지열

지열

지열(Geothermy, 地熱)은 지표 하부에 부존하는 모든 열을 의미한다. 지구 내부에서 표면을 거쳐 외부로 유출되는 열량의 유출 방법은 열전도에 의한 것과 가스, 온수 및 화산분출물 등이 있다. 뉴질랜드, 이탈리아, 일본 등 지각열류량이 많은 곳에서는 지열을 발전에 이용하기도 한다.

개요

지열은 지구 내부에 보유되는 열을 통틀어 일컫는 말이며 그 가운데 인간이 개발, 이용할 수 있는 범위만을 대상으로 하는 경우도 있다. 넓은 뜻의 지열은 맨틀 대류의 열 공급과 지각 속의 방사성 물질 붕괴의 복사열이 그 열원으로 되어 있다. 한편 좁은 뜻의 지열 열원은 마그마로 화산 지역에서 국소적으로 뚜렷이 고온의 분기, 온천 현상이 보인다. 천연의 열수나 증기의 지열 자원이 지열 발전, 지역난방, 농공업 등에 이용되는 것은 주로 후자이다. 지열을 지하에서 직접 뜨거운 물을 끌어올려 난방에 이용하거나 지하에 설치한 열교환기를 통해 지열 에너지를 흡수하여 난방에 이용하는 것은 지열난방이라고 한다. 지열은 열원의 깊이에 따라 심부의 고온성 지열과 천부의 지중열로 구분한다. 심부지열은 지하 500m 이상의 지열수 또는 암반의 열을 채취하여 대형건물의 에너지원 또는 지열발전에 활용하며 40~150℃ 이상의 온도를 유지하여 발전과 온천 등에 직접 이용되고 있다. 천부지열은 지표로부터 300m 내에 저장되어 평균 10~35℃를 유지하는 지열이다. 어느 지역에나 무한정 분포되어 있고 채열이 용이하여 저온이지만 냉난방 온수 공급 등에 응용되어 대체 에너지원으로 사용이 되고 있다. 활용 방식에 따라 열을 직접 활용하지 않고 80℃ 이상의 열수나 증기를 사용하여 전기를 생산하는 간접이용과 지열을 직접 이용하여 건물 냉⋅난방, 각종 건조사업, 제설, 온천 양식업, 및 시설 영농, 지역난방 등 직접이용으로 구분 한다.

지열은 지각 내에 부존하는 방사성물질이 자연 붕괴할 때 발생되는 열에너지를 근원으로 한다. 한편 철, 니켈이 녹아 있는 고온의 지구 중심부에서는 맨틀이 열절연작용(熱絶緣作用)을 하기 때문에 열이 거의 지표로 방출되지 못한다. 현재까지 굴착된 최대 심도는 12km이므로 그 이내의 열에너지가 관심의 대상이다. 1980년대 이전에는 천부의 고온 증기 자원을 주로 이용했지만 기술이 발전하면서 저품위 열자원을 포함한 지각의 모든 열을 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 지온은 지하로 100m 들어갈 때마다 2.5~3℃씩 올라가고 지구의 중심부인 내핵은 6,000 ℃에 이른다. 땅속에는 무한한 에너지가 존재한다. 태양광이나 풍력처럼 날씨나 시간의 영향을 받지 않고 365일, 24시간 가동할 수 있으며 어떠한 연료의 추가적인 투입도 필요 없다. 지열은 전 세계 82개국에서 활용 중이고 26개국은 지열발전소를 운영 중이다. 우리나라는 지열주택만 적극적으로 활용하고 있고 지열발전은 아직 걸음마 단계이다. 정부나 민간의 투자가 활발하게 이루어졌던 풍력, 태양광 발전에 비해 미개척 분야인 셈이다. 지열자원의 잠재력이 크다는 것은 잘 알고 있지만 기반기술 연구는 막대한 투자가 요구되고, 경제성이 낮아서 투자 위험이 높다는 이유로 정책적 관심에서 소외된 탓이다. 지열자원이 풍부한 지역은 환태평양 화산대(필리핀, 대만, 일본, 미국 서부, 남미 서부)와 지중해 지열대, 대서양 지열대, 아프리카 지열대 등이다. 이 지열대는 지각이 연약한 구조이며 지하 5-20km에 암석이 용융된 잔류 마그마가 존재한다. 수백m 심도에서 100-300 ℃의 증기를 얻을 수 있어서 오래전부터 지열을 활발하게 이용하였다. 현재 국내에서 지열 기술이라고 하면 주로 천부지열을 이용하여 건물을 냉난방하거나 온수를 공급하는 지열 열펌프 시스템(geothermal heat pump systems) 기술로 한정하는 경향이 있다. 이는 국내에서 지열 에너지의 활용에 있어서 다양한 분야에 당장 적용할 수있는 기술력의 부재와 함께 상대적으로 인프라가 잘 구축된 공조․냉동 산업에 지열 에너지를 연계하는 것이 비교적 쉬웠기 때문이다.

