한국지구시스템공학회지
Vol. 48, No. 6 (2011) pp. 829-838
광산배수를 활용한 지열 활용 가능성
정영욱1)* · 임길재1)· 지상우1)· 백환조2)· 진호일3)
Utilization of Mine Water for a Renewable Energy Resource
Young-Wook Cheong
*, Gil-Jae Yim, Sang-Woo Ji, Hwanjo Baek and Ho-Ill Chin
2011년 12월 12일 접수, 2011년 12월 15일 심사완료 2011년 12월 23일 게재확정
1) 한국지질자원연구원 지구환경연구본부 2) 강원대학교 에너지자원공학과 3) 강원지역산업평가단
*Corresponding Author(정영욱) E-mail; [email protected]
Address; Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources 92, Gwahang-no, Yuseong-gu, Daejeon 305-350, Korea
Table 1. 2007년도 전국 지열 시스템 보급 현황(서운종과 김도규, 2008)
구분 용량(KW) 비고
총 설비 용량 20528
용도별
가정용 -
공공시설 6,234
교육시설 2,944
사회복지시설 3,136
상업시설 2,391
기타 5,828
용량별
35 kW 11 0.06%
35～175 kW 이하 1,813 9.60%
175～350 kW 이하 4,277 22.70%
350～700 kW 이하 12,222 65.00%
700 kW 이상 2,205 11.70%
서 론
최근 기후변화와 고유가 시대가 도래하여 전 세계는 신재생 에너지에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데 정 부는 이 문제에 대응하기 위해 신국가발전 패러다임인
“ 저탄소 녹색성장”을 발표했다. 이는 기상이변의 증가와 에너지 가격 급등으로 인한 환경･자원위기를 국가안보 와 성장동력 확보 차원에서 대응하겠다는 내용이다(김 형진, 2008). 이러한 추세에 맞춰 신재생 에너지에 대한 개발과 보급이 확대되고 있으며 신재생 에너지 분야에 지열이 포함된다.
지열 에너지는 기후 조건에 영향을 받지 않고 대규모 부지가 필요한 것도 아니며 인근 주변에 환경을 오염시 키지 않는다는 장점이 있다(Fig. 1). 지열 에너지는 주거 지역 뿐 만 아니라, 수영장, 양식업 및 기타 산업시설에 사용할 수 있다(서운종과 김도규, 2008). 지열 시스템은 저탄소 기술 (Low and zero carbon technology: LZC) 로 알려져 있어 (Touche and Preene, 2011) 에너지 비용 및 탄소배출을 줄여야 하는 세계적 환경변화에 지열원의 확보 및 활용은 그 의의가 크다고 하겠다.
신재생에너지에 대한 중요성으로 정부는 1987년 12월
< 대체에너지개발촉진법>을 제정하고 1997년에는 <대체 에너지이용보급촉진법> 으로 법명을 변경하여 신재생에 너지 보급확대를 시도하고 있다. 특히 2002년에는 공공 기관 설치의무화 제도 등을 도입하였고 신재생에너지에
대한 정부의 투자는 2004년 1,964 억원이던 것이 2008 년에는 5,327억원으로 171%가 증가하였다(김형진, 2008).
2007 년도 전국 지열 시스템 보급 현황을 보면(Table 1) 공공시설들에 주로 보급되고 있고 350～700 kW 급 시 스템이 주로 적용되고 있다.
단위별로 3,300～6,600 m
2의 면적을 냉난방 할 수 있 는 용량이다(서운종과 김도규, 2008). 이러한 성장배경 에는 정부의 신재생에너지 보급과 활성화 정책이 큰 기 여를 하였고 최근 지열원에 대한 신뢰성 확보로 지열시 스템의 용량 또한 중대형화 추세에 있다(서운종과 김도 규, 2008).
광산배수는 가행중 일 경우 인명과 조업의 안전을 위
해서 펌프로 강제 배수된다. 그러나 폐광이 되면 채굴공
동 및 갱도로 지하수가 유입되어 수몰이 되면 수리조건
에 따라서 외부로 유출되기도 한다. 광산배수는 가행중
총 설Fig. 1. 계절에 따른 지표 및 지하 온도의 비교(Touche and Preene, 2011).
