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지열발전소
지열발전소(Geothermal power station, 地熱發電所)는 열에너지원으로 지열을 이용하여 터빈을 가동하여 전기에너지를 발생시키는 발전소이다. 지열발전소는 시추공을 통하여 지하에 저류되어 있는 지열유체를 분출시키거나 물을 주입시켜 고온의 물이나 수증기를 뽑아내어 그 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전방식이다.[1]
개요[편집]
지열발전소는 지중으로부터 분출하는 증기를 그대로 혹은 그것을 열원으로 하여 다른 매체를 증기로 하여 터빈을 운전하여 발전한다. 지열발전소의 근원이 되는 열에너지인 지열은 지표면의 얕은 곳에서부터 수 km 깊이에 존재하는 뜨거운 물과 암석을 포함하여 땅이 가지고 있는 에너지를 말한다. 태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며 지구 내부로부터 방사성물질의 붕괴에 의한 열이 지표로 전달되고 있다. 지열 지대로부터 얻어지는 고온의 증기, 열수 외에 지하의 고온 암체에 지상에서 물을 쏟아부어 그것을 열원으로서 이용하는 고온 암체 발전도 최근 주목을 받고 있다. 지열은 태양과 지구가 존재하는 한 계속 생성되는 에너지의 보고로서 지열에너지원은 무궁무진하다 할 수 있다. 맨틀의 대류에 의한 지각판의 경계에서는 화산활동과 관련된 고온 지열 지대가 존재하여 지표 근처에서 100℃ 이상의 온도를 보이는 곳도 많으며 대부분의 지열발전소가 이러한 곳에 위치하고 있다.
지열발전소는 다른 대부분의 재생에너지원과 달리 24시간 중단되지 않고 제공될 수 있어 국가의 기초에너지로서의 역할을 담당할 수 있는 장점이 있다. 지열발전의 규모는 지역의 에너지자원과 발전 요구량에 따라 100kW에서 100MW 규모를 가지고 있다. 우리에게는 생소한 개념이지만 화산지대에 있는 나라들은 이미 100년 전부터 땅속의 뜨거운 열기인 지열을 활용해 전기를 생산해 왔다. 미국 에너지부에 따르면 시험 발전용과 현재 폐쇄된 발전소 포함한 전 세계 지열발전소는 200여 개로 추정된다. 설비용량(최대 가능 전력량)은 2018년 기준 14만 3690㎿로 전 세계 에너지 소비량의 0.5% 수준에 그치지만 원자력발전소나 석탄, 화력발전처럼 방사성폐기물, 이산화탄소와 같은 부산물을 배출하지 않는 신재생에너지라는 장점을 가지고 있다. 2018년 지열발전으로 생산되는 발전량 14만 3690㎿ 중 미국, 인도네시아, 필리핀, 터키, 뉴질랜드, 일본 등 화산지역 인근에 위치한 10개 국가가 생산하는 발전량은 13만 480㎿로 전체 중 93%를 차지하며 세계 최대 지열발전소로 꼽히는 미국 게이저콤플렉스에는 지열발전소 22개가 모여 있는데 이곳에서 생산하는 전기는 1,520㎿로 원자력발전소와 맞먹는 수준이다. 지열발전소는 원자력발전소나 화력발전소 등 기존 전력의 대체에너지로 각광받으며 세계 각지에서 앞다투어 개발에 나섰지만 이 과정에서 인공지진을 유발하는 원인으로 지목되었다. 2017년 포항에서 발생한 규모 5.4의 포항지진의 원인이 인근에 지어진 지열발전소 때문이라는 공실 연구 결과에서 볼 수 있듯 지열발전이 지진 등을 수반할 수 있다는 점에서 100% 완벽한 발전이란 없다고 볼 수 있다.[2][3][4]
발전 방법[편집]
- 건조증기
건조증기 발전 방법은 건조증기 시스템을 이용한다. 관정으로부터 나오는 증기(steam)를 터빈으로 직접 보내 발전을 하는 방법이다. 설비용량 기준으로 지열발전소의 약 28%가 건조증기 방식을 이용한다. 이 방식은 관정으로부터 생산되는 지열 유체가 증기만으로 구성될 때 적용 가능한 방식이다. 규모가 큰 건조증기 저류지는 라데렐로(Larderello)와 간헐천(The Geysers)이 발견되었을 뿐이고 일본 마쓰카와, 인도네시아 카오장, 뉴질랜드, 미국 등지에서 제한적으로 건조증기 생산지역이 있다. 이러한 사실은 건조증기 방식으로 지열발전이 가능한 지역이 극히 제한적이며 천혜의 조건을 가져야 한다는 것을 의미한다.
