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제목

지열 에너지란

작성자
관리자
작성일
2016.05.18
첨부파일0
조회수
5240
내용


지열에너지란?




땅 속 깊은 곳에서는 방사성 동위원소들의 붕괴로 끊임없이 열이 생성되고 있고, 땅 속 마그마는 종종 지각이 얇은 곳에서 화산이나 뜨거운 노천온천의 형태로 열을 분출한다. 이러한 열을 보통 지열이라 부르는데, 지열은 방사성 물질과 마그마의 작용으로 생성되는 것이기 때문에, 태양에너지와는 관계없는 것이다. 지열은 직접적인 난방, 전력생산, 열펌프를 통한 난방과 냉방, 제조용 열 등 여러 가지 형태로 이용될 수 있다.
  
온도가 그다지 높지 않은 섭씨 20도에서 150도 사이의 지열이 존재하는 땅속 저장소는 보통 주거지나 산업체에 직접 열을 공급하는 데 이용될 수 있다. 지열을 직접 이용하는 시스템은 세 개의 핵심요소로 구성되어 있다. 이것은 지하에 존재하는 또는 지하에서 데워진 뜨거운 물을 지표면으로 뽑아올리는 열공급장치, 열을 실내난방용이나 산업제조용으로 전달하는 기계장치 그리고 사용되고 나온 냉각된 물을 내보내는 장치이다. 직접적인 이용은 냉난방이나 산업용 외에도 온실, 양어장, 수영장, 목욕탕 등에도 이용될 수 있다. 지열의 직접적인 이용은 지열로 전력을 생산하는 경우와 비교할 때 열의 이용효율이 높고, 투자비와 개발비가 적게 든다는 잇점을 가지고 있다. 전력생산의 경우 효율은 5-20%에 지나지 않지만, 직접 이용은 50-70%에 달한다. 또한 온도가 그다지 높지 않은 지열도 직접 이용은 가능하다는 것도 장점이다. 그러나 지열을 이용해서 생산한 전기는 먼 곳까지 전달되기 쉽지만, 직접적인 이용은 그 장소 부근으로부터 벗어나기가 힘들다는 단점도 있다.
  
지열을 이용해서 전력을 생산하기에 적합한 곳은 뜨거운 증기나 뜨거운 물이 나오는 곳이다. 증기가 솟아나오는 곳에서는 이 증기로 직접 터빈을 돌려서 발전을 한다. 뜨거운 물이 나오는 경우 물의 온도는 섭시 182도 이상이 되어야 하는데, 이 물은 땅 속에서 높은 압력을 받고 있기 때문에, 지상으로 끌어올려지면 압력이 떨어지면서 일부가 증기로 바뀐다. 이 증기는 물로부터 분리되어 터빈으로 전달되어 터빈을 회전시키고, 이때 전력이 생산된다. 증기와 분리되어 나온 물과 터빈을 통과한 후 응축된 증기는 원래의 저장소로 되돌려진다.
  
물의 온도가 섭시 107도에서 182도까지인 경우에도 전기를 생산할 수 있는데, 이때는 물을 열교환기로 보내서 낮은 온도에서 끓는 액체를 증기로 변환시켜야 한다. 이 증기는 터빈을 돌리고 이때 발전기가 함께 회전하면서 전기를 만들어낸다. 끌어올려진 물은 열교환기를 통과한 후 땅속으로 보내져서 가열되어 다시 끌어올려진다. 이 시스템에서는 물이 흐르는 회로가 완전히 닫혀져 있어 땅 속에 뜨거운 물이 없고 뜨거운 암석층만 있어도 가능하다. 뜨거운 암석층은 거의 식지 않기 때문에 이 과정은 발전시설의 규모가 적당하면 오랫동안 반복 가능하기 때문이다.
  
그러나 땅속으로부터 뜨거운 증기나 물을 끌어올려서 발전하는 것은 엄밀한 의미에서 재생가능한 것은 아니다. 현재 지열 발전을 하는 모든 곳의 열저장량은 점차 줄어들어가고 있는데, 그 이유는 발전을 위해 빠져나가는 지열의 양이 저장소의 재충전 능력보다 더 빠르게 나가버리고 있기 때문이다. 물론 오랜 시간이 걸리기는 하겠지만, 땅속에서 뜨거운 물이나 증기가 고갈되고 뜨거운 암석층이 식어버리면 더 이상 열을 끌어올릴 수 없게 되는 것이다.
  
또한 지열은 원래 뜨거운 물이나 스팀이 나오는 곳에서만 이용 가능한 것으로 여겨졌다. 그러나 최근에 땅을 열 저장소나 열 싱크로 이용하여 난방이나 냉방을 하는 열펌프가 개발되어 퍼지면서 지열 이용은 어디서나 가능한 것으로 바뀌었다. 미국에서 지열 열펌프는 냉방과 난방용으로 가장 에너지 효율이 높은 것으로 평가되어 있다. 지열 열펌프는 땅 속에 이미 존재하는 약간의 열을 이용하기 때문에 기존의 공기를 이용한 열펌프보다 훨씬 높은 효율을 낸다. 이 기술은 땅속이나 지하수가 연중 비교적 일정한 온도(섭씨 10도 내외)를 유지한다는 점을 활용하는 것이다. 땅속은 여름에는 지상보다 온도가 낮고, 겨울에는 지상보다 온도가 더 높다. 지열 열펌프는 땅속이나 지하수에 저장된 열을 겨울에는 건물로 전달하고, 여름에는 열을 건물로부터 뽑아서 땅속으로 보내는 일을 한다. 그러므로 땅속은 겨울에는 열원으로, 여름에는 열 싱크로 작용하는 것이다. 지열 열펌프를 이용하는 시스템은 크게 땅속과 연결하는 장치, 열펌프, 열 배분장치로 구성되어 있다. 이와 같이 땅속 얕은 곳의 온도가 일정하다는 것을 이용해서 냉난방을 하는 것은 땅속의 온도가 오랜 시간이 지나도 변화하지 않기 때문에, 뜨거운 물이나 증기를 이용하는 지열발전과 달리 재생가능한 것이다.
  
지열을 적절하게 이용하는 것은 환경적인 측면에서도 꽤 유리하다. 이산화탄소 배출도 별로 없고 오염물질도 거의 나오지 않는다. 물론 땅속의 뜨거운 물이나 증기는 이산화질소, 이산화탄소, 황화수소 등을 함유하고 있고, 이러한 물이 지상으로 솟아오르면 이들 기체들도 함께 나와 대기로 방출된다. 그러나 이들 기체의 농도는 그다지 높지 않기 때문에 화석연료와 비교할 때 지열을 이용해서 1킬로와트시의 전기를 생산하면 약 13-380그램의 이산화탄소가 배출된다. 이에 비해서 석탄은 1킬로와트시를 생산하는 데 1000그램 가까운 이산화탄소가 배출된다. 황 방출량도 화석연료와 비교하면 무시할 정도로 적다. 낮은 온도의 지열 이용의 경우에는 이산화탄소와 황 배출량은 거의 무시할 만한 정도이다. 간혹 기체 함유량이 아주 높은 경우도 있는데, 이러한 경우에는 특수한 기술을 사용하여 기체가 대기로 방출되지 못하도록 해야 한다. 지열을 이용하는 열펌프는 에너지 효율이 매우 높다. 이 장치는 기존의 장치보다 적은 양의 전기를 소비하고, 따라서 이산화탄소나 오염물질 배출량도 적다. 또한 프레온 가스를 사용하지 않고도 냉방을 하기 때문에 오존층 파괴도 억제하는 효과도 낳는다

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