활용방식

수직형

수평형

직립형

개방형

지열은 직접이용(Direct use)과 간접이용(Indirect use)기술로 구분한다. 이는 인간이 이용할 수 있는 최종 생산물의 관점에서 분류한 것으로 열(Heat)을 생산하면 직접이용이고 전기(Electricity)를 생산하면 간접이용이 된다. 지열의 직접이용은 가장 오래된 기술로써 온천, 건물 난방, 시설원예 난방, 지역난방 등이 대표적인 기술이다. 땅에서 중온수(30~150℃)를 추출하여 사용자에게 직접 공급하거나 열펌프와 냉동기 등의 에너지 변환기기의 열원으로 활용할 수 있다. 지열원 열펌프 시스템을 제외한 나머지 기술들은 중온수가 풍부한 지역에서 가능하기 때문에 지리적 제약이 다소 있다. 직접이용 기술 중 가장 큰 부분을 차지하는 기술이 지열 열펌프 시스템(Geothermal heat pump system, GHP)이다. 이 시스템은 저온 10~30℃의 지열에너지를 효율적으로 활용하는 지열분야의 대표 기술이라고 할 수 있다. 상대적으로 저온의 에너지를 활용하지만 연중 일정한 온도를 유지하기 때문에 항온성이 우수하며 지리적 제약이 없는 것이 큰 장점이다.

간접이용 기술은 땅에서 추출한 고온수나 증기 120~350℃로 발전 플랜트를 구동하여 전기를 생산하는 지열발전(Geothermal power generation)을 일컫는다. 최종 생산물은 전기이며 화산지대에서 유리하기 때문에 지리적 제약이 매우 크다. 이러한 지리적 제약을 극복하기 위한 연구개발이 지열 분야 선진국을 중심으로 진행 중이다.

지열 열펌프 시스템

지열 열펌프 시스템의 종류는 대표적으로 지열을 회수하는 파이프(열교환기) 회로 구성에 따라 밀폐회로(Closed Loop)와 개방회로(Open Loop)로 구분된다. 밀폐회로시스템(폐쇄형)은 루프의 형태에 따라 수직, 수평 루프시스템으로 구분되는데 수직으로 150~200m, 수평으로는 1.2~1.8 m 정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방 부하가 적은 곳에 쓰인다. 열전도율은 화강암과 열전도체가 비슷해서 이것이 냉매체(순수 물)이 계속 히트펌프와 열 교환을 반복하게 된다.

