지열발전 기술

왜 배우는가: 지열발전은 화석연료 의존을 줄이는 재생에너지 발전 방식으로, 건축설비 분야에서는 지열 설비와 신재생에너지 연계 설계의 근거가 된다. 발전 방식(건증기·습증기·바이너리)과 원리를 구분하는 문제가 여러 교시에서 반복 출제되므로 기준을 정확히 알아두어야 한다.

출제 이력: 제116회 3교시 4번, 제110회 4교시 4번, 제103회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지열발전은 지구 내부의 열을 증기 또는 작동유체로 옮겨 터빈을 돌리고 전기를 얻는 발전 방식이다.

핵심 키워드

• 지열발전(Geothermal Power Generation): 지하 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 발전
• 건증기(Dry Steam): 수증기만 있는 고온 지열자원을 직접 터빈에 보내는 방식
• 습증기(Flash Steam): 고압 열수를 감압하여 생긴 증기로 터빈을 구동하는 방식
• 바이너리 사이클(Binary Cycle): 지열수의 열을 저비점 2차 작동유체에 전달해 증발시키는 방식
• 유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle, ORC): 유기물 작동유체를 쓰는 랭킨 사이클
• 인공 지열 저류층(Enhanced Geothermal System, EGS): 자연 상태에서 투수성이 부족한 암반에 인공으로 균열을 만들어 열을 얻는 기술
• 수압파쇄(Hydraulic Stimulation): 고압수를 주입해 암반 균열을 넓히는 자극 방법
• 열수(Hydrothermal Fluid): 지하 고온 암반의 물과 증기 혼합 유체

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 땅속에서 나오는 뜨거운 물이나 증기로 발전기를 돌리는 것이다. 지열은 지구 내부의 방사성 붕괴, 화산 활동, 지표로 흡수된 태양열에서 나온다. 지열발전은 이 열을 이용해 기계에너지를 만들고 최종적으로 전기에너지로 바꾸는 열전달 기반의 발전이다.

건증기 발전은 지열 자원이 거의 건조한 과열 증기 상태일 때 쓴다. 증기를 바로 터빈으로 보내므로 구조가 가장 단순하다. 다만 이런 자원은 매우 드물다.

습증기 발전은 고압의 열수를 저압 탱크로 끌어올려 순간 증발(플래시)시키는 방식이다. 압력이 떨어지면서 물의 일부가 증기로 바뀌고, 이 증기가 터빈을 돈다. 남은 열수와 응축수는 다시 저류층에 주입할 수 있어 지속성이 높다.

바이너리 사이클 발전은 지열수를 직접 터빈에 보내지 않고 열교환기에서 2차 유체에 열만 전달한다. 2차 유체는 물보다 끓는점이 낮은 펜탄·이소부탄 같은 유기물이나 암모니아-물 혼합물이다. 중저온 자원도 쓸 수 있고, 지열수의 부식성 물질과 이물질이 터빈에 닿지 않는다.

인공 지열 저류층은 지열수가 부족하거나 암반 투수성이 낮은 곳에 인위적으로 투수성을 만드는 기술이다. 주입 우물에서 물을 고압으로 넣어 기존 균열을 넓히고, 생산 우물에서 뜨거워진 물을 뽑아 쓴다.

핵심 용어 정리: 건증기는 증기 상태 그대로 쓰고, 습증기는 감압으로 증기를 만들며, 바이너리는 열만 옮겨 2차 유체를 증발시킨다.

3. 등장 배경과 필요성

지열 발전은 1904년 이탈리아 라데렐로에서 처음 시작되었다. 이후 미국, 뉴질랜드, 멕시코, 일본 등에서 보급이 늘었다. 초기에는 자연 증기가 솟는 곳에서만 발전이 가능했기 때문에 입지가 화산 지대로 한정되었다.

화석연료 사용에 따른 온실가스 배출을 줄이려는 요구가 커지면서 지열의 활용 범위가 넓어졌다. 지열발전은 연중 안정적으로 전력을 공급하고 발전 중 배출이 화석연료보다 현저히 적다. 한편 지열 자원은 지역 편차가 커서 자원이 부족한 곳에서는 발전이 어렵다.

이 한계를 넘기 위해 두 가지 기술이 발전했다. 첫째는 낮은 온도의 열수를 쓰는 바이너리 사이클이다. 둘째는 자원이 없는 건조 암반에 인공으로 저류층을 만드는 EGS다. 이 두 기술이 지열발전의 적용 지역을 넓히는 핵심 수단이다.

또한 지열수에는 황화수소나 염분 같은 부식성 물질이 들어 있어 설비 부식과 스케일 문제가 생긴다. 바이너리 방식은 이런 문제를 열교환기 한 곳에서 관리할 수 있어 실무적 필요성이 크다.

