지열-지구의 에너지를 사용하여 지구를 구하는 방법

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/geothermal-using-earth-s-energy-to-save-the-earth

*데이비드 도지(David Dodge)

©naumoid/iStock

지열 에너지는 오랫동안 지구에서 나오는 이상적인 에너지원으로 여겨져 왔다. 석기시대에는 온천 목욕에 지열 난방을 사용했고, 고대 로마에서는 공간 난방에 사용되었다.

이제 전 세계의 가정 난방 방식에 혁명을 가져올지도 모른다.

1904년 이탈리아의 피에로 지노리 콘티(Piero Ginori Conti) 왕자가 처음으로 지열 발전기를 시험한 후 1911년에 소규모 발전소를 건설했다.

그로부터 수십 년 후인 1960년, 태평양가스전기회사(Pacific Gas and Electric)는 캘리포니아의 더가이저스(The Geysers)에 미국 최초의 지열 발전소를 건설했다. 현재 22개의 발전소가 1,517메가와트 용량의 세계 최대 지열 지대에서 평균 약 835메가와트의 전력을 생산하고 있다.

실제로 자연적으로 발생하는 열원은 전 세계에서 지열 발전을 위해 쉽게 활용되고 있다. 아이슬란드는 풍부한 간헐천과 온천에서 전기의 약 25%를 얻고 있다.

지열 기술의 유형

대부분의 사람들에게 '지열'이라는 용어는 단순히 집이나 건물을 난방하기 위해 지구에서 무료로 열 에너지를 얻는 것을 의미한다.

미국에 본사를 둔 산업무역 단체인 지오서멀 라이징(Geothermal Rising)의 브라이언트 존스(Bryant Jones)에 따르면, 지열 기술에는 크게 세 종류가 있다.

첫 번째는 지열원 히트 펌프를 사용하여 지구의 얕은 열을 이용해 약 4~12°C(39~55°F)의 저온을 상승시키는 것이다. 이를 흔히 '지열교환'이라고 한다.

두 번째 사용 유형은 지구의 열을 산업 공정 및 지역난방 시스템에서 사용하는 것이다. 이를 직접 사용 애플리케이션이라고도 한다.

세 번째 응용 분야는 간헐천, 온천 또는 더 깊은 열 저장고에서 고온 자원을 사용하여 전기를 생산하는 것이다.

인기 있는 지하 지열교환 시스템

지열교환은 전 세계에서 가장 일반적인 지열 프로젝트 유형이다. 이 프로젝트는 땅속에 수평 또는 수직으로 파이프를 매설하여 4°C~12°C(39°F~55°F)의 저온을 채취하는 방식이다. 그런 다음 히트 펌프를 사용하여 이를 약 50°C(122°F)로 높인 다음 집이나 건물을 난방하는 데 사용한다.

캐나다 앨버타(Alberta)주 북부 에드먼턴(Edmonton)에 있는 넷제로(탄소중립) 주택으로 우연히 여행을 떠난 대런과 다시 크라이튼(Darren and Darcy Crichton)은 집 앞마당에 파놓은 지열교환 시스템을 이용했다. 지열교환을 이용하기로 결정한 것은 2021년 폭염이 극심했던 때였다. 지열교환 시스템은 매우 에너지 효율적인 냉방과 난방을 제공한다. (동영상 참조: https://youtu.be/9CruVmn097w).

David Dodge

북미 전역에는 수십만 개의 지열교환 시스템이 설치되어 건물과 건물 그룹을 난방하고 있다.

지열교환은 아마도 집을 난방하는 가장 좋은 방법일 것이다. 100% 효율로 간주되는 전기 히터(모든 전기 에너지가 열로 변환된다는 점에서)에 비해 지열 교환 시스템에 연결된 히트 펌프는 난방 효율이 최대 400%까지 높다. (즉, 히트 펌프를 작동하는 데 필요한 에너지 1단위당 최대 5단위의 무료 에너지가 땅에서 나온다.)

David Dodge, GreenEnergyFutures.ca

이 시스템은 냉각 효율도 최대 700%에 달한다.

폭염이 더 심해질 것이라는 예측이 나오면서 에너지 효율이 뛰어난 에어컨의 중요성이 더욱 커지고 있다.

기후 변화로 인해 폭염이 더 심해질 것이라는 예측이 나오면서 에너지 효율이 뛰어난 에어컨의 중요성이 더욱 커지고 있다. 지열교환 시스템을 갖춘 사람들은 종종 매우 쾌적한 집과 낮은 에너지 요금에 대해 이야기한다.

문제는 단독주택에 열교환 시스템을 설치하는 데 약 3만~4만 달러의 비용이 든다는 점이다. 하지만 지역난방 시스템을 통해 주택단지, 다가구 건물 또는 단독주택을 난방하는 데 사용할 경우 경제성은 정말 좋아 보인다.