• 수직형(Vertical Type) : 지중에 존재하는 연중 일정한 온도(15°±5℃)를 열원으로 지하 300M 이내에 수직으로 천공하여 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 매설하고 이 매설된 지중열교환기 내부로 물을 순환시키면서 얻어진 에너지를 이용하여 히트펌프(HEAT PUMP) 를 구동시켜 냉,난방을 수행하는 시스템이다. 회수한 지열을 운반하는 파이프가 폐회로로 구성되어 있으며 본 형태는 열부하나 냉방 부하가 큰 건물에 이상적이다. 수직형 시스템은 설치하기에 비용이 많이 들지만 수평형 시스템보다 루프 길이가 짧고 냉, 난방에 효율적이다.
• 수평형(Horizontal Type) : 지표근처에 존재하는 연중 일정한 온도(15°±10℃)를 열원으로 지하 2-5M 이내에 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 수평으로 매설하고 이 매설된 지중 열교환기 내부로 물을 순환시키면서 얻어진 에너지를 이용하여 히트펌프(HEAT PUMP)를 구동시켜 냉,난방을 수행하는 시스템이다. 폐회로 중 적절한 공간만 있다면 설치하기에 가장 경제적인 시스템으로서 상대적으로 냉, 난방부하가 적은 곳에서 가능하다.
• 직립정(SCW Type) : 지중에 존재하는 연중 일정한 온도(15°±5℃)를 열원으로 지하 400-500M 이내에 우물을 설치하고 하부에 수중 펌프를 삽입 가동하여 지하수를 지상의 열교환기로 보내고 지하수와 히트펌프 작동 유체간에 열교환을 실시하여 얻어진 에너지를 이용하여 히트펌프(HEAT PUMP)를 구동시켜 냉,난방을 수행하는 시스템이다. 열교환을 하고 난 지하수는 일정량만큼을 밖으로 배출(약 10%) 하고 약 90%는 다시 우물의 상부로 집어넣어 순환하면서 재차 열적으로 회복시킨다.
• 개방형(Open LOOP Type) : 건물 근처에 존재하는 저수지, 강의 저수면에 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 수평으로 매설하고 이 매설된 지중 열교환기 내부로 물을 순환시키면서 얻어진 에너지를 이용하여 히트펌프(HEAT PUMP)를 구동시켜 냉, 난방을 수행하는 시스템이다. 수원지, 호수, 강, 우물 등에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는 것으로 풍부한 수원지가 있는 곳에서 적용될 수 있다.

지열발전

지열발전

지열발전(Geothermal power, 地熱發電)은 지구 내부의 지열을 이용하여 전기를 생산하는 방법이다. 지열발전은 주로 화산활동이 많거나 온천이 발달한 지역에 주로 설치되며 태양광발전이나 풍력발전과 달리 전력을 안정적으로 공급할 수 있다. 지열발전은 에너지 생산 과정에서 발생하는 탄소를 '0'에 가깝게 줄이는 핵심적인 에너지원으로 주목받고 있다. 바람의 세기나 일조량과 같은 기후 환경적 조건에 의존해야 하는 다른 신재생에너지와 달리 지열발전은 지구가 그 탄생의 순간부터 품기 시작한 열에너지를 활용하기 때문에 안정적인 전력 생산이 가능하다는 장점이 있고 원자력발전이나 화력발전에서 발생하는 유해한 부산물이 발생하지 않는다는 점에서 더욱 매력적인 대안 기술로 부상하고 있다. 우리나라 최초의 지열발전 프로젝트는 포항지열발전 실증사업으로서 2010년 12월에 착공되었지만 포항 지진 발생 이후 범시민대책본부가 낸 운영 중단 가처분 신청이 받아들여지며 가동이 멈췄다.

장점

• 지열은 재생 가능한 에너지원이다.

지열은 지구의 중심부에 가까워질수록 얻을 수 있는 에너지가 많으며 지구가 존재하는 한 무한히 사용할 수 있다. 따라서 재생 가능하며 약 40 ~ 50억 년 동안 사용할 수 있다. 화석 연료는 땅속의 저장량이 한계가 있지만 지열과 같은 재생 가능한 에너지 자원은 한계가 있을 수 없다.

• 친환경적인 에너지

지열은 생산 및 사용 등 모든 측면에서 친환경적이라 할 수 있다. 화석연료를 사용하면서 대기로 배출되는 이산화질소, 이산화탄소, 일산화탄소 등 대기 오염 물질이 전혀 배출되지 않기 때문에 우리의 대기에는 아무런 영향을 끼치지 않는다. 발전을 하기 위한 열을 얻기 위해 화석연료를 사용하지 않고 자연적으로 얻을 수 있기 때문이다.

• 연료가 필요없다

지열을 이용한 발전소 또한 전력을 생산할 때 화석 연료를 사용하지 않기 때문에 탄소를 전혀 배출시키지 않는다. 또한 발전을 하기 위하여 화석 연료의 운송이나 채굴 또한 없기 때문에 굉장히 효율적이고 깨끗한 에너지원이라고 할 수 있다.

