[지열에너지 활용 및 기술개발 동향 2] 지열발전소의 종류와 특징

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[지열에너지 활용 및 기술개발 동향 2] 지열발전소의 종류와 특징

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

[지열에너지 활용 및 기술개발 동향 2]
지열발전소의 종류와 특징

지열은 일본에 풍부하게 존재하는 신재생 에너지로, 계절과 날씨에 영향을 받지 않으며 지구온난화 가스의 배출이 적은 귀중한 자원이다. 또한, 발전 후의 열수는 지역난방을 비롯하여 어업 및 농업에도 활용 가능하다. 지열발전은 지하에서의 자원 개발이기 때문에 개발 리스크 및 개발비용이 크지만, 국립공원 및 온천과의 공생을 도모하면서 사회적 수용성을 구축하면 지역진흥 사업으로 이어져 향후 전망이 밝은 분야라고 할 수 있다. 본고에서는 지열발전의 개요 및 지열개발의 방법, 열수의 이용 등 지열발전의 종류와 특징에 대해 정리했다.

번역·정리 김대근 기자

지하에는 방대한 열에너지 자원이 있다. 일본에서처럼 화산이 많은 나라에서는 지하 1~3km 정도의 깊이에 천연 열수 및 증기가 고여 있는 ‘지열 저류층’이 있어, 이 저류층을 관통하도록 굴착한 갱정(坑井)에서 증기를 지상으로 빼내는, 이른바 지열발전이 행해지고 있다. 지열발전에서는 지상에서의 연소라고 하는 과정을 거치지 않고 증기를 얻어 발전하기 때문에 지구온난화 가스의 배출이 적고, 계절 및 날씨 등에도 영향을 받지 않는 안정된 발전이 가능하다. 국내에서는 이미 53.5만kW의 지열발전이 행해지고 있으나, 발전 비용의 문제를 비롯해 국립공원 내에서의 개발 규제 및 지역 온천사업자로부터의 개발 반대에 의해 2.374만kW로 추정되는 열수계(熱水系) 자원의 일부가 개발되고 있는 것에 지나지 않는 실정이다. 해외에서도 지구온난화 대책으로서 신재생에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라 최근 지열개발에 대한 관심이 증대되고 있다. 2010년에는 전 세계에서 1089만kW의 발전소가 건설되었으며, 2015년까지 추가로 900만kW 정도의 발전소가 건설될 계획이다. 특히, 독일 및 오스트레일리아 등 일본에서 보면 지열자원이 풍족하다고 보기 어려운 지역에 있어서도 지열개발이 진행되고 있어 주목을 받고 있다. 여기에서는 지하로부터 열수 및 증기를 빼내는 △지열개발의 방법 △발전방법 △열수의 이용 등 지열발전의 종류와 특징에 대해 개략적으로 설명한다.

지열발전의 개요

지구의 크기는 [그림 1]에서 보이는 바와 같이 반경이 약 6400km이며, 지표로부터 수~수십km 깊이의 지각이라고 불리는 영역보다 더 깊이 들어가면 온도가 1000℃를 넘는 고온의 맨틀 또는 핵이 된다. 지구 중심부의 온도는 약 6000℃로, 지구 내부의 99%는 온도가 1000℃ 이상이나 되는 것으로 알려져 있어 지하에는 방대한 열에너지가 있음을 알 수 있다. 지구상의 육지 영역인 지각 내에서는 100m씩 깊어질 때마다 평균 온도가 3℃씩 상승하기 때문에 평균적인 육지 영역의 깊이 약 6km에서는 발전에 필요한 온도(약 200℃)에 이르게 된다. 그러나 현재의 기술로는 맨틀 등 지하 심부의 열에너지를 추출하는 작업이 어려우며, 2km 깊이의 갱정을 굴착하는 것만 해도 수억 엔의 비용이 든다. 따라서 현재 지열개발이 이루어지는 것은 아래 기술에서와 같은 화산지역이 주체가 된다.

