제주도 용천수의 수열에너지 잠재량 분석: 현황과 전망

1. 서 론

온실가스의 증가로 인해 지구온난화가 진행되었고, 2021년 지구 평균기온이 산업화 이전보다 약 1.11℃가 높아졌다(WMO, 2021). 국내에서도 겨울과 봄에는 가뭄이 심화되었고 여름에는 집중호우가 증가하였으며 태풍의 발생 빈도도 증가하였다(KMA, 2020). 기상청의 지역기후 예측모델에서 2050년도에는 기온이 현재보다 약 1.3-1.9℃가 증가할 것으로 전망하였다.

전 세계적으로 기후변화에 대응하기 위해서 2015년 파리기후협정을 체결하였다(UNFCCC, 2015). 우리나라는 2050 탄소중립을 목표로 재생에너지를 확대 방안을 마련하였다. 탄소배출량을 2017년 대비 2025년까지 40-75% 감축하는 ‘2050 장기 저탄소 발전전략’ (5가지 시나리오)를 제출했다(Park et al., 2022a). 탄소중립은 각 나라들뿐만 아니라 국제적 기업에서도 노력하고 있으며, 2050년까지 기업에서 사용되는 전력 100%를 재생에너지로 대체하자는 RE100 (Renewable Energy 100) 글로벌 캠페인을 진행하고 있다(Lee et al., 2023). RE100 공식 홈페이지에 따르면 2023년 2월 현재 RE100에 가입되어 있는 기업은 총 398개이며, 처음에는 애플, 구글 등의 주요 글로벌 기업이 주로 참여하였으나, 최근에 참여 기업이 크게 증가하였다. 현재는 우리나라를 포함한 아시아 국가들의 참여도 증가하고 있다.

탄소 저감 관련 정책 수행에 있어 에너지 수급 공백을 채우려면 신·재생에너지의 사용량을 늘리는 것이 필요하다. 신·재생에너지의 종류로는 태양광, 태양열, 풍력, 수열, 지열 등이 있으며, ｢신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법｣ 제5조에 따라 우리나라는 신·재생에너지 기술개발 및 이용·보급 기본계획을 5년마다 수립하여야 한다. 2020년 ‘제5차 신·재생에너지 기술개발 및 이용·보급 기본계획’에 따르면 2034년 에너지 발전량 중 신·재생에너지 비중을 25.8%로 목표하였고, 이 중 신·재생 열에너지 활용 및 공급 확대를 세부 추진계획으로 설정하였다(MOTIE, 2020).

신·재생에너지 중 수열에너지는 물의 열에너지를 이용하는 것으로 여름에는 대기보다 차가운 수온을 이용하여 건물의 열을 물을 통해 대기로 방출하고, 겨울에는 대기보다 따뜻한 수온을 이용하여 건물 내부에 열을 공급한다(그림 1). 수열에너지는 다른 신·재생에너지에 비해 주변에 풍부한 자원을 가지고 있으며, 날씨나 계절의 영향을 덜 받고, 기존 난방기기보다 이산화탄소의 발생량을 약 20-50% 감축시키는 장점이 있다(Hyeon et al., 2020). 국외에서는 1960년대부터 수열에너지를 사용해왔고, 특히 일본은 수열에너지의 핵심 설비인 히트펌프 기술을 활발히 개발하였다(Jung et al., 2017; Cho and Yoon, 2020). 또한 히트펌프를 이용한 냉·난방도 재생에너지로 인정해주는 등 수열에너지의 범위가 넓고, 정책적으로 지원하고 있어 대규모의 수열에너지 개발이 가능하다. 대표적인 나라는 프랑스 파리, 스웨덴 스톡홀롬 등 이며 이 지역에서는 수열에너지를 지역단위의 냉·난방시스템으로 이용하여 해수, 하천수, 지하수를 수열원으로 사용하고 있다. 하지만 국내는 아직 수열에너지에 대한 인식이 부족하여, 냉·난방시스템은 수열에너지보다 지열에너지에 더욱 활성화가 되어있고, 법령으로도 수열원의 범위가 해수의 표층수와 하천수로 한정되어 있는 등 수열에너지의 보급과 활성화에 제한적이다.

Fig. 1.

Concept of supplying hydrothermal energy using spring water.

