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【과학상식 제337호】지열에너지

작성자

신종오

등록일

2016.07.17

조회

0

【과학상식 제337호(15.10.23)】지열에너지

[요약]
○ 지열은 지각 내에 부존하는 방사성물질이 자연붕괴할 때 발생되는 열에너지로 전 표면에서 평균 6~10cal/㎡·sec가 방출된다.
○ 지하 10km까지의 평균 지온증가율은 약 25~30도/km이다.
○ 지구내부에서 맨틀대류에 의한 판의 경계에서는 100도 이상의 고온 지열지대가 존재하며 대부분의 지열 발전소는 판의 경계에 위치한다.
○ 지열에너지 활용기술은 크게 149도 이하의 지열수를 이용하는 직접이용기술과 150도 이상의 지열 유체(증기 및 지열수)를 이용하는 간접이용기술이 있다.
○ 우리나라는 화산지대가 아니므로 심부지열에너지 개발 방식이 추진되고 있으며 지하 1.5km에서 51도의 지열수 개발에 성공한 바 있다.
[본문]
지구의 전 표면에서 외부로 지열이 방출되는데, 양은 지역적으로 크게 다르지만 평균 6~10cal/㎡·sec이다.
특히 화산지대에서는 높은 값을 보이며 유출방법은 열전도에 의한 것과, 가스·온수 및 화산분출물 등에 의한 것이 있다.
지열은 지각 내에 부존하는 방사성물질이 자연붕괴할 때 발생되는 열에너지를 근원으로 한다. 한편, 철·니켈이 녹아 있는 고온의 지구 중심부의 열은 섭씨 5700도가 넘으며 이 열은 태양 표면의 온도와 비슷하지만 맨틀이 열 절연작용을 하기 때문에 열이 거의 지표로 방출되지 못한다. 세계적으로 지열 자원은 지체구조활동으로서 가장 활발하게 사용되는 부분이다.
태평양을 둘러싸고 있는 지역을 “Ring of Fire”이라고도 부르는데 이곳은 지체구조활동이 활발한 지역이다. 지열 자원을 활발하게 이용하는 지역은 동아프리카의 리프트 밸리에도 존재하며 지중해 동부지역에서도 많은 투자를 하고 있다.
세계 지열활동의 중심지는 역시 아이슬란드이다. 북미와 유라시아를 걸치고 있는, 대서양 연안, 중동부에서는 지각판이 활발하게 운동하고 있으며 매년 약 2cm 움직이고 있다. 이 지역의 화산활동은 지구에서 가장 활발히 활동하는 지역이다.
 
지열에너지란?
          
지열에너지는 지구가 가지고 있는 열에너지를 지칭한다. 지열에너지의 근원은 지구내부에서 우라늄, 토륨, 칼륨 같은 방사성 동위원소의 붕괴열(약 83%) 그리고 지구 내부 물질에서 열의 방출(약 17%)로 이루어지며, 지표에서 느껴지는 지열의 약 40%는 지각에서 방출되는 것으로 추정되고 있다. 지표에서 지하로 내려갈수록 지온은 상승하는데, 지하 10km까지의 평균 지온증가율은 약 25~30도/km이다. 한편, 지구내부에서 맨틀대류에 의한 판의 경계에서는 100도 이상의 고온 지열지대가 존재하며 따라서 대부분의 지열 발전소는 판의 경계에 위치하고 있다.
 
지열발전은 지열에너지를 이용하여 전력을 생산하는 방법으로 공해가 없어 친환경적이며, 기존의 화력이나 수력, 기타 재생에너지에 비해 24시간 연속으로 가동할 수 있으므로 설비의 실제 가동률이 뛰어나다는 장점이 있다. 또한 풍력이나 태양광발전과 달리 날씨의 영향을 받지 않으며, 어떠한 연료도 필요로 하지 않고, 어떠한 폐기물도 만들어내지 않는 친환경적이며 실제 가동률이 뛰어나고 유지 보수비도 상대적으로 저렴하다.


아이슬란드의 지열발전소(자료 : 위키백과)


최초의 지열발전은 1904년 이탈리아 토스카나 지방에 세워졌는데, 이곳에서는 땅에 솟아오른 140~260도의 증기를 이용하여 터빈을 돌려 발전을 하였다. 이후 1913년에는 상업적인 발전을 시작하였으며 현재에도 이 지역은 543MW의 발전용량을 갖추고 있다. 현재까지 건설된 지열발전시설물 중 세계 최대는 미국 샌프란시스코 인근의 ‘더 게이저스(The Geysers)이다. 총 15개의 발전소로 구성된 ’더 게이저스‘의 발전용량은 약 725MW인데, 이 용량은 미국 샌프란시스코 정도의 도시에 전력을 공급할 수 있는 양이다.
   
지열 에너지 활용 기술
    
지열에너지 활용기술은 크게 149도 이하의 지열수를 이용하는 직접이용기술과 150도 이상의 지열 유체(증기 및 지열수)를 이용하는 간접이용기술로 나눌 수 있다. 직접이용기술은 화산활동 지대에서 자연스럽게 얻을 수 있는 지열수를 이용하는 방법으로, 주로 지역난방, 온실난방, 농산물 건조, 산업이용, 온천 등에 이용된다. 또한 지열수를 이용한 바이너리(binary) 발전으로 전기 생산도 가능하다. 바이너리 발전은 지하의 열이 낮아 증기를 생산하기에 불충분한 경우에 사용되는데, 열 교환기를 통해 고온수가 지상으로 끌어올려지면 물보다 끓는점이 낮은 이차용액이 기체화돼 터빈을 돌리는 방식이다.
150도 이상의 지열 유체를 이용하는 방법은, 보통 지열지대가 아닌 지역에서 지하 수천m 깊이까지 시추를 하여 지열에너지를 이용하는 방법이다. 이 경우에는 땅에 두 개의 구멍을 뚫고, 한 구멍에 물을 주입하면 지하 깊은 곳에서 지열에 의해 물이 가열되어 수증기가 생성된다. 이 수증기가 다른 하나의 구멍을 통해 올라와 터빈을 돌리고 발전기를 작동시키는 방법이다. 최근에 독일, 호주 등은 고온성 화산활동이 없음에도 불구하고 지하 5km까지 심부 시추를 하여 바이너리 발전을 함으로써 전기를 생산하고 있다.
               
우리나라 지열 에너지 개발
                   
우리나라 지열에너지 개발은 2000년에 연중 약 20도 내외의 일정한 온도를 유지하는 지하열원을 이용하여 냉·난방을 해결하는 지열냉난방시스템을 도입하였다. 우리나라는 화산지대가 아니므로 심부지열에너지 개발 방식이 추진되고 있다.
한국지질자원연구원은 2003년부터 ‘심부지열에너지 개발사업’을 수행하여 지하 1.5km에서 51도의 지열수 개발에 성공했다. 현재 포항시 흥해읍 지역에 설비용량 1.5MW규모의 지열발전소를 건설 중에 있으며 내년 후반기에 정상가동될 예정이다.           
[용어] 지체구조[tectonic settings, 地體構造]
대규모의 지각변동으로 넓은 지역에 걸쳐 형성된 지질구조를 말하며 순상지·조산대 ·해령 ·해구와 여기에 수반되어 나타나는 대규모의 단층대 ·습곡대 ·중력이상대 ·화산대 ·지진대 등을 들 수 있다.
[출처] 네이버 지식백과, NGO단체 기후프로젝트, 위키피디어, 네이버캐스트 지구과학산책
[자료정리] 과학상식 보급위원 양해본