[지열에너지 활용 및 기술개발 동향 4] 온천 바이너리 발전에 대해

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[지열에너지 활용 및 기술개발 동향 4] 온천 바이너리 발전에 대해

2014년 12월 1일 (월) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2014년 12월호 - 전체 보기 )

[지열에너지 활용 및 기술개발 동향 4]
온천 바이너리 발전에 대해
-오바마(小浜) 온천 바이너리(Binary) 발전소(환경성 위탁사업)를 중심으로 살펴본-

바이너리 발전은 가열원에 의해 비점이 낮은 매체를 가열·기화시켜 그 증기로 터빈을 돌려 발전하는 방식이다. 가열원 계통과 촉매 계통의 2개의(Binary) 열사이클을 이용하여 발전을 하기 때문에 바이너리 사이클 발전이라고도 부르며, 지열발전과 해양온도차 발전 등이 여기에 속한다. 2010년 이후 일본 국내에서는 바이너리 발전시스템의 시장 참여와 움직임이 활발하게 이루어지고 있어 미래 기술경쟁에 의한 시스템의 저가격화, 소형화, 발전효율 향상 등이 실현될 것으로 예상되고 있다. 또한 바이너리 발전 시스템의 활용에 의해 향후 온천발전의 보급 및 시장확대도 기대되고 있다. 본고에서는 일본 오바마(小浜) 온천에서의 미이용 온천수를 이용한 온천 바이너리 발전설비에 대해 소개한다.

번역·정리 김대근 기자

나가사키현(長崎縣) 남동부·시마바라 반도(島原半島)의 서해안에 위치한 운젠시(雲仙市)의 오바마(小浜) 온천은 일본 굴지의 온천자원이 풍부한 곳으로 약 30개의 원천을 보유하고 있으며, 온천은 약 100℃로 용출량은 휴지정(休止井, Suspended Well)을 포함하면 하루 약 1만 5천 톤에 달한다. 그러나 이 온천수의 약 70%의 열에너지가 미이용 상태로 그냥 바다에 흘려 보내지고 있으며, 사용하는 물도 목욕용으로 맞추기 위해 물을 더 첨가하여 온도를 낮추고 있는 것이 실정이다. 이 온천지에 발전계획이 제기된 2004년경에는 지역주민에 의한「온천을 지키는 모임」이 결성되고 지열발전 사업에 대한 반대운동이 벌어져 계획은 결국 실현에 이르지 못했다. 이는 기업·자치단체 주도의 사업에 있어 지역과의 협의 및 조정 부족, 그리고 그에 기인하는 불신감이 원인인 것으로 여겨지고 있다. 그 후 2007년부터 나가사키 대학이 중심이 되어 미이용 온천 활용 문제에 대해 지역과의 접촉을 시도, 2010년부터는 매달 1회 정기적으로 회담을 개최하여 의견교환을 거듭해 온 결과,「미이용 온천열은 오래 전부터 생각해왔던 문제이다」,「유모미(뜨거운 온천수를 식히는 작업)를 대신하여 발전을 이용할 수는 없는가」,「(과거, 지역주민들에 대한 설명 부족으로 계획이 중단되었다. 지역주민들에게 관련 내용을 철저히 주지시키는 일이 중요하다」등 지역의 입장을 헤아릴 수 있는 자리가 마련되었다. 온천에 대한 영향을 우려하는 현지인들에게 기존의 미이용 온천열만을 사용하는 계획이라는 점을 철저히 주지시키고, 발전사업을 통한 지역의 혜택 창출 방안 관련 지역과 공동으로 검토하겠다는 문제에 대해서도 의논하는 등, 지역주민의 이해를 얻고자 하는 노력을 꾸준히 이어나갔다. 이러한 경위를 바탕으로 온천사업자와 지열자원 개발업자의 대립 구조를 극복한 지역 주도의 바이너리(Binary) 발전 사업화를 목표로 활동이 추진되고 있다.

오바마(小浜) 온천 바이너리(Binary) 발전설비의 개요

온천 바이너리 발전 사업화 실증시험의 개요

나가사키현(長崎縣) 운젠시(雲仙市)의 오바마정(小浜町)에서 미이용의 온천수를 이용한「온천 바이너리 발전」의 실증시험을 2013년 4월부터 실시하였다. 이 실증시험은 환경성이 2011년도에 공모한「챌린지(challenge) 25지역 만들기 사업」(현재는 저탄소 지역 만들기 집중 지원 모델사업으로 명칭 변경)에 의한 위탁사업이며, 주식회사 에디트(후쿠오카현 후쿠오카시)가 수탁했다.

(1) 목적

본 업무는 온천지에서 100℃ 가까이의 미이용 고온열수를 이용한 온천 바이너리 발전설비로 실증운전을 실시하여 이산화탄소 절감효과 및 비용절감 방책, 사업성·채산성 및 파급성 등에 대한 검증 실시를 목적으로 한다.

(2) 목표

본 업무의 목표는 고온 온천수로 온천발전을 운전·실증하고, 사업화의 체계를 나타냄과 동시에 비용절감 방책을 제안하여 온천사업자의 지열사업에 대한 활동을 촉진시키는 것이다. 이를 위해 온천 바이너리 발전실증을 통해 사업화 가능성에 대한 검토를 실시하고, 전국의 온천지 활성화 방책의 하나로서 온천발전 사업화의 선도적 역할을 수행할 것을 목표로 한다.