• 지열은 무한한 공급이 가능하다

지열을 계속 사용하면 여름철 에어컨의 과다 사용으로 인한 전력 부족 등의 문제가 일어날 수 없다. 태양열발전소나 풍력발전소 등은 날씨에 엄청난 영향을 받기 때문에 전기를 지속적으로 생산하기 어렵다. 하지만 지열은 땅속에서 끝없이 생성되기 때문에, 추출만 한다면 무한히 사용할 수 있다.

• 발전소를 짓기 위한 토지의 사용이 가장 적다

지열은 뜨거운 물에서 열을 추출하고 거기에서 나오는 증기는 전기를 생산하는 터빈을 움직이게 된다. 이 에너지를 추출하기 위해서는 상당히 많은 양의 배관이 지하에 설치되어야 하는데 지열 에너지 기술이 점점 발달함에 따라 발전소를 짓는 토지면적 또한 다른 발전소에 비하여 가장 작게 건설할 수 있다. 때문에 전기 생산 비용 또한 매우 저렴하지만 초기 건설 비용이 막대하게 들기 때문에 발전소를 짓기만 한다면 저렴한 전기 생산 비용으로 몇년 후에는 다른 발전소에 비하여 비용적으로 더 절약할 수 있다.

• 기술 혁신

친환경 에너지에 관해서는 지열은 가장 먼저 연구되고 있는 유형 중 하나이다. 이를 향한 새로운 기술과 혁신이 계속 연구되고 있고 시간이 지남에 따라 이러한 기술적인 난제들이 점점 해소될 것이다. 미래에는 지열의 더 낮은 온도에서도 같은 양의 전기를 생산해내는 기술이 발전할 것이다.

• 소음 공해 없음

지열 시스템은 냉동고나 냉장고와 똑같은 원리를 사용하며 다른 발전에 비하여 소음도 별로 없다. 발전소 건설 시 지역주민들의 반대가 극심한 핵발전소와는 달리 아주 조용하고 대기 오염도 없으니 주민들이 반대할 이유도 없다.

• 무료 온수 생산

추가적인 이점으로 지열 시스템은 기존 기술보다 더 높은 효율로 전부는 아니더라도 일부의 온수를 발생시킨다. 이는 나중에 사용하기 위해 온수 저장고에 저장하거나 가정이나 기업 등에서 사용할 수 있도록 공급되고 있다.

단점

• 특정 지역에 적합하다

지열을 다루기 위해서는 지표면과 땅속 가까운 곳의 지열을 필요로 하므로 건설 부지를 찾기 위해서는 시간이 오래 걸릴 수도 있고 적합한 곳은 도심과 멀리 떨어져 있을 수 있어 운반비용 또한 상승할 수 있다.

• 지열 발전소는 초기 건설 비용이 높다

지열을 사용하는 발전소는 에너지를 얻기 위하여 땅속 깊숙이 시추를 해야 하기 때문에 사전 조사가 필수적이며 채굴 중 여러 가지 변수가 많아 시추 장비면에서나 인력 부분 그리고 비용적인 부분이 다른 발전소에 비하여 훨씬 많이 들 수 있다.

• 펌프를 가동시키는데 대한 전력 공급 비용

지열 히트펌프를 작동시키기 위해서는 여전히 그것을 작동시킬 수 있는 전력이 필요하다. 지열 에너지는 무한히 생성되지만 그것을 수집하고 채취할 펌프는 여전히 전력이 필요하며 채취를 위하여 펌프의 가동만을 위한 태양 전지판을 따로 설치해서 비용을 적게 들이는 발전소도 있다.

• 지열로 인해 지표면이 불안정해질 수 있다

지열발전소를 설치하면 땅의 구조가 바뀔 수 있기 때문에 지열은 지진을 일으킬 수 있다. 때문에 지진을 일으키지 않게 하기 위하여 기술적으로 많은 논의가 이루어지고 있다.

• 환경 문제

지열 발전소는 발전 과정에서 많은 물을 사용하기 때문에 물 사용에 대하여 다양한 프로세스가 있다. 하지만 공정 중 이산화황이나 실리카를 배출할 수 있어 이것을 공정 중에 제거해주지 않으면 그대로 대기나 땅으로 방출돼 환경오염을 일으킬 수 있다.