지열개발의 방법

(1) 열수계 자원 개발

화산의 근처에서는 지하 수~10km 정도에 마그마 챔버(저장소)라고 하는, 온도가 800~1000℃를 넘는 암석이 용융된 부분이 있어 지하심부의 열에너지를 지하의 얕은 곳까지 옮기고 있다. [그림 2]에서 보이는 바와 같이 지하에 침투된 우수(雨水)가 마그마에 의해 가열되어 지하 1~3km 정도의 비교적 깊이가 얕은 곳에 열수 및 증기의 저장소(천연 저류층)가 형성되는 장소가 있으며, 이를 열수계 자원이라고 한다. 지하의 열수의 유로(流路) 및 저류층은 단층이나 파쇄대라고 하는 개구폭이 수mm~수cm 오더의 균열로 구성되어 있다. 이 저류층에 갱정(생산정)을 굴삭하면 열수 및 증기가 자연적으로 분출되어 발전 등에 이용될 수 있다. 우수에 의한 물의 공급량과 열수 및 증기의 생산량이 균형을 이루게 되면 마그마 챔버의 열은 방대하기 때문에 안정된 열수 및 증기의 생산이 가능하며, 신재생 에너지로 활용될 수 있다. 지금까지 개발되어 온 기존 지열발전소의 대부분이 이 열수계 지열 자원의 개발이다. 또한, 대다수의 지열발전소에서는 발전에 사용하지 않는 열수 및 발전 후의 열수는 다른 갱정(환원정)을 통하여 지하로 되돌리고 있다. 천연 저류층의 존재 양상은 지역에 따라 다양하며, 생산정을 뚫어도 증기를 얻을 수 없는 경우와 증기를 얻었다 하여도 증기 및 열수 중의 용존성분에 의해 갱정 및 배관 등의 부식, 그리고 침전물에 의한 막힘(스케일)의 문제가 발생하기도 하여 개발 리스크 및 발전비용 상승의 원인이 되고 있다.

(2) 고온암체 자원 개발

온도는 높지만, 투수성이 낮기 때문에 우수 등의 침투가 없고, 천연 저류층이 없는 고온의 지층 및 암반을 고온암체 자원이라고 부른다. 고온암체 자원의 개발은 [그림 3]에서와 같이 발전에 필요한 온도(약 200℃ 이상)의 지층 및 암반에 갱정(주입정)을 굴삭하여 이 갱정에서 고압의 물을 암반에 압입해 균열을 진전시킨다. 균열 내의 물은 주위 암반의 가열로 열수 및 증기화되어 인공 저류층이 형성된다. 이 저류층을 향해 별도의 갱정(생산정)을 굴삭하고 균열 내의 열수 및 증기를 꺼내 발전 등에 이용한다. 고온암체발전에서는 저류층을 인공적으로 만들거나 물을 압입하기 때문에 발전비용은 높아질 것으로 예상되지만 저류층의 탐사 및 평가 리스크가 저감되어 출력을 설계할 수 있는 가능성도 존재한다. 지하는 깊어지면 깊어질수록 온도가 높아지며, 우수의 침투도 적어져 고온암체적으로 변한다. 따라서 지하심부의 굴삭기술이 발전되면 개발 가능한 자원량이 비약적으로 증대될 것으로 전망된다. 또 최근 국내외 지열발전소에서 저류층 내의 열수 및 증기의 양이 감소함에 따라 발전량이 저하되는 문제가 있다. 이러한 발전소에서 고온암체 자원 개발기술을 적용하여 저류층에 물을 보급하거나 주위의 암반에 균열을 조성하여 저류층을 인공적으로 확대시킴으로써 출력 증대 및 수명연장을 꾀하는 지열증산시스템(EGS, Enhanced Geothermal System) 기술의 개발이 미국, 독일, 오스트레일리아 등지에서 행해지고 있으며, 일본에서도 적용에 대한 검토가 진행되고 있다.