(3) 사업내용(연도별 환경성 위탁내용)

① 2011년도: 실증시험 계획의 입안

② 2012년도: 온천 바이너리 발전소 건설

③ 2013년도: 온천 바이너리 발전 실증시험

발전소의 개요

(1) 설비의 전체배치

발전소의 위치는 [그림 1]에서 보이는 바와 같이 오바마 온천 지구의 남서쪽(운젠의 등산로 입구 근처)에 있으며, [그림 2]에서 ①~③이 열원이 되는 3개의 온천원이고, ④가 발전한 전력의 공급처이다.

①: 오바마 마린파크 온천원

(통칭,「홋토훗토105」라는 족탕으로 사용)

②: 오렌지 베이 온천원(민간 호텔「오렌지 베이」에 사용)

③: 오바마 마리나 온천원(제염소에 사용)

④: 리프레시 센터 오바마(운젠시 경영의 공공시설)

(2) 발전설비 개요

① 발전규모: 210kW급

최대출력 70kW 발전기×3대

② 사용온천수: 약 100t/h, 약 100℃

③ 발전방식: 마이크로 바이너리 발전 시스템

(㈜고베제강소)

[그림 3]에서와 같이 가열원(온수)에 의해 비점이 낮은 작동매체(대체 프레온)를 가열, 증발시켜 그 증기로 터빈을 돌려 발전하는 방식

* 가열원 계통과 매체(촉매) 계통의 2개의(Binary) 열 사이클을 이용하여 발전하기 때문에 바이너리 발전 사이클이라고 한다.　

④ 발전계통도

[그림 4]에 나타나 있는 대로 온천수는 발전기의 가열원(온수)을 가열하기 위해서만 이용하고, 발전기의 매체 냉각은 냉각탑(쿨링 타워)에 의한 순환 시스템을 채용하여 실시하고 있다. 발전한 전력은 소내전력을 제외한 나머지가 공공시설인「리프레시 센터 오바마」로 공급된다.

⑤ 발전설비의 전체배치

발전소의 전경은 [사진 2]와 같으며, 녹색 지붕의 건물 내에 바이너리 발전기 3대와 온천수 이송펌프 2대 및 각 발전기용 온수 순환펌프와 냉각수 순환펌프(3대씩)가 배치되어 있다. 건물 오른쪽 상단에는 온수 저장 탱크가, 그 왼쪽에는 각 발전기용 1차 열교환기 3대가 나란히 위치해 있으며, 건물의 왼쪽 상단에는 방음벽으로 둘러싸인 냉각탑 6개(2개/발전기 1대)가 늘어서 있다. 발전소의 부지면적은 1,456㎡이며, 이 중 건물의 면적은 196㎡이다.

(3) 발전설비의 특징
① 온천수(100℃ 이하의 물)로 발전이 가능하다. 기존의 지열발전은 증기·열수 사이클만으로 구성되어 지하 깊은 곳에서 꺼낸 고온의 증기로 직접 터빈을 돌리고 있었다. 이에 반해, 바이너리 발전은 지하에서 꺼낸 비교적 낮은 온도(70~100℃ 정도)의 증기·열수로 물보다 비점이 낮은 매체를 가열·증발시켜 그 증기로 터빈을 돌릴 수 있다.

② 새로운 온천정의 굴삭을 실시할 필요가 없다. 온천지 등에서 이미 용출되고 있는 온천을 이용할 수 있다.

③ 날씨의 영향을 받지 않고 발전 가능하다. 태양광 발전 및 풍력 발전과는 달리, 날씨에 좌우되지 않고 24시간 발전 가능하기 때문에 안정된 전력공급이 가능하다.

④ 친환경 발전 시스템이다. 기존의 화석연료를 사용한 발전방식과 비교해 이산화탄소 배출량이 매우 적은 발전방식이다.

바이너리 발전의 과제와 지역 활성화

(1) 과제

온천수에는 흔히 탕화(湯花, 온천에 생기는 침전물)라고 하는 스케일이 포함되어 있는데 스케일의 부착은 발전효율을 저하시킬 우려가 있으므로 그에 따른 대책 마련이 과제가 되고 있다.

(2) 지역 활성화를 위해

실증시험 개시 후 홋카이도(北海道) 및 나가노현(長野縣), 도치기현 등 온천자원이 풍부한 지역의 자치단체 시찰단이 오바마정(小浜町)을 내방하고 있다. 이것은 숙박이 따르는 시찰이기 때문에 지역의 여관 및 호텔에서의 기대도 적지 않다. 오바마 온천 관광협회는「오바마 온천 지오투어」를 기획하고, 환경학습적인 차원에서 수학여행 계획에 발전소 견학 편성으로 고객 유치를 꾀하는 등 발전소 견학을 반영시킨 오바마 온천 홍보에 주력을 다하고 있다. 이와 같이 온천 바이너리 발전은 관광자원으로서의 기대와 더불어 온천지의 활성화 즉, 지역의 활성화로 이어지는 기폭제가 될 것으로 전망되고 있다.

운젠시(雲仙市)의 지열·온천발전을 중심으로 한 신재생에너지의 잠재력은 50MW를 넘어 이 시(市) 전체의 연간 사용량의 8배 이상에 상당한다고 한다. 이 전체를 모두 유효 활용할 수는 없더라도 버려지고 있던 물로 발전 가능하고 환경부하가 적은 발전시설로서 각지의 관심이 모인다면 지역자원을 살린「저탄소 마을 조성과 지역 활성화」에 기여하게 될 것으로 기대를 모으고 있다.