건을 반영한 시뮬레이션 실시
적용 프로그램 : GLD(수직형, 수평형), GLHE Pro(수직형, SCW)
지중 열전도도(K-Value) 외 63가지 Factor반영

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지오릿에너지의 수열 냉난방 시스템을 소개합니다.

수열에너지의 정의

Hydrothermal energy

해수 표층 및 하천수 등과 같은 물을 열원으로 하여 직접 또는
히트펌프를 이용하여 냉난방에 활용하는 기술입니다.

수열 냉난방 시스템

물의 온도에너지를 직접 또는 히트펌프로 회수하여 건물의 냉난방에 이용하는 시스템입니다.
물의 온도에너지를 이용하여 냉방시 건물 내의 열을 수자원으로 방출하고, 난방시에는 수자원으로부터 열을 취득하여 실내에 공급하는 방식입니다.

수열 냉난방 시스템의 작동원리

냉방: 여름철 외부의 온도로 높아진 실내 온도를 흡수하여 수열측으로 열을 방출합니다.
난방: 겨울에 외부의 온도로 차가워진 실내 온도를 수열측의 열을 흡수하여 실내 난방을 합니다.

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수열 냉난방 시스템의 장점

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친환경 에너지

연료를 직접 연소하지 않으며, 온실가스 감축에 기여

열원의 안정성

대기의 온도에 비해 여름, 겨울철 온도변화가 작음

에너지 절감

기존의 화석연료 사용과 비교 시 약 20~50%의 에너지 절감 가능

저비용 개발

기 구축된 수도 관로를 활용할 경우 적은 비용으로 개발 가능

비고갈성

인근 원수관로, 하천 및 댐에서 풍부하게 얻을 수 있는 자원

부가효과

냉각탑 소음 등 피해 제거 및 실외기 미사용으로 도심의 열섬현상 해소

지오릿에너지의 태양광 사업을 소개합니다.

태양광 발전의 정의

Solar Energy System

태양광 발전은 태양의 빛 에너지를 직접 변환시켜 전기를 생산하는 발전 기술이며,
햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기가 발생하는 태양전지를 이용합니다.

태양광 발전의 구성 요소

태양광발전 시스템은 발전기에 해당하는 태양광 모듈, 전력저장 기능의 축전장치, 태양전지에서 발전한 직류를 교류로 변환하는 전력변환장치인
PCS(Power Conditioning System), 시스템 제어 및 모니터링과 부하로 구성되어 있습니다.

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태양광 발전의 원리

태양광 발전에서는 태양전지(Solar Cell), 모듈(Module), 시스템(System)이 각각의 역할을 통해
햇빛의 에너지를 전기로 만듭니다.

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[결정질 실리콘 태양전지 발전 원리]

① 결정질 실리콘 태양전지는 전기적 성질이 다른 N형 반도체와 P형 반도체를 접합시킨 구조입니다.
두 반도체의 경계 부분을 PN접합이라고 하며, PN접합에 의해 태양광 전지에 전계(電界, 전기장)가 형성됩니다.

② 태양전지에 햇빛을 비추면 전자(-)와 정공(+)이 생성됩니다. 이 전자와 정공은 자유롭게 돌아다니며 전력도 만들지 않습니다.

③ 반도체 내부를 자유로이 이동하다가 PN접합에 의해 생긴 전계에 들어오면 전자(-)는 N형 반도체에, 정공(+)은 P형 반도체에 달라붙습니다.
이때 P형 반도체와 N형 반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부 회로로 흐르게 하면 전류가 생성됩니다.

태양광 발전의 보급 종류

대규모 태양광 발전소

수상 태양광

지붕형 태양광

태양광 발전의 장점

에너지원이 청정이며
무제한입니다.

필요한 장소에서 필요량
발전이 가능합니다.

유지보수가 용이하고
무인화가 가능합니다.

긴 수명 (약 20년 이상)을
가지고 있습니다.

지오릿에너지의 연료전지 시스템을 소개합니다.

연료전지의 정의와 원리

Fuel cell system

물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생하지만, 연료전지는 이와 반대로
수소와 산소로부터 전기를 생산하는 전기화학적 발전장치입니다.
도시가스를 사용하여 전기와 열(온수)를 동시에 생산하는 고효율의 친환경
발전시스템입니다.

→ 도시가스 0.26Nm3 = 1KWh + 60°C 30L/h 온수 (1kW 장비기준)

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연료극 반응 : H2 → H+ + 2e-
공기극 반응 : 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O + Heat
총 반응 : H2 + 1/2O2 → H2O

연료전지란?