발전방법

현재, 지열발전의 대부분은 화력발전과 마찬가지로 증기로 터빈을 돌려 발전하며, △드라이 스팀 방식 △플래시 방식 △바이너리 방식에 의한 발전이 있다. 지열발전에서 사용되는 천연 증기 및 열수에는 여러 가지 화학성분이 녹아있는 경우가 많고, 특히 실리카(Silica) 등의 불순물은 화력발전에서 사용되는 물에 비해 100~200배나 많으며, 비응축성 가스는 화력의 수십만 배에 달하는 등 기기의 부식 및 침전물(스케일)의 문제가 발생하는 경우도 있다. 또한 화력발전과 비교하면 온도(1/3)와 압력(1/20) 모두 낮기 때문에 지열발전의 발전 효율은 낮다고 보고 있는 실정이다.

(1) 드라이 스팀 방식

[그림 4]에서 보이는 바와 같이 생산정에서 증기만 분출되는 경우, 드라이 스팀 방식를 취하여 증기를 직접 터빈에 보내 발전한다. 세계에서 최초로 사업용 지열발전이 실시된 이탈리아의 라르데렐로(Larderello), 세계 최대의 지열발전소인 미국의 게이저스(Geysers), 일본 최초의 사업용 발전소인 마쓰카와 지열발전소 등이 드라이 스팀 방식에 의한 발전이다.

(2) 플래시 방식

플래시 방식은 [그림 5]에서 보이는 바와 같이 생산정에서 증기와 열수가 동시에 분출되는 경우, 기수분리기(Steam Separator, 汽水分離器: 수분을 포함한 증기에서 수분을 분리하여 제거하는 장치)에서 증기만을 추출해 터빈으로 보내어 발전하는 방식이다. 기수분리기에서의 열수를 저압으로 한 번 더 끓여 증기를 만들고, 터빈의 저압 측으로 보내어 발전출력을 높이는 더블 플래시 발전도 이루어지고 있다. 일본의 지열발전소의 대부분이 이 플래시 방식에 의한 발전이다. 드라이 스팀 방식도 플래시 방식도 모두 발전에서 이용한 증기는 대기 중에 방출하거나(배압식), 복수기에서 냉각되어 열수로 만들어지며(복수식, 復水式) 한번 더 냉각탑에서 냉각되어 지하로 되돌려진다.

(3) 바이너리 방식

바이너리 방식은 생산정에서 분출되는 증기 및 열수의 온도가 낮고, 플래시 방식에서의 발전으로 충분한 증기를 얻지 못하는 경우, [그림 6]에서 보이는 바와 같이 비점(沸點)이 낮은 매체를 끓여 그 매체의 증기를 이용해 발전하는 방식이다. 저비점 매체로서 펜탄, 부탄, 대체 프레온 등의 유기화합물을 이용하는 유기 랭킨 사이클과 물과 암모니아 혼합체를 이용하는 카리나 사이클이 있으며, 열교환하는 열수 및 증기의 온도가 100℃ 이상인 경우는 유기 랭킨 사이클의 발전 효율이 높고, 100℃ 미만에서는 카리나 사이클의 발전 효율이 높은 것으로 나타났다. 또, 펜탄 및 부탄은 입수가 용이하지만, 인화성이 있고, 대체 프레온은 인화성은 없지만 지구온난화 계수가 높고 가격이 비싸며, 암모니아는 독성이 있다는 특징을 가진다. 최근에는 70℃ 정도의 열수를 이용한 소규모 바이너리 발전의 개발도 진행되고 있으며, 온천지역 등에서 목욕용으로 온도가 높은 열수를 이용해 발전하는 온천발전 등의 도입이 검토되고 있다.

(4) 기타

지하에서 얻어진 증기 및 열수를 분리하지 않고 그대로 터빈에 보내어 발전하는 토탈 플로우 발전 및 2종류 도체(예를 들어, 비스무트·텔루르계)를 양단에서 접합시키고, 접합점에 온도차를 주어 제베크 효과에 의해 발전하는 열전 발전 등이 있으며, 이들의 실용화를 향한 검토가 진행되고 있다.

