지열 에너지

1. 지구의 역사와 구조

 

 1) 지구의 형성과정

 약 46억 년 전에 만들어진 원시 지구의 주변에는 수많은 미행성체들이 존재했다. 지구 자체의 중력이 커지면서 지구와 미행성체들이 충돌했다. 충돌로 인해 지구는 점점 커져갔고, 지구의 온도가 올라가면서 지구 내부에 녹아 있던 무거운 금속인 철이나 니켈 등은 중심부에 모여 핵이 되었고, 상대적으로 가벼운 규산염 광물은 맨틀을 이루었다. 이후 지구의 온도가 내려가 표면이 식으면서 지각이 만들어졌다. 원시 지구와 충돌할 때 미행성체에서 배출된 물과 이산화탄소, 메탄 등의 성분은 대기를 형성했다. 시간이 흘러 충돌이 줄어들고 충돌 에너지가 감소하자 원시 지구는 점차 냉각되었고, 대기 중의 수증기가 응축하여 큰 비를 내려 지구의 바다를 이루었다.

 

 

          2) 지구의 내부 구조

우리가 살고 있는 지구는 대기로 둘러싸인 둥근 고체 안에 우의 그림과 같이 지각과 맨틀, 핵 3층 구조로 이루어져 있다. 핵은 내핵과 외핵으로 나누어진다.

 

 

 

① 지각 : 지구의 가장 바깥 껍질로 고체인 암석으로 이루 어져 있다. 지구 전체 부피의 약 1% 정도를 차지한다

- 현무암질층: 해양지각은 지구 전체 표면의 2/3를 차지하며 두께는 약 5~10km이다. 평균 밀도는 약 3.3g/cm3이다.

- 화강암질층: 대륙지각은 지구 전체 표면의 1/3을 차지하며 두께는 약 30~65km이다. 평균 밀도는 약 2.7g/cm3으로 해양지각 보다 낮다

 

산맥: 주위보다 높이 솟아 있는 지형을 산이라 하는데, 여러 산들이 연속적으로 이어진 지형을 산맥이라 한다. 밀도가 높은 해양지각이 대륙지각 가장자리 아래로 하강하여 대륙지각이 들어 올려지는 곳에서 로키 산맥이나 안데스 산맥 등이 형성된다. 대륙지각과 대륙지각이 만나는 곳에서는 두 지각이 서로 미는 압력에 의해 히말라야 같은 산맥이 형성된다.

 

 

       ② 맨틀 : 지구 내부의 82%를 차지할 정도로 가장 두꺼운 층이다.

       ③ 핵(내핵, 외핵)

-외핵 : S파가 통과하지 못하는 것으로 보아 액체로 이루어졌다고 생각된다. 맨틀과 외핵의 경계면을 구텐베르크면이라고 한다.-내핵 : 지진파의 속도가 빨라지는 것으로 보아 고체라고 생각된다. 외핵과 내핵의 경계면을 레만면이라고 한다. 성분은 약간의 니켈이 있는 철로 이루어져 Fe-Ni층이라고 한다.

   

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 지열에너지

 

  1)정의 및 구분

  ① 땅(토양, 지하수, 지표수 등)이 지구 내부의 마그마 열에 의해 보유하고 있는 어네지이다

  ② 지열에너지는 온도에 따라 중, 저온(Low to Medium Temperature, 10~90℃) 지열에너지와 고온 (High      Temperature, 120℃ 이상) 지열에너지로 구분된다.

   

 

 

2)지열에너지 이용 기술 분류

지열에너지는 최종 생산물의 관점에 따라 직접이용(Direct Use)와 간접이용(Indirect Use) 기술로 구분된다. 열을 생산하면 직적이용이고, 전기를 생상하면 간접이용이다.

 

 

     (1)지열에너지 직접 이용 (Direct use of geothermal energy)

        ① 지열원 펌프 시스템

가. 지열에너지 직접이용은 가장 오래된 기술로서 지열 히트펌프(geothermal heat pump), 온천(spa), 건물난방 (space heating), 시설원예 난방(greenhouse heating), 지열 지역난방(geo -thermal district heating) 등이 대표적인 기술이다.나. 땅에서 중 온수(30～150℃)를 추출하여 사용자에게 직접 공급(집단에너지 개념)할 수 있으며, 또한 히트펌프나 냉동기와 같은 에너지 변한기기의 열원으로 활용 된다.다. 지열 히트펌프 시스템을 제외한 나머지 기술들은 중온수가 풍부한 지역에서 가능하기 때문에 지리적 제약이 있다.

 

 

 

 

 

 

 

라. 지열 히트 펌프

- 시스템 구성도 상세

 

 

 

 

- 지열 히트 펌트 특성

① 직접이용 기술 중 가장 큰 부분을 차지하는 기술로 저온(10～30℃)의 지열에너지를 효율적으로 활용하는 지열분야의 대표기술이다.② 저온의 에너지를 활용하지만, 연중 일정한 온도를 유지하기 때문에 항온성이 우수하며 지리적 제약이 없는 것이 큰 장점이다.③공기열원(air-source) 히트펌프와 구분하기 위해 지열원 히트펌프(ground-source heat pump)로 부르기도 한다.

