지열

지열

지열(Geothermy, 地熱)은 지표 하부에 부존하는 모든 열을 의미한다. 지구 내부에서 표면을 거쳐 외부로 유출되는 열량의 유출 방법은 열전도에 의한 것과 가스, 온수 및 화산분출물 등이 있다. 뉴질랜드, 이탈리아, 일본 등 지각열류량이 많은 곳에서는 지열을 발전에 이용하기도 한다.

개요

지열은 지구 내부에 보유되는 열을 통틀어 일컫는 말이며 그 가운데 인간이 개발, 이용할 수 있는 범위만을 대상으로 하는 경우도 있다. 넓은 뜻의 지열은 맨틀 대류의 열 공급과 지각 속의 방사성 물질 붕괴의 복사열이 그 열원으로 되어 있다. 한편 좁은 뜻의 지열 열원은 마그마로 화산 지역에서 국소적으로 뚜렷이 고온의 분기, 온천 현상이 보인다. 천연의 열수나 증기의 지열 자원이 지열 발전, 지역난방, 농공업 등에 이용되는 것은 주로 후자이다. 지열을 지하에서 직접 뜨거운 물을 끌어올려 난방에 이용하거나 지하에 설치한 열교환기를 통해 지열 에너지를 흡수하여 난방에 이용하는 것은 지열난방이라고 한다. 지열은 열원의 깊이에 따라 심부의 고온성 지열과 천부의 지중열로 구분한다. 심부지열은 지하 500m 이상의 지열수 또는 암반의 열을 채취하여 대형건물의 에너지원 또는 지열발전에 활용하며 40~150℃ 이상의 온도를 유지하여 발전과 온천 등에 직접 이용되고 있다. 천부지열은 지표로부터 300m 내에 저장되어 평균 10~35℃를 유지하는 지열이다. 어느 지역에나 무한정 분포되어 있고 채열이 용이하여 저온이지만 냉난방 온수 공급 등에 응용되어 대체 에너지원으로 사용이 되고 있다. 활용 방식에 따라 열을 직접 활용하지 않고 80℃ 이상의 열수나 증기를 사용하여 전기를 생산하는 간접이용과 지열을 직접 이용하여 건물 냉⋅난방, 각종 건조사업, 제설, 온천 양식업, 및 시설 영농, 지역난방 등 직접이용으로 구분 한다.

지열은 지각 내에 부존하는 방사성물질이 자연 붕괴할 때 발생되는 열에너지를 근원으로 한다. 한편 철, 니켈이 녹아 있는 고온의 지구 중심부에서는 맨틀이 열절연작용(熱絶緣作用)을 하기 때문에 열이 거의 지표로 방출되지 못한다. 현재까지 굴착된 최대 심도는 12km이므로 그 이내의 열에너지가 관심의 대상이다. 1980년대 이전에는 천부의 고온 증기 자원을 주로 이용했지만 기술이 발전하면서 저품위 열자원을 포함한 지각의 모든 열을 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 지온은 지하로 100m 들어갈 때마다 2.5~3℃씩 올라가고 지구의 중심부인 내핵은 6,000 ℃에 이른다. 땅속에는 무한한 에너지가 존재한다. 태양광이나 풍력처럼 날씨나 시간의 영향을 받지 않고 365일, 24시간 가동할 수 있으며 어떠한 연료의 추가적인 투입도 필요 없다. 지열은 전 세계 82개국에서 활용 중이고 26개국은 지열발전소를 운영 중이다. 우리나라는 지열주택만 적극적으로 활용하고 있고 지열발전은 아직 걸음마 단계이다. 정부나 민간의 투자가 활발하게 이루어졌던 풍력, 태양광 발전에 비해 미개척 분야인 셈이다. 지열자원의 잠재력이 크다는 것은 잘 알고 있지만 기반기술 연구는 막대한 투자가 요구되고, 경제성이 낮아서 투자 위험이 높다는 이유로 정책적 관심에서 소외된 탓이다. 지열자원이 풍부한 지역은 환태평양 화산대(필리핀, 대만, 일본, 미국 서부, 남미 서부)와 지중해 지열대, 대서양 지열대, 아프리카 지열대 등이다. 이 지열대는 지각이 연약한 구조이며 지하 5-20km에 암석이 용융된 잔류 마그마가 존재한다. 수백m 심도에서 100-300 ℃의 증기를 얻을 수 있어서 오래전부터 지열을 활발하게 이용하였다. 현재 국내에서 지열 기술이라고 하면 주로 천부지열을 이용하여 건물을 냉난방하거나 온수를 공급하는 지열 열펌프 시스템(geothermal heat pump systems) 기술로 한정하는 경향이 있다. 이는 국내에서 지열 에너지의 활용에 있어서 다양한 분야에 당장 적용할 수있는 기술력의 부재와 함께 상대적으로 인프라가 잘 구축된 공조․냉동 산업에 지열 에너지를 연계하는 것이 비교적 쉬웠기 때문이다.