지열수 이용

지열발전 후의 열수 및 발전에 이용하지 않은 열수는 지역의 난방을 비롯해 농업 및 어업 등에도 이용 가능하다. 열수는 100℃ 이하에서도 식품의 살균 및 가공, 목재의 건조(乾燥)를 비롯해, 온실 및 물고기 양식, 주거 난방, 온천수영장, 도로의 제설 등 온도에 따른 열수 이용(캐스케이드 이용)이 가능하다. 독일에서는 지구온난화 대책으로서 화석연료에 의한 난방을 줄이기 위해 열수 공급이 진행되고 있으며, 이 열수의 생산을 위해 지하 심부의 개발이 진행되고 있다. 운터하힝(Unterhaching)에서는 지역난방용으로서의 열수 생산을 목적으로 ‘지열증산시스템(EGS)에 의한 지열 개발’이 진행된 결과, 깊이 3580m에서 133℃의 열수를 얻을 수가 있었으며, 발전도 가능하게 되어 2007년에 3360kW의 바이너리 발전을 개시했다. 여름철은 발전을 주로 하고, 겨울철은 지역난방이 주가 되는 운전을 실시하고 있다. 또, 아이슬란드의 스바르트셍기(Svartsengi) 지열발전소(출력 7.65만kW)에서는 발전 후 약 90℃에서 매초 약 475kg의 열수를 근처의 거대한 풀(pool)에 모아 미네랄 성분이 풍부한 온천으로서 일대 관광지(블루라군)를 형성하고 있다.

지열발전 개발의 현황 및 과제

일본에서의 지열발전은 1970년대의 석유위기에 따라 국가의 지원하에 개발이 진행되었으며, 1990년대 초에는 국내의 총 발전출력이 50만kW를 넘어서기에 이르렀다. 그러나 그 후의 경기 침체 및 석유가격 안정 등으로 인해 국가의 지원도 줄고 개발이 부진하여 발전 전력량은 서서히 저하되고 있다. 2011년도의 동일본 대지진 및 후쿠시마 제1원자력발전소 사고로 일본 국내에서도 신재생에너지의 개발에 주목해 지열개발에 대한 국가적 지원이 다시 재검토되었다. 2012년 7월에 시작된 고정가격매입제도(FIT)에서는 지열발전에 따른 매입가격이 출력 1.5만kW 이상에서는 27.3엔/kWh, 1.5만kW 미만에서는 42엔/kWh로 높은 가격이 설정되었다. 또 환경성에서는 2012년 3월에 국립공원 내에서의 지열개발을 경우에 따라서는 허용한다고 발표했다. 이로 인해 현재 국내의 많은 장소에서 지열개발을 위한 조사가 이루어지고 있으나, 대규모의 지열발전에서는 개발지점의 결정에서부터 발전소의 운전 개시까지 △지하조사 △환경영향평가 △발전소 건설 등에 약 10년 정도의 시간이 소요되므로 향후 국가의 지속적인 지원이 필요하다. 지열발전은 눈에 보이지 않는 지하에서의 개발이기 때문에 개발 리스크가 크고, 초기 투자액이 큰 데에 비해 발전소의 출력은 화력발전에 비해 작으며 기껏해야 수만kW로 ‘하이 리스크 로우 리턴(High Risk Low Return) 사업’이라고 불리기도 한다. 그리하여 지열 저류층을 향해 굴삭한 갱정에서 기대했던 증기가 생산되지 않아도 저류층에 물 보급 및 저류층을 확대시키고, 또는 인공적으로 저류층을 조성함으로써 안정적인 증기 생산(발전출력의 안정)을 확보할 수 있는 지열증산시스템(EGS)을 확립하여 ‘로우 리스크 하이 리턴(Low Risk High Return) 사업’을 통해 매력적인 에너지 개발을 기대할 수 있게 되었다. 또한, 지열발전에 따른 환경에 대한 영향 평가도 중요한데 지하에서 열수를 생산하거나 지하에 물을 압입함으로써 일어나는 지진 발생에 대한 영향 평가, 그리고 오랜 현안이었던 지열개발을 통한 온천에 대한 영향 평가에 있어, 보다 객관적·과학적인 검토 및 논의를 거쳐 지열발전의 사회적 수용성을 구축하는 일도 중요하다. 한편, 많은 관광객들의 견학 방문으로 인해 관광자원의 하나로서 추가되는 경우도 있다. 따라서 개발에 대한 지역의 이해를 얻고, 지열발전소를 견학 코스로 하는 등의 적극적인 홍보활동도 필요하다.