혹은 폐광 이후 오염물질을 함유함으로 수처리를 수행하 고 있다. 가행당시는 광업소가 수처리를 수행하지만 폐 광 이후의 오염수는 한국광해관리공단이 수질개선 사업 을 통해서 처리하고 있다. 즉, 폐광 이후에도 수질오염 현상이 지속되어 수처리 비용이 지속된다. 유럽공동체의 경우도 우리나라와 같이 폐광산에서 오염수가 유출되어 수몰 이전 상태의 수질을 유지하기 위한 오염방지 차원 으로 광산배수를 양수함으로서 지속적인 에너지 비용이 소요된다. 만약 광산배수를 에너지원으로 활용할 수 있 다면 수질오염원으로 인식되었던 광산배수가 유용한 재 이용 자원으로 탈바꿈 하게 될 것이다. 특히 탄광의 경우 연약한 지반 특성으로 지층과 광산배수의 열교환이 활발 하게 일어날 개연성이 있고 새로운 지열원으로서 그 가 능성을 의미한다(InterregIIIB NWE).
광산지역에는 지하수, 광산 채굴적 내부 및 외부로 유 출되는 광산배수가 잠재적인 지열 원이다(Touche and Preene, 2011). 최근 들어 폐광산의 수갱 내 광산배수를 지열 원으로 활용하고자 하는 연구들이 보고되고 있다 (Loredo et al., 2011; Reichart et al., 2011; Steb and Wieber, 2011). 그 예로 폴란드(Malolepszy, 2000), 영국 (Sutton, 2002; McLoughlin, 2006), 슬로바키아(Bajtos, 2001), 독일, 네덜란드, 프랑스(Demollin et al., 2005), 미국(Watzlaf & Ackman, 2006) 및 스페인(Loredo et al., 2011) 등 여러 국가에서 수행되고 있다. 최근 광산배 수를 열펌프로 에너지를 생산 할 경우 천연가스대비 70%
이상의 비용을 절감 할 수 있고 이산화탄소 방출을
20-40% 까지 축소할 수 있다고 보고된 바 있다(Loredo et al., 2011).
우리나라의 경우 금속광 및 석탄광은 대부분 폐광 상 태로 광산환경복원 대상으로만 인식해 왔지 지열 원 개 발에 대한 관심도는 미미한 것으로 보인다. 광산배수를 유용자원으로 활용할 경우 물 이용료가 없고 고갈 가능 성도 거의 없다. 따라서 이러한 광산배수를 열 원으로 사 용할 수 있다면 가행광산은 물론 폐광산 지역에 경제적 이익이 될 수 있을 것이다. 본 고의 목적은 광산 지열 관 련 연구사례들을 검토하여 국내 광산배수의 지열 원으로 활용 가능성을 토의 하였다.
광산배수 지열 시스템 개념
지열 시스템 개요
지열은 얕은 곳부터 수 km 깊이에 존재하는 지층이 가지는 에너지를 말하며 깊이에 따라서 심부지열과 천부 지열로 구분된다. 심부지열은 지하 300 m 이하에 존재 하는 열을 의미하며 40-150℃ 이상의 온도를 유지한다.
반면 천부 지열은 300 m 이상에 저장된 지열로서 지역
및 지형에 따라서 편차가 있지만 대략 10～20℃ 범위이
다(임효재, 2005). Fig. 1에서 외부의 공기 온도는 계절
에 따라서 변한다. 그러나 어느 심도 이하에서는 계절과
는 무관하게 일정한 온도를 유지한다. 동절기를 전후한
계절은 지중이 지표면의 외기에 비해서 따듯해서 열원
(Heat source) 으로 사용 할 수 있다. 하절기는 평균 대기
광산배수를 활용한 지열 활용 가능성
831
Fig. 2. 개방 회로 지열 시스템(Touche and Preene, 2011).
Fig. 3. 폐 회로 지열 시스템(Touche and Preene, 2011).
온도보다 낮으므로 냉각용으로 사용 가능하다. 이러한 특성이 타 재생 에너지에 비해 큰 특징이면서 장점이다.
