‘땅, 바람, 햇빛, 물’ 존재만으로도 감사한 자연이 우리에게 주는 선물. 바로 에너지입니다. 아톰스토리에서는 신재생에너지의 최신 흐름을 알아보고 ‘에너지안보’ 관점에서 국내 자력생산이 가능한 신재생에너지원을 살펴보기 위해 [신재생에너지] 기획을 마련했습니다. 총 10편으로 구성된 기획 중 세번째, 땅이 주는 무한한 에너지 ‘지열 에너지’에 대해 알아봅니다.
‘지열’ 하면 가장 먼저 연상되는 단어는 아마도 화산, 혹은 마그마일 것이다. 뜨거운 증기를 끊임없이 내뿜는 분화구나 뜨거운 물이 하늘로 솟구치는 간헐천, 유황 냄새 진하게 풍기는 뜨거운 온천에서 온천욕을 즐기거나 달걀을 삶아 먹는 모습들은 다큐멘터리 프로그램에서 쉽게 볼 수 있는 풍경들이다. 그런데 이들이 모두 지구가 생성 당시부터 인류에게 끊임없이 무상으로 제공해 온 ‘에너지’라고 생각하는 사람은 많지 않다.
비록 에너지원으로써는 아니더라도 우리 인류는 태고적부터 지열을 활용해 왔다. 가장 대표적인 예가 온천으로, 화산이 없는 우리나라에서도 삼국시대 이전부터 온양, 수안보, 동래, 유성 등에서 온천이 오랫동안 사랑받아 왔다.
땅속 에너지를 활용하는 방법
지열(地熱, geothermal)은 영어로 땅을 의미하는 ‘Geo’와 열을 의미하는 ‘therm’ 합쳐진 것으로, 문자 그대로 풀이하면 ‘땅속에 저장돼 있는 열’을 말한다. 지열은 지구가 생성될 때부터 땅속에 저장된 열과 지각을 구성하는 암석에 포함된 방사성 동위원소가 끊임없이 붕괴하며 생성되는 열이 더해져서 만들어진다. 과학자들은 지구의 중심인 내핵이 아직도 6,000도(℃)가 넘을 것으로 추정하고 있다. 이러한 지열을 에너지로 활용할 수만 있다면 인류는 대대손손 에너지 걱정 없이 살 수 있을 것이다.
땅속에서 열을 추출하는 매개체는 온천이 그렇듯, 물이 사용된다. 빗물이 땅속 깊은 곳으로 스며들면서 지온에 의해 자연스럽게 데워진 물을 사용하거나 인공적으로 땅속 깊은 곳에 물을 주입해서 데워진 물이나 증기를 지상으로 퍼 올려 사용한다.
[그림1] 지열수의 온도에 따라 활용 가능한 분야를 정리한 ‘린달 도표’
지열은 온도에 따라 활용 범위가 매우 넓다. 지열은 활용방식에 따라 ‘직접이용’, ‘간접이용’ 그리고 ‘지열 열펌프’의 세 가지로 나뉜다. 지열수의 온도에 따라 활용할 수 있는 분야를 표로 정리한 것을 ‘린달 도표(Lindal, 1973)’라 하는데, 이 표를 보면 30~50℃의 물을 그대로 활용하는 분야가 대단히 넓은 것을 알 수 있다. 온천과 수영장, 가정용 급탕은 물론 온실이나 아파트 단지 등의 지역난방, 양어장 등의 농업분야, 야채나 의류의 건조, 금 침출, 석유회수, 화학 추출 등 산업분야에서도 활용되고 있다. 열을 다른 형태의 에너지로 변환하지 않고 열 자체를 이용하기 때문에 이들을 지열의 ①직접이용이라고 한다.
한편 열은 멀리 수송하기 어렵기 때문에 전기로 변환해 송전하게 되는데 이를 지열발전(地熱發電), 혹은 지열의 ②간접이용이라 부른다. 화산지대에서는 150℃ 이상의 고온의 증기가 생산돼 충분한 증기압으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 전통적인 방식의 지열발전이 가능하다. 최근에는 끓는점이 낮아 저온에서도 기체 압력을 높일 수 있는 ‘2차 유체(binary fluid)’를 이용해 전기를 생산하는 바이너리 발전 기술이 개발됐다. 이에 따라 지열수의 온도가 90℃만 돼도 전기를 생산할 수 있게 됐다.
