[지열에너지 활용 및 기술개발 동향 1]

심부지열 발전, 국내에서도 본격화
포항ㆍ광주ㆍ울릉도 등 실증 및 타당성 조사

 

정리 김동기 기자
 

부존자원이 부족한 국내의 상황에서 에너지 자급의 한 대안으로 지열발전이 주목받고 있다. 지열발전은 개발 초기 화산지대를 중심으로만 활용이 가능한 것으로 알려졌으나 최근 EGS기술이 보급되며 국내에서도 그 활용 가능성이 충분한 것으로 알려졌다. 특히 심부지열 발전은 환경오염이 적으며 추가 연료의 첨가 없이도 지속적인 발전이 가능해 국내 환경에 적합한 발전 방식으로 평가받고 있다. 심부지열발전은 땅속 지열을 이용하는 기술로 지하 수㎞까지 시추해 100도 이상 고온의 물을 지상으로 끌어올려 발전기 터빈을 돌려 전기를 생산하게 된다. 전기를 생산하는데 추가로 에너지를 투입할 필요가 없고 24시간 안정적 발전이 가능해 분산전원은 물론이고 기저 발전 역할도 수행할 수 있다.

 

<심부지열의 이용기술>

심부 지열을 이용한 발전기술은 크게 그 활용기술에 따라 고온 열수발전 기술, 저온 Binary 발전 그리고 최근 그 활용성이 주목받고 있는 EGS 등으로 구분된다.

 

<고온 열수발전 기술>

고온 열수발전은 지하 2~3km 깊이에 부존하는 고온 지열 저류층에 시추공을 굴착해 스스로 솟구치는 증기로 발전기 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 지열 저류층이 존재하기 위해서는 열원, 저류구조, 유체의 조건을 갖추어야 하며, 주로 화산지대에서 이뤄지게 된다. 현재까지 지열발전의 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 1904년 이탈리아 투스카니 지방의 Larderello에서 지열증기를 이용해 전구 5개를 밝힌 것이 시초이며, 1913년에 이 지역에서 상업적 발전을 시작했다.

 

<저온 Binary 발전 기술>

지열수는 풍부하게 부존하나 온도가 180℃ 이하로 증기압력이 높지 않을 때 끓는점이 낮은 냉매와 지열수의 열교환을 통해 증기화된 냉매가 발전기 터빈을 돌려 전기를 생산하는 기술이다. 고온 열수발전에 비해 발전소의 규모가 작아 통상 3~5MW급 터빈이 적용되며, 비화산지대에서도 지열발전이 가능케 하는 핵심 기술이다. 1970년대 미국 Los Alamos 국립연구소에서 고온 암반지대를 대상으로 연구를 시작한 후 일본과 영국 등지에서도 시도되었고, 1980년대 말부터 프랑스 Alsace 지방의 Soultz에서 EU 공동 프로젝트로 수행되어 2007년 말에 1.5MW급 발전소를 건설한 것이 효시이다. 미국, 호주, 독일 등지에서 활발히 시도되고 있으며, 독일의 Landau에서 저온 열수발전에 EGS 기술을 접목한 2.9MW열병합발전이 가장 성공적인 사례로 인정받고 있다.

 

<인공지열 저류층 생성기술(Enhanced Geothermal System: EGS)>

비화산지대면서 지하에 충분한 지열수가 부존하지 않을 경우 약 5km 깊이까지 굴착해 수압으로 암반의 균열대를 활성시킴으로써 지열 저류층을 생성한 후 물을 주입하고 가열된 증기를 생산정을 통해 끌어올려 발전하는 기술이다. 지하 심부열을 활용한 발전을 위해 독일, 미국 등이 도입한 최첨단 기술로 지열 자원이 우수한 지역에서 주입정으로 물을 주입해 인공저류층을 통해 고열을 획득한 후, 생산정으로 빼내어 발전하는 방식이다. 특히 지하심부 암반의 기존 균열의 틈을 인위적으로 팽창시키거나 새로운 균열을 생성시켜 암반내의 투수율을 향상시키는 수리자극(Hydraulic Stimulation)기술이 핵심기술이다. 그러나 EGS공법 적용 시 인공 저류층 생성으로 인한 미소진동 발생, 다량의 지하수 사용에 따른 지반침하 발생 등은 환경적으로 해결해야 될 사항으로 지적되고 있다. 호주의 쿠퍼(Cooper), 미국의 코소(Coso), 독일의 란다우(Landau) 등이 대표적이다.