- 증발증기
증발증기 방식은 오늘날 가장 일반적인 지열발전 형태이다. 182℃ 이상의 온도의 물을 이용하는데 고압 상태에서 발전 시설로 양수한다. 발전 시설에 도달하면 압력을 갑자기 낮추어 뜨거운 물의 일부가 증기로 변환 또는 증발하는데 이 증기를 이용하여 발전하는 방법이 증발 증기 방식이다. 설비용량 기준으로 지열발전소의 약 63%가 증발 증기 방식을 이용한다.
- 바이너리 지열발전
바이너리 지열발전은 상기 건조증기, 증방증기 발전 방법과는 차이가 있다. 물이나 증기가 터빈에 직접 접촉하지 않고 또 다른 작동 유체를 덥히는데 이용된다. 이때 열교환기를 이용하게 되고 열교환이 이루어진 작동 유체가 증기화되어 터빈을 돌리는 방식이다. 이 시스템의 장점은 낮은 온도의 유체를 열원으로 사용하여 발전을 할 수 있다는 점이다. 세계적으로 최저온 지열발전이 이루어지고 있는 곳은 알래스카의 체나 핫 스프링(Chena Hot Spring) 지역이다. 이 지역의 경우 1998년 최초로 시추가 이루어진 이래 2004년부터 75℃의 물을 이용하여 바이너리 발전을 하고 있다.
역사[편집]
지열 증기로부터 발전을 이룬 최초의 시도는 1904년 이탈리아 라데렐로(Larderello) 지역에서 이탈리아 사업가이자 정치인이었던 피에로 콘티는 땅속에서 발생하는 열로 증기를 만든 뒤 전기를 생산하는 데 성공했다. 이 실험의 성공은 지열에너지의 산업적인 가치를 세상에 분명하게 보여주었고 세계적으로 지열의 이용이 급속하게 확대된 계기가 되었다. 7년 뒤인 1911년 라데렐로에 세계 최초의 지열발전소가 들어섰다. 라데렐로의 발전은 상업적으로도 성공을 거두어 이탈리아의 이러한 성공을 거울삼아 몇몇 다른 나라에서도 지열발전을 위한 움직임이 뒤따랐다. 1919년에 일본의 첫 번째 지열 시추공이 벳부에 뒤이어 1921년에 미국 캘리포니아의 간헐천(The Geysers)에 굴착되었다. 1958년에는 뉴질랜드에서 두 번째 상업용 지열발전소를 지어 운영하기 시작했고 1959년 멕시코 이후 해가 갈수록 많은 나라가 지열발전을 시작하였다. 제2차 세계대전 이후 많은 나라는 지열에너지가 다른 에너지에 비해 경제적으로 경쟁력이 있다고 판단하여 매력을 느끼게 되었고 이는 지열에너지가 수입에 의존하지 않아도 되는 자국의 에너지이고 또 경우에 따라서 그 지역에서 이용할 수 있는 유일한 에너지원이 될 수 있기 때문이었다. 1970년대 미국에서 '인공저류지열시스템(EGS, Enhanced Geothermal System)' 기술이 개발되면서 지열발전소 건설이 전 세계로 확산되기 시작했다. 인공저류지열시스템은 땅속에 시추공을 넣은 뒤 강한 압력으로 물을 넣어 암석을 파괴한 뒤 인공적으로 저류층을 만드는 기술이다. 이후 EGS 기술은 화산지역임에도 저류구조가 없는 곳에 지열발전소를 건설할 때 사용되기 시작했다. 1977년 미국 펜턴힐 지열발전소가 땅속 2.6㎞ 지점에 저류구조를 만들어 지열발전에 성공한 이후 급속도로 확산되었다.
