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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.[1][2][3][4]
개요
지열발전은 지하에 있는 고온층으로부터 증기 또는 열수의 형태로 열을 받아들여 발전하는 방식이다. 지열은 지표면의 얕은 곳에서부터 수 km 깊이의 고온의 물(온천)이나 암석(마그마) 등이 가지고 있는 에너지이다. 일반적으로 자연상태에서 지열의 온도는 지하 100m 깊어질수록 평균 3°C~4°C 가 높아지며 지구의 중심부인 내핵은 6,000℃에 이른다. 지대와 발전 방식에 따라 수백m에서 수 km 깊이의 우물을 파기도 한다. 우물로부터 고온의 증기를 얻으면 이것을 증기터빈에 유도하고 고속으로 터빈을 회전시켜서 이와 직결된 발전기에 의해 전력을 생산한다. 우물로부터 분출하는 증기가 습기가 적으면 그대로 터빈에 보내는 형식으로 할 수 있으나 열수로서 분출하는 경우는 그 열을 열교환기에 보내어 물을 증발시켜 터빈으로 보낸다. 또는 물의 온도가 낮은 경우 끓는점이 더 낮은 액체를 증발시켜 터빈으로 보내기도 한다. 지열발전은 말 그대로 지구 내부에 축적된 열에너지를 이용하는 발전 기술이다. 현재 실용화된 지열발전 방식은 천연 지열저류(저축)층을 파서 나온 고온·고압의 수증기, 열수(熱水, 마그마가 식은 후 여러 광물 성분을 분리한 뒤 남은 수용액)를 이용해 발전한다. 수증기와 열수를 전기로 전환하는 기술은 수증기를 그대로 이용하는 증기발전, 물보다 끓는점이 낮은 매개체로 열 교환함으로써 저온역의 열원을 이용하는 바이너리 발전(binary plants)으로 나뉜다. 지열발전은 천연 저열저류층을 채굴하여 에너지를 얻는 종래형 지열발전과 지열저류층의 구조를 개조 혹은 조성하여 생산량을 확보하거나 더 깊은 중심부의 지열자원을 이용하는 비 종래형 지열발전으로 구분한다. 종래형 지열발전은 지열자원을 그대로 이용하는 방식이지만 비 종래형 지열발전은 훨씬 복잡하고 다양한 방법이 존재한다. 이를 총칭하여 증진형 지열시스템(EGS, Engineered/Enhanced Geothermal System)이라고 부르기도 한다.
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. 지열발전은 1913년 세계 최초로 이탈리아에서 상용 운전을 개시한 후 도입이 진전되기 시작했다. 오일쇼크가 발생했던 1970년대 이후부터는 적용 사례가 증가하면서 수력, 풍력, 태양열과 함께 재생 가능 에너지의 하나로써 적용이 확대되었다. 일본에서는 1966년 처음으로 이와테현 소재 지열발전소가 운전을 개시한 이후 1996년까지 설비 용량이 증가했다. 1998년 이후 잠시 정체기를 거쳤으나 2011년 동일본대지진 이후 안정적인 전원 공급을 위한 수단으로 지열발전을 주목하기 시작했다. 동일본대지진이 지열발전 도입 확대의 계기가 된 것은 지열발전을 안정적인 전원 공급을 위한 수단이라고 판단했기 때문이다. 게다가 국가적으로도 고정가격매입제도(FIT)를 통해 지열발전에 높은 매전 가격을 보증했고 국립공원 내의 지열자원 개발에 걸친 규제를 완화하는 등 지열발전 도입을 촉진하는 제도적 배경이 조성되었다.[5][6]
특징
지열발전은 원리적으로 연료를 필요로 하지 않으므로 연료 연소에 따르는 환경오염이 없는 클린에너지이다. 그러나 지열정에서 분출하는 비응축성 가스 중에는 소량의 황화수소가 함유되어 있다. 현재로서는 농도가 낮아 환경기준 이하이므로 문제가 없지만 장차 대량으로 분출하게 된다면 탈황장치가 필요할 것이다. 또 열수 중에는 미량의 비소가 함유되어 있어서 발전 후 모두 지하로 다시 환원하고 있다. 하지만 경제적인 탈비소기술이 확립된다면 이 열수 또한 귀중한 저온열에너지 자원으로 이용할 수 있다.