공기열원 히트 펌프

더 간단하고 저렴한 또 다른 방법은 집 외부에 설치된 공기열원 히트 펌프를 사용하는 것이다. 이 시스템은 공기의 온도에 상관없이 공기에서 열을 가져온다. 이 시스템은 훨씬 저렴하지만 공기 온도에 따라 효율이 떨어진다.

공기열원 히트 펌프는 -30°C~30°C(-22°F~86°F 이상) 범위의 공기 온도에 대응할 수 있어야 한다. 즉, 매우 춥거나 매우 더울 때 더욱 열심히 작동한다. 효율은 최고 300%, 최저 100%로 공간 히터와 거의 동일하다.

최근 몇 년 동안 공기열원 히트 펌프가 크게 개선되어 이제는 -35°C(-31°F)의 혹한에서도 작동할 수 있게 된 것은 큰 성과이다.

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공기열원 히트 펌프는 매우 저렴하고 에너지 효율이 매우 높은 냉난방 방법이다.

공기열원 히트 펌프는 현재 전 세계에서 사용되고 있다. 2022년 북유럽 국가 노르웨이, 스웨덴, 덴마크에는 40만 대 이상의 공기열원 히트 펌프가 설치되었다. 그 이유는 간단하다: 공기열원 히트 펌프는 매우 저렴하고 에너지 효율이 매우 높은 냉난방 방식이기 때문이다.

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지열교환 지역난방 시스템

공기열원 히트 펌프가 단독주택 시장을 지배하고 있는 것처럼 보이지만, 지열은 한 가족 이상이 거주하는 거의 모든 건물에서 경제적으로 유리한 지점을 찾는다.

예를 들어 구세군은 캐나다 앨버타주 에드먼턴에 175세대 규모의 지원주택 단지를 건설했다. 구세군은 지열 냉난방으로 넷제로를 실현하기 위해 기존 코드 건축 견적보다 약간 더 비싼 견적을 확보했다. 에너지 효율이 매우 높은 R40 벽을 짓고 냉난방용 지열 시스템을 설치하면 운영 첫 25년 동안 600만 달러의 난방비를 절감할 수 있을 것이 예상된다.

에드먼턴의 또 다른 사례에서는 지열을 사용하여 15세대 규모의 사회주택 단지와 교회에 난방을 공급함으로써 이 시설이 동종 최초의 넷제로 단지가 될 수 있도록 지원했다.

지열은 1892년부터 미국의 지역난방 시스템에 사용되었다. 아이다호주 보이시에 있는 한 시스템은 천연가스 난방 비용으로 80개 이상의 건물을 난방하고 있다. 미국에는 약 20개의 지열 시스템이 있으며 파리, 뮌헨 등 전 세계 여러 곳에도 이러한 시스템이 있다.

지열 지역난방은 배기가스 배출이 없는 난방을 저렴하고 안정적으로 제공하며, 건물 난방을 탈탄소화하는 몇 안 되는 검증된 방법 중 하나이다.

지열 지역난방은 무배출 난방을 저렴하고 안정적으로 제공하며, 건물 난방을 탈탄소화하는 몇 안 되는 검증된 방법 중 하나이다. 지오서멀 라이징의 브라이언트 존스는 "지자체와 협력하여 이러한 지역난방 시스템을 구축하고자 하는 회사가 설립되기 시작했다."라고 말한다.

유럽에서는 약 12개 국가에서 화석연료 난방 시스템을 이미 금지했거나 금지하는 절차를 밟고 있다. 공기열원 히트 펌프 판매가 급증했으며, 많은 사람들이 지열 지역난방을 고려하고 있다.

Stepheng3 via Wikipedia. Public Domain

지열 에너지

1911년 이탈리아의 콘티 왕자는 지표 근처에서 202°C(396°F)의 온도가 발견되는 거대한 라르데렐로(Larderello) 증기장에 최초의 지열 발전소를 건설했다. 두 번째 지열 발전소는 수십 년 후인 1958년 뉴질랜드에 건설되었다. 2년 후, 태평양가스전기회사는 캘리포니아 더가이저스에 미국 최초의 발전소를 건설했다.

더가이저스 개발은 1517메가와트를 생산할 수 있는 22개 발전소를 운영 중인 발전 단지로 확장되어 오늘날 세계 최대 규모의 지열발전소가 되었다.

2022년 12월 현재 전 세계 지열발전 용량은 1만4877메가와트이며, 이는 전 세계 전력 생산량을 보여주는 차트에서 거의 눈에 띄지 않는 수치이다.

대부분의 지열 에너지 플랜트는 자연적으로 발생하는 간헐천, 온천 또는 비교적 지표면에 가깝고 찾기 쉬운 대규모 자원인 액체 위주의 저수지에 의존한다.

