세세의 신재생에너지 탐방기 #2 지열에너지

지열에너지의 개념과 특징 그리고 국내외 현황

지난 시간에는 화석연료의 대안이 될 수 있는 신재생에너지로 수력에너지에 대해 알아보았는데요, 오늘은 그 두 번째로 땅 속의 보물이라 불리는 지열에너지에 대해 알아보려고 합니다.

신재생에너지 종류 지열에너지

1. 개념

지열(Geothermal Energy)이란 토양, 지하수, 지표수 등이 태양 복사열 또는 지구 내부의 마그마 열에 의해 보유하고 있는 에너지로 일반적으로 지표에서의 깊이 100미터 당 2.5℃씩 상승하고 연중 일정온도를 유지합니다. 또한 지하수가 풍부한 지역에서는 수온을 이용하고 지하수량이 빈약하거나 제한된 지역에서는 토양과 암석이 보유한 순수한 지열을 이용합니다.

지열은 열에너지를 이용하는 깊이에 따라 천부지열과 심부지열로 구분되며, 지열을 그대로 이용하는 직접이용과 전력을 생산하는 간접이용으로 구분 됩니다.

천부지열은 지표에서 300m이내의 깊이에서 발생하는 10~35℃의 지열을 이용하여 주로 냉난방, 시설원예 및 건조 등의 농업, 온천, 산업 등에 이용됩니다. 특히, 냉난방 시스템의 경우 지열이용형식에 따라 밀폐형 방식인 수직밀폐형과 개방형 방식인 스탠딩컬럼웰(SCW:Standing Column Well:수주지열정)형으로 구분되는데 아래 그림과 같이 수직밀폐형의 경우 열교환 파이프를 통해 지열을 이송하며 스탠딩컬럼웰은 수중펌프를 설치하고 지하수를 순환시켜 지열을 얻는 방식입니다.

<지열이용형식>

신재생에너지 종류 지열에너지.png2

*출처: 산업통상자원부 「우리나라 지열에너지 이용 현황」

심부지열은 땅 속 수km 속에 존재하는 80~400℃의 고온수 또는 증기로 전력생산 및 난방 등에 활용되고 있으며 비화산지대인 우리나라는 심부지열발전이 더 유리한 상황입니다.

지열 이용기술에 대해 알아보면 직접이용을 위한 장치로는 지열열펌프시스템(GHP:Geothermal Heat Pump System), 간접이용 기술은 비화산지대의 경우 심부지열발전(EGS:Enhanced Geothermal System)을 활용하고 있습니다.

<지열에너지 시스템 구성도>

신재생에너지 종류 지열에너지.png3

신재생에너지 종류 지열에너지.png4

*출처: 산업통상자원부 「우리나라 지열에너지 이용 현황」

히트펌프 시스템은 열을 저온에서 고온으로 이동시키는 압축-응축-팽창-증발 이렇게 4가지 과정을 거치게 되며 심부지열발전은 지하 5km 내외 고온 암반에 인공적으로 균열을 형성하여 물을 주입하고 이를 통해 생산된 증기로 전기 또는 난방을 발전하는 기술입니다.


2. 특징

지열은 다른 신 ․ 재생에너지 발전과는 달리 외부 기후에 의존하지 않고 연중 24시간 연속 운전이 가능하며 건축물과 조화 및 높은 경제성 등으로 보급 잠재력이 높습니다.

지열발전: 지상 설비면적이 작고, 오염물질 배출이 거의 없으며 기상의 영향 없이 지속적으로 전기 생산이 가능하다는 장점이 있지만 심부 천공기술이 아직까지 실증연구단계이고 투자비가 많이 소요되며, 땅의 침전 등 환경파괴 우려된다는 단점이 있습니다.

히트펌프: 일반 냉난방에 비해 안정된 지열을 이용함으로써 고효율의 냉난방이 가능하고 유지 및 관리비가 저렴하지만 초기 천공비 부담이 크고 지중열교환기 부동액 누수 시 환경오염 가능성이 큽니다.


3. 국내 지열에너지 이용 및 보급 현황

지열에너지 역시 지열 열펌프 시스템을 중심으로 정부 주도의 시장이 형성되고 있으며, 현재 한국에너지공단에서는 지열 열펌프 보급지원을 위한 신재생에너지설비 전문기업제도가 시행되고 있습니다. 또한 최근 건물들의 이산화탄소 배출 절감을 위해 그린 건축 또는 제로에너지 건물이 주목받으면서 지열 열펌프 시스템도 한 몫을 담당하고 있습니다.

