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땅 속의 지열에너지를 이용하려는 노력은 발전 지역난방 온상재배 양어 등 다양한 형태로 추구되고 있다.

전세계적으로 지열자원의 에너지로의 잠재가능성은 매우 크지만, 이 가능성을 얼마나 응용할 수 있는가에는 분명 한계가 있어 현재까지는 개발이 늦어져 왔다. 그 예로서 경제적인 문제,기술적인 문제 혹은 위치선정의 문제 등 어려운 점이 많았으나, 그 한계들은 점차 줄어드는 경향을 보인다.

70년대 오일쇼크로 말미암아 대체에너지 개발에 여러 나라가 몰두하였으나, 유가가 다시 하락하자 투자를 기피하는 현상을 보여왔다. 그러나 제한된 화석연료만으로 부족하다는 사실은 주지의 사실이다. 기술적인 측면에서 살펴볼 때 시추기술이 눈부시게 발전하여 낮은 단가로 깊은 심도를 굴착할 수 있게 되어가고 있다. 인구증가와 도시의 비대화, 신도시의 개발 등은 지금까지 경제성이 희박하였던 지열이용이 가능토록 하였다.

1㎞마다 28도씩 증가

광산의 심부갱도내 온도가 지표부근보다 훨씬 높다는 사실은 3백여년전 영국의 광산지대에서 관심을 끌기 시작하였으며, 그 이후 지온은 심도에 비례하여 증가한다는 생각이 일반화되었다. 실제로 지구상의 모든 지역에서 지하심부로 내려갈수록 지온은 증가하며 궁극적으로는 지구내부의 중심핵에서 가장 높은 온도를 갖게 된다.

지표부근의 얕은 심도를 제하고는 보통 1백m 심도에 3℃의 온도 증가율을 보이는데 지역에 따라 그 값은 상당한 차이가 있다. 우리나라의 평균 증온율은 28℃/㎞로 계산되며, 대체로 24℃/㎞에서 30℃/㎞의 범위라고 추정된다. 이들 값에 의한 지하심부의 지온 추정결과는 3천m 심도에서 80℃ 내지 1백20℃의 범위에 놓이며, 대체로 경남북 지방의 동부해안지대, 즉 영덕과 사천을 잇는 선의 동쪽에 고온대가 분포하고 있다.

세계적으로 볼 때, 고온의 지열대는 필리핀 대만 일본 미국서부 및 남미 서부지역을 잇는 환태평양 화산대를 비롯하여 지중해 지열대, 대서양 지열대,아프리카 지열대 등 몇개의 지열대들이 알려져 있다. 이들 지열대는 지각이 연약한 지질구조대(地質構造帶)로서, 지하 가까운 곳(5-20㎞)에 암석이 용융된 잔류 마그마가 존재하고 있다. 따라서 이러한 구조대는 화산과 지진의 발생이 빈번하며, 이에 수반하여 고온의 증기, 진흙늪(mud pond) 및 온천의 용출(湧出) 등이 지표상에 나타난다. 또한 이러한 지열대에서는 지표 가까이에서 1백℃ 이상의 물과 증기가 나타나며 대체로 수백m 심도에서 1백-3백℃의 증기를 얻어 지열발전 등에 이용된다. 그러나 최근에는 높은 압력과 대량의 증기를 얻기 위하여 1㎞ 혹은 2㎞까지 굴진하는 것이 보통이다. 한편 이들 지열대로부터 멀리 떨어진 곳에서는 지하증온율이 비교적 높은 곳을 택하여 2-3㎞ 심도까지 굴진하여 1백℃ 미만의 열수를 취수하여 지역난방이나 온상 등의 다목적 이용에 활용하고 있다. 이같은 지열자원은 앞의 화산성 지열에 대하여 비화산성 지열자원이라고 부른다.

초기 단계의 지열자원은 발전을 위해 바로 사용할 수 있는 자원, 즉 천부(淺部)의 고온 증기자원에만 한정되었다. 그러나 이용기술의 발전에 따라 저품위 자원인 저온의 열수에까지 개념이 확대되었으며, 최근에는 고체상태의 자원과 비화산성의 열수자원까지 포함하여 모든 지각의 열자원을 포괄적으로 포함한다.

화산성과 비화산성

지열자원(geothermal resource base)은 광역적인 의미로서 일정한 지역 내의 지표하부에 부존하는 모든 열을 의미한다. 이같은 지열자원은 경제적 가능성에 따라 채취가능 여부로서 분류하며, 이때 채취가능 심도로는 현재까지 굴착된 최대심도인 약 7㎞ 내외로서 구분된다. 또한 지하심도 약 3㎞까지를 경제적인 심도로 보며, 경제성 고려뿐 아니라 지질학적 증거의 확실성 여부로서 '실제 지열계'(지열자원이 존재할 수 있는 지질학적 여건을 지칭함)를 구분하며, 지질학적 증거의 농후 여부에 따라 미발견 가능 유망 증명된 지열자원으로 분류된다.