지열발전의 비용은 대부분을 지열발전소의 건설비와 지열정의 굴착비가 차지하며 지열자원의 질과 발전형식에 따라서도 달라진다. 하지만 화력이나 원자력에 비해 발전소의 규모는 작지만 경제성을 지니고 있는 점이 강점이며 소규모 분산형의 로컬에너지 자원으로서의 특색도 갖추고 있다. 땅속으로부터 끌어올린 뜨거운 증기나 물은 엄밀한 의미에서 재생 가능한 에너지는 아니다. 발전을 위해 빠져나가는 지열의 양이 저장소의 재충전 능력보다 크기 때문에 현재 열저장량은 점차 줄어들고 있다. 오랜 시간이 걸리겠지만 땅 속에서 뜨거운 물이나 증기가 고갈되고 뜨거운 암석층이 식으면 더 이상 열을 끌어올릴 수 없다. 하지만 지구 자체가 가지고 있는 에너지이므로 굴착하는 깊이에 따라 잠재력은 거의 무한이라고 할 수 있다.
구조
- 발전기(generator) : 터빈의 힘으로 회전하는 기계. 역학에너지를 전기에너지로 바꾸어 송전망에 보낸다.
- 응축기(condenser) : 터빈의 증기를 식혀서 물로 응결시키는 회로이다.
- 고압 송전(high-tension electricity transmission) : 전기를 장거리에 보내는 데 고압선을 이용하면 전류의 세기는 줄어들고 그 결과 에너지 손실도 감소한다.
- 전압 승압(voltage increase) : 발전소의 출구 쪽에서 변압기는 전압을 높인다. 이렇게 하면 장거리 송전 중에 에너지 손실을 줄일 수 있다.
- 냉각탑(cooling tower) : 축전기의 뜨거운 물을 공기와 접촉시켜 식히는 장치. 물의 일부는 증발하고, 나머지는 축전기와 대수층으로 다시 주입된다.
- 물(water) : 수소와 산소로 구성된 액체. 100°C에서 증기가 되며 물은 지구 내부의 열을 이동시킨다.
- 하부가압층(lower confining bed) : 물이 침투하지 않는 바위층. 마그마 굄에서 대수층으로 열을 전달한다.
- 마그마 굄(magma chamber) : 열원이 되는 마그마(지구의 지각에서 나오는 용암)가 괸 곳. 열에너지를 물에 전달한다.
- 주입정(injection well) : 물을 대수층으로 되돌리기 위해 땅을 굴착한 시추공. 열이 추출된 물은 이곳에서 다시 가열된다.
- 피압대수층(confined aquifer) : 물이 침투하지 않는 두 지층 사이의 다공성 퇴적암층. 여기에 150~400°C 의 물이 축적된다.
- 생산정(production well) : 땅속으로 파 들어간 시추공. 전기를 생성하기 위해 대수층의 뜨거울 물을 끌어올린다.
- 지열대(geothermal field) : 지구의 지각에 해당하는 영역. 지표 가까이에 갇혀서 괴어 있는 뜨거운 물을 활용할 수 있다.
- 상부가압층(upper confining bed) : 물이 침투하지 않는 바위층. 피압대수층을 덮고 있다.
- 물·증기 혼합물(water-steam mix) : 대수층에서 추출된 뜨거운 물. 지표로 상승하면서 부분적으로 증기로 바뀐다.
