땅속의 무한 에너지, '지열 Geothermal' VIDEO

 

 

 

[VIDEO]

Geothermal Heat Pump Systems

 

Source treehugger.com

 

땅, 바람, 햇빛, 물’ 존재만으로도 감사한 자연이 우리에게 주는 선물. 바로 에너지입니다. 아톰스토리에서는 신재생에너지의 최신 흐름을 알아보고 ‘에너지안보’ 관점에서 국내 자력생산이 가능한 신재생에너지원을 살펴보기 위해 [신재생에너지] 기획을 마련했습니다. 총 10편으로 구성된 기획 중 세번째, 땅이 주는 무한한 에너지 ‘지열 에너지’에 대해 알아봅니다.

 

 

‘지열’ 하면 가장 먼저 연상되는 단어는 아마도 화산, 혹은 마그마일 것이다. 뜨거운 증기를 끊임없이 내뿜는 분화구나 뜨거운 물이 하늘로 솟구치는 간헐천, 유황 냄새 진하게 풍기는 뜨거운 온천에서 온천욕을 즐기거나 달걀을 삶아 먹는 모습들은 다큐멘터리 프로그램에서 쉽게 볼 수 있는 풍경들이다. 그런데 이들이 모두 지구가 생성 당시부터 인류에게 끊임없이 무상으로 제공해 온 ‘에너지’라고 생각하는 사람은 많지 않다.

 

비록 에너지원으로써는 아니더라도 우리 인류는 태고적부터 지열을 활용해 왔다. 가장 대표적인 예가 온천으로, 화산이 없는 우리나라에서도 삼국시대 이전부터 온양, 수안보, 동래, 유성 등에서 온천이 오랫동안 사랑받아 왔다.

 

땅속 에너지를 활용하는 방법

지열(地熱, geothermal)은 영어로 땅을 의미하는 ‘Geo’와 열을 의미하는 ‘therm’ 합쳐진 것으로, 문자 그대로 풀이하면 ‘땅속에 저장돼 있는 열’을 말한다. 지열은 지구가 생성될 때부터 땅속에 저장된 열과 지각을 구성하는 암석에 포함된 방사성 동위원소가 끊임없이 붕괴하며 생성되는 열이 더해져서 만들어진다. 과학자들은 지구의 중심인 내핵이 아직도 6,000도(℃)가 넘을 것으로 추정하고 있다. 이러한 지열을 에너지로 활용할 수만 있다면 인류는 대대손손 에너지 걱정 없이 살 수 있을 것이다.

 

땅속에서 열을 추출하는 매개체는 온천이 그렇듯, 물이 사용된다. 빗물이 땅속 깊은 곳으로 스며들면서 지온에 의해 자연스럽게 데워진 물을 사용하거나 인공적으로 땅속 깊은 곳에 물을 주입해서 데워진 물이나 증기를 지상으로 퍼 올려 사용한다.

 

 
[그림1] 지열수의 온도에 따라 활용 가능한 분야를 정리한 ‘린달 도표’ 

 

지열은 온도에 따라 활용 범위가 매우 넓다. 지열은 활용방식에 따라 ‘직접이용’, ‘간접이용’ 그리고 ‘지열 열펌프’의 세 가지로 나뉜다. 지열수의 온도에 따라 활용할 수 있는 분야를 표로 정리한 것을 ‘린달 도표(Lindal, 1973)’라 하는데, 이 표를 보면 30~50℃의 물을 그대로 활용하는 분야가 대단히 넓은 것을 알 수 있다.

 

온천과 수영장, 가정용 급탕은 물론 온실이나 아파트 단지 등의 지역난방, 양어장 등의 농업분야, 야채나 의류의 건조, 금 침출, 석유회수, 화학 추출 등 산업분야에서도 활용되고 있다. 열을 다른 형태의 에너지로 변환하지 않고 열 자체를 이용하기 때문에 이들을 지열의 ①직접이용이라고 한다.

 

한편 열은 멀리 수송하기 어렵기 때문에 전기로 변환해 송전하게 되는데 이를 지열발전(地熱發電), 혹은 지열의 ②간접이용이라 부른다.

 

화산지대에서는 150℃ 이상의 고온의 증기가 생산돼 충분한 증기압으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 전통적인 방식의 지열발전이 가능하다.

 

최근에는 끓는점이 낮아 저온에서도 기체 압력을 높일 수 있는 ‘2차 유체(binary fluid)’를 이용해 전기를 생산하는 바이너리 발전 기술이 개발됐다. 이에 따라 지열수의 온도가 90℃만 돼도 전기를 생산할 수 있게 됐다.

 

그런데 단지 온도가 높은 것만이 지열은 아니다. 우리나라의 경우, 지하 25m 깊이에서는 대략 16℃ 정도로 일 년 내내 온도가 일정하다. 이렇게 연중 일정한 온도를 건물의 냉난방에 이용하는 ③지열 열펌프 분야는 지열의 또 다른 형태이다.

 

지열 열펌프는 일반적으로 가정에서 쓰는 에어컨에 대비된다. 에어컨의 경우 여름철 실내의 열을 추출해서 실외기를 통해 기온이 30℃가 넘는 건물 밖에 버리게 되는데, 이 과정은 많은 전기에너지를 필요로 한다.

