에너지공학개론 (Introduction to Energy Engineering) Lecture 7 지열에너지

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1 에너지공학개론 (Introduction to Energy Engineering) Lecture 7 지열에너지
Prof. Kim, Hyung Kook Dept. of Nano Energy Engineering Pusan National University

2 지열에너지 지열에너지 : 지구(geo) + 열(thermal) => 지구의 열 세계에서 제일 거대
신뢰할 만한 환경친화적인 에너지 자원 열에너지의 원인 : 지각판(tectonic plate), 화산, 지진 열 : 지각판의 운동 => 지구의 고온내부로부터 표면으로 흐름 지구의 온도는 깊이에 따라 증가, 중심부의 온도 (4200 ◦C 이상) 열의 발생 : 일부분은 45억년 전 지구에서 인화하기 쉬운 가스의 형성 결과, 대부분은 방사선 동위원소(우라늄 (U238, U235), 토륨 (Th232), 칼륨 (K40))의 소멸 지열발전 : 심층의 고온 지열에너지를 시추공을 통하여 지열유체를 추출하거나 물을 인위적으로 주입하여 고온의 물이나 수증기를 생산한 후, 그 열에너지를 전기에너지로 변환 지열 냉난방시스템 : 건물 내의 열을 지중으로 방출하고, 지중의 열을 공급

3 지열에너지 지열에 관한 기초지식

4 지열에너지 지열에 관한 기초지식 지구로부터의 열 (지구과학) 지하수의 깊은 순환과 1~5 km 깊이에서 마그마가 지각으로 관입을 통하여 열이 지구표면에 근접 갈라진 틈을 따라 지하수의 깊은 순환은 열을 얕은 깊이 까지 보냄 넓은 면적으로부터 열의 흐름을 모아 얕은 깊이의 유수지로 집중 또는 온천으로 배출

5 지열에너지 고온의 마그마는 주위의 지하수에 열을 전달 => 고온증기나 물의 형태로 온천과
간헐온천(geyser) 등의 지역표면에 나타남 지구표면에 근접한 이러한 열에너지 : 지열에너지원으로 사용 지열에너지 : 열과 전기로 변환 - 사용되는 기술에 따라 지열열펌프, 직접 지열사용, 발전소

6 지열에너지 지구의 열 : 지열구배를 따라서 중심부로부터 표면으로 흐름 약 42 X 1012 W의 열이 계속해서 공간으로 복사
지열에너지는 적당히 집중된 지역에서만 사용 가능 - 지진과 화산활동에 관련 - 지각으로 구성된 지각판의 연결점에서 나타남 낮은 등급의 지열원은 세계전역에 걸쳐 풍부하고 넓게 퍼져 있음 세계전역의 지각 판

7 지열에너지 지열 이용 현황 표 5.1 : 세계 국가별 지열 용량
2005년 현재 설치된 세계의 지열발전 전기용량 : 9,000 MW 지열 전기발전의 최대생산국 : 미국, 필리핀 - 필리핀, 인도네시아, 태국 : 지열에너지로 주로 전기생산 - 중국, 대만 : 직접 지열적용(주로), 전기생산(나머지) 필리핀 (1,848 MW) - 태평양 판과 유라시아판의 경계에 위치 => 풍부한 지열자원 - 최초의 지열발전소 : 1979년 가동, Mak Ban (426 MW), Tiwi (330 MW) - 지열로 발전된 전기 : Luzon 섬(필리핀의 대부분의 인구가 살고 있음)의 16 %에 해당하는 전기수요를 담당 - 직접사용 : 수산물 가공, 코코넛과 과일 건조

8 지열에너지

9 표 5.1 1995년과 2005년 사이에 세계에 설치된 지열발전소 전기생산 용량 (단위: MWe)
Country Year 1995 2000 2005 증가분 % 증가 Australia 0.2 변동없슴 Austria 1.2 신규 발전소 China 29 28 -1 -3.4% Costa Rica 55 143 163 20 14% El Salvador 105 161 151 -10 -6% Ethiopia 7.3 France 4.2 15 10.8 250% Germany Guatemala 33 Iceland 50 170 202 32 19% Indonesia 310 589 797 208 35% Italy 632 785 791 6 1% Japan 414 547 535 -12 -2% Kenya 45 129 84 186% Mexico 753 755 953 198 26% New Zealand 286 437 435 -2 -0.5% Nicaragua 70 77 7 11% Papua New Guinea Philippines 1,227 1,909 1,930 21 Portugal 5 16 Russia 11 23 79 56 243% Thailand 0.3 Turkey USA 2,817 2,228 2,564 336 15% Total 6,833 7,972 8,933 961 13%

