연료가 필요 없어 연료 연소에 따르는 환경오염이 없는 청정에너지
외부 기후에 의존하지 않고 에너지 효율 높고 관리비 적게 들어가
단점-일반지역 건설비용 비싸, 화산 지대가 있어야 건설할 수 있는 지리적 문제
지열발전으로 인한 지각 변동 등은 향후 과제로 떠올라
[에너지단열경제]박장수 기자
지열 에너지의 근원은 방사성 물질의 방사성 감쇠와 화산 활동, 지표면에 흡수된 태양 에너지 등이다.
지열발전은 지열에너지를 이용하는 것으로 지하의 고온층에서 증기나 열수의 형태로 열을 받아들여 발전하는 방식을 말한다.
일반적으로 자연상태에서 지열의 온도는 지하 100m 깊어질 수록 평균 3°C~4°C 가 높아진다. 지대와 발전 방식에 따라 수백m 에서 수km 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.
물의 온도가 낮은 경우 끓는점이 더 낮은 액체를 증발시켜 터빈으로 보내기도 한다.
지열에너지는 깊이에 따라 종류가 달라진다.
천부지열은 땅 속 300m 이내에서 나오는 지열로 주로 냉난방, 온천, 산업 등에 이용되고 있다.
심부지열은 땅 속 수 km 속 고온수를 이용하는데 주로 전력생산 및 난방 등에 활용되며 우리나라는 심부지열발전이 더 유리하다.
우리나라에서는 주로 지열 열펌프 시스템을 통해 건물들의 이산화탄소 배출을 절감하는 그린건축, 제로에너지 건물에 적용시키고 있다.
<지열발전현황>
현재 열을 이용해서 발전하고 있는 곳은 전세계에 널리 퍼져 있다.
가장 큰 규모의 국가는 미국과 필리핀이다.
필리핀은 지열발전으로 전체 전력의 22%를 공급한다.
그 밖에 인도네시아, 이탈리아, 일본, 멕시코, 뉴질랜드 등에도 상당한 용량이 설비되어 있고, 점차 늘어나는 추세이다.
지열발전은 1990년에서 1998년 사이에 약 40%가 증가했다.
가장 많이 증가한 나라는 필리핀으로 지금도 지열발전을 지속적으로 늘리고 있다.
지열을 이용한 전력생산은 본격화 된 1975년 이후 연간 9%씩 증가했고, 직접적인 이용은 연간 6%씩 늘어나고 있다.
우리나라의 경우는 아직까지 온천으로 이용하는 것 외에는 지열에너지를 본격적으로 이용하려는 시도가 그다지 많지 않았다.
최근 들어 제로에너지건축이나 공장, 빌딩 등에서 태양광과 병행해 지열에너지를 이용하는 경우가 늘고 있다.
덧붙여 백두산과 한라산 지역은 휴화산으로 상당한 지열에너지가 존재할 가능성이 있는 만큼 지열발전의 잠재지역으로 꼽히고 있다.
<지열발전의 특징>
지열발전은 이론적으로는 연료를 필요로 하지 않으므로 연료 연소에 따르는 환경오염이 없는 청정에너지이다.
즉, 공해가 없고 온실 효과를 일으키지 않아 친환경에너지인 것이다.
지열에너지는 또 높은 경제성을 지니고 있다.
외부 기후에 의존하지 않고 에너지 효율이 좋으며 수명이 길고 관리비가 적게 들어간다.
그러나 지열정에서 분출하는 비응축성 가스 중에는 소량의 황화수소가 함유되어 있다.
현재로서는 농도가 낮아 환경기준 이하이므로 문제가 없지만 대량으로 분출할 경우 탈황장치가 필요하다.
열수 중에는 미량의 비소가 함유되어 있어서 발전 후 모두 지하로 다시 환원하고 있다.
경제적인 탈비소 기술이 확립된다면 이 열수 또한 귀중한 저온열에너지 자원으로 이용할 수 있다.
지열발전의 비용은 대부분을 지열발전소의 건설비와 지열정의 굴착비가 차지하며, 지열자원의 질과 발전형식에 따라서도 달라진다.
시설투자 비용이 많이 들어 채산성(수입과 지출이 맞아서 이익이 있는 성질)이 떨어진다는 지적도 나오고 있다.
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.
이론적으로 지구의 지열 에너지는 인류의 에너지 수요량을 모두 충족시키기에 충분하지만, 실제로 채산성이 충분한 양은 일부분에 불과하다.
깊은 곳에 위치한 지열 에너지를 이용하는 것은 비용이 너무 많이 들기 때문이다.
즉, 화산 지대가 있어야 건설할 수 있는 지리적 단점이 있는 것이다.
최근엔 기술 발전의 도움으로, 더 넓은 지역에서도 지열을 이용한 가정 난방등이 가능하게 되면서 지열 발전의 발전 가능성을 보여주고 있다.
다만 최근 포항의 사례에서 보여주듯이 지열발전으로 인해 지각 변동을 일으켜 지진이나 기타 재해를 일으킬 수 있는 우려를 낳기도 하고 있다.
<지열 발전의 장비와 용어>
발전기(generator)는 터빈의 힘으로 회전하는 기계로 역학에너지를 전기에너지로 바꾸어 송전망에 보낸다.
응축기(condenser)는 터빈의 증기를 식혀서 물로 응결시키는 회로다.
고압 송전은 전기를 장거리에 보내는 데 사용하며 고압선을 이용하면 전류의 세기는 줄어들고 그 결과 에너지 손실도 감소한다.
전압 승압은 발전소의 출구 쪽에서 변압기에서 전압을 높인 후 장거리 송전 중의 에너지 손실을 줄일 수 있다.
냉각탑은 축전기의 뜨거운 물을 공기와 접촉시켜 식히는 장치로 물의 일부는 증발하고, 나머지는 축전기와 대수층으로 다시 주입된다.
하부가압층은 물이 침투하지 않는 바위층으로 마그마 굄에서 대수층으로 열을 전달한다.
마그마 굄은 열원이 되는 마그마(지구의 지각에서 나오는 용암)가 괸 곳을 말하며 열에너지를 물에 전달한다.
주입정은 물을 대수층으로 되돌리기 위해 땅을 굴착한 시추공으로 열이 추출된 물은 이곳에서 다시 가열된다.
피압대수층은 물이 침투하지 않는 두 지층 사이의 다공성 퇴적암층을 뜻하며 여기에 150~400°C 의 물이 축적된다.
생산정은 땅속으로 파 들어간 시추공으로 전기를 생성하기 위해 대수층의 뜨거울 물을 끌어올린다.
지열대란 지구의 지각에 해당하는 영역으로 지표 가까이에 갇혀서 괴어 있는 뜨거운 물을 활용할 수 있다.
상부가압층은 물이 침투하지 않는 바위층으로 피압대수층을 덮고 있다.
분리기는 증기와 물을 분리하는 장치로 터빈을 작동할 수 있게 증기를 복구시키며, 물은 대수층으로 다시 주입된다.
터빈은 증기로 움직이는 기계로 터빈에 있는 날개바퀴는 역학에너지를 발전기로 전달하며 이로써 기계를 회전시킨다./박장수 기자
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