- 분리기(separator) : 증기와 물을 분리하는 장치. 터빈을 작동할 수 있게 증기를 복구시키며, 물은 대수층으로 다시 주입된다.
- 증기(steam) : 물의 기체 상태. 증기 압력이 터빈을 작동시킨다.
- 터빈(turbine) : 증기로 움직이는 기계. 터빈에 있는 날개바퀴는 역학에너지를 발전기로 전달하며 이로써 이 기계를 회전시킨다.[7]
분류
- 건증기 방식(Dry Steam) : 지열 저류층의 온도가 높아서 증기만 존재할 때 사용한다. 생산정에서 분출되는 증기를 곧바로 터빈에 보내 발전한다. 단위 생산정당 출력이 5MW 이상으로 매우 높다.
- 습증기 방식(Flash) : 지열 저류층에 열수 또는 열수-증기가 혼합되어 있을 때 적용하는 방식으로 열수를 저압의 탱크로 분무하면 압력 강하로 인해 증기로 바뀌며 이 증기로 터빈을 돌려 발전한다.
- 바이너리 방식(Binary) : 저류층 온도가 180℃ 이하로 증기 압력이 충분하지 않기 때문에 끓는점이 낮은 유체에 열을 전달한 후 유체의 증기압을 이용해 발전을 한다. 현재 가장 일반적이고 널리 채택하는 방식이다. 유체를 응축하는데 별도의 에너지가 필요하며 낮은 온도의 열수로도 발전이 가능하다. 대표적인 예는, 미국 알래스카 체나온천(Alaska Chena Hot Springs) 발전소인데 75℃ 지열수로 200kW급 발전기 2대를 가동하고 있다. 고온 열수 발전에 비해 발전 규모가 작아서 통상 3~5MW 급 터빈을 사용한다.
장점
운영비가 압도적으로 저렴하다. 일정한 출력을 유지하려 추가적인 연료를 투입하는 형태도 있지만 어떤 형태라도 비용이 극히 적고 유지 보수도 간단한 편이다. 아이슬란드는 에너지 자립국으로 막대한 전기가 남아 인접국에 수출도 한다. 데이터 센터, 데이터 마이닝 등도 남는 전기를 바탕으로 활발하게 유치하였다. 이러한 산업 이면에는 지열발전과 수력발전 등의 활발한 개발이 있었다. 날씨의 영향을 덜 받는다. 풍력발전은 풍부하고 일정한 풍량이 보장되는 입지가 제한적이다. 태양광발전은 흐리거나 밤이면 발전할 수 없지만 지열 발전은 날씨의 영향이 적다.
단점
건설 비용이 크다. 적절한 입지 탐지에 많은 비용이 들며 탐지해도 정확한 발전량을 추정하기 어렵다고 한다. 이러한 불안정함은 재정 계획과 투입을 어렵게 한다. 지열발전소를 건설하려면 땅속 깊이 4㎞ 안팎에 달하는 관정 두 개를 뚫어야 한다. 차가운 물을 한 구멍에 집어넣으면 지열로 가열된 증기와 물이 다른 구멍으로 올라오는 방식이다. 이를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생성한다. 지열발전소를 지을 때 반드시 고려해야 하는 게 지진이다. 발전소를 짓는 과정에서 지각 깊은 곳을 들쑤셔야 하는 탓에 방향이나 깊이를 잘못 잡으면 지진으로 이어질 가능성이 있다. 2017년 포항 지진에서의 결론에서도 보이듯 실제로 지진을 일으킬 수 있다는 위험이 있다. 위험하지 않으며 발전에도 적합한 화산활동이 일어나는 곳이 흔치 않고 유의미한 입지는 일부 지역에 불과하다.
국내 현황
세계 현황
각주
참고자료
- 〈지열 발전〉, 《위키백과》
- 〈지열 발전〉, 《나무위키》
- 〈지열발전〉, 《네이버 지식백과》
- "Geothermal power", Wikipedia
같이 보기