10 지열에너지

11 지열에너지 역사 수 세기 동안 공간과 물을 가열, 요리, 의료 목적의 목욕 등과 같은 분야에 넓게 사용
250 kW의 용량으로 지열증기를 이용하여 전기를 발생 1904년 Italy의 Lardarello에 건설된 최초의 지열발전소

12 지열에너지 최초의 터빈은 11 MW의 순수출력 생산 30년 이상 성공적으로 가동
New Zealand Wairakei에 위치한 지열발전소 최초의 터빈은 11 MW의 순수출력 생산 30년 이상 성공적으로 가동 미국 전역에 걸쳐 18개 지역에 69개 작동시설이 운영 중 세계에서 가장 큰 미국 California의 Geyser 지열발전소

13 지열에너지 지열원 (Hydrothermal Resources) 지열원에는 다음과 같이 크게 4가지 종류가 있다.
① 건성 수증기(dry steam) ② 습성 수증기(wet steam) ③ 고온 해수(hot brine) ④ 고온 암석(hot rock)

14 지열에너지 지열원 (Hydrothermal Resources)

15 지열에너지 지열원 (Hydrothermal Resources)
지열유체 (hydrothermal fluid) : 발전용으로 상용 개발 - 지구내부로부터 용융마그마의 지각에서 관입 또는 단층을 통하여 깊은 물의 순환 결과 - 지표로부터 100 m ~ 4.5 km 사이에 위치한 갈라진 틈 또는 다공성 바위에 형성된 고온수나 증기의 형태(온도와 압력에 따라)로 나타남 고온지열원 : 온도 180 ~ 350 ◦C 이상, 고온 용융마그마에 의해 가열 - 전기발전에 사용 저온지열원 : 온도 100 ~ 180 ◦C - 직접 가열 적용 (direct heat application) 지열유체의 원천 : 열원(결정화된 마그마), 지하수를 내장한 침투성 지층 (aquifer, 대수층), 대수층을 밀봉하는 불침투성 (impermeable) 암반 지열에너지의 획득 : 대수층을 천공하여 고온수 또는 증기를 추출

16 지열에너지 지구의 압력으로 가압된 해수 또는 소금물 (geopessurized brines)
- 고압하의 깊고 넓은 대수층에서 발견되는 메탄이 포화된 고온소금물로 구성 - 물과 메탄은 깊이 3~6 km에서 퇴적암에 존재 - 물의 온도 : 90 ~ 200 ◦C - 에너지의 3가지 형태 : 열에너지, 고압의 수력에너지, 용해된 메탄가스의 연소로부터 얻는 화학에너지 - 주요지역 : 멕시코 만의 북부 지열장소의 기본적인 특성에 대한 단순화된 단면도

17 지열에너지 고온건조암 (hot dry rock) - 지열액체원과 같은 방법으로 형성된 가열 지질층
- 대수층과 같이 물을 함유하지 않음 - 지구 표면의 8 ~ 16 km 깊이에 위치 - 가상적으로 제한이 없으며, 지열액체 자원보다 더 이용하기 쉽다. 마그마 (magma) - 극한 고온의 용융암 상태 - 가장 큰 지열원 - 3 ~ 10 km 또는 더 깊은 깊이에서 발견 => 쉽게 사용 가능하지 않음 - 온도 : 700 ~ 1200 ◦C - 현재 잘 탐사되어 있지 않음

18 지열에너지 지열원 온도에 따른 지열에너지의 이용

19 지열에너지

20 지열에너지 지열발전의 특징 •자연에너지를 효과적으로 이용한다. •연료가 필요 없다.
•이산화탄소 배출하지 않는 깨끗한 에너지이다. •반영구적으로 안전하게 이용할 수 있다. •가동률이 높고 발전원가가 저렴하다. •대용량 발전소를 완성하기 곤란하다. •화산지대 등 지열이 나오는 지역에 한정된다. •자연경관이 뛰어난 장소가 많아 주변 환경과의 조화를 도모해야 하는 등의 주의가 필요하다.