현재 국내에서는 지하수 및 호수 등의 다양한 수열원을 수열에너지 범위에 포함하기 위해 제도개선을 추진 중에 있으며, 최근에는 유출지하수를 활용한 냉·난방시스템을 수열에너지로 인정받기 위해 노력 중이다. 또한, 지역에너지계획을 수립할 때 수열에너지의 활용방안을 넣는 등의 정책적으로도 수열에너지의 활성화를 위해 노력하고 있다. 국내에서는 다양한 제품의 히트펌프를 개발하여 수출되고 있으며(Lee, 2023), 2006년 주암댐 발전소 건물을 시작으로 수열에너지가 점차 확대되고 있다(Jung et al., 2018). 국내의 대표적인 수열에너지 사업으로는 부산 롯데타운, 잠실 롯데월드타워 등이 있고, 환경부에서 주관하는 총 9곳의 시범대상지가 2023년 착공에 들어갈 예정이다.

제주도에서도 다양한 수열원을 활용한 냉·난방 시스템 연구가 수행 중이다(Park et al,. 2014a; Kang et al., 2018; RDA, 2018). 농촌진흥청에서는 용천수를 활용한 시설하우스의 난방시스템 시범사업을 진행하여 온풍난방기에 비해 74.1%의 에너지소비 비용이 감소하는 것을 실증하였다(RDA, 2020). 제주도에는 용천수가 넓게 분포하고 유출량이 많기 때문에 용천수를 수열에너지로 활용할 수 있는 가능성이 매우 높다. 본 연구는 제주도 용천수를 수열에너지로 활용할 수 있는 가능성과 잠재량 평가하기 위해서 수행하였다.

2. 연구지역 및 연구방법

2.1 연구지역

제주도는 한반도의 남서쪽에 위치한 화산섬으로 총 면적은 1,850.28 km²이다. 제주도의 인구수는 1992년 505,784명에서 2021년 697,476명으로 꾸준히 증가하고 있으며, 72.7%가 제주시에 거주한다(Jeju, 2022). 지형적 특성으로는 동서 방향의 길이가 길고 남북방향의 길이가 짧아 긴 타원형의 모양이며, 동서 사면은 경사가 완만하지만, 남북 사면은 상대적으로 급한 경사를 보인다. 해발고도는 200 m 이하인 저지대가 55.3%, 1,000 m 이상인 고산지대는 4.5%이며, 평균고도 283.3 m이다. 제주도는 국내 다른 지역에 비해 겨울철에도 온화하고, 겨울이 짧으며 여름이 가장 길고, 8월 평균기온이 가장 높다. 제주 평균기온은 16.2℃, 고산 15.7℃, 성산 15.6℃, 서귀포 16.9℃로 서울 연평균 기온 12.8℃에 비해 약 2.8-4.1℃ 높다.

제주도에는 중앙부에 한라산(해발고도 1,950 m)이 있으며, 약 368개의 오름이 다양한 화산암체로 산재하고 있다. 제주도는 크게 4단계의 화산활동을 거쳐 형성된 섬으로 많은 분화구에서 다양한 형태의 분출이 이루어져 지질 및 지질구조가 복잡하다(Lee, 1982; Lee and Yun, 2012). 기반암은 중생대 백악기 화강암과 산성 화산암으로 구성되어 있으며(Kim et al., 2002), 이를 U층이 피복한다(Koh, 1997). 화산활동은 신생대 제4기 수성 화산활동과 함께 시작되었으며(Sohn and Yoon, 2010), 수성 화산활동은 약 1백만 년 넘도록 지속되어 서귀포층이 만들어졌고, 이로 인해 제주도가 해수면 위로 성장하면서 높은 섬이 만들어졌다(Sohn et al., 2008). 이후 화성활동으로 인해 용암대지 및 순상화산이 만들어졌으며, 이들의 K-Ar 연령이 3만-80만년 사이이므로 제주도의 형성은 홀로세 이전에 거의 끝났다(Tamanyu, 1990; Lee et al., 1994). 주 구성암석은 현무암류로 제주도 전체의 90% 이상을 차지하며, 이외에 조면암, 조면질 안산암, 쇄설성 퇴적암으로 구성되어 있다(Park et al., 2000)(그림 2).

Fig. 2.

Geological map of Jeju Island modified from Park et al., 2000.