 

<지열발전 국내에서도 실증 눈앞>

기존의 지열발전은 화산지대 국가에서 가능한 것으로 알려져 왔으나, 최근에는 비화산지대 적용할수 있는 EGS기술을 통해 지열발전이 확대되고 있는 추세이다. 국내에서는 포항에 준비되고 있는 국내 최초의 지열발전소가 이 방식을 채용한 발전 방식을 채택하고 있다. 포항 지열발전소는 2015년 상업 운전을 목표로 하고 있으며 상업 운전이 시작되면 우리나라는 아시아에서는 최초로 화산지대가 아닌 곳에서 지열을 이용해 발전을 실시하는 EGS 지열 발전소를 확보하게 된다. 포항 이외에도 현재 도서지역을 대상으로 지열발전을 실시하기 위한 준비도 진행되고 있다. 2007년부터 제주특별자치도와의 협의를 거쳐 2010년 5월에 제주특별자치도와 이노지오테크놀러지 및 한국동서발전, 휴스콘건설과 함께 업무협약을 체결한 제주지열발전 프로젝트가 진행중이다. 예산 1580억원을 확보 사업을 진행하고 있는 것으로 알려졌으며 시추에 필요한 사전 탐사 등의 계획에 있다. 이외에도 광주지역에서는 민관 합동으로 광주지역내 한진 디엔비의 기술을 바탕으로 2014년 심부 3.5km의 시추공을 워터햄머 기법으로 시추했으며 이를 바탕으로 향후 지열발전을 위한 사업을 추진 예정중이다. 또한 2014년 6월부터 산업통상자원부 및 한국전력 합동으로 울릉도 지열발전을 위한 심부지열자원 평가 기술개발사업이 2년 일정으로 진행 중에 있기도 하다.

 

<지열발전의 국제적 동향>

에너지관리공단의 자료에 따르면 현재 전세계 지열발전 설비용량은 12,013MWe로서 현재 건설 중인 지열발전소가 완공되는 2017년에는 13452MWe가 될 것으로 전망된다. 세계의 지열발전 설비용량은 최근 35년 동안 연평균 약 7.9%의 증가율을 보이며 성장해 왔으며, 최근 지열발전 법제화 및 지원정책 확대가 계속되고 있는 것으로 알려졌다. 저온 지열발전 기술개발로 새롭게 지열발전소 건설이 가능한 국가가 늘어남에 따라 지열발전의 세계적 보급과 관련 플랜트 건설시장의 확대가 예상되고 있다. 일본은 2012년 7월부터 지열발전에 대한 FIT제도를 도입했으며 지열자원 개발을 원활하게 하기 위해 지열 근거법의 제정 및 자연공원법 개정 논의가 활발해졌다. 터키, 인도네시아 등의 지열발전 국가들도 새로운 법률 제·개정을 통한 지열발전 시장 육성정책을 적극적으로 시행하고 있다. 국제에너지기구(IEA)는 2020년에는 10MW급 지열발전소가 50개소 이상 건설될 것이고, 2050년에는 전 세계적으로 약 200GW의 지열발전소가 건설될 것으로 예상하고 있다. 이 가운데 EGS 기술에 의한 것이 약 100GW로, 절반 가량을 차지할 전망이다. 비화산지대 EGS 지열발전 실증 프로젝트도 지속적으로 증가하고 있다. 현재 미국, 독일, 호주, 한국 등 전세계 11군데에서 이를 시행 중인 것으로 알려졌다.

<지열발전의 전망>

에너지관리공단 자료에 따르면 국제에너지기구는 2050년까지 지열발전 설치용량 목표 200GW(세계 발전량 기준 3.5%)로 삼고 있으며 이의 50%를 EGS 지열발전으로 확보하려는 로드맵을 갖고 있다고 인용했다. 국내의 경우 2035년까지 신재생에너지 보급률을 11%로 설정해 이를 정책적으로 지원하고 있어 지열 발전도 투자와 기술 개발이 확대될 것으로 전망된다. 우리나라에서도 비화산 지대에서도 활용이 가능한 EGS기술을 도입한 지열발전의 활용이 기대되고 있다. 그러나 아직까지 국내의 기술력은 해외 선진국에 비해서는 열세인 것으로 알려졌다. 특히 지열발전의 상업화를 위해서는 사업비의 50% 이상을 차지하는 시추비용의 획기적 감축, 관련 터빈 기술의 확보, 효율적인 수리자극 기술, 대중 수용성 향상을 위한 미소진동 저감기술개발 등 돌파기술 획득이 필수이지만 아직 국내 기술 자급률은 낮은 상황이다.

 

[참고]
·한국환경정책평가연구원 ‘지열에너지의 환경성 평가 및 환경친화적 이용방안’

·에너지관리공단 ‘신·재생에너지 동향 자료’