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지열발전기술의 해설과 최신 동향일본 지열발전 분야의 기술 전략은? (상편)
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2019.05.07 14:56
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지열발전은 1913년 세계 최초로 이탈리아에서 상용 운전을 개시한 후 도입이 진전되기 시작했다. 오일쇼크가 발생했던 1970년대 이후부터는 적용 사례가 증가하면서, 수력, 풍력, 태양열과 함께 재생 가능 에너지의 하나로써 적용이 확대되었다. 일본의 경우 동일본대지진 이후 안정적인 전원 공급을 위한 수단으로 지열발전을 주목하기 시작했다. 그렇다면 일본, 세계에서 지열발전은 어떠한 평가를 받고 있으며, 향후 개발 동향은 어떻게 될 것인가?

지열발전은 말 그대로 지구 내부에 축적된 열 에너지를 이용하는 발전 기술이다. 현재 실용화된 지열발전 방식은 천연 지열저류(저축)층을 파서 나온 고온·고압의 수증기, 열수(熱水, 마그마가 식은 후 여러 광물 성분을 분리한 뒤 남은 수용액)를 이용해 발전한다. 수증기와 열수를 전기로 전환하는 기술은 수증기를 그대로 이용하는 증기발전, 물보다 끓는점이 낮은 매개체로 열 교환함으로써 저온역의 열원을 이용하는 바이너리 발전(binary plants)으로 나뉜다.

하지만 지열발전의 정확한 분류와 각 분류 별 기술에 대한 정의는 세계적으로 아직 확립되어있지 않다. 이에 각 기술을 명확히 구분하기 위해 지열발전을 다음과 같이 분류했다. 바로 종래형 지열발전과 비 종래형 지열발전이다. 전자는 천연 지열저류층을 채굴하여 에너지를 얻는 것을 뜻한다. 후자는 지열저류층의 구조를 개조 혹은 조성하여 생산량을 확보하거나 더 깊은 중심부의 지열자원을 이용하는 것을 의미한다.

종래형 지열발전은 지열자원을 그대로 이용하는 방식이지만 비 종래형 지열발전은 훨씬 복잡하고 다양한 방법이 존재한다. 이를 총칭하여 증진형 지열시스템(EGS, Engineered/Enhanced Geothermal System)라 부르기도 한다. 보통은 수증기나 열수의 생산량이 저하된 지열저류층에 물을 공급하여 생산량 증가를 유도하는 기술이 해당된다.

비 종래형 지열발전기술은 다음과 같이 세분화할 수 있다. 수증기나 열수의 생산량이 저조한 지열저류층에 물을 공급하여 생산량을 확보하는 기술, 지열저류층을 인공적으로 개조하거나 조성하는 기술, 더욱 깊은 곳의 열 자원을 활용하는 기술, 마그마를 이용하는 기술이다.
(비 종래형 지열발전기술의 종류에 대해서는 다음 연재 ‘일본 지열발전 분야의 기술 전략은?(하편)에서 다룰 예정이다).

 

지열발전의 잠재력과 과제
지열발전은 태양광발전이나 풍력발전과 달리 전력을 안정적으로 공급할 수 있다는 장점이 있다. 일본에서는 1966년 처음으로 지열발전소(이와테현 소재)가 운전을 개시한 이후 1996년까지 설비 용량이 증가했다. 1998년 이후 잠시 정체기를 거쳤으나, 2011년 동일본대지진을 겪으면서 다시 주목 받기 시작했다.

동일본대지진이 지열발전 도입 확대의 계기가 된 것은 지열발전을 안정적인 전원 공급을 위한 수단이라고 판단했기 때문이다. 게다가 국가적으로도 고정가격매입제도(FIT)를 통해 지열발전에 높은 매전 가격을 보증했고, 국립공원 내의 지열자원 개발에 걸친 규제를 완화하는 등 지열발전 도입을 촉진하는 제도적 배경이 조성되었다. 이러한 일련의 환경 변화에 따른 일본의
지열발전 개발 단계는 제1기에서 제5기까지 크게 다섯단계로 나눌 수 있다.

물론 도입 확대를 위해 해결해야 할 여러 가지 문제가 있다. 개발 위험, 에너지 감쇠의 위험, 경제성 부재,사회수용성 확보의 필요라는 과제를 해결해야 한다. 무엇보다 도입 가능량에 대한 과제가 선결되어야 하는데, 도입량의 비약적인 증대를 위해서는 비 종래형 지열발전 기술의 개발이 돌파구가 될 수 있기 때문에 종래형 지열발전기술과 비 종래형 지열발전기술의 동반 성장이 필요하다.

 

세계 각국의 지열발전 도입 상황은?

지열발전의 에너지원은 화산지대 등에 편재되어 있다. 이에 도입 확대가 가능한 국가는 한정적일 수밖에 없다. 국가별 지열발전 누적 설비용량을 보면 미국이 가장 많고 그 다음으로 필리핀, 인도네시아, 멕시코, 뉴질랜드, 이탈리아, 아이슬란드, 케냐, 일본 순이다. 또한 최근 5년간 국가별 설비용량의 증가량은 케냐(392MW), 미국(352MW), 터키(306MW), 뉴질랜드(243MW), 인도네시아(143MW)순이었다.

