신재생에너지란?

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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)]

세계 지열에너지 직접이용 현황(1995~2015)-구분, 설비용량(capacity), MWth 직접이용량(utilization), TJ/year을 나타내는 표
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

지열 히트펌프 구성도


  • 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

[ 밀폐형 지열시스템 구성도 ]


개방형 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

[ 지열발전 시스템 구성도 ]