지열에너지

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동굴 땅속의 공간

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아이슬란드의 지열발전소 <출처: (cc) Gretar Ívarsson, geologist at Nesjavellir>

최근 화석연료의 고갈 그리고 화석연료의 사용에 따른 지구온난화 등에 따라 재생가능에너지(renewable energy)의 중요성과 비중이 점차 높아지고 있다. 재생가능에너지란 자연 상태에서 만들어진 에너지를 일컫는데, 태양에너지, 풍력에너지, 수력에너지, 지열에너지, 생물자원에너지, 조력에너지, 파도에너지 등이 있다. 그러나 대부분의 재생가능에너지는 태양에너지의 변형이므로 그 양이 한정되어 있고 태양에너지의 영향을 크게 받는다. 이번 시간에는 재생가능에너지 중 태양에너지의 영향을 크게 받지 않는 지열에너지에 대해 알아보도록 하자.

지열에너지란?

지열(地熱)에너지는 지구가 가지고 있는 열에너지를 지칭한다. 지열에너지의 근원은 지구내부에서 우라늄, 토륨, 칼륨 같은 방사성 동위원소의 붕괴열(약 83%) 그리고 지구 내부 물질에서 열의 방출(약 17%)로 이루어지며, 지표에서 느껴지는 지열의 약 40%는 지각에서 방출되는 것으로 추정되고 있다(Beardsmore and Cull, 2001). 지표에서 지하로 내려갈수록 지온은 상승하는데, 지하 10Km까지의 평균 지온증가율은 약 25~30도/km이다. 한편, 지구내부에서 맨틀대류에 의한 판의 경계에서는 100도 이상의 고온 지열지대가 존재하며 따라서 대부분의 지열 발전소는 판의 경계에 위치하고 있다.

지열발전

지열발전은 지열에너지를 이용하여 전력을 생산하는 방법이다. 최초의 지열발전은 1904년 이탈리아 토스카나(Tuscany) 지방의 라르데렐로(Larderello) 마을에 세워진 것이 시초인데, 이곳에서는 땅에 솟아오른 140~260도의 증기를 이용하여 터빈을 돌려 발전을 하였다. 1913년에 라르데렐로에서는 상업적인 발전을 시작하였으며 현재에도 이 지역은 543MW의 발전용량을 갖추고 있다. 현재까지 건설된 지열발전시설물 중 세계 최대는 미국 샌프란시스코 인근의 ‘더 게이저스(The Geysers)이다. 총 15개의 발전소로 구성된 ’더 게이저스‘의 발전용량은 약 725MW인데, 이 용량은 725,000가구, 즉 미국 샌프란시스코 정도의 도시에 전력을 공급할 수 있는 양이다.

라르데렐로Larderello) 마을이 지열발전 시설. 최초의 지열발전 시설이다.

아래 표는 2007년과 2010년 현재 전 세계 지열발전 용량, 각 나라별 지열발전 용량 및 연간 에너지 생산량 중 지열발전이 차지하는 비율을 정리한 것이다. 표에서 보면, 전 세계 지열발전 용량은 2010년 현재 10,709.7MW인데, 이 중 미국의 지열발전용량이 3,086MW로 가장 많으며, 다음으로 필리핀, 인도네시아, 멕시코, 이탈리아가 발전용량이 높음을 보여준다. 한편 연간 에너지 생산량 중 지열발전이 차지하는 비율은 아이슬란드가 30%로 가장 높으며, 다음으로 필리핀, 엘살바도르, 코스타리카가 높은 비율을 차지한다.

국가별 지열발전 현황표<자료 출처: 위키피디어>

지열 에너지 활용 기술

지열에너지 활용기술은 크게 149도 이하의 지열수를 이용하는 직접이용기술과 150도 이상의 지열 유체(증기 및 지열수)를 이용하는 간접이용기술로 나눌 수 있다. 직접이용기술은 화산활동 지대에서 자연스럽게 얻을 수 있는 지열수를 이용하는 방법으로, 주로 지역난방, 온실난방, 농산물 건조, 산업이용, 온천 등에 이용된다. 또한 지열수를 이용한 바이너리(binary) 발전으로 전기 생산도 가능하다. 바이너리 발전은 지하의 열이 낮아 증기를 생산하기에 불충분한 경우에 사용되는데, 열 교환기를 통해 고온수가 지상으로 끌어올려지면 물보다 끓는점이 낮은 이차용액이 기체화돼 터빈을 돌리는 방식이다.

