지열발전, 천공 아닌 마이크로파로 뚫는다 New drilling tech could tap Earth’s geothermal energy by melting through rocks

드릴 아닌 전자파로 땅속 뚫는다?

마이크로파 이용 시추방법으로 신개념 지열에너지 개발

    자연이 제공하는 에너지 중에서 가장 효율이 높고 그 양도 무궁무진해서 가장 먼저 상용화 가능성이 점쳐졌던 신재생 에너지는 지열(地熱) 에너지였다.

지구 내부에 숨어있는 열에너지는 화산 분출이나 지진 같은 지질 활동의 에너지원이어서 그 양을 정확히 측정하기란 거의 불가능할 정도로 막대한 규모를 자랑한다. 따라서 지열에너지의 0.1%만 꺼내 쓸 수 있어도 인류가 200만 년 간 사용할 수 있는 에너지를 확보할 수 있다는 것이 전문가들의 의견이다.

Paul Woskov of MIT holds water-cooling lines leading to a test chamber, and a sample of rock with a hole made by a beam from a gyrotron. Photo: Paul Rivenberg/MIT

(자이로트론을 이용하여 땅속을 뚫을 수 있는 새로운 시추 방법이 개발됐다 ⓒ MIT)

New drilling tech could tap Earth’s geothermal energy by melting through rocks An abundant source of geothermal energy exists far, far beneath our feet, but accessing it isn’t exactly easy. Ordinarily, drilling methods are unable to break through the dense rock and high-pressure conditions encountered when trying to dig down that far. However, a new type of “enhanced” drilling system may be able to help. View full text https://www.digitaltrends.com/cool-tech/new-geothermal-drilling-tech-melt-rocks

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문제는 지열에너지를 꺼내 쓰는 방법이 만만치 않다는 점이다. 지금까지는 드릴로 땅을 뚫어 에너지를 꺼내는 기계적 과정을 거치는 것이 유일한 방법이었는데, 압력과 지반 붕괴 같은 문제로 개발에 한계를 보여왔다. 더군다나 이 과정에서 지진을 유발할 수도 있다는 사실이 밝혀지면서 지열에너지 발전은 더 이상 도약하지 못한 채 제자리에서 머무르고 있었다.

 

아일랜드의 지열발전소 전경 ⓒ 원자력환경공단

그런데 최근 들어 미국의 연구진이 드릴이 아닌 마이크로파(microwave)를 이용한 시추 방법을 통해 이전과는 전혀 다른 신개념 지열에너지 발전 방법을 개발하고 있어 관심이 모아지고 있다.

마이크로파를 드릴처럼 사용하는 시추 작업

지열은 깊이 파고 들어가면 갈수록 더 강한 에너지를 얻을 수 있다. 하지만 한계가 있다. 현재 상업화된 지열 발전은 대부분 깊이가 3km 이내이고, 연구 목적으로 파내려 간 깊이도 10km가 채 되지 않는 것으로 알려져 있다.

지표에서 얼마 들어가지 않은 위치의 지열은 높지 않아서 발전 효율이 떨어지고, 깊이 파고들면 비용이 많이 들어서 경제성이 낮아진다. 또한 드릴로 시추하는 과정에서 발생하는 진동과 충격이 주변 지층에 영향을 미쳐 지진이나 지하수 오염 문제를 유발할 수도 있다.

이 같은 문제를 해결하기 위해 미 MIT공대의 ‘폴 우스코프(Paul Woskov)’ 교수는 지난 2008년부터 드릴 대신 마이크로파를 이용하여 지하 수십 km 속에 묻혀 있는 지열에너지를 꺼내는 연구를 진행하고 있다.

우스코프 교수는 “드릴이 아닌 마이크로파를 이용하여 지각을 뚫기 위해 자이로트론(gyrotron)을 활용하고 있다”라고 소개하면서 “마이크로파가 마치 드릴처럼 지하에 있는 흙과 암석을 녹여 구멍을 뚫기 때문에 훨씬 깊이 뚫을 수 있고, 주변에 미치는 영향도 적어서 지진 같은 지반 구조의 이상 현상이 발생할 가능성이 적다”라고 밝혔다.