3. 결과 및 토의

3.1 강수량

최근 30년간 강수량은 증가와 감소를 반복하며 소폭 상승 중이며(그림 3a), 각각의 기상대에 측정된 평균 강수량은 제주 1,502.2 mm, 고산 1,183.0 mm, 성산 2,030.0 mm, 서귀포 1,989.6 mm로 서쪽지역보다 동쪽지역, 북쪽지역보다 남쪽지역의 강수량이 더 많았다. 2013년은 제주도에서 가뭄이 일어나 모든 지역에서 연평균 강수량 대비 약 57-67%의 적은 강수량을 보였으며, 1999년에는 평균강수량이 2,425 mm으로, 연평균강수량 대비 약 114-168%로 가장 많았다. 월별로 보면 6-9월의 강수량이 집중되어 있으며 이 기간의 연 강수량은 53-58%를 차지한다. 강수량이 가장 적은 계절은 12-2월이며 평균 43-79.8 mm이다. 지역별 강수량 편차는 강수량이 적은 겨울에 편차가 크지 않았고, 봄과 가을에 강수 편차가 매우 크게 나타났으며, 최대 편차는 128 mm이다(그림 3b).

Fig. 3.

Average precipitation for 30 years at the synoptic observation stations in Jeju island. (a) rainfall change by year, (b) rainfall change by monthly.

2022-2052년까지 기후변화 시나리오 RCP 4.5로 계산된 제주도의 강수량은 2,356.8 mm이며, RCP 8.5는 2,645.1 mm이다(KMA, 2023). 두 시나리오 모두 2023년의 강수량보다 상승하였으며, RCP 8.5시나리오의 상승률이 더 높았다. RCP 4.5와 8.5의 시나리오로 2100년까지 분석한 결과 RCP 8.5 시나리오의 강수량이 조금 더 상승하는 추세를 보였으며, 전체적으로 강수량은 RCP 4.5와 8.5 모두 증가하는 추세를 보였다(그림 4).

Fig. 4.

Rainfall changes with climate change scenarios of RCPs 8.5 and 4.5. Data are from Korea Meteorological Administration.

3.2 용천수

제주도는 현무암류로 구성된 수리지질학적 특성에 용천수가 잘 발달하였다. 지하수가 개발되기 이전까지 제주도에서는 물이 귀한 존재로 여겨졌고, 과거 용천수는 제주도에서 중요한 상수원으로 활용되어 용천수를 따라 마을을 형성되기도 하였다. 이후 상수도 및 지하수 개발이 이뤄지면서, 수원으로서의 활용도가 떨어지고 용천수가 체계적으로 관리되지 않아 수질이 악화되는 등의 문제점이 야기되고 있다. 이에 제주도는 2016년 용천수 관리계획을 수립하고, 전수조사를 실시하여 용천수의 보전 및 관리를 시행하고 있다. 제주연구원에서 수행한 2022년 용천수 전수조사 결과 646개소로 확인되었으며, 2016년 전수조사 이후 추가로 발견된 용천수는 17개소, 수량이 고갈되거나 매립된 용천수는 31개소이다. 용천수는 제주시 385개소(59.6%), 서귀포시 261개소(40.4%)로 각각 동쪽 지역에 많이 분포한다. 고도가 100m 이내에 위치하는 용천수는 528개소(81.7%)로 대부분 저지대에 위치하며 고도가 높아질수록 용천수의 분포가 감소하는 경향을 나타낸다(표 1). 제주도 내 용천수 중 현재까지 이용되는 곳은 160개소이고, 미사용 용천수는 484개소이며 대부분의 미사용 용천수는 용출되는 즉시 하천이나 바다로 유출되고 있다. 현재 이용되고 있는 용천수는 대부분 생활용과 농업용으로 이용되며 세부용도로는 물놀이시설, 목욕탕, 공원, 도로유지용수, 소화용 등으로 사용되고 있다(Park et al., 2022b)(그림 5).

Table 1.

Number of spring water according to altitude.

Fig. 5.

Jeju spring water status (a) spring water used as a swimming pool, (b) spring water used as a park, (c) Spring water used as a public bathhouse, (d) spring water used as a agricultural water, (e) unmanaged spring water, (f) well managed spring water.

3.2.1 용출량

제주도에 분포하는 용천수는 서귀포시 동지역이 130개소로 가장 많이 분포하며, 표선면이 14개소로 가장 적게 분포하고 있다. 또한, 고도별로 살펴보면 200 m 이하인 저지대에 위치하는 용천수는 580개소로 전체 용천수 중 89.8%를 차지하며, 이 중 공유수면에 위치하는 용천수는 231개소이다. 200-500 m 지대는 32개소, 500 m 이상인 고지대는 34개소의 용천수가 분포한다. 용천수 646개소의 용출량 측정 결과는 0-19,401 m³/day의 넓은 범위를 보이며, 총용출량은 480,504 m³/day이다(표 2). 지역별로 분류한 결과 서귀포 동 지역이 106,560 m³/day로 가장 많았으며, 제주시 한경면이 2,091 m³/day로 가장 적었다. 용출량은 측점 불가능한 지점이 219개소로 간조 시 해수와 혼합되거나 물이 고여있어 유량 측정이 불가한 지점이 219개소이며 이들은 공유수면과 해안선 밖에 위치하는 용천수이다. 용출량이 500 m³/day 이하인 용천수는 261개소 501-1,000 m³/day 46개소, 1,001-2,000 m³/day 45개소이다. 용출량이 2,000 m³/일 초과인 지점은 75개소로 서귀포시 동쪽 지역이 15개소, 제주시 조천읍이 13개소로 많다(그림 6).

