차시명: 7주차 제3강

주제: 제 3장 지구 내부 에너지, 6부 – 지열 에너지

동기 유발: 지구 곳곳의 활화산, 온천, 간헐천들을 보면 지구 내부가 뜨겁다는 것을 바로 알 수 있습니다. 이는 지구 내부에 막대한 열에너지가 저장되어 있다는 뜻인데, 이런 열에너지는 어디에서 유래되었으며 우리는 이를 이 열에너지를 어떻게 사용할 수 있을까요? 이 단원에서는 이러한 점들에 대해 배워봅니다.

학습 목표: 지열 에너지의 근원 및 이용에 대해 이해하자

강의 타이틀: 3-4. 지열 에너지

안녕하십니까? 이번 시간에는 지열 에너지에 대해 알아보겠습니다.

[slide #1]

(설명에 따라 해당 부분 진하게)

지열에너지는 흔히 지구내부에서 자연적으로 나오는 열에너지를 말합니다. 우리 주변의 화산, 간헐천, 온천 등이 모두 지구내부의 열에너지 때문에 생긴 것입니다.

지열에너지는 요즘 우리의 관심을 크게 끌고 있는 재생에너지 중의 하나입니다. 엄밀하게 따지면 지열량은 한정되어 있지만, 그 양이 현재 인류가 일년간 쓰는 에너지 총량의 천억배에 해당할 정도로 막대합니다.  따라서 지열에너지를 사용하고 채워 다시 사용할 수 있는 재생에너지로 취급됩니다.

지열에너지는 저렴합니다. 초기 설치 비용을 감당하여 사용할 수만 있으면 분명 화석에너지보다 훨씬 저렴합니다.

지열에너지는 지속가능하고 환경친화적인 에너지입니다.  지열에너지를 사용한다고 해도 막대한 양의 에너지가 거의 줄지 않으며 주변 생태계의 큰 교란이 없으므로 지열에너지는 지속가능한 에너지입니다.

지열에너지를 사용하면 주변 환경에 전형 영향을 주지 않는 것은 아니지만, 다른 에너지에 의한 환경적 영향에 비하면 지열에너지 사용에 의한 환경적 영향은 매우 미미한 수준입니다.  따라서 지열에너지는 환경친화적인 에너지라고 할 수 있습니다. 나중에 지열에너지에 의한 환경적 영향에 대해 추가로 알아보도록 하겠습니다.

전세계적으로 사용되는 지열에너지를 살펴보면, 대부분의 지열에너지가 발전을 위해 사용됩니다.  매우 뜨거운 지열수가 나오지 않는 우리나라는 지열에너지를 주로 냉난방에 이용합니다.

[slide #2]

이 사진은 아이슬란드 Nesjavellir 지열 발전소의 모습입니다.  지열 발전에 대해서는 뒤에 조금 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

[slide #3]

막대한 양의 지열에너지는 어디에서 유래된 것일까요? 지열에너지의 근원은

① 지구 내부에 존재하는 자연 방사능 원소의 붕괴열.

② 초기 지구형성 당시 수많은 운석충돌에 의한 충격과 압축에 의한 열

③ 지구형성 시 무거운 금속(철, 니켈, 구리 등)이 지구내부로 하강하면서 발생한 열

④ 외핵이 내핵과의 경계 부분에서 고화되면서 내는 잠열.

⑤ 지구 자전에 의한 암석의 압축 변형으로 인한 열

등이라고 할 수 있습니다.

이중  자연 방사능 원소의 붕괴열과 지구 형성당시의 운석충돌에 의한 열을 가장 중요한 지구 내부 열원으로 꼽습니다. 특히 방사능 원소의 붕괴열은 전체 열의 약 80% 정도를 차지하는 것으로 추정하고 있습니다.

그러면 현재 지구내부에서 가장 많은 열을 발생시키고 있는 방사능 원소에는 어떤 것이 있을까요? 과학자들은 이러한 주요 방사능 원소로 235 우라늄, 238 우라늄, 40 칼륨과 232 토륨을 꼽고 있습니다. 그런데 30억년쯤 전 지구초창기에는 비교적 반감기가 짧은 동위원소들이 많았으므로 지구내부 열 발생은 현재보다 더 많았을 것으로 추측하고 있습니다.

지구 내부에 집적된 열 때문에 지구의 온도는 지구내부로 깊이 들어갈수록 증가합니다. 지표의 온도는 태양과 대기 온도에 따라 수시로 변하지만 수 m 아래로만 들어가면 섭씨 10도 내외로 연중 일정합니다. 그러나 지구의 중심부로 갈수록 지온은 증가하여 내핵은 무려 섭씨 6,000도에 이릅니다. 이와 같이 지표면에서 하부로 가면서 지온이 증가하는 비율을 우리는 지온경사, geothermal gradient 혹은 지온증가율이라 부르는데 지구 평균적으로 약 1km 당 섭씨 15 내지 30도로 알려져 있으나, 화산 활동이 빈번한 지역에서는 이보다 훨씬 높을 수도 있습니다.  현무암이 분출하며 지각이 생성되는 해령지역, 즉 분산 경계에서는 지온상승률이 km 당 섭씨 200도에 이릅니다.

[slide #4]

이 그림은 지구 내부의 온도가 깊이에 따라 어떻게 변화하는지를 보여주는 그래프입니다.  지각으로부터 맨틀에 이르기까지 온도가 매우 빠르게 상승하고 맨틀에서는 온도 상승이 느려짐을 볼 수 있습니다. 맨틀과 외핵의 경계에서 온도의 급작스런 증가가 있고 핵에서의 온도 상승은 매우 느림도 볼 수 있습니다.