이에 따라 국내 주요 건설사들은 지열 시스템에 큰 관심을 보이고 있으며, 정부사업과 관련 없는 민간사업에도 대부분 지열 시스템을 반영하는 사례가 늘고 있습니다.

신재생에너지 종류 지열에너지5

*출처: 가스신문

  • 지열이용: 주로 건물 냉난방 활용 중이며 지표층의 열을 히트펌프를 이용하여 승온 시켜 난방을 하거나 실내 온도를 흡열하여 냉방을 하고 승온된 열을 방출하는 천부지열을 방식을 중심으로 활용하고 있습니다. 특히 지열 냉난방의 경우 현재 지열 히트펌프 시스템의 공공기관 설치 의무화 사업과 주택지원 사업 등을 통해 본격적으로 보급 중이며, 지난 2015년 6월 사업승인 기준으로 공공기관 설치 의무화사업이 현재 설치 용량의 65%를 차지하며 지열 냉난방 보급 사업에 가장 큰 기여를 하였습니다.

< 지열냉난방 보급 현황 >

신재생에너지 종류 지열에너지.png6

*출처: 산업통상자원부 「우리나라 지열에너지 이용 현황」

– 지열발전: 우리나라는 비화산 지대로 지열발전에 대해 미비한 상황이긴 하나 최근 4~5km 깊이로 시추공을 뚫어 지열수를 순환시키는 심부지열방식으로 내년 포항에 지열발전소가 들어설 예정이며 이외에도 지열 자원이 상대적으로 우수한 제주도와 울릉도, 인천, 광주, 강릉 등의 지자체 및 대기업 건설사, 지열전문기업들이 지열발전의 개발에 대해 관심을 가지고 있는 상황입니다.


4. 해외 지열에너지 현황

  • 4.1 지열 냉난방 발전 세계 시장 현황

지열은 현재 세계 약 70여개 국가에서 직접이용 기술을 활용 중이며, 미국과 중국을 중심으로 아이슬란드, 스웨덴, 네덜란드, 독일 등 유럽 국가들이 뒤따라 보급을 주도 중인 상황입니다.

특히 미국은 지열 냉난방 및 발전 보급이 활발한 국가로 세계에서 가장 높은 지열 직접이용 보급률을 기록 중이고 유럽 국가들의 경우 히트펌프시스템이 활성화 되어 있으며, 그 외 다양한 기술을 확보하여 점차 시장 점유율을 늘려가고 있습니다.

< 주요국가별 지열 직접이용 보급비율, ‘13 >

신재생에너지 지열에너지

*출처 : The 2013 Geothermal Technologies Market Trends Report, DOE

지난 2015년 기준 전 세계 지열발전 설비 용량은 약 12.8GW로 추정되고 있습니다. 또한 국제에너지기구(IEA)는 2050년 전 세계 지열발전량이 연간 1,400TWh로 치솟아 전 세계 발전량의 3.5%를 차지할 것이라고 예측한 바 있습니다. 특히 심부지열발전(EGS) 활용도가 갈수록 높아져 2050년에는 EGS 발전 100GWe로 예측되며 EGS가 전체 지열발전의 40% 이상을 차지할 것으로도 내다봤다.

<국제 지열발전 용량>

신재생에너지종류 지열에너지

*출처:2015 Annual US Global Geothermal Power Production Report, 2014년 기준

ㅡㅡ 현재 지열발전 용량

ㅡㅡ 발전소 건설 중 잠재적 추가 발전량

ㅡㅡ 발전소 완성 후 잠재적 추가 발전량

  • 4.2 아이슬란드의 지열에너지

신재생에너지종류 지열에너지2

*출처:geothermaleranet

현재 세계 각 국에서 지열발전에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 가운데 특히 아이슬란드는 가장 주목 받는 국가 중 하나입니다. 아이슬란드는 전체 에너지 중 81%를 수력발전과 지열발전을 통해 얻고 있으며, 화산지형이라는 자연적 혜택으로 깊이 시추하지 않아도 200~300℃의 지열을 얻을 수 있기 때문에 1인당 지열 에너지 사용량이 세계에서 가장 높습니다. 또한 화석연료가 아닌 지열발전을 통하여 온수공급을 함으로써 90% 가구와 빌딩이 자연적으로 데워진 온수를 사용하고 있기 때문에 자연스럽게 탄소배출도 줄어들어 기후변화대응의 선도국으로 인정받고 있습니다.