 

 

-냉•난방 시스템 원리

 

난방 : 히트펌프 내부의 열교환기(증발기)를 지나는 차가운 액냉매는부동액(지중열교환기 내의 순환유체)으로부터 열을 흡수하고 증기냉매로 상변화를 하게 된다. 증발과정 후 온도가 강하된 부동액은 지열 열교환기를 순환하면서 다시 온도를 회복하게 된다. 그러한 원리로 지중열원인 히트소스(Heat Source)의 역할을 수행하며, 난방사이클을 구성한다.

 

 

 

냉방 : 난방사이클과는 반대로 히트펌프 내부의 열교환기(응축기)를 지니는 뜨거운 기체 냉매는 부동액(지중열교환 내의 순환유체)으로 열을 방출하고 액체냉매로 상변화를 하게 된다. 응축과정 후 온도가 상승된 부동액은 지중열교환기를 순환하면서 온도가 하강하게 된다. 이러한 원리로 지중온열을 방출하는 히트싱크(Heat Sink)의 역할을 수행하며, 냉방 사이클을 구성한다.

 

 

 

 

 

 

②지열 직접 이용 시스템의 종류

지열시스템의 종류는 대표적으로 지열을 회수하는 파이프(열교환기) 회로구성에 따라 폐회로(Closed Loop)와 개방회로(Open Loop)로 구분된다.

 

 

가. 밀폐형 시스템

 일반적으로 적용되는 폐회로는 파이프가 폐회로로 구성되어 있는데, 파이프내에는 지열을 회수(열교환)하기 위한 열매가 순환되며, 파이프의 재질은 고밀도폴리에칠렌이 사용된다. 폐회로시스템(밀폐형)은 루프의 형태에 따라 수직, 수평루프시스템으로 구분되는데 수직으로 100~150m, 수평으로는 1.2~1.8m정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방부하가 적은 곳에 쓰인다.

 

 ㄱ. 수직형 시스템(vertical loop system)  깊이 100~150m 의 지중에 수직으로 파이프를 매설하여 지열을 얻으며 주로 소규모 냉난방 시스템에 적용되면 우리나라와 같이 면적이 좁은 지역에서는 널리 사용되며 적당한 시스템이다. 수평형 시스템보다는 시공비가 비싸나 루프의 길이가 짧고 냉난방에 효율적이다.

 

 ㄴ. 수평형 시스템(horizontal loop system)  운동장과 같은 큰면적만 확보되면 설치가 간단하여 가장 경제적인 시스템이다.수평으로 설치하기 때문에 파이프의 손상 등 우려가 있어 뒤채움을 철저히 하여야 하고 효율은 수직형에 비해 떨어지며 소형 시스템에 적용이 용이하다.

 

 ㄷ. 우물형 시스템(pond  loop system) 설치가 간단하고 경제적이나 이용 가능한 적정 넓이의  우물이 있어야 한다.

 

 

 

 

 

 

 

나. 오픈형 시스템(open system)  수원지나 호수 강등에서 공급받는 물을 개방형 회로를 순환하여 열교환하고 장점은 설치 비용이 저렴하고 설치 공간이 작으며 열전달 효과가 좋다. 오픈형 시스템은 풍부한 수자원이 있는 곳에 적용될 수 있으며 단점으로는 폐쇄형에 비해 유지 보수비가 많이 든다는 것이다.

 

 

 

 

 

 

   (2)지열에너지 간접 이용 (indirect use of geothermal energy)

① 땅에서 추출한 고온수나 증기(120～350℃)의 열에너지로 터빈을 구동하여 전기를 생산하는 지열발전 (geothermal power generation)이다.② 최종 생산물은 전기이며, 화산지대에서 유리하기 때문에 지리적 제약이 크다③건증기(dry steam), 습증기(wet or flash steam), 바이너리(binary), EGS(enhanced geothermal systems) 발전 등으로 구분된다.

 

 

 가. 습증기 지열발전 : 플래시증기 지열발전이라고도 한다. 이 지열방식 역시 현재 널리 보급이 된 방식이다. 터빈의 단 수에 따라 1단과 2단 습증기 지열발전으로 분류하며, 최근 에너지 이용 효율을 높이기 위해 3단 습증기방식도 도입이 되고 있다.

 

 나.바이너리 사이클(2유체 사이클) 지열발전은 지하에서 추출한 저온 지열수(100~120℃)가 비등점이 상대적으로 낮은 2차 유체를 증발시켜 터빈을 구동하고 있다. 2차 유체로는 냉매계열·프로판·펜탄·암모니아 등을 이용하고 있다.