[slide #5]

지구내부에서 유래되는 지열에너지는 앞에서 살펴본 것처럼 화산 폭발, 지진, 쓰나미 등을 일으켜 인간에게 해를 입힐 수도 있지만, 지열 발전, 지역 난방, 열펌프, 및 온천으로 이용할 수 있습니다.

[slide #6]

지열발전이란 지구 내부(~2 km 이내)의 고압하의 섭씨 100 내지 300도에 이르는 고온의 천연 증기 혹은 열수를 이용하여 전기를 생산하는 것을 말합니다. 이와 같은 지열발전은 1904년 이탈리아의 라르데렐로에서 시작되어 주로 화산지대가 분포하는 미국, 필리핀, 이탈리아, 인도, 터키, 일본 등에서 상용화 되었습니다. 지열발전은 화석연료를 대체하는 청정한 재생에너지(renewable energy)로 각광받고 있으며 우리나라도 현재 지열발전 가능성에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

이 그림은 지열 발전 시스템 중 하나인 EGS, 즉 enhanced geothermal system을 모식적으로 나타낸 것으로, 물이 없고 뜨거운 기반암에 물을 주입하여 수증기로 뽑아내서 발전하는 방식입니다. 그래서 그림에 주입공과 회수공이 따로 있습니다.  터빈을 돌려 발전한 뒤의 뜨거운 물은 지역 난방에 이용할 수도 있습니다.

[slide #7]

뜨거운 물이 있는 곳에서의 지열발전 방식에는 크게 건조증기(dry steam)방식, 플래시증기(flash steam)방식 및 바이너리(binary) 방식으로 나눌 수 있습니다. 건조증기방식은 수분이 포함되지 않은 고온증기를 지열정(geothermal well)에서 뽑아 올려 직접 터빈에 분사하여 발전을 하는 방식을 말합니다.

플래시증기방식은 증기상태가 아닌 고온의 열수(hot water)를 뽑아 올려 압력을 낮추면 기화되는데, 이를 터빈에 분사하여 발전을 하는 방법입니다

바이너리 방식은 지하의 뜨거운 열수를 뽑아 올려 열교환 유체에 열을 전달해 주는 간접적인 발전방법입니다.

[slide #8]

(설명에 해당하는 줄 확대)

전세계의 지열 발전 능력은 매년 조금씩 증가하여 2015년에는 총 12,636 메가와트 정도였습니다. 세계 1위 지열 발전 능력 국가는 미국입니다.  그러나, 미국의 지열발전능력은 전체 발전량의 0.3%에 지나지 않습니다. 이에 비해 아이슬란드의 지열발전능력은 미국에 비해 떨어지지만, 국내 발전량의 30%를 지열 발전으로 충당하고 있습니다. 엘살바도르의 지열 발전 능력도 주목할 만 합니다.

[slide #9]

앞서 보신 것처럼, 지열에너지는 지열발전을 하는 것 이외에도 건물의 난방에 이용할 수 있습니다. 뜨거운 열수를 지하에서 뽑아 올려 열교환(heat exchange)을 하고, 열을 전달받은 온수를 각 가정과 건물에 공급하여 지역난방을 할 수 있습니다. 이외에도 지열발전을 할 만큼 뜨겁지 않은 지열수도 온실의 난방 등에는 사용할 수 있습니다.

[slide #10]

지열발전은 비교적 고온의 증기 혹은 열수가 필요하지만 약 500m 이내의 지표 가까운 곳의 섭씨 15 내지 20도 정도의 비교적 저온 지열도 열펌프를 통해건물의 냉난방에 이용할 수 있습니다. 지표의 기온은 일조량이나 대기의 온도에 따라 민감하게 변하지만, 수 m 아래 지하만 해도 외부온도에 상관없이 지온이 거의 일정합니다. 여름에는 섭씨 30도 내외의 외부 공기 보다 차갑고 겨울에는 섭씨 영하 5도 내외의 외부온도보다 따뜻하다는 점을 이용하는 것입니다. 지열열펌프를 이용하는 방식에는 일반적으로 토양 혹은 암석으로 이루어진 지반의 열을 이용하는 밀폐형과 지하수의 열을 직접 이용하는 개방형 혹은 준개방형으로 나눌 수 있습니다.

[slide #11]

온천은 지열에너지에 의한 섭씨 25도 이상의 지열수를 이용하는 가장 전통적인 방식입니다. 신라시대 때부터 임금들은 건강과 치료의 목적으로 노천탕을 즐기기도 하였으며, 현재는 스파, 목욕탕 등에서 온천수를 이용하기도 합니다. 최근에는 우리나라에서 건강에 좋은 성분이 많이 포함된 온천수가 있는 온천을 보양온천으로 지정하기도 하였습니다.

[slide #12]

지열에너지는 화석 연료에 비하면 환경 문제가 매우 적은 에너지입니다. 지열에너지를 사용하면 화석연료를 그만큼 적게 사용하게 되므로, 온실가스배출감소와 같은 화석연료로 인한 환경 문제 감소를 기대할 수 있습니다.

지열에너지 사용으로 야기되는 환경 문제는 약간의 유독 가스를 배출할 수 있다는 것과, 지반 안정성 및 인근의 생태계에 약간의 영향을 줄 수 있다는 정도입니다.

지금까지 지열의 근원과 지열에너지 이용 그리고 환경 문제 등에 대해 살펴보았습니다.  이 지열에너지를 끝으로 지구 내부 에너지와 관련된 내용을 모두 마치고 다음 강의부터는 태양에너지에 의한 지구 상의 다양한 작용들에 대해 배워보도록 하겠습니다.

안녕히 계십시오

[끝]

심화토론:

우리나라의 지열에너지 이용 실태에 대해 조사해봅시다.