인공저류지열시스템[편집]
지열발전이라고 하면 일부 한정된 열 구배가 높은 지역에서만 가능한 것으로 인식되어 지열구배가 높지 않은 대부분의 국가에서 기초에너지의 공급원으로 간주하지 않는 경향이 있었다. 하지만 인공저류지열시스템(EGS, Enhanced Geothermal System) 기술을 통하여 지역적 제한에서 벗어난 지열발전의 가능성이 나타나고 있다. 인공저류지열시스템 기술의 기본 개념은 기반암의 자연 절리의 투수율을 증가시켜서 다수정을 시공하고 물을 순환시켜 발전하는 개념이며 EGS 기술은 다가오는 미래의 지열발전에 지대한 공헌을 할 것으로 기대된다. 1970년대부터 상업적 지열발전이 힘든 지역에서 지열을 개발하기 위한 연구로 진행되었고 대표적인 연구 프로젝트로는 미국의 펜턴 힐(Fenton Hill), 코소(Coso), 데저트 픽(Desert Peak) 프로젝트 등이 있다. 최근에는 EU에서 인공저류지열시스템 유럽 주요 프로젝트를 지원하고 있으며 참여 국가로 프랑스, 독일, 이탈리아, 스위스, 미국, 일본 등 나라가 있다. 발전설비는 폐쇄 루프(closed-loop) 순환식으로 운영되므로 온실가스를 발생을 최소화한다. 주요 환경 문제 이슈로는 지하수 사용과 오염, 지진의 발생, 물 주입과 생산의 결과 발생되는 지반 침하 문제 등이 있으나 기술의 발전과 더불어 해결될 수 있는 문제들로 인식되고 있다.[5]
부작용[편집]
미국 매사추세츠공대(MIT)가 2006년 작성한 '지열에너지의 미래'보고서에 따르면 1980년대 인공저류지열시스템(EGS, Enhanced Geothermal System)을 적용한 슐츠 지역에서도 규모 2 정도의 작은 지진이 발생한 것으로 나타났다. 2006년 12월 스위스 바젤 지역에서 규모 3.4 지진이 발생했다. 인근에 있던 지열발전소가 발전을 위해 시추공을 땅속에 넣기 시작한 지 엿새 만이었다. 지열발전소 운영은 즉각 중단됐고 이듬해인 2007년 1~2월에 규모 3.0에 해당하는 지진이 세 차례 연이어 발생했다. 사람이 체감하지 못하는 규모 2.0 이하 미소 지진도 수백 건 일어났던 것으로 밝혀졌다. 3년간의 조사 끝에 당국은 지열발전소가 지진을 초래했다는 결론을 내렸다. 미국 지질조사국(USGS)은 지열발전소에서 나타나는 지진 발생 메커니즘을 두 가지로 설명한다. 다량의 물을 땅속에 주입하면 땅속에 존재하는 단층면 압력이 증가하여 안정한 지층이라 하더라도 많은 양의 물이 스며들게 되면 지층과 지층 사이 단층면에 가해지는 압력이 점점 커지게 되고 결국 불안정해진 단층대가 미끄러져 어긋나면 지진이 발생한다. 두 번째 메커니즘은 물을 주입하고 빼내는 과정에서 토양 지층이 갖고 있던 응력(stress)이 변하면서 발생한다. 물을 주입한 뒤 빼내는 과정이 반복되면서 땅속 압력 환경이 바뀌어 단층이 뒤틀리게 되고 이 과정에서 지진이 발생할 수 있다. 이 같은 지진은 커다란 댐을 만든 지역에서도 발생한다. 2017년 영국 더럼대 연구진이 전 세계에서 발생한 유발지진 700건을 분석한 결과 주입한 유체량이나 댐 규모에 따라 지진 규모에 차이가 있었다. 지열발전소는 1만㎥의 물을 주입했을 때 발생하는 지진 규모는 4.0인 것으로 나타났다. 그런데 포항 지열발전소는 1만 2,000㎥의 물을 넣고 현재 남아 있는 양이 5000㎥ 수준인데도 5.4의 강진이 발생했다. 지열발전소에 넣은 물이 규모 2·3의 작은 지진을 일으켰고 이것이 이제껏 알려지지 않았던 새로운 단층을 건드리면서 규모 5.4의 지진이 발생한 것이다. 결국 포항은 EGS를 운영한 지역에서 발생한 지진 중 가장 큰 규모의 지진이 일어난 지역이 되었다.
