지열 발전소

지열 발전에 이용되는 지열 자원은 크게 수증기형, 고온수형, 증기 우세형, 액체 우세형으로 구분된다. 수증기형 자원은 지하에서 직접 고온의 증기를 생산하는 형태로, 발전 효율이 가장 높은 편이다. 고온수형 자원은 150°C 이상의 고온 지하수를 포함하며, 이를 이용해 증기를 생성하거나 이중회로형 발전 방식을 적용한다. 증기 우세형과 액체 우세형 자원은 증기와 고온수가 혼합된 형태로, 그 구성 비율에 따라 구분된다.

이 밖에도 심부 지열 시스템을 통해 일반적으로 개발이 어려웠던 낮은 온도의 지열 자원이나, 건조 암반과 같은 열원을 인공적으로 개발하여 이용하는 방식도 있다. 지열수의 온도와 상태, 그리고 현장의 지질 조건에 따라 적합한 발전 기술이 선택된다.

지열 발전소의 발전 방식은 지하에서 취득한 열원의 형태와 온도에 따라 크게 증기형 발전 방식과 이중회로형 발전 방식으로 구분된다.

증기형 발전 방식은 고온의 건증기나 습증기를 직접 생산정에서 끌어올려 터빈을 회전시켜 발전기를 구동하는 방식이다. 이 방식은 지열 자원이 150°C 이상의 고온 증기 형태일 때 적용 가능하며, 시스템이 비교적 단순하고 효율이 높다는 장점이 있다. 그러나 증기에 포함된 광물 성분이나 가스가 터빈을 손상시킬 수 있어 전처리 과정이 필요할 수 있다.

이중회로형 발전 방식은 바이너리 사이클 발전이라고도 불리며, 지하에서 취득한 중저온의 지열수를 이용해 열교환기를 통해 저비점 작동유체를 증발시켜 터빈을 돌리는 방식이다. 이 방식은 100°C 미만의 비교적 낮은 온도의 지열 자원도 활용할 수 있어 적용 가능 지역이 넓으며, 지열수가 폐쇄된 루프를 순환하거나 재주입되므로 지하수 오염 우려가 적다. 그러나 증기형에 비해 시스템이 복잡하고 열효율이 상대적으로 낮을 수 있다.

이 외에도 증기형과 이중회로형을 결합한 복합형 발전 방식이나, 증기 분리기를 사용하는 플래시 증기 발전 방식 등 다양한 기술이 개발되어 지열 자원의 특성에 맞게 선택적으로 적용되고 있다.

지열 발전은 이용하는 지열 자원의 깊이와 온도에 따라 크게 심부 지열 이용과 천부 지열 이용으로 구분된다. 심부 지열 이용은 일반적으로 지하 수백 미터에서 수 킬로미터 깊이의 고온 암반층이나 지하수를 개발하여 전력을 생산하는 방식을 말한다. 전통적인 지열 발전소는 대부분 이에 해당하며, 고온의 증기나 열수를 생산정을 통해 끌어올려 직접 터빈을 돌리거나, 이중회로형 발전 방식을 통해 전기를 생산한다.

반면, 천부 지열 이용은 지하 수십 미터에서 200미터 내외의 비교적 얕은 깊이의 낮은 온도의 지열을 활용한다. 이는 주로 지열 히트펌프 시스템을 이용한 난방 및 냉방에 사용되며, 대규모 전력 생산보다는 건물의 에너지 절감을 목표로 한다. 지열 히트펌프는 땅속의 비교적 일정한 온도를 열원으로 삼아 효율적으로 열을 이동시키는 방식으로 작동한다.

심부 지열 발전의 핵심은 고온의 지열자원을 확보하는 것이며, 이를 위해 향상형 지열 시스템 기술이 개발되어 왔다. 이 기술은 천연으로 열수나 증기가 충분히 존재하지 않는 고온의 건조한 암반에 물을 주입하여 인공적으로 열교환 면적을 늘리고, 증기나 고온수를 생산하는 방식을 말한다. 이는 기존 지열자원이 부족한 지역에서도 지열 발전을 가능하게 하는 미래 기술로 주목받고 있다.

