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1. 지열에너지(Geothermal Energy)의 개요
지열은 지구 내부에서 표면을 거쳐 외부로 나오는 열을 말한다. 지구는 중심부로 갈수록 온도가 높아져 지구 중심부의 온도는 4000℃에 달하며 이러한 지열은 열전도에 의해서나 가스, 온수 및 화산분출 등에 의해 유출되는데, 그 양은 지역적으로 크게 다르지만 지구의 전 표면에서 방출된다. 엄밀히 말해 지열에너지는 재생이 불가능한 에너지원이지만 지구 자체가 가지고 있는 에너지이므로 굴착하는 깊이에 따라 잠재력은 거의 무한이라고 할 수 있다.
2. 지열에너지의 이용
가. 온천등 생활에 이용
지열에너지는 저온 열수를 직접 이용하는 온천 등의 관광 자원 또는 프랑스나 헝가리에서 전형적인 예를 찾을 수 있는 것처럼 난방 열원 등으로서는 많이 개발되었다고 할 수 있으나 에너지원으로 개발된 자원은 아니라고 할 수 있다.
나. 발전에 이용
현재 지열에너지 이용에 가장 많이 채택되고 있는 것은 지열을 직접 이용하는 방식이나 앞으로는 지열 발전의 비중이 직접 이용 방식보다 커질 전망이다. 지열발전은 지하에 있는 고온층으로부터 증기 또는 열수(熱水)의 형태로 열을 받아들여 발전하는 방식이다.
지구는 하나의 거대한 보일러이며 이것을 이용한 에너지 전환 장치는 여러 가지를 생각할 수 있지만, 현재 발전에 이용되는 것은 지열로 발생한 증기를 이용하는 것이다. 빗물이 단층 등을 통해서 지하로 흘러 들어갈 때, 그 근처에 마그마가 모여 있으면 고온의 물이 되는데 이 때 우물을 파면 물의 압력이 낮아지면서 고온의 수증기가 되어 뿜어 나오게 된다. 이 증기로 터빈을 돌리는 것이 지열 발전이다.
지열발전은 운전기술이 비교적 간단하고 가동률이 높으며 잉여열을 지역에너지로 이용할 수 있다는 이점이 있다. 전 세계 지열에너지의 양은 그리 크다고 할 수 없지만 하와이와 일본에서 개발 가능한 지열지대가 60군데 이상 발견되었다. 그러나 환경과의 조화, 지진에너지와의 관련 때문에 이용가능량은 전세계적으로 6,000kW정도로 여겨지고 있다.
어떤 지역은 증기와 뜨거운 물이 충분하여 전기를 생성하는데 지열발전은 그것을 이용한다. 땅속에 구멍을 뚫고서 소다수 속에 빨대를 꽂는 것처럼 파이프를 뜨거운 물속에 삽입하면 뜨거운 증기나 물은 이 파이프들을 통해서 땅 아래에서 위로 나온다. 그림에서 발전소로부터 솟아나는 하얀 "연기"는 냉각 과정에서 생성된 증기이다. 냉각된 물은 땅으로 되돌려지고 지구에 의해서 다시 가열되어 진다. 이러한 과정으로 만들어진 전기는 발전소와 가정, 학교, 그리고 직장을 잇는 거대한 회송 전선으로 보내진다.
- 발전의 원리
지하 수km 아래로부터 고온의 건조 증기를 얻어, 이것을 증기터빈에 유도하고 고속으로 터빈을 회전시킨다. 터빈에는 발전기가 연결되어 있어 에너지를 생산한다. 열수(熱水)로써 분출하는 경우는 증기만을 얻고 물은 흘려보내거나, 열교환기에 보내어 물을 증발시켜 보내는 방식을 취하기도 한다.
* 터빈 : 물, 가스, 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 기계로서 회전 운동을 하는 것이 특징.
다. 히트펌프에 의한 난방 또는 냉방
냉동기의 증발기 부분으로 지열을 흡수하여 응축기로의 방열을 이용하여 난방이나 냉방을 할 수 있는 시스템으로 우리나라도 이제 지열을 이용한 연구와 사업이 활발히 진행되고 있다.
아래 그림은 지열 히트 펌프를 적용하는 계통도이다.
○ 지열을 채취하는 곳
지하에 시추공을 여러 개 설치하여 지열을 흡수한 열매체를 축열조에 저장을 한다.
○ 저장한 열을 이용
축열조에 저장한 열을 히트펌프를 이용하여 온수 축열조로 열을 이동시켜 흡수식 냉동기나 난방, 온수를 이용할 수 있다.
○ 지열을 이용하면 얻어지는 장점
- 발전 비용이 비교적 저렴하고 운전 기술이 비교적 간단하다.
- 공해물질 배출이 없다.
- 가동률이 높으며 잉여 열을 지역에너지로 이용할 수 있다.
○ 지열자원의 이용 예
- 국외
지열 자원은 뜨거운 용융 마그마가 지표 가까이 나온 서미와 하와이 등지에서 쉽게 볼수 있다. 미국에 있는 고온의 물 저장소는 전 세계 전기 수요에 약 30-45%에 해당하는90,000-150,000MW의 전력을 공급할 수 있다. 현재는 지열 전기 용량의 약 3,000MW만이 작동 중이고 대부분이 캘리포니아의 지저스 필드에서 나온다. 캘리포니아는 지열 자원으로부터 약 6%의 전기를 얻는다.
전형적인 화산 국가인 일본도 고온 암체 발전 기술을 개발하고 있다. 고온 암체 발전과 비슷한 개념인 화산 발전 기술은 마그마의 열을 이용하는 것으로서 미국은 '70년대 중반부터 Sandia Lab.이 중심이 되어 기초 연구를 수행하고 있으며, 일본도 'Sun-Shine 계획'의 일부로 개발 연구를 추진하고 있다. 이 외에도 지열 에너지 이용 기술과 해양 온도차 발전 기술을 복합적으로 이용하는 GEOTEC(Geothermal & Ocean Thermal Energy Convesion) 기술도 개발이 시도되고 있다.
지열 발전 기술로는 선진 각국이 저온 비등 매체를 이용하는 방식이나 터빈 사이클과 냉동 사이클을 결합시킨 복합 사이클 방식의 개발을 경쟁적으로 추진하여 많은 기술이 축적되어 있다. 세계에서 이용 가능한 대부분의 전기 저장소는 개척되어지고 있다. 따라서 뜨거운 물 저장소와 인공저장소들은 미래 지열 계획에 중점이 될 것이다.
- 지열을 이용한 우리나라 현황
국내에서는 온천으로 이용하는 것 이외에 한국전력을 비롯한 국내 에너지 연구기관에서 남부 지방을 중심으로 지중에 열을 채취하는 파이프를 시공하여 연구하는 단계에 있으며, 최근에 냉동제조시설 허가에 보면 간혹 지열을 이용한 설비들이 늘어나고 있는 단계이다.
아울러 우리나라는 열악한 자원 부족국가로써 지열이외의 미활용 에너지 개발에 전력을 기울여야 할 것으로 생각된다.
[자료출처 굿모닝 KGS]
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히트 펌프방식