지열 시스템은 이러한 지열을 냉난방 등에 활용하는 기술로서 열에너지를 지반과 교환하여 열에너지를 생산 한다. 지열 시스템은 열 교환기, 열펌프 그리고 파이프 회로로 구성되며 열 교환기 회로 구성에 따라서 개방 회 로 및 폐회로로 구분된다(Fig. 2 및 3). Fig. 2는 개방회 로로 지열원으로 부터 물을 추출하여 열펌프 혹은 열교 환기를 통해서 열을 추출하고 냉난방용으로 열을 공급하 는 시스템이다. Fig. 3은 폐 회로로서 파이프 회로가 닫 혀 있고 보통 천층에 적용하는 시스템이다(Touche and Preene, 2011). 폐회로는 열 매질(물 또는 부동액)이 포 함되고 개방회로는 파이프내로 직접 열을 회수하게 된 다. 냉방 사이클 시스템의 경우 실내에서 흡수한 열은 열 교환기로 지중으로 방출된다. 반대로 난방 사이클의 경우
지중의 열을 흡수하여 실내로 보내진다(임효재, 2005).
광산배수 지열 시스템 개념
Fig. 4, 5 및 6은 수갱 혹은 시추공을 통한 광산배수 개발 개념도이다. Fig. 4는 하나의 수갱에서 광산배수를 채수하고 사용 후 물을 다시 되돌리는 개방회로 시스템 이다. Fig. 5는 수갱 내부에 열교환기를 설치한 폐회로 지열개발 개념도이다. Fig. 6은 개방회로로써 독립된 수 갱이나 혹은 시추공(생산정)을 굴착하여 목표로 하는 지 하 채굴공간에 연결하여 열을 추출하고 다른 공은 사용 후 물을 되돌리는 지열 시스템이다(Ghomshei, 2007).
가행광산의 경우는 계획적으로 지열 시스템을 설치 할
수 있다. 예를들어 노천 채굴적(open pit)의 경우 가행당
시 계획적으로 침수 이전에 열교환기를 바닥에 설치할
수 있다. 지하 채굴의 경우 가행기간 동안 광산배수 계통
Fig. 4. 수갱을 이용한 개방 회로 지열 개발 개념(Ghomshei, 2007).
Fig. 5. 수갱을 이용한 폐회로 지열 개발 개념. 열교환기가 수갱 내부에 설치됨(Ghomshei, 2007).
Fig. 6. 별도의 수갱 혹은 시추공을 활용한 지열개발 개념 (Ghomshei, 2007).
을 이용하여 지상의 열교환기 및 열펌프 설치 장소까지 운반 할 수 있다. 가행광산에서 특정 심도 하부가 침수 되었다면 침수된 수갱이나 채굴적에 열 교환기를 설치하 는 방식도 구성할 수 있을 것이다. 대규모로 넓은 지역에 걸쳐 냉난방을 공급하기 위해서는 열 펌프를 독립적으로 설치하여 운영하는 시스템이 경제적 일 수 있다. 왜냐하 면 온수가 중앙 열 펌프에서 생산된 이후 분배 과정에서 상당한 열 손실을 가져 올 수도 있기 때문이다.
광산에는 여러 종류의 잠재적인 지열원이 존재하지만 지 열 에너지원으로 활용되기 위해서는 1) 열에너지 수요가
있어야 하고, 2) 열수요를 뒷받침 할 수 있는 효율적인 열 에너지 시스템이 있어야 하며 3) 열수요처가 광산에 인접 해 있어야 한다. 지열을 가능한 열손실 없이 최종 사용처 까지 전달해야 하기 때문이다. InterregIIIB NWE(2008)의 경험에 의하면 지열 원으로 광산배수를 개발할 경우 소 규모의 실증 시험을 통한 타당성 평가 단계를 거치고, 특 히 도시 개발 정책과 연계해서 사업을 추진하는 것이 바 람직 하다고 권고하고 있다.