그런데 단지 온도가 높은 것만이 지열은 아니다. 우리나라의 경우, 지하 25m 깊이에서는 대략 16℃ 정도로 일 년 내내 온도가 일정하다. 이렇게 연중 일정한 온도를 건물의 냉난방에 이용하는 ③지열 열펌프 분야는 지열의 또 다른 형태이다.
지열 열펌프는 일반적으로 가정에서 쓰는 에어컨에 대비된다. 에어컨의 경우 여름철 실내의 열을 추출해서 실외기를 통해 기온이 30℃가 넘는 건물 밖에 버리게 되는데, 이 과정은 많은 전기에너지를 필요로 한다. 추출한 열을 16℃ 정도인 땅속에 버린다면 30℃가 넘는 대기 중에 버리는 것보다 훨씬 수월할 것이다. 이것이 지열 열펌프의 기본적인 원리이다. 연구결과에 의하면 에어컨의 대략 1/3의 전기로도 냉방이 가능한 것으로 알려져 있다.
지열을 에너지로 이용하기까지
지하로 내려갈수록 지구의 온도가 높아진다는 것을 인식하게 된 것은 16~17세기에 지하 수 백 미터까지 광산 개발이 이루어지면서부터다. 그러다 18세기에 들어서 최초로 온도계를 이용해 땅속 온도를 측정하게 됐다. 지열을 에너지원으로 이용하기 시작한 시기는 명확하지 않지만, 19세기 초에 이미 에너지원으로써 지열이 이용되고 있었다.
대표적인 예로 이탈리아의 ‘라데렐로(Larderello)’ 지역에 설립된 화학공장이 있다. 이 공장에서는 철제 보일러에 붕소가 섞인 지열수를 넣고, 주변 숲의 나무를 때서 증발시킴으로써 붕산을 얻었다. 1827년, 이 공장의 창업자인 ‘Francesco Larderel’은 목재를 에너지원으로 사용하느라 산림이 나날이 고갈되어 가는 것을 보고 목재 대신 지열수를 증발시킬 때 발생하는 열을 이용하는 시스템을 개발했다.
라데렐로의 붕산공장은 1850~1875년 사이에 유럽 전체의 붕산시장을 독점하기에 이른다. 1910~1940년에는 토스카나(Tuscany) 지방에서 이 지역의 저압 증기가 산업과 주거용 건축물, 온실의 난방에 이용되기 시작했다. 한편 다른 나라에서도 이 시기에 산업적인 규모의 지열개발이 시작됐다. 1892년 미국 아이다호의 보이시(Boise)에서는 처음으로 지열을 이용한 지역난방시스템이 가동됐고, 1928년 아이슬란드에서도 건물 난방을 위한 지열수의 개발이 시작됐다.
[그림2] 지열발전의 원리
지열 증기로부터 발전을 이룬 최초의 시도 역시 1904년 라데렐로에서 이루어졌는데, 이 실험의 성공으로 지열에너지의 산업적 가치를 세상에 분명하게 보여주었다. 또한 세계적으로 지열의 이용이 급속하게 확대된 계기가 됐다. 라데렐로의 발전은 상업적으로도 성공을 거둬 1942년에는 12만7,650kWe의 생산용량을 갖췄다.
이탈리아의 이러한 성공을 거울삼아 다른 나라에서도 발전을 위한 움직임이 뒤따랐다. 2010년 기준 전 세계적으로 10.7GWe의 지열발전소가 가동되고 있는데, 이는 대략 원자력 발전소 11기가 발전하는 양에 해당된다.
지열발전의 장단점
지열은 바람이 불지 않거나 비가 오면 가동을 멈추는 풍력, 태양광 등의 신재생에너지원과는 달리 지하로부터 안정적으로 에너지를 공급받기 때문에 일 년 365일, 하루 24시간 끊임없이 에너지를 생산할 수 있다. 또한 에너지를 땅속에서 생산하기 때문에 발전소나 열 활용시설이 차지하는 면적 즉, 지상 설비의 규모가 동일 용량의 다른 신재생에너지원에 비해 작다. 땅속에서 열만을 추출하기 때문에 환경오염 물질의 배출이 거의 없어서 환경친화적이고, 일단 건설되면 유지보수비가 상대적으로 저렴하다는 경제적인 이점도 있다.