도시가스를 사용하여 전기와 열(온수)를 동시에 생산하는 고효율의 친환경 발전시스템

5kW : 도시가스 1.35Nm2 = 5kWh 전기 + 60℃ 150L 온수 (시간당)
10kW : 도시가스 2.6Nm2 = 10kWh 전기 + 60℃ 150L 온수 (시간당)

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도시가스 중의 수소와 공기중의 산소의 화학반응으로 전기와 열을 생산 (발전효율 30~40%, 열효율 50%, 총 80~90%)
1년 365일 가동 (ON/ OFF 가능)

연료전지의 특징

전기발전효율은 30~40%, 열효율은 50%이상으로 총 80~90%의 높은 효율
화력 또는 디젤발전에서의 연소과정이 없어 저공해 에너지 시스템
모듈형태로 제작이 가능하기 때문에 발전규모 조절이 용이
설치면적의 제약이 적음
소음, 유해가스의 배출이 적음

자료 : 포스코에너지, 메리츠종금증권 리서치센터

연료전지의 구성

연료전지 시스템은 연료처리모듈, 스택모듈, 전력변환모듈, 열처리모듈로 구성
개질기를 통해 생성된 수소와 공기블로워를 통해 공급된 공기가 스택에서 반응하여 전기와 열생산

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구분	장치	내용
발전부	연료처리 장치	도시가스에 포함된 수소를 분리해 내는 장치
	연료전지 스택	수소와 산소의 화학반응으로 전기와 열을 생산하는 핵심부품
	전력변환기	연료전지의 직류 전기를 교류 전기로 바꾸어 주는 장치
열 회수부	폐열회수부치	도시가스에 포함된 수소를 분리해 내는 장치
열 회수부	연료전지 스택	수소와 산소의 화학반응으로 전기와 열을 생산하는 핵심부품

연료전지의 구성

스택은 연료전지에서 가솔린 발전의 엔진과 같은 핵심 파트
다수의 단위전지(Cell)를 직렬로 적층하여 구성되며, 발생된 전류는 셀의 면적에 비례하고, 전압은 셀의 적층수에 비례
Cell은 전극접합체(MEA : Membrane-Electrode Aseembly), 기체확산층(GDL), 분리판으로 구성

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[연료 전지 셀 구조(Fuel Cell Structure)]

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연료전지의 종류

연료전지는 전해질의 종류와 작동온도에 따라 분류.
FEMFC는 완성도가 가장 높으며, 현재 상용화되어 가정용, 건물용에 공급.
MCFC, PAFC는 MW급 대형 발전용에 사용.
SOFC는 가장 높은 효율과 다양한 연료를 사용할 수 있는 장점이 있으며, 가정용부터 대형 발전까지 폭넓게 사용이 가능하여 가장 활발한 연구가 진행중.

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구분	알칼리 (AFC)	인산형 (PAFC)	용융탄산염형 (MCFC)	고체산화물형 (SOFC)	고분자전해질형 (PEMFC)	직접매탄올 (DMFC)
전해질	알칼리	인산염	탄산염	세라믹	이온교환막	이온교환막
동작온도 (℃)	120 이하	250 이하	700 이하	1,200 이하	100 이하	100 이하
효율 (%)	85	70	80	85	75	40
용도	우주발사체 전원	중형건물 (200kW)	중·대형건물 (100kW~MW)	소·중·대용량발전 (1kW~MW)	가정·상업용 (1~10kW)	소형 이동 (1kW 이하)
특징	-	CO 내구성 큼 열병합대응 가능	발전효율 높음 내부개질 가능 열병합대응 가능	발전효율 높음 내부개질 가능 복합발전 가능	저온작동 고출력밀도	저온작동 고출력밀도

자료: 에너지관리공단, 메리츠종금증권 리서치센터

연료전지시스템 소개

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사용연료	도시가스	도시가스	도시가스	도시가스
크기(mm)	500 x 400 x 900 (W x D x H)	500 x 700 x 1,550 (W x D x H)	1,400 x 650 x 1,520 (W x D x H)	1,400 x 650 x 1,520 (W x D x H)
가스소비량(Nm3)	0.16(Normal 0℃) 0.18(Standard 25℃)	0.26(Normal 0℃) 0.28(Standard 25℃)	0.3 (Normal 0℃) 1.5(Standard 25℃)	2.6(Normal 0℃) 2.8(Standard 25℃)
발전/열효율(%_LHV)	35/50	35.2/ 51.67	36.6 / 49.1	37.8 / 52.2
AC 220v, 단상 2선식	AC 220v, 단상 2선식	AC 220v, 단상 2선식	AC 220v, 단상 2선식	AC 380v, 3상 4선식
축열조 용량(L)	-	125	220	450