외국 광산 지역 광산배수 지열 활용사례
네덜란드는 1959년까지 석탄이 주요 에너지원 이었으 나 값싼 천연가스의 이용에 따라서 이후 많은 탄광들이 폐광 하게 되었다. Heerlen 시는 네덜란드의 남쪽에 위 치하는 Limberg에 속한 도시로 석탄개발을 통해서 성장 한 도시였다(Fig. 7) 일반적인 탄광들 처럼 폐광 되면서 수갱 등 갱도와 채굴 공동들이 광산배수로 침수가 되었 고 폐광 이후 30년 동안 방치되어 왔다(Inhabitat, 2011).
또한 Heerlen 시는 폐광되면서 실업문제 경제 문제를 앉
게 되었다. 그리고 이 도시는 에너지 사용을 줄이고 이산화
탄소 방출을 줄이는 도시정책을 추진하게 되는데 이를 광
산배수의 지열활용 사업과 연계하게 되었다. 즉, Heerlen
지역 하부에 존재하는 광산배수를 신재생 에너지원으로
활용하는 minewater project을 추진하게 되었고 이를 지
역 도시개발 계획과 연계하였다(InterregIIIB NWE, 2008).
광산배수를 활용한 지열 활용 가능성
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Fig. 7. Limburg 탄전 지역. 지열 조사를 위한 시추공 위치(HH1, HH2, HLN1, HLN2, HLN3)(InterregIIIB NWE).
이 사업은 European Regional Development Funding (InterregIIIB programme) 으로 재정 지원을 받고 네덜란 드, 영국, 프랑스, 독일 등이 콘소시움을 구성하여 Heerlen 자치단체가 주도하는 사업이다.
시추조사 결과 Heerlen 시 중심부(HLN1, HLN2)는 광 산배수의 온도가 낮았고 중간지대(HLN3), 그리고 북쪽 (HH1, HH2) 이 가장 따듯한 수온을 나타냈다(Fig. 7). 이 는 Limburg 탄층이 북-남 방향으로 부존하고 북-동쪽으 로 깊어진 탄층 부존 특징에 따른 광산개발의 결과였다.
채굴 공동내 광산배수량은 10-11백만 m
3로 추정되었고 깊이 800 m에서 광산배수의 수온은 34℃ 였고 Heerlen시 중심부의 경우 250 m 깊이에서 상대적으로 낮은 18℃의 수온을 보였다(Fig. 8).
광산배수 사업은 사업이 진행되면서 대규모 냉난방 지 열 시스템으로 가닥을 잡고 동시에 광산배수의 열을 많 이 회수할 수 있는 열난방 시스템과 에너지 활용효율이 좋은 빌딩 설계를 수립하였다. 이 시스템의 구성은 다음 과 같다. 5개소에서 깊이 700 m로 시추를 하여 수갱에 접근하여 가능한 지하 심부의 온수를 채수토록 하였다
(Fig. 8). 시추공을 통해서 시간당 80m
3을 양수 할 수 있 으며 시추공 바닥의 물의 온도는 32℃ 였다. 이 따뜻한 물은 지상에 설치된 열 펌프로 보내져서 열이 추출되고 이는 지역내 빌딩으로 공급되었다(Fig. 9). 사용 한 물 ( 광산배수)은 냉방 및 난방 목적에 따라서 250 m 내지 450 m 깊이 범위로 시추공을 통해 되돌려 지도록 하였 다. 이 사업을 통해서 27℃～32℃ 범위의 물을 지열로 활용할 때 이산화탄소 발생을 50% 줄일 수 있을 것으로 추정했다. Table 2에 Minewater project에서 예상한 지 열 이용 수요가 나와 있다.
열 수요처 개발시 Heerlerheide 단지의 재개발 계획과 연동하여 사업이 계획되었다. 단지의 재개발 내용에 330 개의 주거지역, 상업시설(건물면적 3,800 m
2), 공공건물 (16,200 m
2) 이 있고 신규로 헬스크럽, 교육시설이 포함 되어 있는데 이를 지열사업과 연동 시킨 것이다. 또한 대 규모 빌딩인 APG 본사(면적 60,000 m
2) 를 개보수 할 때 광산배수의 지열을 활용하는 것으로 추진했다. 나머지 CBS 등도 향후 지열 활용계획에 포함하게 되었다.
Heerlen 시의 광산배수 지열개발 사업시 추진했던 내
Fig. 8. 시추공 및 갱도의 수온(InterregⅢB NWE).