21 지열에너지 지열발전소 (Geothermal Power Plant)
유수지에 천공정 (drilling well)을 설치하여 고온수 또는 증기를 유입시켜 전기 생산을 위한 발전 지열원을 사용하는 발전소의 형태 : 유수정의 온도와 지열원에 의존 - 건조증기 발전소, 플래시증기 발전소, 이중사이클 발전소 - 용도 : 첨두부하 및 기저부하용으로 사용가능

22 지열에너지 건조증기발전소 (Dry Steam Power Plant) 지열증기가 물과 혼합되지 않는 곳에서 적절
유입정(production well) 을 대수층(aquifer)까지 천공하여 과열, 가압된 증기 (180~350 ◦C)를 표면까지 고속으로 가져와 전기를 발생하도록 터빈을 구동 증기를 물로 변환시키기 위하여 증기를 응축기에 통과 => 터빈 효율 증가, 환경문제 회피 버려지는 물은 배수정(injection well)을 통하여 지층으로 배수 효율과 경제성 : 비응축가스(CO2, SO2)의 존재에 의해 영향 단순하고 가장 경제적인 기술로 널리 사용 => 상용화 1904년 Itlay에서 최초로 사용된 가장 오래된 발전소의 형태 unit당 35~120 MW 미국, Italy : 가장 큰 건조증기 지열원을 갖고 있음

23 지열에너지 건조증기발전소 (Dry Steam Power Plant) 인도네시아, 일본, 멕시코에서도 발견
미국 California Geyser는 세계의 가장 큰 지열발전원, 설치된 용량 (1,100 MW) 건조증기발전소

24 지열에너지 플래시증기발전소 (Flash Steam Power Plant) 지열원이 액체형태로 존재하는 곳에서 사용
지열원인 액체보다 훨씬 저압인 플래시 탱크로 그 액체가 분무되면 급속히 증발되어 증기로 변한 후, 그 증기는 건조증기발전소와 같이 발전기와 연결된 터빈을 통과 지열유체가 정(well)내에서 플래시 되는 것을 방지 => 정은 고압으로 유지 대부분의 지열유체는 플래시 되지 않음 => local direct heat application, 또는 저수지에 재배출 탱크 내부에 남아있는 유체가 충분히 고온 => 제2탱크 (압력강하를 통하여 플래시를 더 많이 유도)로 유입 가능하도록 선택 - 부가적인 전기생성 => 제2터빈 또는 주터빈의 2번째 단을 구동하는데 사용 - 출력증가분 (20~25%), 발전소 비용 5% 정도 상승 발전소 크기 : 10 ~ 55 MW 필리핀, 멕시코 : 표준으로 20 MW 사용

25 지열에너지 플래시증기발전소 (Flash Steam Power Plant)

26 지열에너지 토털플로증기발전소 (Total Flow Steam Power Plant)
생산정에서 추출한 지열유체를 열수와 증기로 분리되지 않고 직접 토털플로 팽창기에 넣어 발전

27 지열에너지 이중사이클발전소 (Binary Cycle Power Plant)
증기를 효율적으로 만들기 위하여, 지열원이 충분히 높지 않은 중온수 또는 지열원이 플래시를 하기에 너무 많은 화학적 불순물을 함유하는 곳에서 사용 지열유체는 열교환기를 통하여, 물보다 낮은 비등점을 갖는 유기혼합물인 이소부탄(isobutane)또는 펜탄(pentane)등의 제2유체를 기화 기화된 제2유체는 전기를 생산하기 위하여 터빈에서 팽창 팽창된 작동유체는 응축되어 사이클에서 재사용 모든 지열유체는 밀폐사이클 시스템의 지하로 배출 효율 : 이중사이클발전소 > 플래시증기발전소 낮은 온도의 열원 사용, 부식문제 피할 수 있음 비용이 많이 든다. 발전소 출력의 대부분을 소비하는 대형펌프가 필요 Unit의 크기 : 1 ~ 3 MW, 모듈 배열에 의해서 사용

28 지열에너지 이중사이클발전소 (Binary Cycle Power Plant)

29 지열에너지 더블플래시증기발전소 (double Flash Steam Power Plant)

30 지열에너지 지열원의 직접이용 저온 또는 중온수 (20~150 ◦C) 의 지열원 주거용, 산업용, 상업용도로 직접 열을 공급
미국 내에 넓게 사용 가정, 사무실, 상업용 온실, 양어장, 음식제조시설, 금광산 작업공정 등 가정과 상업용 운영 : 전통적인 연료의 사용보다 비용이 저렴 (80 % 절약) 환경친화적, 화석연료 연소와 비교하면 아주 작은 양의 공해를 배출 Oregon 주의 Klamath Fall 시의 지역난방시스템 Colorado 주의 지열난방 온실

31 지열에너지 지열원의 직접이용 자원개발 생산시설 : 유입정 (production well)은 고온수를 표면으로 가져옴
기계시스템 : 배관, 열교환기, 제어장치 - 열을 공간 또는 과정에 분배 폐기시스템 : 배수정 (injection well) 또는 저장연못(storage pond)은 차가운 지열액체를 받음 직접이용 시스템의 주요 구성품

