4. 지열 에너지

지열 에너지는 말 그대로 땅의 열 에너지를 말합니다. 지구 내부에는 내핵, 외핵, 맨틀, 지각으로 구성되어 있는데, 지열 에너지는 지각이나 맨틀에 있는 마그마의 열이 지각으로 전달 된 것과 내핵, 외핵의 열이 바깥으로 방출된 것 두 가지가 더해진 것입니다. 마그마는 우라늄이나 토륨, 칼륨 등의 방사능 붕괴로 인한 열로 암석이 녹은 상태로 있는 것을 말하며, 이 열이 지각으로 전달되는 것이 약 80% 입니다. 그리고 내핵과 외핵에서 지표면으로 전달되는 열이 약 20% 정도입니다. 지하 10 km정도 내의 지열 에너지는 전 세계의 석유와 천연가스의 에너지를 모두 합한 것의 50,000 배나 많다고 하니, 엄청난 에너지가 지구 속에 저장되어 있다는 것입니다.

4.1 열의 직접적인 활용

지열 활용의 역사는 온천으로부터 시작됩니다. 고대 로마시대부터 지열을 이용해서 난방을 한 역사로부터 시작한 지열의 활용은 목욕용 온수와 바닥 난방으로 활용되다가 시간이 흐르면서 담수화나 농업에도 활용하고 있습니다. 이러한 활용은 28 GW 정도로 활용되고 있는데 지열 발전 용량인 11 GW 보다 두 배 이상 많은 활용을 하고 있습니다.

Photo credit to Yosemite 
(http://en.wikipedia.org/wiki/File:Jigokudani_hotspring_in_Nagano_Japan_001.jpg)

4.2 지열 발전

지열 발전 방식은 태양열 발전 방식과 동일합니다만 그 에너지원이 지표면 아래의 열을 이용한다는 것의 차이가 있습니다. 증기 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이 동일하지만 어떤 에너지원으로 증기를 생산하느냐의 차이입니다. 지열 발전은 지열로부터 증기를 생산해 터빈을 돌리고 전기를 생산합니다.

지열을 이용해 발전하는 방식은 건증기(Dry Steam), 습증기(Wet or Flash Steam), 바이너리 사이클(Binary cycle)로 세 가지가 있습니다. 건증기 방식은 지하에 물을 주입하고 생성되는 증기를 바로 터빈을 돌리는 방식이며 습증기 방식은 충분히 뜨겁고 고압의 물을 압력을 낮추면서 증기를 만들어 터빈을 돌리는 방식을 말합니다. 마지막 바이너리 사이클 방식은 지하의 뜨거운 물의 열을 열교환기를 통해 다른 유체(가령, 이소 부탄과 같은)를 끓이는데 사용하여 다른 유체의 증기로 터빈을 돌리는 방식입니다.

Photo credit to Union of Concerned Scientists (http://www.ucsusa.org/clean_energy/our-energy-choices/renewable-energy/how-geothermal-energy-works.html)

세 가지의 방식은 지열 에너지원의 성질에 따라 선택하게 됩니다. 가령 물이 수증기 형태로 바로 땅에서 나오는 경우에는 건증기 방식을 사용할 수 있으며 충분히 뜨겁고 고압력인 액체로 물이 나온다면 습증기 방식을 사용하는 것이 좋습니다. 에너지원의 온도와 압력이 충분하지 않은 경우에는 이를 상대적으로 낮은 온도에서 끓는 다른 액체를 사용해서 터빈을 돌리는 바이너리 사이클 방식을 사용하게 됩니다. 그러나 순수하게 증기만 나오는 경우는 그리 많지 않기 때문에 습증기 방식이나 바이너리 사이클 방식을 대부분 사용하고 있습니다.

위의 세 가지 방식 이외에 최신 기술로 인공 지열 저류층 생성(EGS, Enhanced Geothermal System) 방식이 있습니다. 기존의 방식은 자연적으로 있는 열과 물을 이용한 발전이었다면 EGS 방식은 심부 시추공을 굴착하여 수압 파쇄나 자극(stimulation)을 통해 인공적으로 지열 저류층을 만들어 발전하는 방식입니다. , 일반적인 지면 가까운 곳에서 높은 온도를 얻을 수 있는 곳이 아닌 지역에서 지하 3~5 km 아래로 땅을 판 다음 암반을 깨거나 하는 방식으로 사이에 틈을 만들어 물을 주입하고 거기서 생성된 증기를 뽑아 올려 증기 터빈을 돌리는 방식입니다. 이러한 방식은 어느 지역이나 발전이 가능하다는 장점이 있지만 지진을 일으키는 원인이 될 수 있다는 점입니다. 이것은 석유 시추나 이산화탄소 포집시에도 마찬가지로 조심하는 부분이며 각 지역의 특성을 잘 판단하여 적용해야 합니다.


인공 지열 저류층 생성 방식: 1. 저수지, 2. 펌프실, 3. 열교환기, 4. 터빈실, 5. 증기 생성정, 6. 주입정, 7. 지역 난방용 온수 라인, 8. 다공성 퇴적층, 9. 관측정, 10. 결정 암반층
Photo credit to Siemens Pressebild (http://www.siemens.com)

IGA(International Geothermal Association)에 따르면 전세계에 약 11 GW 정도의 지열 발전 용량이 설치되어 있다고 합니다. 현 건설 중인 발전소를 더하면 2015년엔 18.5 GW 정도의 발전 용량이 될 것으로 예측하고 있습니다. 미국은 세계에서 지열 발전 용량이 가장 큰 나라입니다. 2010년에 약 3 GW 용량으로 미국 전체 전력 생산의 0.3 % 정도를 담당하고 있습니다. 지열 에너지원이 풍부한 나라인 필리핀, 아이슬란드, 엘살바도르는 각 나라의 전력 생산의 25% 이상의 전력을 담당하고 있습니다. 우리나라는 최초의 지열 발전소 건설 계획이 지난해 9월 발표했습니다. 경북 포항 남송리에 EGS 방식의 지열 발전소를 계획하며 MW 급의 용량을 계획하고 있다고 합니다.

4.3 냉난방

지열을 이용해 냉방을 하는 방식은 태양열을 이용한 냉방과 동일합니다. 난방의 경우 열펌프를 이용하거나 직접 난방에 활용하는 경우로 나뉩니다. 지열을 이용하여 냉난방 시스템으로 활용하는 경우 지열 열펌프(Ground Source Heat Pump 또는 Geothermal Heat Pump)라고 합니다.


Posted by Chuck Hong