천부 지열 이용은 이미 많은 국가에서 보급된 기술이며, 특히 단독 주택, 상업 건물, 지역 냉난방 사업에 널리 적용된다. 반면, 심부 지열, 특히 향상형 지열 시스템을 이용한 대규모 발전은 높은 초기 투자비와 기술적 위험, 그리고 유도지진 가능성과 같은 환경적 문제에 대한 논의가 지속되고 있어 상용화에 신중을 기하고 있는 실정이다.

지열 발전소의 핵심 시설은 지하의 열을 끌어올리는 생산정과 사용한 열매체를 다시 지하로 되돌리는 주입정이다. 이 두 정류는 일반적으로 쌍을 이루어 구성된다.

생산정은 지하의 고온 지열 유체(열수 또는 증기)를 지표로 끌어올리는 역할을 한다. 이 정류는 지열 저장층까지 수직 또는 사선으로 굴착되며, 내부에는 유체를 효율적으로 상승시키기 위한 케이싱과 공정이 설치된다. 반면, 주입정은 발전 과정에서 열을 잃은 냉각된 지열 유체를 지하 저장층으로 재주입하는 통로이다. 이 과정은 지열 저장층의 압력을 유지하고 지하수 오염을 방지하며 지열 자원의 지속 가능한 이용을 위해 필수적이다.

두 정류의 배치와 거리는 현장의 지질 조건과 발전 방식에 따라 달라진다. 일반적으로 증기형 발전에서는 생산정을 통해 직접 증기를 공급받지만, 이중회로형 발전(바이너리 사이클)에서는 생산정에서 끌어올린 고온 열수가 열교환기를 통해 2차 작동 유체를 가열하는 데 사용된 후 주입정으로 보내진다. 이는 지열 유체와 발전기 시스템을 분리하는 방식이다.

이러한 정류 시스템의 설계와 운영은 심부 지열 개발의 성패를 좌우하는 중요한 요소이다. 특히 유도지진 발생 가능성을 최소화하기 위해 주입 유체의 압력과 온도를 철저히 관리해야 한다.

지열 발전소에서 터빈과 발전기는 지하에서 얻은 열에너지를 기계적 에너지로, 다시 전기 에너지로 변환하는 핵심 장치이다. 발전 방식에 따라 사용되는 터빈의 종류와 작동 방식이 달라진다.

증기 터빈 발전 방식에서는 지하에서 직접 생산된 고온 고압의 증기가 터빈 블레이드를 회전시킨다. 이때 사용되는 터빈은 일반적으로 화력 발전소에서 사용하는 것과 유사한 축류식 터빈이다. 반면, 바이너리 사이클 발전 방식에서는 지열수를 통해 열교환기에서 가열된 저비점 작동유체의 증기가 터빈을 구동한다. 이 경우 작동유체의 특성에 맞춘 터빈이 사용되며, 오가닉 랭킨 사이클 터빈이 대표적이다.

터빈에 연결된 발전기는 회전하는 터빈 샤프트의 기계적 에너지를 전자기 유도 원리를 이용해 전기로 변환한다. 발전기의 출력은 지열 자원의 온도와 유량에 크게 의존한다. 고온의 증기를 직접 사용하는 방식이 일반적으로 더 높은 출력을 보이지만, 중저온의 지열수라도 바이너리 사이클을 통해 효율적으로 전력을 생산할 수 있다.

터빈과 발전기 시스템은 내부의 고온 고압 증기와 외부의 습기, 황화수소 같은 부식성 가스로부터 보호하기 위해 밀폐되고 방청 처리된 터빈실에 설치된다. 또한, 터빈을 통과한 후의 증기나 작동유체는 응축기에서 다시 액체로 냉각되어 시스템 내에서 순환하거나, 지하로 재주입된다.