32 지열에너지 지열원의 직접이용 지역 및 공간난방 저온지열원의 주요 사용처 : 지역 및 공간난방, 온실, 양어장
1996년 조사, 58억 MJ의 지열에너지 = 160만 배럴의 석유 지역시스템 : 한 개 또는 그 이상의 지열유입정으로부터 일련의 배관배열을 통하여 여러 개의 개별 집과 빌딩, 빌딩블록에 지열수를 분배 공간난방 : 구조물 당 한 개의 유입정을 사용 지열유입정 + 분배배관 => 전통적인 난방시스템의 화학연료 연소 열원을 대체 지열 지역난방시스템은 소비자가 천연가스 비용의 30~50 % 정도를 절약 1964년에 Oregon 공대에 설치된 최초의 현대 지역난방시스템

33 지열에너지 지열원의 직접이용 온실과 양어장 시설 지열에너지를 농촌에 적용하는 두 가지의 주요 사례
온실운영자 : 전통적인 에너지원에 비하여 지열원이 연료비의 80%를 절약 => 이 비용은 전체 운영비의 5~8%에 해당 지열원의 대부분이 상대적으로 시골에 위치 => 깨끗한 대기, 적은 질병문제, 깨끗한 물, 안정된 노동력, 낮은 세금 Colorado 주의 온실과 양어장에 지열의 직접이용 적용사례

34 지열에너지 지열원의 직접이용 산업용과 상업용 산업용도 : 음식물 건조, 세탁소, 금광산, 우유살균
- 채소와 과일의 건조 : 지열에너지의 가장 일반적인 산업용 용도 상업용도 : 수영장과 온천에 사용 Nevada 주의 농작물 건조 시설

35 지열에너지 지열열펌프 (Geothermal Heat Pump)
지구-교환 (GeoExchange) 열펌프, 지구-연결 (earth-coupled) 열펌프, 지하열원 (ground-source) 열펌프, 또는 수열원 (water-source) 열펌프 고효율 재생에너지 기술 주거용과 상업용 건물 분야에 넓게 적용 : 온수, 공간의 냉난방에 사용 천연적으로 존재하는 열의 집중으로 작동 Kentucky 주 Louisville 시의 세계 최대 열펌프 시스템을 사용하는 건물들

36 지열에너지 지열열펌프 (Geothermal Heat Pump) 지구 표면의 아래의 지구 : 연중 일정한 온도를 유지
- 동굴과 비슷 : 겨울(warm), 여름(cool) 지열열펌프 : 겨울 (지구 또는 지하수에 저장되어 있는 열 → 건물) 여름 (건물의 열 → 지하) 지하 : 겨울(열원, heat source), 여름(열 sink) 지열 열펌프의 구성도 - 지열 지구연결 subsytem - 지열 열펌프 subsystem - 지열 열분배 subsytem 지열열펌프의 구성도

37 지열에너지 지열열펌프 (Geothermal Heat Pump) 지구연결 (earth connection)
- loop : 열원과 sink로서 지구를 이용하는 일련의 배관 - 공기조화가 필요한 건물 근처의 지하에 매장 - 수직 또는 수평으로 시공 - 유체 (물 또는 물+부동액)를 순환 : 주위공기와 토양의 온도의 차이에 따라 열을 주위 토양으로부터 흡수하거나 배출 열펌프 (heat pump) - 난방 (겨울) : 지구연결에서 유체로부터 열을 흡수, 집중 → 건물 - 냉방 (여름) : 난방의 역과정 College of Southern Idaho에 설치된 36 RT 지열열펌프

38 지열에너지 지열열펌프 (Geothermal Heat Pump) 열분배 (heat distribution)
- 기존의 배관 : 지열 열펌프로부터 발생하는 열 또는 찬 공기를 건물 전체에 분배하는데 사용 주거용 온수 (residential hot water) - 지열 열펌프의 작동 : 공조공간의 냉난방 + 가정의 온수 공급 - 대부분의 주거용 시스템은 과열방지기 (desuperheater) 를 장착 - 과열방지기 : 지열 열펌프의 과도한 열을 가정 온수탱크에 전달 - 별도의 열교환기를 사용하여 가구의 온수 필요량을 충족하게 공급 (∵ 지열 열펌프는 다른 온수공급 수단보다 효율이 더 좋음)

