지열에너지 활용 사례 총정리

오늘은 지열에너지에 대해 알아보려고 합니다. 지열에너지의 뜻은 무엇인지 활용 사례에는 어떤 것들이 있는지 상세히 안내드려요.

 

지열에너지 정의

 

일반적으로 땅을 구성하는 요소에는 토양, 암반, 지하수, 지표수 등이 있는데 이들이 가지고 있는 열에너지 자원으로 정의가 됩니다.

 

지각 및 맨틀을 구성하고 있는 물질 내부의 '방사성원소'가 붕괴, 맨틀과 그 하부 열의 방출에 의해 지하 약 10m 하부에서 대기온도와 무관하게 지하 심부로 내려갈수록 온도가 내려가게 됩니다.

 

 

지열에너지 이용

 

지열에너지를 이용하는 분야는 1) 지열을 이용해 전기를 생산하는 지열 발전, 2) 지중열을 냉난방 시설의 열원으로 이용하는 지중열 히트펌프가 있습니다.

 

 

1) 지열 발전

 

지열 발전은 고온고압 냉매를 통해 발전 터빈을 가동해서 전력을 생산하는 시설입니다. 

 

1. 땅에서 추출한 고온수나 증기(120~350도)의 열에너지로 터빈을 구동해서 전기를 생산하는 지열발전을 의미합니다.
2. 최종 생산물은 전기이고, 화산지대에서 유리하여 지리적 제약이 큽니다.
3. 건증기, 습증기, 바이너리, EGS 발전 등으로 구분됩니다.
4. ESG 발전: 최근 들어 주목받는 기술이며 미국, 유럽의 일부 국가에서 기술개발 중입니다.
   1. 지하 심부의 뜨거운 암반층까지 보어홀을 시추하고 인공 파쇄대를 형성한 후, 이 안으로 물을 주입해서 고온의 수증기를 생성합니다.
   2. 이 수증기를 지상 플랜트 터빈으로 공급하여 전기를 생산합니다.
   3. 고온의 지열자원이 없는 지역에서도 가능한 기술이며 장시간에 걸친 투자와 기술개발이 필요합니다.

 

2) 지중열 히트펌프

 

계절에 따라 변동하는 표면 온도가 아닌 연간 일정한 온도를 유지하는 지중열을 이용해 냉난방을 하는 설비를 말합니다.

 

1. 직접이용 기술 중 가장 큰 부분을 차지하는 기술이며 저온(10~30도)의 지열에너지를 효율적으로 활용하는 지열분야의 대표기술
2. 저온의 에너지를 활용하지만, 연중 일정한 온도를 유지하기 때문에 항온성이 우수하고 지리적 제약이 없는 것이 큰 장점
3. 최종 생산물은 열이며 직접이용의 한 방식이나 통상 구분 (지열 직접이용 기술 중 거의 대부분 차지)
4. 공기 열원 히트펌프와 구분하고자 지열원 히트펌프로 부르기도 함

 

지중열 히트펌프는 기존 보일러와 칠러를 사용하는 냉난방 시설보다 에너지 효율이 높습니다. 그 이유는 일 년 내내 일정하게 유지하는 지중열을 열원으로 삼기 때문입니다.

 

예를 들어 동굴과 같이 일 년 내내 일정한 온도를 유지하지만, 여름에는 밖의 온도가 동굴온도보다 높아 동굴에 들어가면 시원하게 느끼고 겨울에는 밖의 온도가 동굴온도보다 낮아 따뜻하게 느껴지는 원리와 같습니다.

 

우리나라는 지하 심도 6~7m 이하에서는 연중 14~15도의 거의 일정한 지중온도를 유지하고 있습니다. 지중열 히트펌프는 GSHP 혹은 GHP로 부릅니다. GHP와 혼동을 막고자 GSHP를 이용하는 것이 낫습니다. 

 

GSHP는 열원을 무엇으로 활용하느냐에 따라 GCHP, GWHP (지중수), SWHP (지표수)로 나뉩니다.

 

냉방사이클

 

지열히트펌프 시스템 내로 들어오는 유입온도는 14도씨 정도이고 냉매로부터 열을 받음 녀 약 5~6 정도 상승합니다.

 

난방사이클

 

히트펌프 내부 열교환기(증발기)를 지나는 저온의 냉매(액체)는 부동액 측으로부터 열을 흡수하고 자신은 증기 냉매로 상변화 합니다.

 

이때 부동액의 열교환기(증발기) 입구 온도는 약 5도씨 정도 되고 열교환 출구온도는 약 0도씨 정도 됩니다. 즉 온도 강하가 3~5도 정도 일어납니다. 

 

국내 지중의 지온경사 분포 (김현창 등, 2008) 출처

 

지중온도 (2008 출처)

 

지중온도 (2008) 출처

 

지열에너지 활용 사례

 

여러 국가에서 지열 에너지를 사용하고 있습니다. 지열에너지는 지구의 지속 가능한 에너지원으로 잠재력이 있으며 전력 생산뿐만 아니라 난방, 온수 공급, 온천 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

 

• 우리나라
  • 우리나라는 지열 잠재력이 제한적이며, 전력용 지열발전소는 소규모 중심으로 주로 난방, 냉반용 지열히트펌프가 활용되고 있습니다.
• 터키
  • 터키는 세계 여러 나라 중 지열 잠재력이 높은 편이며, 카파도키아 지역의 네브셰히르 지열 발전소는 가장 큰 지열 발전소입니다.
• 뉴질랜드
  • 뉴질랜드도 지열 활용이 높으며, 지열 발전소와 지열 온천을 유지, 보수하고 관리하는데 많은 노력을 하고 있습니다.
• 중국
  • 국내 최대 지열에너지 생산국으로 화이리 지열발전소는 최대 단일 지열 발전소로 중국 전력 수급에 큰 역할을 하고 있습니다.
• 미국
  • 미국 내에도 많은 지열 에너지 사례가 있으며 캘리포니아 주 게이저스 지역은 세계에서 가장 큰 지열 발전소 단지입니다.
• 아이슬란드
  • 지열에너지를 대규모 생산하는 국가이며 대부분 전력이 지열 발전소에서 생산됩니다. 지열은 난방, 온수 공급에도 널리 사용됩니다.