지열계는 여러 다양한 지질환경에서 나타나며 앞에서 언급한 바와 같이 크게 화산성과 비화산성으로 나눈다.

화산성 지열계는 마그마, 고온건조암체 및 열수계로 구분된다. 마그마는 규모가 반경 5㎞, 두께 5㎞ 내외일 때 생성당시의 온도가 1천2백℃이라면, 약 7만년 후에는 9백℃가 된다. 이와 같이 마그마는 엄청난 열량이 내재된다. 일본의 연구결과에 따르면 심도 약 10㎞에서 마그마를 관측할 수 있다 한다. 최근에는 이미 고결된 화도(火道)에서 고온을 얻으려는 연구도 진행중이다.

고온건조암체의 지열개발이란 지하 2-7㎞ 심부의 지열을 이용하는 데 그 목적이 있다. 대체로 심부에서는 압력이 높고 암석의 균열이 없어 열을 운반하는 매체인 물이 존재하기 어렵기 때문에 건조암이라 부른다. 이에 관한 연구는 '로스알라모스'과학연구소의 '스미스'박사에 의하여 제안되었으며 이 연구소에서는 1972년부터 많은 연구결과를 발표하였다.

이 연구소의 개략적인 고온건조암체의 개발을 설명하면 다음과 같다. 화강암 저반에 두 개의 심정을 착정하고 직경 약 1백20m의 수압파쇄대를 공저(孔底) 부근에 인위적으로 만든 후, 고수압파쇄대로 연결된 두 개의 심정을 포괄하는 원형의 순환계를 형성시켜, 인공적으로 만든 지하 대수층에 포함된 열을 물의 순화부력에 의해 지표로 회수하여 발전에 이용한다.

실제 운영은 한공에서는 물을 주입하고 가열된 물을 다른 공에서 회수하여 발전에 이용한다. 또한 지속적인 사용으로 암석이 냉각되면 '열적 스트레스 크랙'(thermal stress cracks)이 생성되어 순환계의 범위를 넓힌다. 사용연한은 약 15-20년으로 추정된다. 이같은 지열발전시스템은 초기의 개발비와 시공비가 고가라는 단점이 있으나 유지관리가 수월하며 다른 화석연료 발전에 비하여 원료에 대한 지출이 없다.

상당한 깊이라면, 열적이용이 가능할 정도로 충분히 뜨거운 암석은 어디에나 존재한다. 이같이 지각하부에는 비교적 투수성이 약한 '건암'이 세계적으로 분포하며, 이들은 엄청난 잠재열을 지니고 있어 세계의 에너지 수급계획에 일조를 할 수 있으리라 기대된다.

고온건조암체에 대한 우리나라의 연구는 아직 초보단계이며, 앞으로 백악기 쥬라기의 화강암을 대상으로 한 연구계획이 수립될 예정이다. 열수계 지열은 현재 개발 이용되고 있는 지열자원의 대부분을 차지하고 있다.

비화산성 지열계는 광역열전도계와 심층열수계, 심부천수순환계로 구분할 수 있다.
 

(표1)은 지열자원의 분류표이다.
 

다중 이용도 가능

지하로부터 공급되는 열수와 증기는 다양한 온도와 압력의 범위를 가진다.

지열에너지의 이용에 대하여 쉽게 도식화하여 나타낸 것이 '린달'도표(표2)이다. 린달도표에 의하면 어떤 지열자원이 어떤 산업에 이용가능한지를 알 수 있으며, 또한 고온산업에 이용한 지열을 다시 저온산업에도 이용할 수 있는 다중이용도 가능하다.

지열자원의 이용이 활발한 국가에서의 이용상황을 살펴보면 기본에너지로서의 지열에너지의 온도의 상한선은 대체로 2백50℃이다. 미국에서 사용하는 지열자원의 대부분은 1백20℃ 이하이며, 단일 사용량으로 가장 큰 부분을 차지하는 것은 50-75℃의 지역난방용이다. 이는 2백50℃ 이하의 지열자원 전체의 반에 해당된다. 아이슬랜드에서는 전체 에너지 수요의 약 45%를 지열자원이 차지한다. 이로 미루어 볼 때 지열의 이용은 크게 전기발전에 사용되는 고온의 지열자원과 난방 등의 다목적 이용에 쓰이는 저온 지열로 분류된다.

■고온의 지열발전/10년 이상 걸리는 국가사업

인류가 지열자원을 가장 먼저 이용한 방법은 목욕용이었을 것이다. 그러나 산업화가 진행되어 가능한 모든 자원의 이용에 눈을 돌렸을 때 지열지대의 증기로부터 발전을 구상하여 실행에 옮기었다.