하지만 지열에너지를 지상으로 추출하기 위해서는 땅속 깊은 곳까지 시추해야 해서 초기 투자비용이 높다. 게다가 우리나라와 같이 비화산지대에서의 지열 개발은 아직 경제성이 크지 않다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 우리나라는 물론이고 세계 각국에서 많은 연구자들이 비용을 절감할 수 있는 시추기술 등 기술 개발에 매진하고 있다.
우리나라에는 충분히 개발할 가치가 있는 많은 양의 지열에너지 자원이 땅속에서 잠자고 있다. 이 에너지는 써도 고갈되지 않는 국산 재생에너지, 이산화탄소 배출이 없는 깨끗한 에너지, 그리고 일 년 내내 필요할 때 언제 어디서나 사용할 수 있는 유비쿼터스 에너지이다. 이에 적절한 투자와 지원, 연구개발이 이루어진다면 1차 에너지의 97%를 수입에 의존하고 있는 우리나라의 에너지 자립화에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
[글쓴이] 이태종 한국지질자원연구원 지열자원연구실 책임연구원
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지열에너지가 환경에 미치는 영향
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| ▲ 올해 초 케냐에서 상용 가동에 들어간 케냐 최대 규모의 지열발전단지. 한국 현대엔지니어링과 일본 도시바의 컨소시엄으로 건설됐다. | ||
지열에너지는 연중 지속적이고 안정적인 에너지를 공급할 수 있다는 점에서 기저부하를 담당할 대체 에너지로서의 기대가 크다. 미국, 일본, 유럽 선진국들뿐 아니라 지리적으로 지열에너지 개발에 유리한 필리핀, 인도네시아 등에서도 연구와 보급에 적극적인 이유다. 우리나라의 경우는 다른 선진국들에 비해 출발은 다소 늦었지만 정부의 다양한 지원사업에 힘입어 지열에너지의 이용이 활발해지고 있다. 그렇지만 모든 에너지의 이용 과정에서 나타나듯 지열에너지 역시 환경피해를 완전히 차단할 수는 없다. 지열은 다른 재생에너지원보다도 큰 잠재력을 가지고 있는 에너지원으로서 기대를 받고 있는 만큼, 환경피해를 최소화해 지속가능하게 이용하는 일이 중요할 것이다. 지열에너지의 개발로 인한 환경영향에 대해 살펴봤다.
지열에너지 현황
지열에너지는 저온의 열수를 난방ㆍ급탕 등에 직접 이용하거나 연중 일정하게 유지되는 지하의 온도를 냉난방 등에 활용하는 천부지열 이용과 고온열수를 이용해 전력을 생산하는 심부지열 이용으로 나누는데,보통 지표면으로부터 150~200m에 저장된 천부지열, 200m 이하에 존재하는 심부지열로 구분한다. 온도범위는 지역의 특성에 따라 차이가 있으나 천부지열은 대략 10~20도, 심부지열은 대략 40~150도의 범위에 있다.
심부지열의 경우 우리나라에서는 온천 외에는 냉난방에 이용한 예가 거의 전무하다. 그러나 천부지열의 경우는 온도가 안정적이고 부존량이 무한할 뿐 아니라 지역적으로 균일하게 분포하고 있어 열펌프를 열원으로 이용하는 냉난방시스템이 증가하고 있다.
지열히트펌프의 우수성은 이미 1940년대부터 실용화를 추진한 미국 등 선진국에서 많은 연구결과를 통해입증되었다. 안정적인 온도를 유지하고 온도조건이 유리해 매우 높은 성능을 유지할 수 있다는 점이다. 즉 운전에 필요한 소비동력이 적고, 구성기기가 비교적 단순하며, 수명이 길고 유지관리가 용이해 높은 효율과 우수한 경제성을 얻을 수 있다. 특히 여름과 겨울이 확연하게 존재하는 우리나라와 같은 기후조건에서 활용성이 매우 높은 시스템이라고 할 수 있다. 미국의 환경보호청(EPA)에서는 현존하는 냉난방 기술 중에서 가장 에너지 효율적이고, 환경 친화적이며, 비용 효과가 높은 공기조화시스템으로 지열히트펌프를 들고 있다.