• 발전소 건설의 어려움

발전소를 건설하는 과정에는 최소 2군데의 땅을 깊숙이 파야하므로 채굴 중에 때때로 엄청 단단한 암석을 만날 수 있어 그 암석을 뚫는데 어려움이 있을 수 있다.

• 지속 가능성 문제

대부분의 연구 결과에 따르면 땅속 깊숙한 곳의 지하수는 계속적으로 채취할 경우 그 양이 한정적이라 결국에는 고갈될 수 있다. 지하수가 채워지는 것보다 채취하는 것이 더 많은 경우라면 그것이 더 가속화될 수 있다. 때문에 지하수 외 다양한 지열 에너지를 얻기 위해서는 지속 가능한 지하수 자원을 확보하고 여러 군데의 시추를 통해 공급원을 다변화해야 한다.

• 전력 공급유통 비용

어떠한 곳에서는 지열발전소가 도시에서 멀리 떨어져 있어 전력을 운송하는 추가 비용이 들게 된다. 또한 중간중간 전력을 강화하기 위한 장치를 설치해야 하는 등 지역적인 제한을 타파하기 위하여 여러 연구가 필요한 상황이다.

참고자료

• 〈지열 에너지〉, 《위키백과》
• 〈지열〉, 《네이버 지식백과》
• 백승일, 〈1부. 지열에너지에 대해 얼마나 알고있나요〉, 《에너지설비관리》, 2017-04-19
• 〈지열에너지(地熱에너지)〉, 《한국민족문화대백과사전》
• 한국중부발전, 〈날씨 영향을 받지 않는 신재생에너지–지열에너지〉, 《네이버 블로그》, 2018-11-08
• 신재생에너지, 〈지열-시스템 히트펌프의 원리와 특장점〉, 《네이버 블로그》, 2014-01-30
• 보니 보니화니, 〈지열 에너지의 다양한 장단점〉, 《아이디어+》, 2021-02-20