경제성을 고려한 발전에 적합한 지열자원의 온도범위는 대체로 1백40-1백80℃ 혹은 2백℃ 이상이다. 그러나 최근에는 1백℃미만의 열수를 이용하여 발전할 수 있는 기술개발이 활발히 진행중이다. 프레온가스의 기화열이 낮음을 이용하여 열수의 열을 프레온에 교환시켜 터빈을 돌리는 방안이 그 예이다.

지열발전방식에는 증기발전을 비롯하여 5가지의 방식이 보편적으로 쓰이고 있으며, 지열수의 성질이나 온도 등에 따라 종류를 선택하고 있다. 지열발전의 발전단가는 석유발전의 2.13달러/KWh에 비하여 2.5달러/KWh로 그다지 높지 않으나, 이 자료가 1982년의 것임을 감안할 때 유가가 하락된 지금은 비교가 되지 않는다. 그러나 앞으로 유가상승을 대비하면 개발 필요성은 매우 크다 하겠다.

이같은 지열발전은 주로 국가가 주도하며, 지질학 자원공학 재료공학 등이 모두 관련된 고도의 기술을 요하는 총체적 개념의 사업으로, 문헌조사로부터 실용단계까지 7-13년이 걸린다.

■저온 지열의 다목적 이용/지역난방이 주류

가장 대표적인 저온 지열이용은 아이슬랜드에서 '하이타베이타'(Hitaveita)로 불리우는 지역난방시스템이다. 아이슬랜드에서는 난방에 이용하고 남은 열수를 곧바로 가정에 공급하여 목욕용(온상용, 수영장용)으로 사용한다. 지역난방시스템은 초기 설비투자시에 경비가 다소 많이 소요되나 가동경비는 매우 낮으며, 시스템 유지 관리 등이 매우 수월하다.

추운 지방에서 지열을 이용한 특용작물이나 야채, 꽃 등의 온상재배는 매우 바람직하다. 일반적인 야체나 꽃의 성장에 적당한 온도는 15-30℃ 범위이므로, 온상재배는 고온-중온-저온의 지열자원을 일련의 이용체계를 설정하여 사용하는 소위 폭포식 이용방식(cascading uses)중 저온의 온도범위에서, 양어와 더불어 활용된다.

일반적으로 가축 사육보다는 양어에서 대기온도와 수온이 차지하는 비중이 더 높기 때문에, 지열자원의 이용은 가축 사육보다 양어에 더 적합하다. 메기(18-24℃), 송어(13-19℃), 참새우(27-30℃) 등의 어종이 사육되며, 우리나라에서도 경남 고성군에서 온천수를 이용한 역돔의 양식이 행해지고 있다.

이외에도 도로의 제설 및 제빙에 쓰이기도 하며, 목재의 건조 등에 사용된다.
 

세계의 지열자원

지구 표면은 10여개의 판에 의하여 구성되며, 이들 판들은 이동 또는 서로 충돌하면서 지구 표면의 지형을 변화시키고 있다. 판과 판이 접합하는 곳에서는 충돌에 의하여 침강과 융기가 일어나며 이때 암석의 용융 등이 일어나 지하에는 마그마가 형성되며 지표에서는 화산과 지진이 빈번히 일어난다. 이러한 지대에서는 마그마에 기원을 둔 화산성의 고온지열대를 형성하게 되는데, (그림1)에서 볼 수 있듯이 고온의 화산성지열대는 환태평양지대 대서양중앙대 지중해지대 및 아프리카지대 등이 있다.
 

환태평양지열대에는 뉴질랜드 필리핀 일본 및 미국 등의 지열개발이 활발한 국가가 모두 포함돼 있다. 미국은 세계 최대 지열발전국으로 발전량응 85년 현재 56기의 발전소에서 2천11MW의 발전용량을 갖고 있으며, 이들은 주로 서부태평양 연안에 밀집되어 있다. '게이서'와 '임페리얼'계곡이 대표적인 지역개발지이며, 최근에는 중온 내지 저온지열수를 이용한 다목적 이용이 활발히 진행중이다. 일본의 경우 9기의 발전소에서 2백15MW의 발전량이 확보되어 있으며 새로운 지열자원의 탐사가 계속되고 있다. 필리핀은 최근 활동적인 지역개발을 진행하고 있는 나라로서 1990년에는 1천41MW 발전계획을 수립하여 전력 총수요의 1/4을 공급할 계획이며, 뉴질랜드의 지열발전은 세계 최초의 상업운전을 시작한 것으로 유명하다. 환태평양 지대에서 중남미의 멕시코, 카리브해 연안국가, 남미의 칠레, 아르헨티나 등이 잠재력을 갖고 있는 나라들이다.