Table 2.

Spring water output by discharge.

Fig. 6.

Distribution of spring water discharge measured in 2021.

3.2.2 수온

용천수의 수온은 기온, 계절 등의 영향을 받기 때문에 측정시기에 따라 차이가 날 수 있다. 전수조사 시 측정된 수온의 범위는 1-25℃를 보이며 평균 온도는 16℃이고, 수온 측정이 불가한 지점은 61개소이다. 10℃ 이하의 용천수는 총 21개소이며 애월읍이 9개소로 가장 많고 남북 방향으로 분포하며 대부분 한라산과 인접한 곳의 수온이 가장 낮았다. 10-14℃의 온도를 보이는 용천수는 총 57개소이며, 제주시 동지역이 가장 많이 분포하며 주로 중산간지역에 위치한다. 가장 많이 분포하는 온도는 14-18℃이며 459개소로 전체 용천수 중 71.1%를 차지한다. 대체적으로 한라산 중심부에서 멀어지면서 용천수의 수온이 상승하는 경향을 보인다(그림 7).

Fig. 7.

Distribution of spring water temperature measured in 2021.

3.3 잠재량 평가

3.3.1 이론적 잠재량

위치가 확인된 용천수 646개소는 총용출량이 480,504 m³/day이며, 연간으로 산정하면 총용출량은 175.4 백만m³/year이다. 최근 지하수의 함양량은 1,603.6 백만m³/year이므로 지하수의 약 0.11%가 용출되는 것으로 산정되었다. 단순히 현재의 용출량으로만 계산한 이론적 잠재량은 27,807 MW이며, 서귀포 동지역이 6,167 MW으로 잠재량이 가장 크고, 제주시 한경면이 121 MW로 가장 작다. RCP 4.5의 시나리오를 이용한 지하수 함양량은 1,856.7 백만m³/year이며, 이때 용출량은 203.1 백만m³/year로 예상된다. 앞으로 온실가스 저감 정책이 실현되었을 경우 용천수의 이론적 잠재량은 32,196 MW이다. RCP 8.5 시나리오를 이용한 지하수 함양량은 2,083.9 백만m³/year이며, 이때 용출량은 227.9 백만m³/year로 예상되고 용천수 잠재량은 36,135 MW이다. RCP 4.5보다 RCP 8.5의 잠재량이 크게 산정되었는데, 이는 현재 상태로 계속해서 기후변화가 일어난다면 집중호우가 빈번해지면서 강수량이 늘기 때문이다. 강수량만을 고려하면 수열에너지의 잠재량은 점차 증가하는 경향을 보였지만 집중호우 등이 발생하는 경우에는 지표유출량이 증가하기 때문에 수열에너지의 잠재량은 감소할 수도 있다. 그러나 이번 연구에서는 집중호우를 고려하지 않았다. 그러므로 추후에 세부적인 예측 강수량을 이용하여 강우 형태를 고려한 수열에너지의 잠재량을 분석하는 것이 필요하다.

3.3.2 기술적 잠재량

기술적 잠재량은 모든 용천수가 기술적으로 이용 가능하다는 가정으로 계산하였으며, 난방과 냉방의 경우를 각각 구분하여 계산하였다. 난방의 경우 제주도 용천수의 총 기술적 잠재량은 이론적 잠재량과 동일한 27,807 MW이고 이중 제주시는 17,136 MW, 서귀포시 10,671 MW이다(표 3). 제주시가 서귀포시의 약 1.6배 크며, 지역별로 살펴보면 서귀포시 동쪽 지역이 6,167 MW로 가장 크다. RCP 4.5 시나리오로 계산한 기술적 잠재량은 32,196 MW이며, RCP 8.5 시나리오는 36,135 MW로 산정되었다. 냉방의 경우 제주도 용천수의 기술적 잠재량은 22,561 MW이며 제주시에서 한경면이 98 MW로 가장 작고 조천읍이 3,231 MW로 가장 크다. 서귀포시에서는 대정읍이 275 MW로 가장 작게 분석되었으며, 서귀포 동지역이 5,003 MW로 가장 크다. RCP 4.5 시나리오로 계산한 냉방의 경우 기술적 잠재량은 26,122 MW이며, RCP 8.5는 29,317 MW로 산정되었다. 난방의 기술적 잠재량은 이론적 잠재량에 비해 같으며, 냉방의 기술적 잠재량이 이론적 잠재량에 비해 0.81배 낮게 산정되었다.