4. 구성요소·원리·절차

지열발전은 지하의 열수(熱水)나 증기를 지상으로 끌어올려 터빈을 돌리고, 그 기계적 에너지를 발전기로 전기에너지로 바꾸는 열에너지 변환 기술이다. 지열 자원의 온도와 상태(증기 우세 또는 열수 우세)에 따라 건증기 발전, 플래시(습증기) 발전, 바이너리 사이클 발전으로 나뉜다. 세 방식 모두 열원을 고온의 증기로 바꾸어 터빈을 구동한다는 점은 같지만, 증기를 얻는 방법이 다르다.

구성요소는 생산정·재주입정, 기수분리기(汽水分離器), 증기 터빈, 발전기, 응축기(冷却塔 포함), 재주입 설비로 이루어진다. 각 요소의 역할은 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 지열 저류층의 고온 유체가 생산정을 따라 올라오면서 압력이 떨어지고, 일부가 증기로 상변화한다. 이 증기가 터빈을 돌려 일을 하고, 배기 증기는 응축되어 다시 순환한다. 발전 효율은 열원 온도와 배출(복수) 온도의 차이에 따라 정해진다. 카르노 효율의 상한은 다음과 같다.

$\eta_{C}=1-\frac{T_{L}}{T_{H}}$

여기서 T_{H}는 열원(저류층) 절대온도(K), T_{L}은 방열 측(복수기) 절대온도(K)다. 실제 지열 발전은 이 상한보다 낮으므로, 고온 열원일수록 이론 효율 상한이 높아진다는 점이 핵심이다.

건증기 발전 절차는 다음과 같다.

• 생산정에서 과열 증기를 직접 끌어올린다.
• 기수분리 없이 증기를 바로 터빈으로 보낸다.
• 터빈이 발전기를 구동한다.
• 배기 증기를 응축기에서 응축하고 필요하면 재주입한다.

플래시 발전 절차는 다음과 같다.

• 고압 열수(온도 180℃ 이상)를 생산정으로 끌어올린다.
• 감압 탱크(플래시 탱크)에서 압력을 낮춰 일부를 증기로 flash 시킨다.
• 기수분리기에서 증기와 열수를 분리한다.
• 증기로 터빈을 돌리고, 남은 열수와 응축수는 재주입한다.

바이너리 발전 절차는 다음과 같다.

• 지열수를 열교환기(증발기)로 보내 작동유체에 열을 전달한다.
• 지열수는 증기를 만들지 않고 재주입한다.
• 낮은 끓는점의 작동유체가 증발해 터빈을 돌린다.
• 응축기에서 작동유체를 액화해 다시 증발기로 순환시킨다.

바이너리 발전은 Rankine 사이클 또는 Kalina 사이클을 쓰며, 저온 열원에서 유기 작동유체를 쓰는 경우 ORC(Organic Rankine Cycle)라고 부른다. 유기 작동유체의 임계온도는 대략 100~200℃ 범위로 저온 열원에 맞는다.

건증기는 기수분리 없이 증기를, 플래시는 감압으로 증기를 얻고, 바이너리는 열교환으로 작동유체를 증발시킨다.

플래시 방식의 증기 건도는 감압 후 증기 질량비로 나타내며, 이 값이 낮으면 터빈 로터 침식이 생기므로 설계 시 배압과 건도를 함께 검토한다. 바이너리 방식은 열교환기 전열면적과 작동유체 선정이 성능을 좌우한다.

5. 관련 법령·기준·표준

지열발전은 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」상 재생에너지(지열)로 분류된다. 설비 인허가와 발전사업 허가는 「전기사업법」에 따르고, 지열 생산·재주입에 따른 지하수 이용은 「지하수법」의 적용을 받는다. 지열 저류층 개발과 굴착은 광업권·지하 이용 관련 규정을 함께 검토해야 한다. 지열 발전 설비의 구조·안전은 발전설비 기술기준(전기설비기술기준 체계)과 연계된다.

지열 발전 방식별 기준 온도와 특징은 다음 표와 같다.

국제 보고 기준으로 바이너리 방식의 열효율은 플래시 방식보다 낮은 편이며, 플래시 방식은 열원 온도가 높아 효율이 상대적으로 높다. 구체 효율 값은 설계 조건에 따라 달라진다.

최근 지열 발전은 EGS(인공 지열 저류층) 기술 확대와 함께 설비 기준이 정비되는 추세다.

6. 유형과 비교

지열발전은 지열 자원의 온도와 상태(증기 우세인지 열수 우세인지)에 따라 건증기, 습증기(플래시), 바이너리 방식으로 나뉜다. 세 방식은 발전소에 들어가는 열원의 상태가 달라서 설비 구성과 적용 온도 범위가 다르다.