유럽의 지중해연안 지열대는 이탈리아로부터 그리스, 터키로 뻗어 있다. 그중 이탈리아는 지열발전의 역사와 규모에 있어서 가장 유명하다. 이탈리아는 1995년까지 총발전량 9백MW를 계획 중이다. 중앙아프리카의 남북으로 뻗은 지열대에 속하는 케냐, 이디오피아 등도 지열 잠재력이 매우 높으며, 대서양지열대에서 가장 유명한 아이슬랜드는 발전뿐 아니라 모든 에너지 수요의 반을 지열에 의존한다. 이외에도 중국의 티벳, 인도, 태국 등이 주요 지열대로부터 약간 벗어나고 있으나 고온의 지열이 확인되었으며, 탐사가 계속 진행중이다.

이상의 화산성 지열에 반하여 열전도나 지하수 순환에 의하여 형성되는 비화산성 지열의 개발로 널리 알려져 있는 나라는 유럽국가들이다. 헝가리에서는 퇴적분지 내의 2천5백-3천m 심도로부터 1백℃ 미만의 열수를 채취하여 온상재배에 활용하며 프랑스에서도 비슷한 조건하에서 열수를 채취하여 난방에 이용하고 있다. 특히 루마니아에서는 82℃의 저온성 열수를 이용하여 1MW의 발전소 건설을 추진 중이다. 영국은 오래전부터 휴양온천도시로 유명한 '바스'(Bath)지역과 인근에 대한 조사를 1970년대부터 시작하여 지금은 전국에 걸친 지열 잠재성 검토가 완료된 상태이다. 특히 영국은 고온건조암체에 대한 연구가 활발히 진행되었으나, 경제적인 이유로 지금은 중단된 상태이다.

세계의 지열 발전의 총량은 70년대 이후에 급격히 증가하여 1980년에는 총 2천1백10MW에 달하며 1986년에는 5천5백30MW까지 달하는 급성장을 보이고 있다(그림2). 이러한 추세가 당분간 계속될 전망이나 최근의 유가하락이 지열개발을 둔화시킬 염려도 없지 않다.
 

열수 이용 가능성은 충분

한반도는 고온의 지열대를 포함하는 환태평양조산대로부터 상당히 떨어져 있으며, 유라시아대륙의 안정된 대륙지각의 일부이다. 따라서 화산활동이 끝난지도 상당한 시간이 경과하여 화산이나 지진활동은 거의 없으며, 또는 증기나 진흙 늪(mud pond) 혹은 고온의 지열 흔적도 지표에서 나타나고 있지 않다. 이와 같은 지질조건에서는 미국이나 일본과 같은 고온의 지열부존은 기대하기 힘들다.

그러나 남한에는 24개소의 온천이 분포하며 그의 수온은 최고 78℃까지의 높은 값을 보이는 곳도 있어 지하심부의 지열부존 가능성을 암시해주고 있다. 지하증온율에 의해 3천m심부의 온도를 계산하여 추정해보면 대체로 1백℃ 이상의 온도는 경상남북도의 동남부 즉 포항-사천지역에 나타나며 그외로 충남의 북부지역에 소규모로 나타난다. 이들은 중생대 백악기와 쥬라기에 관입한 화강암 분포지역과 밀접히 관련된다. 이들 화강암체는 앞으로 고온건조암체(HDR)지열의 탐사대상이 될 것이다.

우리나라 최신기 화산암인 제주도와 울릉도는 지열탐사의 대상으로 매우 흥미를 끌고 있으며, 잔존열이 심부에 남아있을 가능성이 높은 지역이다. 특히 제주도는 고려시대인 1005년과 1007년에 화산이 분출한 역사적 기록이 남아있는 섬으로 잔류열의 가능성이 더욱 높다.

우리에게 온천으로 친숙한 개략적인 지열자원을 소개하였다. 온천개발은 현재 우리나라의 지열이용에서 가장 활발한 응용분야이며, 다른 이용방법과 비교하여 가장 경제적인 지열이용방법이다.

지열자원은 그 이용범위가 광범위하여 온천이용에만 국한시키는 것은 바람직하지 못하며, 이제는 다각적인 지열자원의 이용에 눈을 돌릴 때이다. 우리나라의 지열자원은 빈약한 편이나, 위에서 언급한대로 제주도의 화산암체와 고온건조암체의 지열 잠재성은 상당히 긍정적이며, 이를 대상으로 연구가 계속 진행된다면 지열발전까지도 가능하리라 본다. 또한 지열의 이용은 개인의 이익보다는 국가적인 사업으로서 조사, 연구가 선행되어야 하기 때문에 지열자원개발에 정부차원의 많은 투자가 이루어져야겠다.