[지열] 지열 에너지 Geothermal Energy

--

지열에너지 Geothermal Energy 

1. 지열에너지 정의

일반적으로 땅을 구성하는 토양, 암반, 지하수, 지표수 등이 가지고 있는 열에너지 자원으로 정의된다.

지각 및 맨틀을 구성하고 있는 물질 내부의 방사성원소의 붕괴(약 40% / 83 %  뭐가 맞는지 문헌조사 필요함), 

맨틀 및 그 하부 열의 방출(약 60%, 방서성원소 붕괴 + 냉각 / 17%)에 의해 

지하 약 10m 하부에서부터 대기온도와 관계없이 지하 심부로 내려갈수록 온도가 증가하게 된다.

방사성 원소인 우라늄(U123, U235), 토륨(Th232), 칼륨(K40)의 붕괴에 의해 열이 발생한다.

^[각주:1]

2. 지열에너지 이용 

지열에너지(Geothermal energy)를 이용하는 분야는 크게 지열을 이용해 전기를 생산하는 지열발전, 지중열을 냉난방 시설의 열원으로 이용하는 지중열 히트펌프로 나눌 수 있다.

Fig. 1 최종 생산물에 따른 지열에너지 분류^[각주:2]

2. 1. 지열발전 

지열 발전은 고온고압의 냉매를 통해 발전 터빈을 가동하여 전력을 생산하는 시설을 일컫는다.

① 땅에서 추출한 고온수나 증기(120～350℃)의 열에너지로 터빈을 구동하여

        전기를 생산하는 지열발전(geothermal power generation)을 의미함

    ② 최종 생산물은 전기이며, 화산지대에서 유리하기 때문에 지리적 제약이 큼.

    ③ 건증기(dry steam), 습증기(wet or flash steam), 바이너리(binary),

        EGS(enhanced geothermal systems) 발전 등으로 구분됨

    ④ EGS 발전 : 최근 들어 주목받는 기술로 미국과 유럽의 일부 국가에서 기술개발 중임
        - 지하 심부의 뜨거운 암반층(HDR, hot dry rock)까지 보어홀을 시추하고

           인공 파쇄대를 형성한 후, 이 안으로 물을 주입하여 고온의 수증기 생성함
        - 이 수증기를 지상 플랜트의 터빈으로 공급하여 전기 생산함
        - 고온의 지열자원이 없는 지역에서도 가능한 기술이지만 장기간에 걸친 투자와 기술개발 필요함

2. 2. 지중열 히트펌프 

계절에 따라 변동하는 표면 온도가 아닌 연간 일정한 온도를 유지하는 지중열을 이용해 냉난방을 하는 설비를 말한다.

   ① 직접이용 기술 중 가장 큰 부분을 차지하는 기술로

        저온(10～30℃)의 지열에너지를 효율적으로 활용하는 지열분야의 대표기술

    ② 저온의 에너지를 활용하지만, 연중 일정한 온도를 유지하기 때문에

        항온성이 우수하며 지리적 제약이 없는 것이 큰 장점임

    ③ 최종 생산물이 열이기 때문에 직접이용의 한 방식이지만, 통상 별도 구분
        (∵ 전 세계적으로 지열 직접이용 기술 중 거의 대부분을 차지하고 있음)

    ④ 공기 열원(air-source) 히트펌프와 구분하기 위해

        지열원 히트펌프(ground-source heat pump)로 부르기도 함.  
 

지중열 히트펌프는 기존의 보일러/칠러를 사용하는 냉난방 시설보다 에너지 효율이 높다. 왜냐하면 일년내내 일정하게 유지하는 지중열을 열원으로  삼기 때문이다.

예를 들면 동굴과 같이 일년내내 일정하게 온도를 유지하고 있지만, 여름에는 밖의 온도가 동굴온도보다 높기 때문에 동굴에 들어가면 시원하게 느끼고 겨울에는 밖의 온도가 동굴온도보다 낮기 때문에 따뜻하게 느껴지는 원리와 같다

우리나라는 지하 심도 6~7 m 이하에서는 연중 14~15도의 거의 일정한 지중온도를 유지하고 있다.

지중열 히트펌프는 GSHP(Ground Source Heat Pump) 혹은 GHP(Geothermal Heat Pump)로 불린다. 

GHP(Gas Heat Pump)와 혼동을 막기위해 GSHP을 사용하는 것이 좋을 것 같다.

GSHP는 열원을 무엇으로 활용하느냐에 따라 

GCHP (Ground couple HP), GWHP(Ground water HP,지중수), SWHP(Surface water HP, 지표수)으로 나뉜다

냉방사이클

지열히트펌프 시스탬 내로 들어오는 유입온도(EWT : Entrance Water Temperature)은 14도씨 정도이고 냉매로부터 열을 받게 되면 약 5~6도정도 상승하게 된다.

난방사이클

히트펌프 내부의 열교환기(증발기)를 지나는 저온의 냉매(액체)는 부동액 측으로부터 열을 흡수하고 자신은 증기 냉매로 상변화하게 된다. 

이 때의 부동액의 열교환기(증발기) 입구온도는 약 5도씨 정도 되고 열교환 출구온도는 약 0도씨 정도 된다. 즉, 온도 강하가 3~5도정도 일어난다.

국내 지중의 지온경사 분포 (김형찬 등, 2008)

깊이별 지중온도 (Al-Sarkhi et al., 2008)

깊이별 지중온도 (Al-Sarkhi et al., 2008)

참고자료

--

__

2013. 05. 06. 작성

2014. 06. 20. 수정

future work

1. 지열 발전 정의, 종류 추가

2. 지중열 히트펌프 정의, 종류 추가 

3. 히트펌프 포스팅

1. What is geothermal energy? , Mary H. Dickson and Mario Fanelli [본문으로]
2. http://cafe.naver.com/jongroinf/77113 [본문으로]