최근 들어서는 비화산지대 적용 신기술(EGS)이 활용되며 지역의 상용화 발전이 확산되고 있는 추세다. 인공저류층생성기술(EGS, Enhanced Geothermal System)은 높은 지열을 갖춘 지역에서 주입정으로 물을 주입하고 인공저류층을 통해 생산정으로 빼내는 방식을 말한다. 2011년 EGS 발전기술을 기반으로 산정한 바에 따르면, 우리나라 심부지열에너지의 기술적 잠재량은 약 19.6GW이고, 천부지열 잠재량의 경우 지열히트펌프의 이용가능 잠재량은 약 9.2Mtoe인 것으로 나타났다. EGS 발전기술에 의한 심부지열 잠재량(연간 설비이용률 80% 적용)과 지열히트펌프에 의한 천부지열 잠재량의 총합은 2만 988ktoe로, 이는 우리나라의 2030년 지열에너지 보급 목표 1261ktoe의 약 17배 수준에 달하는 양이다. 이러한 수치는 지열에너지원이 갖는 잠재성이 어느 정도인지를 짐작케 해준다.
우리나라는 특히 2000년대 이후부터 정부 지원에 따라 개발이 활기를 띄었는데, 국내의 지하수법에 따라 지자체에 굴착 신고한 건수(09년 12월 기준)에 의하면, 지열설비 설치 건수가 총 1167개소다. 우리나라는 초기에는 대부분 수직 밀폐형을 사용했으나 최근에는 지하수를 개발해 이용하는 경향이 높아지고 있다. 특히 심부지열의 이용은 현재 태동단계에 있다고 할 수 있다. 아직까지 심부지열수의 지역난방 등에 활용한 적은 없으나, 한국지질자원연구원에서 수행 중인 경상북도 포항시에서의 심부 지열에너지 개발사업이 완료되면 국내에서는 처음으로 심부지열수를 통한 지역난방이나 시설영농에 열원 공급이 이뤄질 것으로 기대되고 있다.
지열 개발에 따른 환경영향
지열에너지를 이용하기 위해서는 지하 굴착을 하고 지열 설비를 설치해야 한다. 따라서 공사과정에서의 소음 진동이나 빗물 또는 지표 오염물질이 지하로 유입되는 등 필연적인 환경부담을 안고 있다.
천부지열과 심부지열에 적용되는 설비에 따라서 환경적 문제는 다르게 나타난다. 지열에너지 개발을 위한 설비는 크게 밀폐형 · 개방형으로 나누고, 이밖에 지중공기를 이용하는 형식의 설비도 있다. 밀폐형 설비는 지하 150~300m 깊이의 굴착공을 여러 개 설치하고 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 파이프를 주입한 후 그라우팅 처리를 하고 있으나 파이프 내부를 순환하는 부동액이 유출 또는 누출되는 경우에 지하수 수질오염의 우려가 있다. 개방형 설비는 지하 300~500m 깊이의 굴착공을 뚫고 지하수를 양수해 열교환기를 거친 후 재주입하고 있어 지하수가 반복 주입되는 과정에서 수질 악화, 주변 지표수의 온도변화 등의 우려가 있다. 이와 같은 문제는 기술적으로 해결 가능하거나 관리를 통해 제어가 가능하나, 문제 발생 시에는 토양 및 지하수 등에 직접적으로 영향을 미쳐 오염이 누적되고 일단 오염이 되면 장기간 지속될 수 있고, 복원이 어려운 만큼 설치에서부터 폐쇄 이후까지의 환경관리가 매우 중요할 것으로 파악되고 있다. 지중공기 이용 설비는 다공질 지질층에 70m 정도 깊이의 굴착공을 뚫고 지중의 공기를 뽑아내어 이용하는 설비로 굴착공을 통해 지표오염물질이 유입될 우려가 있다.
그러나 많은 전문가들은 지열 개발로 인한 환경적 영향의 정도나 발생 가능성은 화석연료를 사용하는 발전소뿐만 아니라 다른 신재생에너지 설비에 비해서도 매우 낮은 수준으로 나타난다고 보고 있다. 또한 우리나라에서 적용 가능한 방식은 밀폐형 시스템이어서 오염물질의 외부 배출에 의한 환경적 문제가 나타날 가능성은 낮으며, EGS 적용에 의한 미소진동 발생도 사전의 철저한 지질학적 검토를 통해 제어 및 관리가 가능한 것으로 분석되고 있다.