Table 2. 광산배수 열 수요(InterregIIIB programme, 2008) 현재 및 향후
지열 사용자
Floor area (m2)
온수 냉수
최대 공급량(m3/h) 양(m3/yr) 최대공급량(m3/h) 양(m3/yr)
EC Heerlerheide 48 144,000 86 215,000
APG 41,000 26 66,000 241 845,000
SON, CBDnew 22,000 28 70,000 19 68,000
SON, CBS old 43,500 65 163,000 126 441,500
167 443,000 472 1,569,500
용들은 지질 및 광산조사, 갱도 및 수갱확인, 활용 가능 한 광산배수량 및 범위, 광산배수를 최적으로 활용할 수 있는 건물의 시스템, 그리고 지역사회 특히 구 광부들과
협력과 이해당사자들과의 의사 소통이었다. 이 사업이
성공적으로 추진되었던 배경 중의 하나는 광산배수 지열
사업을 도시계획과 연동해서 수행한 점을 들 수 있다.
광산배수를 활용한 지열 활용 가능성
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Fig. 9. Heerlen의 광산배수 지열 활용 개념(InterregIIIB NWE).
우리나라 광산배수 지열자원화 가능성
우리나라 탄광은 정부에서 추진한 1980년대 말 석탄 산업 합리화사업 시책으로 대부분 폐광된 상태이며 금속 광 역시 경제성 악화로 폐광된 상태이다. 금속광의 경우 광산이 독립적으로 개발된 반면 탄광의 경우 탄전을 중 심으로 많은 수의 탄광들이 개발되고 개발 규모면에서 금속광산에 비해 크다. 즉 탄전을 중심으로 많은 대규모 채굴공동이 형성되어 있다.
우리나라 탄전 중 가장 규모가 큰 삼척탄전 개발현황 을 보면, 갱도수준으로 볼 때 함백･고한지구가 대체적으 로 높은 수준에서 개발이 되었다. 강동, 동해, 어룡 등 탄 광들은 해발 700 ML 수준 이상의 가장 상부에서 개발 되었다. 한편 도계지구(도계, 경동, 삼마탄광 등) 및 장성 지구(장성, 강원 등) 에서는 해발 수준 이하로 개발되어 가장 심부화가 진행되었다(Table 3).
삼척탄전 지구별 보유 갱도를 보면 장성지구의 수갱 거리가 3,177 m로 가장 길다. 총 갱도 길이로 볼 때, 함 백･고한지구내 총 11개 탄광은 272,897 m에 달하며 장 성지구의 경우 3개 탄광은 228,349 m 였다. 광산수를 고
려할 때 장성지구의 개별 탄광의 갱도길이가 큰 규모임 을 알 수 있다(Table 4). 도계 및 장성 지구의 일부 탄광 을 제외하면 대부분 폐광이 되어 지하채굴 공동은 광산 배수로 침수된 상태이다.
광산배수의 수질은 각 광산마다 다르다. Table 5는 2001 년도 삼척탄좌 내 소재한 가행 및 폐탄광 광산 갱도 에서 유출되는 광산배수에 대한 수질조사 결과이다. 수 온은 대체로 9～17℃ 범위로서 지하 채굴적의 광산배수 는 낮은 온도이다. pH는 4～7 미만으로 조사되어 산성 에서 약산성 수준을 나타냈다. Fe의 경우 최대 159 mg/L, Al 은 최대 8 mg/L, Mn은 10 mg/L로 조사된 바 있다.