 

 다. EGS(Enhanced Geothermal Systems) 발전은 심부 고온암체에 인공파쇄대를 형성한 후, 이 파쇄대를 통해 물을 주입하여 열을 추출하는 방식을 말한다. 물을 주입하는 수압 파쇄용 시추공, 인공 저류층 그리고 뜨거운 물을 퍼 올리기 위한 생산정 등으로 구성이 되고 있습니다. 화산지대가 아닌 지역에서도 지열 발전이 가능하기 때문에 최근 전 세계적으로 중장기 기술개발 프로젝트로 많은 관심을 받고 있다.

 

 

 

4) 에너지원별 효율 비교 분석

 

에너지원	사용시스템	발열량 (단위당)	1,057평/320,853Kcal/h	시간당 운영비용 단위 (원)	1일 10시간 기준 운영비
일반용 저압전기 1Kw/h	지열열펌프	2,929 kcal	2,929 kcal x 109 =320,853k cal	64.90원x109 = 70,740원	70,740원
	전기히터	860 kcal	860 kcal x 373 =320,853k cal	64.90원x373 = 242,070원	242,070원
보일러등유 1£(901.77원)	일반보일러	4,880 kcal	4,880 kcal x 66 =320,853k cal	901.77원x66 = 595,160원	595,160원
	고효율보일러	6,778 kcal	6,778 kcal x 47 =320,853k cal	901.77원x47 = 423,830원	423,830원
LPG 1£(704.86)	일반 보일러	3,447 kcal	3,447 kcal x 93 =320,853k cal	704.86원x93 = 655,520원	655,520원
	고효율보일러	5,374 kcal	5,374 kcal x 60 =320,853k cal	704.86원x60 = 422,910원	422,910원

 

- 표에서 볼 수 있듯이 지열 발전 시스템이 운영비 측면에서 효율적임을 알 수 있다.

   

 

 

5) 전 세계 지열에너지 사용 현황

   (1)직접이용

 

① 현재 78개 국가에서 지열 직접이용 기술을 활용중이다.

② 2009년 말 기준, 지난 5년 동안 지열 히트펌프 시스템 보급용량은 2.3배(연평균 18%), 에너지 이용량은 2.45배(연평균 19.7%) 증가했다.

③ 전체 보급용량(51 GWth) 중 지열 히트펌프 시스템 보급용량은 35 GWth로 69.7% 점유한다.

④ 이용량은 215 PJ(60 TWh)로 전체 이용량(438 PJ, 122 TWh) 중 49% 점유한다.

⑤ 전 세계 78개국의 지열에너지 이용 국가 중 43개 국가에서 지열 히트펌프 시스템 보급한다.

⑥ 현재 미국, 스웨덴과 독일을 포함한 유럽 그리고 중국 등이 보급시장 주도한다.

⑦ 전 세계 보급용량을 12 kWth급 히트펌프로 환산했을 때, 약 294만대 보급. 2005년(약 130만대) 대비 2배 이상 증가했다.

 

구 분	보급용량, MWth				이용량, TJ/Year
	2010	2005	2000	1995	2010	2005	2000	1995
지열 히트펌프	35,236	15,384	5,275	1,854	214,782	87,503	23,275	14,617
지역난방	5,391	4,366	3,263	2,579	62,984	55,256	42,926	38,230
온실난방	1,544	1,404	1,246	1,085	23,264	20,661	17,864	15,742
양식업	636	616	605	1,097	11,521	10,976	11,733	13,493
농산물	127	157	74	67	1,662	2,013	1,038	1,124
산업이용	533	484	474	544	11,746	10,868	10,220	10,120
온천 및 수영	6,686	5,401	3,957	1,085	109,302	83,018	79,546	15,742
융설	368	371	114	115	2,126	2,032	1,063	1,124
기타	41	68	137	238	956	1,045	3,034	2,249
합계	52,572	30,256	17,145	10,659	440,353	275,377	192,699	114,43

▲ 활용 방식별 전 세계 지열에너지 직접이용 현황(1995~2010)

 

 

 

(2) 지열 간접이용 기술 활용 현황

 ① 2009년 말 기준, 전 세계 24개 국가에서 약 10,715 MWe의 용량과 연간 67,246 GWh의 발전량으로 지열발전 플랜트 운전주이다.

 ② 전체 플랜트 중 88%가 미국(3,093 MWe)·필리핀(1,904 MWe) 인도네시아(1,197 MWe)·멕시코(958 MWe)·이탈리아(843 MWe)·뉴질랜드(628 MWe)·아이슬란드(575 MWe)에 있다.

 

 

 

 

참고 사이트

1. http://www.kogea.or.kr/

2. http://energy.korea.com/ko/archives/48014

3. http://s_catharina.blog.me/30122911976

4. http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1023089&mobile&categoryId=3075

5. http://sos119002.blogspot.kr/2012/09/blog-post_3810.html

6. http://blog.naver.com/energyplanet/101399892

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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