신재생에너지란?
지열 (Geothermal)
지열에너지 정의
- 토양, 지하수, 지표수 등이 태양복사열 또는 지구 내부의 마그마 열에 의해 보유하고 있는 에너지
지열에너지 분류
온도에 따라 중·저온(10~90℃) 지열에너지와 고온(120℃ 이상) 지열에너지로 구분
일반적으로 직접이용(direct use)과 간접이용(indirect use) 기술로 분류
- 기준이 다소 모호한 깊이나 온도로 지열에너지를 분류하는 방법보다 명확하기 때문에 현재 전 세계적으로 널리 통용되는 구분법
- 열(heat)을 생산하면 직접이용, 전기(electricity)를 생산하면 간접 이용
지열에너지 직접이용(direct use)
- 지열에너지 직접이용은 가장 오래된 기술로서 지열 히트펌프, 온천, 건물난방, 시설원예 난방, 지역난방 등이 대표적인 기술
- 땅에서 중온수(30~150℃)를 추출하여 사용자에게 직접 공급(집단에너지 개념)할 수 있으며, 또한 히트펌프나 냉동기와 같은 에너지 변환기기의 열원으로 활용
[세계 지열에너지 직접이용 현황(1995~2015)]
| 구분 | 설비용량(capacity) | MWth 직접이용량(utilization), TJ/year | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2015 | 2010 | 2005 | 2000 | 1995 | 2015 | 2010 | 2005 | 2000 | 1995 | |
| 지열원 히트펌프 | 49,898 | 33,134 | 15,384 | 5,275 | 1,854 | 325,028 | 200,149 | 87,503 | 23,275 | 14,617 |
| 지역/개별난방 | 7,556 | 5,394 | 4,366 | 3263 | 2,579 | 88,222 | 63,025 | 55,256 | 42,926 | 38,230 |
| 온실 | 1,830 | 1,544 | 1,404 | 1,246 | 1,085 | 26,662 | 23,264 | 20,661 | 17,864 | 15,742 |
| 양식/양어 | 695 | 653 | 616 | 605 | 1097 | 11,958 | 11,521 | 10,976 | 11,733 | 13,493 |
| 농산물 건조 | 161 | 125 | 157 | 74 | 67 | 2,030 | 1,635 | 2,013 | 1,038 | 1,124 |
| 산업 이용 | 610 | 533 | 484 | 474 | 544 | 10,453 | 11,745 | 10,868 | 10,220 | 10,120 |
| 온천 및 수영 | 9,140 | 6,700 | 5,401 | 3,957 | 1,085 | 119,381 | 109,410 | 83,018 | 79,546 | 15,742 |
| 냉방/제설 | 360 | 368 | 371 | 114 | 115 | 2,600 | 2,126 | 2,032 | 1,063 | 1,124 |
| 기타 | 79 | 42 | 86 | 137 | 238 | 1,452 | 955 | 1,045 | 3,034 | 2,249 |
| 합계 | 70,329 | 48,493 | 28,269 | 15,145 | 8,664 | 587,786 | 423,830 | 273,372 | 190,699 | 112,441 |
출처 : Lund and Boyd, 2016년
지열 히트펌프
- 연중 일정한 온도(10~22℃)의 땅 속에 매설된 지중열교환기를 순환하는 열매체(물 또는 부동액) 또는 지하수와 하천수 등을 지열 히트펌프 시스템의 열원으로 활용하여 건물 냉난방과 급탕 공급
- 일반적으로 토양열원 히트펌프, 지하수열원 히트펌프, 지표수열원 히트펌프, 하이브리드 지열 히트펌프 시스템 등으로 구분
- 건물 냉난방 부하 및 지역 여건에 따라 다양한 종류의 지중열교환기 설치가 가능하며, 지열을 회수하는 파이프(열교환기) 회로구성에 따라 밀폐형(closed-loop)과 개방형(open-loop)으로 구분
- · 밀폐형(closed-loop) : 수직형, 수평형, 슬린키형, 에너지파일, 에너지슬래브
- - 파이프 내에는 지열을 회수(열교환)하기 위한 열매가 순환되며, 파이프의 재질은 고밀도 폴리에틸렌이 사용
- - 루프의 형태에 따라 수직, 수평루프시스템으로 구분되는데 수직으로 100~150m, 수평으로는 1.2~1.8m 정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방부하가 적은 곳에 쓰임
- · 개방형(open-loop) : 단일 우물형, 복수 우물형, 스탠딩 컬럼웰 등
- - 수원지, 호수, 강, 우물 등에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는 것으로 풍부한 수원지가 있는 곳에서 적용 가능
- - 파이프 내에서 직접 지열이 회수되므로 열전달 효과가 높고 설치비용이 저렴한 장점이 있으나 밀폐형에 비해 운전 유지보수 주의 필요
- · 하천, 호수, 연못의 물을 직접 이용할 경우 개방형이며 이들 물속에 파이프를 침전시켜 이용할 경우에는 밀폐형으로 분류
[ 밀폐형 지열시스템 구성도 ]
[ 개방형 지열시스템 구성도 ]
지열에너지 간접이용(indirect use)
- 땅에서 추출한 고온수나 증기(120~350℃)의 열에너지로 터빈을 구동하여 전기를 생산하는 지열발전으로 건증기, 습증기, 바이너리, EGS 발전 등으로 구분
지열 발전
- 땅에서 추출한 고온수나 증기(120~350℃)의 열에너지로 터빈을 구동하여 전기 생산
- 전통적인 지열발전 방식 : 건증기, 습증기, 바이너리 발전 등
- · 건증기 지열발전
- - 역사가 가장 오래된 방식으로 고온의 증기가 풍부한 지역에서 활용
- - 완전 포화상태 또는 과열상태의 건증기를 하나 또는 여러 개의 보어홀에서 추출 한 후 지상 배관을 통해 플랜트의 터빈으로 직접 보내 전기 생산
- · 습증기 지열발전
- - 습증기 또는 플래시증기 지열발전은 현재 가장 널리 보급된 방식
- - 터빈의 단 수에 따라 1단과 2단 습증기 지열발전으로 분류하며, 최근 에너지 이용 효율을 높이기 위해 3단 습증기방식도 도입
- · 바이너리 사이클(2유체 사이클) 지열발전
- - 지하에서 추출한 저온 지열수(100~120℃)가 비등점이 상대적으로 낮은 2차 유체를 증발시켜 터빈 구동
- - 2차 유체로는 냉매계열·프로판·펜탄·암모니아 등을 이용
- · EGS(enhanced geothermal systems) 발전
- - 심부 고온암체에 인공 파쇄대를 형성한 후, 이 파쇄대를 통해 물을 주입하여 열을 추출하는 방식
- - 물을 주입하는 수압 파쇄용 시추공, 인공 저류층 그리고 뜨거운 물을 퍼올리기 위한 생산정 등으로 구성
- - 화산지대가 아닌 지역에서도 지열 발전이 가능하기 때문에 최근 전 세계적으로 중장기 기술개발 프로젝트로 많은 관심을 받고 있음
[ 지열발전 시스템 구성도 ]
[자료출처 : 한국에너지공단 신재생에너지센터]