지열 발전소의 열교환기는 지하에서 취득한 고온의 지열수나 증기의 열을 발전기를 구동하는 작동 유체로 전달하는 핵심 장치이다. 특히 바이너리 사이클 발전 방식에서는 필수적인 구성 요소로, 지열수와 저비점 유체(예: 이소펜탄)가 열교환기 내에서 직접 접촉 없이 열을 주고받는다. 이 과정에서 지열수는 열을 잃고 냉각되며, 가열된 저비점 유체는 증기가 되어 터빈을 회전시킨다.

냉각 시스템은 발전 과정을 마친 작동 유체를 다시 액체 상태로 응축시켜 시스템을 폐쇄 루프로 유지하는 역할을 한다. 일반적으로 냉각탑을 사용하여 대기와의 열교환을 통해 증기를 냉각하고 응축한다. 이 시스템의 효율은 주변 환경의 기온과 습도에 영향을 받으며, 냉각수의 공급이 원활해야 지속적인 발전이 가능하다.

지열 발전소의 효율은 열교환기의 성능과 냉각 시스템의 효과에 크게 좌우된다. 열교환기에서의 열 전달 효율을 높이고, 냉각 시스템의 에너지 소비를 최소화하는 것이 기술 개발의 주요 과제이다. 이를 위해 고효율 열교환기 설계와 공랭식 냉각탑 같은 절수형 냉각 기술이 적용되고 있다.

이러한 열 및 냉각 시스템은 지열 발전소가 지속 가능하고 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 하는 기반을 제공한다. 시스템 설계는 현장의 지열 자원 특성(온도, 유량)과 기후 조건에 맞춰 최적화된다.

지열 발전소는 지구 내부의 열을 에너지원으로 활용하기 때문에 여러 가지 장점을 가진다. 가장 큰 장점은 친환경성이다. 화석 연료를 태워 전기를 생산하는 방식과 달리, 지열 발전은 발전 과정에서 이산화탄소나 황산화물, 질소산화물과 같은 대기 오염 물질을 거의 배출하지 않는다. 또한 연료를 수송하거나 저장할 필요가 없어 관련된 환경 부담이 적으며, 상대적으로 좁은 면적의 부지를 사용한다는 점도 장점이다.

또 다른 중요한 장점은 안정적이고 지속 가능한 기저 발전원으로서의 역할이다. 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 다른 재생에너지원이 일조량이나 풍속에 따라 출력이 변동하는 간헐성을 보이는 반면, 지열은 지구 내부의 열을 이용하므로 24시간 내내 안정적으로 전력을 공급할 수 있다. 이는 전력 계통의 안정성을 유지하는 데 기여하며, 연중 가동률이 매우 높다는 특징으로 이어진다.

경제적 측면에서도 장점이 있다. 일단 시설이 건설되면 연료비가 거의 들지 않아 장기적으로 안정적인 전력 생산 비용을 유지할 수 있다. 이는 화석 연료 가격 변동에 따른 영향을 크게 받지 않음을 의미한다. 또한 발전소의 수명이 길고, 비교적 유지보수가 간단하며, 현지의 에너지 자원을 활용함으로써 에너지 자립도와 에너지 안보를 높이는 효과도 기대할 수 있다.

지열 발전소의 구축과 운영에는 몇 가지 명확한 단점과 한계가 존재한다. 가장 큰 장애물은 높은 초기 투자비다. 지하 깊은 곳에 생산정과 주입정을 시추하고, 지열 증기나 열수를 지표로 끌어올리는 데 필요한 시설, 그리고 터빈과 발전기, 열교환기 등을 설치하는 데 상당한 자본이 필요하다. 이는 화력 발전소나 태양광 발전에 비해 초기 진입 장벽이 높은 편에 속한다.

지열 발전은 적합한 지열 자원이 풍부한 특정 지역에 국한된다는 위치 제약도 있다. 고온의 지열을 경제적으로 이용하려면 지각의 판 경계나 화산대, 지열대와 같이 지하 열원이 지표 가까이에 위치한 지질학적 조건을 갖춘 곳이어야 한다. 이는 전 세계적으로도 태평양 불의 고리와 같은 특정 지리적 지역에 지열 발전소가 집중되는 이유다.