또한 SO
42-의 경우 1,170 mg/L로 나타났다. 이러한 성분
들은 배관의 부식 및 관 막힘 현상을 유발하는 수질 항
목이다. 한편 조사당시 가행탄광이었던 태백 920갱 광산
배수는 탄분의 영향으로 탁도는 매우 높은 대신 Fe, Al
성분 등은 거의 분석되지 않았다. 가행 탄광과 폐광 이후
의 광산배수의 수질에 많은 차이가 있음을 보여준다. 특
히 폐탄광 광산배수의 수질은 지열시스템에서 스케일 문
제, 부식 문제 등을 유발할 수 있으므로 광산배수 지열
시스템 설계시에서 충분히 고려해야 할 문제 중의 하나
지구(광산수) m % m % m % m % 함백･고한(11) 582 13 12,128 24 260,187 42 272,897 41
태백(5) 714 16 9,428 19 54,187 9 64,329 10
도계(4) 12,325 25 91,022 15 103,347 15
장성(3) 3,177 71 15,909 32 209,263 34 228,349 34
합 계 4,473 100 49,790 100 614,659 100 668,922 100
Table 5. 삼척탄전 일부 폐 탄광의 수질분석 결과(조원재 등, 2002) 광산
수질 태백 920갱 서룡갱 함태 수갱 동해 7갱 함백갱 경일 삼덕 본갱 삼덕 940갱
pH 6.31 6.63 6.81 6.22 4.14 5.96 6.48 5.73
Eh(mV) 110 140 -74 45 198 20 145 188
TDS 69 16 173 485 164 22 12 13
수온(℃) 12 11 17 17.5 13 12 10 9
탁도(NTU) 620 1 343 17.3 25 2 1.43 2.71
Al 0.00 0.00 0.00 0.0 8.41 0.00 0.00 0.07
Fe 0.02 0.05 9.48 54.2 159 0.49 0.05 0.81
Mn 1.41 0.03 5.28 4.91 10.30 0.13 0.03 0.92
SO42- 328 5 590 585 1170 24 22 54
이다. 수질 문제 이외에도 광산 채굴공동 및 갱도 등을 대상으로 수리학적 모델, 수지균형(water balance), 광산 공간 부피 등에 대한 평가 등을 포함하여 최적의 열원 시스템을 계획해야 한다(Streb and Wieber, 2011).
이상의 내용을 요약하면 우리나라 대표적 탄전지대인 삼척탄전 지역은 개발갱도 규모, 개발심도, 과거 갱내수 량 등을 고려하면 막대한 양의 광산배수가 존재하고 있 다. 또한 폐광으로 인한 지역사회의 경제활동이 위축되 어 폐광지역 경제 활성화 요구도 지속되고 있다. 네덜란 드의 사례 연구에서처럼 법적인 지원과 더불어 지역 재 개발 계획과 연동하여 추진한다면 광산배수의 신재생 에
너지원으로 이용할 수 있는 가능성은 크다고 본다.
결 언
최근 기후변화와 고유가 시대가 도래하여 전세계적으
로 신재생 에너지에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데
신재생 에너지 분야에 지열이 포함되었다. 신재생에너지
에 대한 중요성으로 정부는 2002년에는 공공기관 설치
의무화 제도 등을 도입하였다. 최근 지열시스템의 용량
또한 중대형화 기술 수준에 있으므로 지열기반 기술은
확보한 상태로 보여진다.
광산배수를 활용한 지열 활용 가능성
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2000 년대 이후 들어 유럽, 북미 등 광산배수를 대상으 로 한 지열 활용 연구 및 개발 사업이 추진되고 있고, 특 히 네덜란드 Heerlen 시를 중심으로 Minewater project 는 광산주변 재건축 등 도시개발 계획과 연동하여 광산 배수의 지열사업을 성공적으로 추진한 사례로 평가된다.
삼척탄전과 같은 대규모 탄광 지역은 막대한 양의 광산 배수가 존재할 것으로 추정된다. 탄층을 포함한 지층은 연약한 지반 특성으로 인해 심부 지역은 지층과 광산배수 의 열교환이 활발하게 일어나 지열원으로서 그 가능성이 크다고 본다. 또한 이들 지역은 폐광 진흥 지역에 속한다.
따라서 <폐광지역 특별법> 과 <대체에너지이용보급촉진 법> 등의 지원 사업과 함께 광산주변 개발계획 등과 연계 하여 광산배수 지열활용 사업의 추진을 제언한다.
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1989년 강원대학교 자원공학과 석사 1996년 서울대학교 자원공학과 공학박사
현재 강원테크노파크부설 지역산업평가단 단장 (E-mail; [email protected])
현재 강원대학교 공과대학 에너지ㆍ자원공학과 교수 (E-mail; [email protected])