이용방안 개선 필요
그렇지만 관리 제도와 시스템 개선을 통해 엄밀한 관리방안이 필요하다는 지적도 있다. 한국환경정책ㆍ평가연구원의 관련 연구 보고서(2012.7)에서 천부지열 이용 부문에서는 환경관리지침 개선, 전문인력 참여방안, 이력관리 도입, 지열공 시공비 현실화의 필요성을 제시했으며, 심부지열이용 부문에서는 관련 법규의 제정 방향과 신재생에너지 의무할당제도의 적용 및 개발 리스크 지원제도 운영을 제시했다.
보고서는 천부지열의 개발과 이용 과정에서 나타나는 문제점으로 지나치게 낮게 책정된 지열공 시공비용을 지적하고 있다. 민간기업의 견적 사례를 분석한 바에 따르면, 개방형 지열공의 굴착에 소요되는 비용은 공정이 유사한 지하수를 개발하는 비용의 약 47.5% 수준이며, 밀폐형 지열공의 경우 이보다 더욱 낮은 가격으로 시공되고 있는데 민간사업의 경우 공정이 유사한 일반 시추 비용의 7.8%로 나타났다고 한다. 이와 같이 지나치게 낮은 시공단가는 지반굴착 분야에서 경제활동을 하는 업체의 도산과 어려움을 야기하게 되며, 궁극적으로는 지열 시설의 부실시공과 불량자재의 사용 등에 따른 토양 및 지하수 오염을 초래할 수 있다고 지적했다.
또한 향후 천부지열설비의 환경관리를 위해 이력관리제의 도입을 검토할 필요가 있다고 지적했다. 현재의 보급 현황에 미루어 볼 때, 2030년 보급목표 달성 시점을 기준으로 설치에서부터 폐쇄에 이르기까지 환경관리가 요구되는 지열공 약 66만 개와, 설치된 지열시스템이 폐쇄된 후 토지이용에 일정 부분 제약이 발생하는 부지 약 28㎢가 전국적으로 분산되어 존재하게 된다. 그러나 현재의 신고 허가 체계에 의한 정보관리로는 향후 천부지열설비의 환경관리가 어려우므로, 사업자로 하여금 지열시스템의 기본정보 및 환경관리에 필요한 정보들을 공통의 양식에 따라 기록 유지하고, 신고 또는 허가 시 설계도와 함께 승인기관에 제출토록 하며 전업 및 폐업 시에도 승인기관에서 관리할 수 있도록 모든 기록을 인계하도록 하는 등, 관련 정보들을 통합적으로 일괄 관리할 수 있도록 해야 한다는 것이다.
심부지열을 개발하고 이용함에 있어 가장 큰 문제는 심부지열자원에 대한 정의, 자원의 성격, 자원의 소유, 탐사 및 개발 권한, 절차, 사업자의 의무와 권리 등에 대한 법적 근거가 마련되어 있지 않다는 점이라고 지적하고 있다. 심부지열자원은 지하에 매장되어 있는 광물자원의 특성과 유사한 점이 많으므로 해당 지열자원에 대한 권리가 명확하지 않을 경우 국가와 사업자, 사업자와 토지소유주, 국가와 토지소유주 간의 권리분쟁이 발생할 수 있고, 무분별한 난개발로 이어질 가능성이 높기 때문이라는 것이다.
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| ▲ 환경부에서 권장하고 있는 수직밀폐형 설비의 그라우팅 등 모식도 | ||
지열의 지속가능한 이용을 기대한다
보고서가 밝히는 대로 적절한 관리방안 아래 지열에너지를 활용하는 것이 중요하다. 이제 지열발전 시장은 세계적으로 새로운 전기를 맞아 지속적인 성장세를 구가하고 있다. 2013년 말까지 세계 지열시장은 지열발전용량 1만 2000㎿까지 성장했다. 우리나라에서도 금융지원을 시작한 이후로 지열 히트펌프시설이 급격하게 증가되고 있으며, 최근엔 포항에서 지하 5km 내외의 지열을 이용하는 핵심기술을 통해 ㎿급 지열발전소 건설을 추진하고 있다. 신재생에너지원 중 가장 높은 기대를 안고 있는 지열에너지의 지속적 이용을 위해 환경 친화적 이용방안들이 더 세밀하게 다듬어지고 현장에 적용될 수 있도록 관리해야 할 것이다.