또한, 지열 발전 과정에서 지하수 오염이나 지반 침하의 우려가 제기된다. 열수를 추출하고 냉각수를 다시 주입하는 과정에서 지하수계의 균형이 깨질 수 있으며, 지하 공동이 형성되어 지반이 내려앉을 가능성도 있다. 무엇보다 유도지진의 위험은 가장 큰 환경적 논란거리다. 고압의 물을 지층에 주입하면 단층의 활동을 촉발시켜 인공 지진을 일으킬 수 있다는 연구 결과가 있다.

마지막으로, 특정 지열전지의 경우 발전 효율이 상대적으로 낮을 수 있다. 특히 바이너리 사이클 발전 방식은 화석 연료를 직접 연소하는 발전 방식에 비해 열효율이 낮은 편이며, 지열수의 온도와 양에 따라 발전 용량이 직접적으로 영향을 받는다. 따라서 안정적이지만 최대 출력에 한계가 있는 기저 발전원으로의 특성을 지닌다.

미국은 세계 최대의 지열 발전 보유국으로, 캘리포니아주와 네바다주에 대규모 지열 발전 단지가 집중되어 있다. 특히 캘리포니아의 게이저스 지열 발전 단지는 세계에서 가장 큰 규모를 자랑한다. 인도네시아는 활발한 화산 활동 덕분에 풍부한 지열 자원을 보유하고 있으며, 필리핀 역시 주요 지열 발전국 중 하나로 꼽힌다.

뉴질랜드의 북섬과 아이슬란드는 국내 전력 수요의 상당 부분을 지열 발전으로 충당하는 대표적인 국가다. 아이슬란드는 특히 지열을 난방과 온천 활용 등 다목적으로 적극 이용하고 있다. 이탈리아의 라르데렐로 지열 발전소는 세계 최초로 상업 운전을 시작한 역사적인 시설이다.

케냐는 아프리카 대륙에서 지열 발전을 가장 활발히 개발하고 있는 국가이며, 터키와 멕시코도 지열 발전 용량을 지속적으로 확대하고 있다. 일본은 화산이 많은 지리적 특성상 지열 자원이 풍부하며, 최근 재생에너지 정책 강화와 함께 지열 발전에 대한 관심이 다시 높아지고 있다.

한국의 지열 발전 현황은 세계 주요 지열 발전국에 비해 상대적으로 초기 단계에 있다. 이는 국내의 지열 자원이 고온 증기 형태보다는 중저온의 온천수 형태가 주를 이루기 때문이다. 따라서 대규모 전력 생산을 위한 증기 터빈 발전 방식보다는 중저온 지열수를 활용한 바이너리 사이클 발전 방식이나, 지열 히트펌프를 이용한 냉난방 공급에 초점이 맞춰져 왔다.

국내에서 지열을 이용한 전력 생산은 실증 및 연구 개발 차원의 프로젝트들이 진행되어 왔다. 한국지질자원연구원을 중심으로 경상북도 봉화군 등 일부 지역에서 실증 플랜트가 운영되거나 계획된 바 있다. 또한, 제주도는 화산섬으로서 상대적으로 높은 지열 구배를 보여 지열 에너지 개발에 유리한 조건을 가지고 있어 관심을 받고 있다. 이러한 프로젝트들은 대부분 소규모의 바이너리 사이클 발전 방식을 채택하고 있다.

정책적 측면에서는 재생에너지 보급 확대 정책의 일환으로 지열 발전에 대한 관심이 점차 높아지고 있다. 신재생에너지 공급인증서 제도 하에서 지열 발전으로 생산된 전력에 대한 인센티브가 제공되며, 탄소 중립 목표 달성을 위한 수단으로서 지열의 잠재력이 재평가되고 있다. 그러나 초기 탐사 비용이 높고, 발전에 적합한 고온 자원의 부재, 유도지진에 대한 사회적 우려 등이 실질적인 상업화 확대를 위한 과제로 남아 있다.