자이로트론이란 발진기 내부에서 고에너지를 가진 전자기파를 마이크로파로 변환시키는 장치를 말하는 것으로, 연구진이 개발한 자이로트론은 30~300GHz 주파수를 이용한 10KW급 발진 장치다.

전자레인지 원리를 이용하여 기계적 시추 방식의 한계 극복

현재 MIT대 연구진은 알타록(AltaRock)이라는 지질에너지 전문 스타트업에 마이크로파 관련 기술 이전을 시도하고 있다. 알타록은 과거 휴화산이 가진 지열에너지를 이용하여 신재생에너지를 공급하는 프로젝트를 추진하면서 주목을 끌었다.

높은 열을 가진 휴화산의 지하에 물을 주입하여 끓인 후, 여기서 생성된 수증기를 이용하여 전력을 생산하겠다는 야심찬 목표를 갖고 있었다. 당시 과학자들은 온도가 650~1200℃에 달하는 화산의 마그마를 이용하면 이론적으로 가능하다는 의견을 제시한 바 있다.

비용 및 안전 문제로 인해 알타록의 이 같은 계획은 보류됐지만, 아직도 CEO를 맡고 있는 ‘수전 페티(Susan Petty)’ 대표는 “화산의 지열을 이용한 발전 단가가 화석에너지와 비교할 때 가격과 효율성 면에서 충분히 경쟁력이 있다”라고 주장하고 있다.

MIT공대가 알타록에 이전을 추진하고 있는 기술의 핵심은 기계식 드릴링 시스템에 비해 소요되는 비용은 절반 이하이지만, 깊이는 10배 이상을 뚫을 수 있는 마이크로파 발진 장치다.

물론 현재 지하 시추를 위해 사용하고 있는 드릴 시스템도 나름대로의 장점을 갖고 있는 기술이다. 특히 시추 과정에서 암반을 만났을 때는 마이크로파보다 월등한 속도와 세기로 파괴할 수 있기 때문에 기간을 대폭 앞당길 수 있다.

마이크로파를 이용하면 암석도 녹일 수 있다 ⓒ MIT

그러나 지하는 암반 외에도 여러 가지 해결해야 할 문제들이 많은 공간이다. 특히 진흙층을 만나게 되면 기계적 드릴 시스템은 압력에 의해 벽면이 무너지거나, 드릴이 헛도는 현상 등으로 인해 작업이 계속 지연된다는 것이 우스코프 교수의 설명이다.

그는 “이 같은 문제는 그동안 드릴 시스템의 한계로 지적되어 왔다”라고 언급하며 “현대 과학으로는 드릴이 지하 10km를 넘어서는 깊이를 뚫을 수 없다는 것이 상식이지만, 마이크로파를 사용하면 이론적으로 가능하다”라고 주장했다.

우스코프 교수가 밝힌 마이크로파의 시추 원리는 바로 전자레인지의 원리와 비슷하다. 마이크로파가 음식 속에 있는 물 분자를 마구 흔들어서 빠른 속도로 움직이게 되면 열이 나면서 음식을 데우는 원리를 그대로 땅속에 적용한다는 것.

우스코프 교수는 “마이크로파의 강도를 높이면 지하에 있는 흙과 돌이 마치 눈이 녹듯이 녹아버리게 된다”라고 설명하며 “이렇게 녹아 버린 흙과 돌이 구멍의 벽면을 코팅하여 무너지는 것을 막아주기 때문에 마이크로파는 계속 직진하면서 내려갈 수 있는 것”이라고 강조했다.

그러면서 “아직은 먼 훗날의 이야기일 수도 있지만 마이크로파를 이용하여 지열시스템을 안정적으로 공급할 수 있게 된다면, 미국 내 에너지 소비의 10%를 지열에너지가 담당할 수 있을 것”이라고 기대했다.

김준래 객원기자 stimes@naver.com sciencetimes

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