대부분의 지열 에너지 플랜트는 자연적으로 발생하는 간헐천, 온천 또는 캘리포니아 더가이저스와 같이 비교적 지표에 가깝고 쉽게 찾을 수 있는 대규모의 액체 위주의 저수지에 의존한다.

드물게는 소금물을 채취하여 재순환하는 더 깊은 저수지가 발견되기도 한다.

최근에는 향상된 지열 시스템에서 물을 주입하고 암석의 균열을 확장하여 흐름을 개선하고 생산성을 향상시키는 수압 파쇄를 사용하고 있다.

이러한 방법 대부분은 실행 가능한 자원을 찾기 위해 탐사를 해야 하는데, 간헐천이나 온천이 있는 경우(아이슬란드나 캘리포니아를 생각해보라) 더 쉽지만 그렇지 않은 경우에는 어려운 편이다.

EAVOR

지열 너트 깨기

최근 몇 년 동안 기업들은 폐쇄형 루프 시스템과 지표면 아래로 1킬로미터(0.6마일) 내려갈 때마다 약 30°C(86°F)가 따뜻해지는 지구의 자연적 성향을 활용하기 시작했다.

4~7km(2.5~4.3마일)를 시추한 다음 수평으로 4km(2.5마일)를 더 시추하여 이 깊이에 12개 이상의 파이프를 설치한다. 이 작업은 석유 업계에서 개발한 땅속 깊은 곳에 파이프를 연결하는 데 사용되는 기술인 수평 드릴링과 자가 거리측정 기술을 사용한다.

이것이 친숙하게 들리는 사람도 있을 것이다. 이것은 지구의 얕은 깊이에서 폐쇄 회로를 사용하는 지열교환 시스템을 매우 유사하게 모방한다.

앨버타주 캘거리에 있는 에버는 지구 깊숙한 곳에서 폐쇄형 루프를 사용하는 공정을 완성했다고 생각한다. 앨버타에서 5년 동안 매우 안정적인 생산으로 운영된 파일럿 프로젝트를 구축한 후, 이제 독일 게레츠리트에 본격적인 공장을 건설하고 있다.

에버의 지열 프로젝트는 지역난방 시스템으로 12만 가구에 난방을 공급할 수 있는 64메가와트의 열을 생산할 예정이다. 또한 8000가구에 전력을 공급할 수 있는 8메가와트의 전기를 생산할 예정이다.

이 아이디어는 이미 대서양 양쪽에서 관심을 끌고 있다. "독일에는 다른 열 프로젝트인 후속 프로젝트가 있다. 네덜란드에서도 설계 단계에 있는 또 다른 프로젝트가 있다. 그리고 북미에서도 진행 중인 포트폴리오가 있다."라고 에버의 지구과학자인 지닌 배니(Jeanine Vany)는 말한다.

©Graphic CarbonBrief

지열 혁신?

이 폐쇄 루프 기술의 가장 큰 장점은 찾기 어려운 열 저장소를 애써 찾을 필요 없이 지구의 거의 모든 곳에서 발생하는 자연 열을 활용한다는 점이다.

존스는 지열이 저탄소 기저부하(Base Load: 전력 수요가 최소일 때도 일정하게 소비되는 발전 용량) 전기와 열을 공급하는 주류 기술이 될 것이라고 믿는다.

실제로 전 세계적으로 태양광과 풍력 발전이 기록적으로 설치되면서 배출가스가 생기지 않는 기저부하 전기에 대한 수요가 많은데, 지열이 바로 그 연결고리가 될 수 있다.

"지열은 초당파적인 기술이다. 공화당원과 민주당원, 보수주의자와 진보주의자 모두 지열이 청정 재생 에너지라는 점을 좋아한다. 지열은 모든 에너지 기술 중 환경 발자국이 가장 적다."고 존스는 말한다.

*데이비드 도지는 환경 저널리스트이자 사진 저널리스트이며 청정 에너지, 교통, 건물에 관한 마이크로 다큐멘터리 시리즈인 그린에너지퓨처스의 프로듀서이다. 그는 신문과 잡지에서 일했으며, CKUA 라디오에서 지속 가능성에 관한 350개 이상의 수상 경력에 빛나는 에코파일(EcoFile) 라디오 프로그램을 제작했다.

추가 소스:

• 히트 펌프 101: 나이트 폴리테크닉(NAIT Polytechnique)의 진마리(Jean-Marie )가 히트 펌프의 작동 원리와 사용처에 대해 설명한다: https://youtu.be/IyV452N9GAQ

• 지열 101: 인바이로테크 지오서멀의 데번 윈주라가 북부 기후에서 지열교환 시스템이 작동하는 방식과 400% 효율로 집을 난방하는 방법을 설명한다: https://youtu.be/5gmFk_TgLrw