지열 에너지의 미래

우리가 일본여행을 가면 반드시 해봐야 할 것이 무엇일까요? 역사유적지도 있지만, 빼놓을 수 없는 것은 당연히 온천이죠. 따뜻한 물에 몸을 담그고 있으면, 신선이 부럽지 않습니다. 그러면 이 온천은 어떻게 물이 자연적으로 데워질까요? 바로 지열에 의해서 지하수나 지표수가 데워지는 건데요, 이번에는 지열 에너지란 무엇인지 한번 알아보겠습니다.

지열 에너지는 무엇일까요?

지열 에너지는 주로 우라늄이나 토륨 및 칼륨 등 자연 방사성 동위 원소의 붕괴로 인하여 우리 지구의 땅 밑에서 자연적으로 발생됩니다. 지구 지각의 땅 속의 온도는 약 200 ~ 1000 °C로 추정되며, 열은 주로 전도에 의해 지각 표면으로 전달됩니다. 일부 지역에서는 표면에 가까워질수록 열이 상승하는데, 특히 용암이 지표 근처와 가까워지거나, 얇은 지각으로 인해 가열된 지하수가 지표면으로 상승하여 지열이 발생합니다. 또한 지열 에너지는 재생 가능한 에너지원이며, 이는 사람들에게 마르지 않는 샘물과 같은 땅속 에너지가 무한 생성되고 있음을 의미합니다. 가장 중요한 것은 지열을 이용하여 전기를 생산 가능하고, 화석 연료를 사용하지 않아 인체와 지구에 유해한 온실 가스를 방출하지 않습니다.

지열 에너지의 열원

과학자들은 지열 에너지 생성을 위해 실제 열원에 대해 끊임없이 연구해 왔습니다. 계속적인 연구를 통하여 지열에 대해 많은 것이 밝혀졌는데, 지열은 지구 중심부 깊은 곳에서 생성되며, 지표면 아래 약 650km 지점에서 발생하게 됩니다. 지구의 지각 전체를 살펴보면 3개의 층으로 구성되어 있습니다. 지표면의 지각은 지각 구성의 8대 원소로 알려진 산소, 규소, 철, 알루미늄, 나트륨, 칼륨, 마그네슘으로 지각 구성 원소의 약 90%를 차지하고 있고, 대부분 규산염 광물형태로 존재합니다. 그 다음은 맨틀이며, 지각과 마찬가지로 규산염 광물이 녹아서 이루어져 있으나, 주로 마그네슘과 철로 이루어져 있습니다. 마지막으로 지구의 핵인데요, 핵은 철과 니켈이 주성분으로 이루어져 있습니다. 지열은 이러한 지각 내부의 암석에 포함되어 있는 방사성 물질이 느리게 붕괴하면서 지속적으로 열에너지를 지구 내부에 축적시키게 됩니다.

또한 지각은 판으로 알려진 여러 부분으로 나뉩니다. 용암은 판과 판이 만나는 부분을 따라 분출할 틈을 찾습니다. 따라서 이 지역에는 화산이 많이 분포하고 있습니다. 화산이 분출하게 되면 용암이 솟구쳐 오르기 시작하고, 지표면 아래에서는 물과 암석이 욤암의 열을 흡수합니다.

지열 에너지는 어떻게 전기로 변환될까요?

지열 에너지를 사용하여 전기를 생산하는 것은 새로운 산업으로 곽광받기 시작했습니다. 지열 에너지를 전기로 변환하는 것은 지열 발전소를 통해 변환하고 있습니다. 지열 발전소는 지표면 아래의 뜨거운 물에서 나오는 증기를 이용하여 터빈을 돌리고, 발전기를 가동시켜 전기를 생산합니다.

지열 발전소는 3가지의 방식이 있습니다. 드라이 스팀방식과, 플래시 방식 그리고 바이너리 방식이 있습니다. 이 세 종류의 지열 발전소는 한 가지 공통점이 있습니다. 이 발전소들은 전기를 생산하기 위해 증기 터빈을 사용한다는 것입니다.

드라이 스팀 발전소

이름에서 알 수 있듯이 건조 증기를 사용하여 전기를 생산합니다. 건조 증기는 본질적으로 수증기 또는 기체 상태의 물입니다. 지열 발전소는 두 개의 우물을 지표면 아래의 매우 뜨거운 저류층에 뚫고, 온도가 150 °C 이상인 증기를 추출하여 터빈으로 보냅니다. 이 증기는 터빈을 돌려 발전기에 연결된 기계축을 돌립니다. 발전기는 회전 에너지를 전기로 변환하게 되며, 전력선을 통해 전력망으로 이동하여 가정 및 사회 전반에 전기를 공급하게 됩니다. 사용 된 증기는 응축기로 이동하여 물로 변환되고, 주입구를 통해 온수저장소로 다시 보내지는 순환이 계속 일어나게 되는 원리입니다.

플래시 발전소

이는 현재 가장 일반적으로 사용되는 지열 발전소입니다. 생산정에서 열수와 증기가 동시에 분출되는 경우, 기수분리기에서 직접 증기만을 추출하여 터빈으로 보내어 발전하는 방식입니다.

바이너리 발전소 이 지열 발전소는 끓는점이 낮은 별도의 유체를 가열하기 위해 약간 차가운 57 °C의 물이 필요하기 때문에, 드라이 스팀 발전소 및 플래시 발전소에 비해 전기 생산에 더 유리합니다.