Table 3.

Hydrothermal energy potential by region of spring water in Jeju island.

기술적 잠재량은 히트펌프의 성능에 따라 잠재량이 다르게 계산된다. 따라서 향후 30년 후에는 히트펌프의 성능에 대한 연구가 이루어지고 COP가 향상되어 기술적 잠재량의 변화가 클 것으로 예상된다.

4. 결 론

제주도는 주변에 수열원으로 사용할 수 있는 자원이 풍부하나 아직 수열에너지의 활용이 미약하다. 이번 논문에서는 제주도에 넓게 분포되어 있는 용천수에 대한 분포 특성과 수열원으로서의 잠재량 평가를 실시하였다.

제주도의 용천수 분포는 전수조사를 통해 새롭게 발견되는 용천수가 추가되어 현재 총 646개소가 존재한다고 되어있으며, 이 중 해안가에 위치하는 용천수이거나 용출량이 파악하기 어려운 용천수와 유출량이 500 m³/day 이하인 용천수를 제외한 164개소의 용천수가 수열원으로 사용할 수 있을 것으로 판단한다. 수열에너지로 사용할 수 있는 용천수가 가장 많은 곳은 서귀포 동쪽 지역 34개소, 제주시 동쪽 지역 28개소, 제주시 조천읍 25개소이다. 또한 용천수의 수온은 14-18℃가 대부분으로 수열원으로 적합할 것으로 판단된다.

용천수의 용출량을 이용하여 잠재량을 계산한 결과 이론적 잠재량은 121-6,167 MW이며, 기술적 잠재량 난방의 경우 이론적 잠재량과 동일하고, 냉방의 경우 98-5,003 MW의 범위이다. 지역별로 큰 차이를 보이며 용출량이 가장 많은 서귀포 동쪽 지역에서 큰 잠재량을 보였다(그림 8). 하지만 현재 용천수의 용출량 측정방법은 유속-면적법과 위어 공식으로 산정하는데 용출 방식이 모두 달라 특정지점으로만 유출되지 않고 계곡수로 유입되거나 산발적으로 흩어진다. 따라서 정확한 수열에너지의 잠재량 산정에는 한계가 있으므로 용천수의 용출량을 측정하는 방법을 표준화할 필요가 있다.

Fig. 8.

Hydrothermal energy theoretical and technical potential of Jeju island.

RCP 4.5와 RCP 8.5를 고려하여 향후 30년간의 용천수 잠재량을 계산한 결과 수열에너지의 잠재량이 점차 증가할 것으로 예측되므로, 향후에도 수열에너지를 안정적으로 보급할 수 있을 것으로 판단된다. 다만 이번 연구에서 계산한 용천수의 총 잠재량은 매우 많지만, 이는 모든 용출수를 활용하는 것을 가정한 것으로 용천수의 용출량은 주변 환경에 따라 큰 범위를 보이므로 용천수를 수열에너지로 사용할 경우 용천수의 용출량 변화를 고려해야 한다. 또한, 강수 형태에 따라서 용출량이 큰 변화를 보일 수 있으므로 수열에너지 이용 시 용출량을 고려한 활용방안을 마련하는 것이 필요하다.

현재 제주도에서 방치로 인해 용천수의 수질이 악화되는 사례가 많고, 대부분 바다로 유출되는 경우가 많다. 하지만 제주도의 용천수는 거주지 및 농경지 등 인간이 생활하는 저지대 주변에 골고루 분포하여, 수열에너지에 적용할 수 있는 교육시설, 하우스 시설, 마을회관, 주민센터 등에 이격 거리를 고려하면 수열에너지를 적용할 수 있을 것이다.

Acknowledgments

이 논문은 2022년 한국수자원공사에서 진행한 “제주도 수열원 자원·적지 조사 및 제도개선” 용역을 발전시켜 게재함을 밝힙니다. 논문에 도움을 주신 모든 분들께 감사의 말씀을 드립니다.

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