같이 보기

• 지열발전
• 가스
• 온수

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산업 : 산업, 산업혁명, 기술, 제조, 기계, 전자제품, 정보통신, 반도체, 화학, 바이오, 건설, 유통, 서비스, 에너지 □■⊕, 전기, 소재, 원소, 환경, 직업, 화폐, 금융, 금융사, 부동산, 부동산 거래, 부동산 정책, 아파트, 건물, 토지 에너지 SMR • 가속운동 • 가시광선 • 가열 • 각속도 • 감마선 • 감속운동 • 강력 • 고압 • 고온 • 고전역학 • 관성력 • 관성모멘트 • 광선 • 광속 • 광전자 • 광전효과 • 광합성 • 기압 • 냉각 • 냉방 • 뉴턴 • 대류 • 대체에너지 • 동력 • 동력원 • 라디오파 • 마이크로파 • 마찰 • 마찰계수 • 마찰력 • 마찰에너지 • 만유인력 • 만유인력의 법칙 • 무중력 • 물리에너지 • 바이오에너지 • 발열 • 발열반응 • 발화 • 방사선 • 방열 • 베타선 • 복사 • 복사선 • 복사에너지 • 부력 • 불 • 블루에너지 • 빛 • 빛에너지 • 삼투압 • 생물에너지 • 석유에너지 • 석탄에너지 • 섭씨 • 소리에너지 • 소수력 • 속력 • 수력 • 수력에너지 • 수소에너지 • 수압 • 수열 • 수열에너지 • 수직항력 • 신생에너지 • 신에너지 • 신재생 • 신재생에너지 • 알짜힘(합력) • 알파선 • 압력 • 압축응력 • 약력 • 양극선 • 양자역학 • 에너지 • 에너지밀도 • 에너지보존법칙 • 에너지원 • 에너지 효율 • 엑스선 • 엔트로피 • 역반응 • 역파장 • 역학적 에너지(기계에너지) • 열 • 열대류 • 열량 • 열복사 • 열분해 • 열에너지 • 열역학 • 열전도 • 열전도도 • 열전도율 • 열절연 • 열팽창 • 열팽창계수 • 열효율 • 온도 • 온도차 • 왕복에너지 • 왕복운동 • 운동에너지 • 원운동 • 원자력 • 원자력에너지 • 위치에너지 • 음극선 • 응력 • 인공태양 • 인장응력 • 인화 • 입자선 • 자외선 • 자유낙하 • 작용 • 재가열 • 재생에너지 • 저온 • 저압 • 적외선 • 전기에너지 • 전도 • 전자기력 • 절대온도 • 정반응 • 정지에너지 • 조력 • 조력에너지 • 조류에너지 • 줄 • 줄의 법칙 • 중력 • 중력에너지 • 지열 • 지열에너지 • 직사광선 • 직선운동 • 진동 • 진동에너지 • 진자 • 진자운동 • 천연에너지 • 청정에너지 • 친환경에너지 • 칼로리 • 탄성 • 탄성에너지 • 태양 • 태양광 • 태양광에너지 • 태양에너지 • 태양열 • 태양열에너지 • 텐서 • 파동 • 파력 • 파력에너지 • 파워 • 파장 • 폐기물에너지 • 폭발 • 풍력 • 풍력에너지 • 풍압 • 항력(드래그포스) • 해양에너지 • 핵반응 • 핵분열 • 핵분열에너지 • 핵붕괴 • 핵에너지 • 핵융합 • 핵융합에너지 • 화력 • 화씨 • 화학 • 화학에너지 • 회전 • 회전수 • 회전에너지 • 회전운동 • 흡열 • 흡열반응 • 힘 발전 교류발전기 • 마이크로 수력발전 • 물레방아 • 박테리아 발전소 • 발전 • 발전기 • 발전소 • 발전효율 • 변전소 • 비상발전기 • 소수력발전 • 소수력발전소 • 소형모듈원전(SMR) • 수력발전 • 수력발전소 • 원자력발전 • 원자력발전소 • 조력발전 • 조력발전소 • 조류발전 • 조류발전소 • 지열난방 • 지열발전 • 지열발전소 • 직류발전기 • 태양광발전 • 태양광발전소 • 태양광패널 • 태양열발전 • 태양열발전소 • 파력발전 • 파력발전소 • 풍력발전 • 풍력발전소 • 풍차 • 해양 온도차 발전 • 핵융합발전 • 핵융합발전소 • 화력발전 • 화력발전소 • 회전축 연료 CNG • LNG • LPG • 가스 • 가스충전소 • 가연성 • 갈탄 • 개질수소 • 경유(디젤) • 경질유 • 고급휘발유 • 고압가스 • 고체연료 • 그레이수소 • 그린수소 • 기체연료 • 나무 • 난방연료 • 두바이유 • 등유 • 땔감 • 면세유 • 무연탄 • 무연휘발유 • 바이오 • 바이오가스 • 바이오디젤 • 바이오매스 • 바이오에탄올 • 바이오연료 • 방사성물질 • 배기가스 • 배출가스 • 번개탄 • 부생수소 • 분별증류 • 뷰테인(부탄) • 브라운수소 • 브렌트유 • 블루수소 • 석유 • 석유화학 • 석탄 • 셰일가스 • 셰일오일 • 수소 • 수소연료 • 수소전기 • 순도 • 숯(목탄) • 압축가스 • 액체연료 • 액화가스 • 역청탄 • 연료 • 연료첨가제 • 연료화 • 연비 • 연소 • 연탄 • 오일샌드 • 오일셰일 • 옥탄가 • 용해가스 • 원유 • 유사경유 • 유연탄 • 유연휘발유 • 윤활유 • 일반휘발유 • 장작 • 점화 • 정유 • 정제 • 조개탄 • 주입 • 중유 • 중질유(中質油) • 중질유(重質油) • 증류 • 질소산화물 • 천연가스 • 천연자원 • 친환경연료 • 코크스 • 타르 • 텍사스유 • 프로페인(프로판) • 합성경유 • 핵연료 • 혼유 • 혼합가스 • 혼합기체 • 혼합연료 • 화석연료 • 화재 • 휘발유(가솔린) 위키 : 자동차, 교통, 지역, 지도, 산업, 기업, 단체, 업무, 생활, 쇼핑, 블록체인, 암호화폐, 인공지능, 개발, 인물, 행사, 일반