세계 각국에서 특히 비 종래형 지열발전에 관한 도입이 가장 적극적으로 이루어지고 있는 나라는 미국이다. 그 중에서도 취성역 고온암체발전에 대한 실증사업이 활발하게 이루어지고 있다. 이를테면 화학적 자극이나 수압 자극 등의 갱정 자극에 의한 생산 능력 향상 장치 개발 등이다. 그 결과 일부 지역에서는 지열저류층의 감쇠 문제에 일정 효과를 보이고 있는 것으로
나타났다. 오스트레일리아, 프랑스, 독일, 한국 등은 활화산대가 아니기 때문에 종래형 지열발전의 설비 용량이 작다. 이에 지하의 열 자원을 활용하기 위해 취성역 고온암체발전의 실증사업 등이 진전되고 있다. 특히 오스트레일리아에서는 1990년대 지하 5km 위치에 고온층의
존재가 확인된 이후 지열 이용의 기대가 높아지고 있다.

이에 몇 가지 실증 사업이 진행 중이기는 하지만 실용화에는 이르지 못한 상태다. 일본에서는 초임계 지열발전 등의 연성(軟性)역 지반의 지열 이용에 관한 노력이 검토되고 있다.
앞서 언급한 것처럼 세계 각국에서 비 종래형 지열발전에 관한 실증사업 등이 진전되고 있어 지하 구조파악, 갱정 자극, 지진 대책 등의 기술 개발이 지속적으로 진행되고 있다. 하지만 돌파구가 될 혁신적인 기술 개발의 성과는 아직 보이고 있지 않다. 또한 지금까지의 실증사업은 기술적 실현 가능성 판단을 위한 목적으로 진행되는 경우가 많아 경제성을 고려한 사례가 적
은 것이 사실이다.

 

점차 성장하는 세계 지열발전 시장

증기발전, 바이너리발전과 터빈발전기의 세계시장규모(2013년 기준)는 각각 약 410억 엔, 약 314억 엔이었다. 세계 재생 가능 에너지 도입 확대의 영향으로 시장 규모는 앞으로도 확대될 것으로 보인다. 이에 2020년에는 증기 발전이 약 1,000억 엔, 바이너리발전이 약 400억 엔에 달할 것으로 전망된다.

그 중에서 일본의 증기발전터빈, 발전기의 시장 점유율은 특히 높다. 일본계 기업(후지전기, 도시바, 미츠비시히타치파워시스템즈)가 세계 시장의 약 85%를 점하고 있다. 한편 바이너리발전 분야에서는 전체의 약 88%를 미국계 기업(Ormat Technologies、Atlas Copco Mafi-Trench 등)이 차지하고 있어 일본계 기업의 점유율은 1% 정도에 그치고 있다.

 

종래형 지열발전기술의 기술 과제

앞서 언급했듯 지열저류층에서 채굴한 수증기와 열수 자원을 수증기로 변환하는 기술은 채굴한 수증기를 그대로 이용하는 증기발전과 저온역의 열원을 이용하는 바이너리 발전으로 나뉜다. 이 기술은 분출된 지열 자원의 온도나 기수비(수증기와 열수의 비율) 등에 따라 다르게 적용된다. 이용하는 지열자원에서 고온 수증기의 비율이 큰 경우에는 분출한 수증기를 그대로 활용하는 증기발전이 적용되는 경우가 많다.

한편 저온역에서 열수의 비율이 많으면 물보다 끓는점이 낮은 매개체를 이용해 지열자원이 가진 열 에너지에서 열 교환하여 그 증기로 터빈을 구동시키는 바이너리 발전이 적용된다. 하지만 설비 비용이 높다는 것, 발전기 자체의 소비 전력이 비교적 크다는 것, 저온의 열원을 이용하여 효율이 낮다는 등의 이유로 바이너리 발전은 증기발전에 비해 발전 비용이 높다. 다
만 저온역의 열원을 이용할 수 있어 최근 도입량이 증가하는 추세다.

지하의 열 자원 외에 온천이나 기설 발전소 등의 미이용 열을 이용하는 방법도 있다. 이들 열 자원은 신규 발전 비용이 들지 않기 때문에 초기 비용을 절감하고 투자 리스크를 줄일 수 있다. 그러나 지열저류층의 열 에너지를 직접 이용하는 증기발전이나 대규모 바이너 리발전보다 규모가 작아 변환 효율이나 소비전력량의 증가에 대응할 수 없다는 문제가 있다. 이에 현 시점
에서는 경제성이 낮고 상용화를 위한 비용 절감이 요구된다.

그 중에서도 온천발전은 온천의 잉여 열을 이용한 지열발전이다. 온천발전에서는 보통 100℃ 이하의 온천 열을 이용해 발전한다. 신규 굴삭이 필요하지 않아 사회수용성이 높다는 장점이 있다. 이 외에 추진 주체가 온천사업자, 열수 공급 사업자, 지자체 등이 된다는 점이 특징이다. 온천의 잉여 열을 사용한 발전 도입의 자원량은 약 720MW다.

지열발전소의 환원 열수를 이용하는 방법도 있다. 증기 발전형 지열발전소의 기수분리기에서 분리된 열수는 특정 경우를 제외하고는 그대로 지하에 환원된다. 이에 바이너리발전 등에서 저온 열 회수 기술을 이용하여 미 이용 열로 발전할 수 있다. 하지만 현재는 미 이용 열의 2차 이용에 따른 스케일 석출 등의 문제 때문에 거의 이용되지 않고 있다. 일본에서 지열발전소의 환원 열수를 이용하는 발전의 도입 자원량은 15~19MW 정도다.

* 다음 연재 ‘일본 지열발전 분야의 기술 전략은?(하편)’에서는 비 종래형 지열발전의 기술 과제와 전망에 대해 다룰 예정이다.

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