따라서 한국의 지열 발전은 대규모 전력 생산보다는 지역 분산형 에너지원으로서, 또는 폐광산의 갱내수와 같은 부존 자원을 활용하는 방향으로의 발전이 모색되고 있다. 최근에는 심부 지열 기술 개발을 통해 국내 지하 조건에 적합한 새로운 발전 방안에 대한 연구도 활발히 진행 중이다.

지열 발전소의 운영은 유도지진을 유발할 수 있는 주요 원인 중 하나로 지목된다. 유도지진은 인간의 활동으로 인해 지하 응력장이 변화하여 발생하는 지진을 말한다. 지열 발전 과정에서는 고온의 지하수를 채취하거나 냉각된 물을 지하에 주입하는 과정이 반복되는데, 이로 인해 지하 암반의 온도와 압력이 변하고, 단층면을 따라 작용하는 마찰력의 균형이 깨질 수 있다. 이는 단층의 미끄러짐을 촉발시켜 지진 활동을 일으킬 수 있다.

특히 향상된 지열 발전 시스템에서는 지하 암반을 인위적으로 파쇄하여 열교환 면적을 넓히는 과정에서 유도지진 위험이 더 크게 나타난다. 주입된 고압의 물이 기존 단층을 활성화시킬 수 있기 때문이다. 국제적으로는 스위스 바젤과 대한민국 포항에서 지열 발전 프로젝트와 관련된 규모 5.0 전후의 지진이 발생한 사례가 보고된 바 있다.

이러한 위험을 완화하기 위해 현장에서는 미세지진을 지속적으로 모니터링하고, 주입 압력을 세심하게 제어하는 등의 운영 지침이 마련되고 있다. 또한 사전에 지질 조사와 지진 위험성 평가를 철저히 실시하여 단층대를 피해 시설을 건설하는 것이 중요하다. 지열 에너지의 장점을 살리면서도 안전성을 확보하기 위한 기술적, 관리적 노력이 지속되고 있는 분야이다.

지열 발전소의 운영은 지하수와 지반에 다양한 영향을 미칠 수 있다. 가장 직접적인 영향은 지하수위의 변동이다. 지열수를 생산정을 통해 지표로 끌어올리거나, 사용한 물을 주입정을 통해 다시 지하로 환원하는 과정에서 지하수 압력이 변화한다. 이로 인해 주변 지역의 지하수위가 하강하거나 상승할 수 있으며, 이는 인근의 우물이나 지하수 자원에 영향을 줄 수 있다. 또한, 고온의 지열수를 추출하거나 냉각된 물을 주입함으로써 지하수 온도장이 변화할 수 있다.

지반 침하 현상도 주요한 환경적 영향 중 하나이다. 대량의 지하수를 장기간 추출하면 지층 내 공극수압이 감소하여 지반이 압밀되면서 지표면이 가라앉는 현상이 발생할 수 있다. 이는 발전소 부지 및 주변 지역의 기반시설에 구조적 문제를 일으킬 위험이 있다. 반대로, 대량의 물을 지하에 주입할 경우 지층 내 압력이 증가하여 지반이 부풀어 오르는 현상이 보고되기도 한다.

지열 발전 과정에서 지하수 오염 가능성도 고려해야 한다. 지열수에는 자연적으로 용존된 광물 성분이나 중금속이 포함되어 있을 수 있다. 이러한 물이 누출되거나 주입 과정에서 담수 대수층과 혼합될 경우 수질 오염을 초래할 수 있다. 또한, 이중회로형 발전 방식에서 사용되는 작동유체가 열교환기를 통해 누출될 위험은 낮지만, 기술적 결함으로 인한 사고 시 심각한 오염을 유발할 수 있다. 따라서 철저한 모니터링 시스템과 환경 영향 평가를 통한 사전 관리가 필수적이다.