활용방식

수직형

수평형

직립형

개방형

지열은 직접이용(Direct use)과 간접이용(Indirect use)기술로 구분한다. 이는 인간이 이용할 수 있는 최종 생산물의 관점에서 분류한 것으로 열(Heat)을 생산하면 직접이용이고 전기(Electricity)를 생산하면 간접이용이 된다. 지열의 직접이용은 가장 오래된 기술로써 온천, 건물 난방, 시설원예 난방, 지역난방 등이 대표적인 기술이다. 땅에서 중온수(30~150℃)를 추출하여 사용자에게 직접 공급하거나 열펌프와 냉동기 등의 에너지 변환기기의 열원으로 활용할 수 있다. 지열원 열펌프 시스템을 제외한 나머지 기술들은 중온수가 풍부한 지역에서 가능하기 때문에 지리적 제약이 다소 있다. 직접이용 기술 중 가장 큰 부분을 차지하는 기술이 지열 열펌프 시스템(Geothermal heat pump system, GHP)이다. 이 시스템은 저온 10~30℃의 지열에너지를 효율적으로 활용하는 지열분야의 대표 기술이라고 할 수 있다. 상대적으로 저온의 에너지를 활용하지만 연중 일정한 온도를 유지하기 때문에 항온성이 우수하며 지리적 제약이 없는 것이 큰 장점이다.

간접이용 기술은 땅에서 추출한 고온수나 증기 120~350℃로 발전 플랜트를 구동하여 전기를 생산하는 지열발전(Geothermal power generation)을 일컫는다. 최종 생산물은 전기이며 화산지대에서 유리하기 때문에 지리적 제약이 매우 크다. 이러한 지리적 제약을 극복하기 위한 연구개발이 지열 분야 선진국을 중심으로 진행 중이다.

지열 열펌프 시스템

지열 열펌프 시스템의 종류는 대표적으로 지열을 회수하는 파이프(열교환기) 회로 구성에 따라 밀폐회로(Closed Loop)와 개방회로(Open Loop)로 구분된다. 밀폐회로시스템(폐쇄형)은 루프의 형태에 따라 수직, 수평 루프시스템으로 구분되는데 수직으로 150~200m, 수평으로는 1.2~1.8 m 정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방 부하가 적은 곳에 쓰인다. 열전도율은 화강암과 열전도체가 비슷해서 이것이 냉매체(순수 물)이 계속 히트펌프와 열 교환을 반복하게 된다.

• 수직형(Vertical Type) : 지중에 존재하는 연중 일정한 온도(15°±5℃)를 열원으로 지하 300M 이내에 수직으로 천공하여 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 매설하고 이 매설된 지중열교환기 내부로 물을 순환시키면서 얻어진 에너지를 이용하여 히트펌프(HEAT PUMP) 를 구동시켜 냉,난방을 수행하는 시스템이다. 회수한 지열을 운반하는 파이프가 폐회로로 구성되어 있으며 본 형태는 열부하나 냉방 부하가 큰 건물에 이상적이다. 수직형 시스템은 설치하기에 비용이 많이 들지만 수평형 시스템보다 루프 길이가 짧고 냉, 난방에 효율적이다.
• 수평형(Horizontal Type) : 지표근처에 존재하는 연중 일정한 온도(15°±10℃)를 열원으로 지하 2-5M 이내에 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 수평으로 매설하고 이 매설된 지중 열교환기 내부로 물을 순환시키면서 얻어진 에너지를 이용하여 히트펌프(HEAT PUMP)를 구동시켜 냉,난방을 수행하는 시스템이다. 폐회로 중 적절한 공간만 있다면 설치하기에 가장 경제적인 시스템으로서 상대적으로 냉, 난방부하가 적은 곳에서 가능하다.
• 직립정(SCW Type) : 지중에 존재하는 연중 일정한 온도(15°±5℃)를 열원으로 지하 400-500M 이내에 우물을 설치하고 하부에 수중 펌프를 삽입 가동하여 지하수를 지상의 열교환기로 보내고 지하수와 히트펌프 작동 유체간에 열교환을 실시하여 얻어진 에너지를 이용하여 히트펌프(HEAT PUMP)를 구동시켜 냉,난방을 수행하는 시스템이다. 열교환을 하고 난 지하수는 일정량만큼을 밖으로 배출(약 10%) 하고 약 90%는 다시 우물의 상부로 집어넣어 순환하면서 재차 열적으로 회복시킨다.
• 개방형(Open LOOP Type) : 건물 근처에 존재하는 저수지, 강의 저수면에 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 수평으로 매설하고 이 매설된 지중 열교환기 내부로 물을 순환시키면서 얻어진 에너지를 이용하여 히트펌프(HEAT PUMP)를 구동시켜 냉, 난방을 수행하는 시스템이다. 수원지, 호수, 강, 우물 등에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는 것으로 풍부한 수원지가 있는 곳에서 적용될 수 있다.

참고자료

• 〈지열 에너지〉, 《위키백과》
• 〈지열〉, 《네이버 지식백과》

같이 보기

• 지열발전
• 가스
• 온수

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