2005년 기준으로 전 세계적인 지열 직접이용 설비는 27,825MW인데 이는 2000년의 15,145MW보다 83%증가한 수치이다(Lund et al., 2005). 2005년 기준 직접 이용하는 지열설비용량이 가장 많은 나라는 미국(7,817MW)이며 다음으로 스웨덴(3,840MW), 중국(3,687MW), 아이슬란드(1,791MW), 터키(1,177MW)가 뒤를 잇는다. 반면 2005년 기준 연간 직접 지열사용량이 가장 많은 나라는 중국(45,373TJ)이며 다음으로 스웨덴(36,000TJ), 미국(31,239TJ), 아이슬란드(23,813TJ), 터키(19,623TJ)가 뒤를 잇는다. 반면, 국토 면적대비 또는 인구대비 지열에너지 직접이용이 가장 높은 나라는 아이슬란드인데, 그 이유는 대서양 중앙 해령이 지나는 곳에 아이슬란드가 위치하기 때문에 상대적으로 지진과 화산활동이 활발하여 지열에너지가 풍부하기 때문이다.

아이슬란드의 지열 에너지 이용 설비. 아이슬란드는 국토 면적대비 또는 인구대비 지열에너지 직접이용이 가장 높은 나라다. <출처: (cc) Mike Schiraldi>

150도 이상의 지열 유체를 이용하는 방법은, 보통 지열지대가 아닌 지역에서 지하 수천m 깊이까지 시추를 하여 지열에너지를 이용하는 방법이다. 이 경우에는 땅에 두 개의 구멍을 뚫고, 한 구멍에 물을 주입하면 지하 깊은 곳에서 지열에 의해 물이 가열되어 수증기가 생성된다. 이 수증기가 다른 하나의 구멍을 통해 올라와 터빈을 돌리고 발전기를 작동시키는 방법이다. 최근에 독일, 호주 등은 고온성 화산활동이 없음에도 불구하고 지하 5km까지 심부 시추를 하여 바이너리 발전을 함으로써 전기를 생산하고 있다.

바이너리 발전 방식은 지하의 열이 낮아 증기를 생산하기에 불충분한 경우에 사용된다. 열 교환기를 통해 고온수가 지상으로 끌어올려지면 물보다 끓는점이 낮은 이차용액이 기체화돼 터빈을 돌리는 방식이다. 그림은 이차용액으로 아이소뷰테인(이소부탄)을 쓰는 경우이다.

우리나라 지열 에너지 개발은?

포항지열발전소의 기공식 장면(2012년 9월) <출처: 연합뉴스>

우리나라 지열에너지 개발은 2000년대 이후에 본격화되었다. 2000년에는 연중 일정한 온도(약 20도 내외)를 유지하는 지하열원을 이용하여 냉·난방을 해결하는 지열냉난방시스템을 도입하여 학교, 레저 시설, 병원 등에 적용하고 있으며, 2004년부터는 대체에너지 적용 의무화 법규를 시행하고 있다. 우리나라에서 지열류량이 상대적으로 높은 지역은 포항인데, 한국지질자원연구원은 2003년부터 ‘심부지열에너지 개발사업’을 수행하여 지하 1.5km에서 51도의 지열수 개발에 성공했다. 최근에는 지식경제부와 포항시가 포항지역에 지열발전소 건립을 추진 중인데, 지하 5km 내외의 지열을 이용하여 ‘MW급 지열발전소’를 건설하여 2015년부터 본격적인 상업운전에 들어갈 예정이다. 또한 제주도도 1,150억원을 들여 5MW 규모의 지열발전소를 2015년까지 건립할 예정이다. 우리나라 같은 경우는 화산지대가 아니므로 심부지열에너지 개발 방식이 추진되고 있다.

친환경적이며, 실제 가동률이 뛰어난 장점

지열발전은 공해가 없어 친환경적이며, 기존의 화력이나 수력 그리고 기타 재생에너지에 비해 24시간 연속으로 가동할 수 있으므로 설비의 실제 가동률이 뛰어나다는 장점이 있다. 또한 지열발전은 풍력이나 태양광발전과 달리 날씨의 영향을 받지 않으며, 어떠한 연료도 필요로 하지 않고, 어떠한 폐기물도 만들어내지 않는다. 또한 유지보수비도 상대적으로 저렴하다. 지열에너지의 효용성과 가치에 대한 인식의 제고 및 관련 기술 개발에 대한 적극적인 투자가 필요하다.

글

김동희 / 국립중앙과학관 연구사

호칭·직책

충북대학교 과학교육학과를 졸업하고 서울대학교 지질과학과에서 이학박사 학위를 받았다. 미국 오클라호마대학 자연사박물관과 서울대학교 지구환경과학부에서 박사 후 연구원으로 일했으며 지금은 국립중앙과학관 연구사로 일하고 있다. 저·역서로는 [공룡화석은 왜 우리나라에서 많이 발견될까요], [지구], [지구시스템의 이해] 등이 있다.

협조

국립중앙과학관 (http://www.science.go.kr/)