포항지열발전소[편집]
경상북도 포항시 북구 흥해읍 영일만대로에 위치한 우리나라 최초 심부지열발전(Enhanced geothermal system) 방식의 지열발전소이다. 발주기관은 지식경제부, 참여기관은 (주)넥스지오, 한국지질자원연구원, 서울대학교, 포스코, (주)이노지오테크놀로지로 구성되어 있었다. 2002년부터 조사하여 2010년부터 발전소를 계획하고 2012년부터 건설을 시작하여 2018년에 완공할 예정이었으며 1,000여 가구에 전기를 공급할 목표로 건설하였다. 기본적으로 심부지열발전 방식을 이용하는데 지하 4~5km 지점에 물을 주입하여 인공적으로 대규모 저류조를 만들고 그곳에서 만들어지는 150~170℃의 뜨거운 물을 뽑아내어 터빈을 돌리는 원리로 가동된다. 아이슬란드처럼 화산 지형이 없더라도 땅속으로 깊이 들어가면 들어갈수록 지각이 뜨거워지는 것을 이용하여 발전하는 방식으로 비교적 최신 지열발전 기술이며 세계 각국에서 연구가 진행되고 있다. 보통 화산지대에서 표면에 나오는 온천수를 활용하거나 깊이 500m~2km 내외에서 뜨거운 물을 뽑아 터빈을 돌리는 발전 방식과 달리 5km 내외의 깊은 심도에서 인공적으로 물을 주입하고 뽑아내는 작업이 이루어지기 때문에 일단 시추공을 뚫는 데도 대규모 자본과 기술력이 필요하며 이런 심부지열발전(EGS) 방식을 도입한 국가는 많지 않은 실정이다. 특히 아시아 국가들 중에서는 포항지열발전소가 사실상 최초라고 볼 수 있다. 또한 심부지열발전(EGS) 특성상 지반침하와 미소 지진이 발생하기 때문에 이를 해결해야 하는 문제도 남아있다. 그런데 2017년 포항 지진의 원인이 포항 지열발전소 때문이라는 주장이 제기되었다. JTBC 뉴스룸에서 발전소가 정부에 보고한 데이터를 입수하여 보도하였는데 물을 주입할 때마다 직후 미소 지진이 발생했던 것으로 드러났다. 과거 포항시에서 일어난 지진은 대부분 해역에서 발생했는데 발전소가 물을 주입할 때마다 인근 2km에서 매번 지진이 발생하였다. 처음 포항시 북구지역에서 발생한 지진은 2016년 12월 23일 규모 2.2의 지진이었는데, 12월 15일부터 22일까지 3,000톤의 물을 지하로 주입한 직후에 발생하였다. 2017년 11월 15일 규모 5.4 포항지진이 발생한 뒤 정부 측에선 포항지열발전소의 공사를 무기한 중단시키고 지질 및 지진 전문가로 구성된 합동 조사단을 꾸려 정밀 진단하겠다고 밝혔다. 2019년 3월 20일 정부 조사연구단이 포항 지진은 지열발전이 촉발이라는 결론을 내렸다. 현재 우리나라에서는 지열발전 연구만 일부 진행될 뿐 가동되는 발전소는 없는 상태가 되었다.[6][7]
각주[편집]
- ↑ 〈지열 발전소〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 원호섭&송경은, 〈(Science) 눈·비 와도 전기생산 '지열발전' 좋은데…지진 유발이 치명적〉, 《매일경제》, 2019-03-29
- ↑ 최준호, 〈포항지진 원흉 지목된 지열발전, 잘쓰면 청정·무한 에너지〉, 《중앙일보》, 2019-04-11
- ↑ 〈지열 에너지의 작동 원리 : 추출 및 사용〉, 《녹색 재생 에너지》
- ↑ 나상민, 〈세계 지열발전 현황 및 EGS 지열발전〉, Korea Science
- ↑ 〈포항지열발전소〉, 《나무위키》
- ↑ 민지수, 〈에너지원의 블루오션 지하, 지진을 피한 개발은 가능할까?〉, 《에너지설비관리》, 2021-03-30
참고자료[편집]
- 〈지열 발전소〉, 《네이버 지식백과》
- 〈포항지열발전소〉, 《나무위키》
- 원호섭&송경은, 〈(Science) 눈·비 와도 전기생산 '지열발전' 좋은데…지진 유발이 치명적〉, 《매일경제》, 2019-03-29
- 최준호, 〈포항지진 원흉 지목된 지열발전, 잘쓰면 청정·무한 에너지〉, 《중앙일보》, 2019-04-11
- 〈지열 에너지의 작동 원리 : 추출 및 사용〉, 《녹색 재생 에너지》
- 나상민, 〈세계 지열발전 현황 및 EGS 지열발전〉, Korea Science
- 민지수, 〈에너지원의 블루오션 지하, 지진을 피한 개발은 가능할까?〉, 《에너지설비관리》, 2021-03-30
같이 보기[편집]