 

추출한 열을 16℃ 정도인 땅속에 버린다면 30℃가 넘는 대기 중에 버리는 것보다 훨씬 수월할 것이다. 이것이 지열 열펌프의 기본적인 원리이다. 연구결과에 의하면 에어컨의 대략 1/3의 전기로도 냉방이 가능한 것으로 알려져 있다.

 

지열을 에너지로 이용하기까지

지하로 내려갈수록 지구의 온도가 높아진다는 것을 인식하게 된 것은 16~17세기에 지하 수 백 미터까지 광산 개발이 이루어지면서부터다. 그러다 18세기에 들어서 최초로 온도계를 이용해 땅속 온도를 측정하게 됐다. 지열을 에너지원으로 이용하기 시작한 시기는 명확하지 않지만, 19세기 초에 이미 에너지원으로써 지열이 이용되고 있었다.

 

대표적인 예로 이탈리아의 ‘라데렐로(Larderello)’ 지역에 설립된 화학공장이 있다. 이 공장에서는 철제 보일러에 붕소가 섞인 지열수를 넣고, 주변 숲의 나무를 때서 증발시킴으로써 붕산을 얻었다. 1827년, 이 공장의 창업자인 ‘Francesco Larderel’은 목재를 에너지원으로 사용하느라 산림이 나날이 고갈되어 가는 것을 보고 목재 대신 지열수를 증발시킬 때 발생하는 열을 이용하는 시스템을 개발했다.

 

라데렐로의 붕산공장은 1850~1875년 사이에 유럽 전체의 붕산시장을 독점하기에 이른다. 1910~1940년에는 토스카나(Tuscany) 지방에서 이 지역의 저압 증기가 산업과 주거용 건축물, 온실의 난방에 이용되기 시작했다. 한편 다른 나라에서도 이 시기에 산업적인 규모의 지열개발이 시작됐다. 1892년 미국 아이다호의 보이시(Boise)에서는 처음으로 지열을 이용한 지역난방시스템이 가동됐고, 1928년 아이슬란드에서도 건물 난방을 위한 지열수의 개발이 시작됐다.

  

 
[그림2] 지열발전의 원리 

 

지열 증기로부터 발전을 이룬 최초의 시도 역시 1904년 라데렐로에서 이루어졌는데, 이 실험의 성공으로 지열에너지의 산업적 가치를 세상에 분명하게 보여주었다. 또한 세계적으로 지열의 이용이 급속하게 확대된 계기가 됐다. 라데렐로의 발전은 상업적으로도 성공을 거둬 1942년에는 12만7,650kWe의 생산용량을 갖췄다.

 

이탈리아의 이러한 성공을 거울삼아 다른 나라에서도 발전을 위한 움직임이 뒤따랐다. 2010년 기준 전 세계적으로 10.7GWe의 지열발전소가 가동되고 있는데, 이는 대략 원자력 발전소 11기가 발전하는 양에 해당된다.

 

지열발전의 장단점

지열은 바람이 불지 않거나 비가 오면 가동을 멈추는 풍력, 태양광 등의 신재생에너지원과는 달리 지하로부터 안정적으로 에너지를 공급받기 때문에 일 년 365일, 하루 24시간 끊임없이 에너지를 생산할 수 있다.

 

또한 에너지를 땅속에서 생산하기 때문에 발전소나 열 활용시설이 차지하는 면적 즉, 지상 설비의 규모가 동일 용량의 다른 신재생에너지원에 비해 작다. 땅속에서 열만을 추출하기 때문에 환경오염 물질의 배출이 거의 없어서 환경친화적이고, 일단 건설되면 유지보수비가 상대적으로 저렴하다는 경제적인 이점도 있다.

 

하지만 지열에너지를 지상으로 추출하기 위해서는 땅속 깊은 곳까지 시추해야 해서 초기 투자비용이 높다. 게다가 우리나라와 같이 비화산지대에서의 지열 개발은 아직 경제성이 크지 않다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 우리나라는 물론이고 세계 각국에서 많은 연구자들이 비용을 절감할 수 있는 시추기술 등 기술 개발에 매진하고 있다.

 

우리나라에는 충분히 개발할 가치가 있는 많은 양의 지열에너지 자원이 땅속에서 잠자고 있다. 이 에너지는 써도 고갈되지 않는 국산 재생에너지, 이산화탄소 배출이 없는 깨끗한 에너지, 그리고 일 년 내내 필요할 때 언제 어디서나 사용할 수 있는 유비쿼터스 에너지이다. 이에 적절한 투자와 지원, 연구개발이 이루어진다면 1차 에너지의 97%를 수입에 의존하고 있는 우리나라의 에너지 자립화에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

 

[본문]

http://www.dongascience.com/sctech/view/657

 

[글쓴이]

이태종 한국지질자원연구원 지열자원연구실 책임연구원

 

※출처 : 아톰스토리 '에너지자료'(http://atomstory.or.kr/p/38423/)
아톰스토리(http://atomstory.or.kr/)에서 원자력, 에너지와 관련된 더 많은 자료를 볼 수 있습니다.

 

 

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