39 지열에너지 지열 시스템의 유형

40 지열에너지 지열열펌프 시스템의 유형 수평 밀폐회로 시스템 수직 밀폐회로 시스템 연못/호수 밀폐회로 시스템

41 지열에너지 지열열펌프 시스템의 유형 개방회로 시스템

42 지열에너지 EGS(Enhanced Geothermal System) 기술 공학적 지열시스템
EGS 기술을 채택한 Navy 1 지열발전소

43 지열에너지 EGS(Enhanced Geothermal System) 기술

44 지열에너지 지열에너지의 장점 환경적 측면 지열에너지는 열 또는 전기를 생산하기 위하여 연소를 필요로 하지 않음
지열발전소 : 낮은 양의 이산화황, 거의 이산화탄소를 배출하지 않음 => 청정대기규제 (Clean air standard)를 쉽게 만족 건조증기발전소, 플래시증기발전소 : 주로 수증기를 배출 이중사이클발전소 (밀폐사이클) : 가스배출 없음 화석연료발전소와 지열발전소로부터 배출되는 이산화황과 이산화탄소의 배기량 비교

45 지열에너지 지열에너지의 장점 환경적 측면 지열유체가 함유하는 무기화합물을 재활용하는 기술을 개발
- California주 북부의 Geyser 발전소 . 황화수소(hydrogen sulfide)로부터 유황과 물을 분리 . 분리한 유황을 황산을 생산하기 위한 공급용으로 재생 - California주 남부의 Salton Sea 발전소 . 무기화합물의 지열염수 : 부식할만한 염분과 중금속을 함유 . 염분은 결정화되어 제거된 후 재사용 . 실리카는 제거되어 콘크리트 필터 (도로 건설과 홍수 방지용 제방 등에 사용)로 이용 . 추출된 아연 : 판매되어 폐자원의 감소, 발전소의 이윤

46 지열에너지 지열에너지의 장점 환경적 측면 지열발전소는 넓은 면적이 필요하지 않음
- 지열발전소(1~8 acres/MW), 원자력발전소 (5~10 acres/MW), 석탄화력발전소 (19 acres/MW) 여러 개의 유입정과 배수정이 필요 : 토양에 영향 - 방향 또는 경사천공법 => 토양 영향 최소화 깊은 지표하의 고온건조암이 갖는 지열을 이용하기 위한 기술이 개발 - 표층수를 암석 위의 우물에 분사 → 지각 틈과 고온암을 통과하여 순환 시킴 → 가열된 물이 다른 유입정을 통하여 양수

47 지열에너지 지열에너지의 장점 경제학적 측면 수입의존도 감소 => 에너지 공급 스스로 조절 => 국가안보(National Security) 고유한 에너지 공급 => 안전한 에너지 공급 => 연료수입의 필요 감소 => 수출입의 균형 향상 연료 수입의 경제적인 압력 경감 => 지역기술 인프라와 고용 창출 유용도 인자 (availability factor) : 실제로 전기를 생산할 수 있는 시간 지열, 석탄화력, 원자력발전소에서 전기를 생산할 수 있는 시간의 백분율 비교

48 지열에너지 지열에너지의 장점 경제학적 측면 기존의 발전소와 비교하면 신뢰도가 높음 하루에 24시간 운영되도록 설계
날씨나 연료공급과는 무관하게 작동 설계 시 모듈화가 되어 있어 유연성이 높음 - 출력은 필요한 만큼 확장 가능 - 높은 초기 투자비 회피 - 발전소의 건설은 1~2년 걸림 에너지 저장 능력을 갖고 있음 점유면적 요구조건이 작음

49 지열에너지 지열에너지의 한계와 위험 지층의 침강 등을 유발할 가능성이 존재
지열발전소를 시공하는 동안(우물 천공, 시험 중 고압증기 배기관) 소음공해 유발 화석연료 사용을 장려하는 에너지정책, 세금, 침강 등에 의해 제한 개발위험 : 초기조사, 표면개발 작업에 관련된 비용 지출과 많은 시도 후에 사용 가능한 열원을 찾지 못할 위험 많음 개발규모와 유수지의 고갈 : 지열유수지의 개발을 수 십 년에 걸쳐 어떻게 수행할 것인가? 경제적, 정치적 위험

50 지열에너지 지열에너지의 미래 중.단기적 : 지열유체 - 상업용으로 성장 할 수 있는 유일한 지열원 - 거대한 에너지원
- 80 GW의 지열전기가 생산될 수 있음 장기적 : 기술개발에 따라, - 고온건조암, 지구의 압력으로 가압된 해수나 소금물이 갖는 지열원이 사용 가능