[기획특집 － 신재생에너지] 국내 지열에너지의 사용 현황과 환경 영향

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경기대학교 환경공학과

Utilization of Geothermal Energy in Korea and Environmental Impact

Sang Jin Jeong^†and Kun Sang Lee

Department of Environmental Engineering, Kyonggi University

Abstract: 태양, 풍력, 바이오매스, 지열, 폐기물 에너지를 이용하는 신재생 에너지의 사용은 지구온난화 문제를 해결 하는 중요한 해결책으로 대두되고 있다. 이들 신재생에너지 중 지열은 다른 재생 에너지와 달리 일중 또는 계절에 상관 없이 사용할 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점과 천부 지열의 경우 지역적인 제한을 받지 않는 풍부한 에너지원으로 장래에도 지속적으로 공급될 수 있는 매력적인 에너지이다. 본 연구에서는 국내에서 지열에너지의 활용현황을 다른 나 라의 활용 사례와 비교분석하고 국내에서 지열에너지의 장래 활용방안을 탐색하고자 하였다. 또한 장래 지열에너지 사 용으로 우려되는 환경영향에 대한 평가 방안을 제시하고자 하였다.

Keywords: renewable energy, geothermal energy, environmental impact

1. 서 론¹⁾

화석 연료의 대량 사용으로 인한 지구온난 화 문제는 장래의 중요한 화두가 되고 있다.

신재생 에너지의 사용은 지구 온난화 문제의 해결책으로 대두되고 있다. 신재생에너지 기술 을 이용한 지구온난화 문제 해결은 후손들의 웰빙(well being)에 기여하는 문화로 인식되고 있다. 태양, 풍력, 바이오매스, 지열을 이용하 는 신재생 에너지는 지구온난화 가스를 거의 배출하지 않는다[1].

지열 에너지는 지중(토양, 지하수, 지표수 등)이 태양 에너지나 지구 내부의 마그마에 의하여 지중에 보유하고 있는 에너지이다. 태 양 복사열은 지구 전체 복사에너지 중 47%를 차지하며, 대체로 특정 깊이 이상의 지중은 일 정한 열을 유지하고 있다. 이러한 지열 에너 지는 지표면으로부터 깊이에 따라 천부지열

†주저자 (E-mail: sjjung@kyonggi.ac.kr)

(shallow geothermal)과 심부지열(deep geothermal)로 구분된다. 천부지열의 온도는 지형 과 지역에 따라 다소 차이가 있지만 대략 10

∼20 ℃ 정도이며, 심부 지열은 40∼150 ℃ 이 상의 온도를 보인다[2].

지열은 다른 재생 에너지와 달리 일중 또는 계절에 상관없이 사용할 수 있는 장점이 있다.

이러한 장점 이외도 지열은 에너지원이 풍부 하고 장래에도 지속적으로 공급될 수 있는 매 력적인 에너지이다[3]. 지열 에너지의 이용 기 술은 직접 이용기술과 간접이용 기술로 분류 할 수 있다.

인간의 지열 이용은 현재까지 수천년간 진 행되어 왔다. 최초의 지열 이용은 14세기 프랑 스의 Chaudes-Aigues에 세워진 지열 지역난 방시스템(geothermal district heating system) 으로 아직까지 가동되고 있다. 미국에서 가장 오래된(아직도 가동 중인) 지열 지역난방 시스 템은 1982년 아이다호 Boise의 Warm Spring

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2 공업화학 전망, 제11권 제4호, 2008

Figure 1. Examples of geothermal energy sources input selected to show how they can provide useful heat outputs as direct heat or as combined heat and power.

Avenue에 있는 시스템으로 450가구에 지역난 방을 공급하고 있다. 최초의 지열 발전에 대한 연구는 이탈리아의 Prince Gionori Conti가 1904년에서 1905년 사이에 하였으며, 최초의 상용 지열 발전소(250 kWe)는 1913년 이탈리 아의 Larderello에서 가동하였다. 이후 1958년 뉴질랜드의 Wairakei, 1959년 맥시코의 실험 플랜트, 1960년 미국의 상용 플랜트, 1966년에 는 일본의 Matsukawa에서 23 MWe급 지열 발전이 시작되었다. 이전의 이들 플랜트는 뉴 질랜드의 지열 발전소를 제외하고는 모두 지구 의 증기를 직접 이용하였다. 1970년에서 1980년 사이 러시아, 아이슬랜드, 엘살바도르, 중국, 인 도네시아, 케냐, 터키, 포르투칼, 그리스, 니카라 구아에서 지열 발전이 보급되었다. 이후 태국, 아르헨티나, 대만, 코스타리카, 오스트리아, 과 테말라, 이디오피아 그리고 최근에는 독일, 파 푸아뉴기니에 보급되었다[4].

우리나라에서는 아직도 지열 발전 기술 개 발을 구체적으로 진행한 사례가 없다. 그러나 국내 기술진(현대 엔지니어링)이 인도네시아 에서 1992년에서 1999년 사이 인도네시아에서 지열발전소에 대한 설계와 시공을 수행하였다.

현재 우리나라에서 지열 기술은 주로 천부 지 열을 이용하여 건물을 냉난방하거나 온수를 공 급하는 지열 열펌프 시스템(geothermal heat pump system) 기술로 한정되는 경향이 있다.

이는 국내에서 지열에너지 활용에 대한 다양한 분야와 적용 기술력의 부재와 함께 상대적으로 인프라가 잘 구축된 공조냉동 산업에 지열 에 너지를 연계하는 것이 비교적 쉬웠기 때문이다

[2]. 따라서 본 연구에서는 국⋅내외에서 지열 에너지의 사용 현황을 파악하고 국내에서 지 열에너지의 사용과 이에 관련된 환경 관리 방 안을 제시하고자 한다.

2. 지열에너지 사용 현황

지열 에너지의 이용 기술은 Figure 1에 보인 바와 같이 직접 이용기술과 간접 이용기술로 분류할 수 있으며 직접 이용기술은 지하의 중

⋅저온(10∼20 ℃) 지열을 열펌프(heat pump) 나 냉동기와 같은 에너지 변환기의 열원으로 공급하여 건물 냉⋅난방, 각종 건조사업, 제설 (snow melting), 온천 양식업, 및 시설 영농, 지 역난방 등에 활용하는 기술이다. 지열 간접 이 용기술은 심부 지열 중 약 80 ℃ 이상의 고온 수나 증기를 사용하는 지열 발전기술(geothermal power plant)이다.

Figure 2에서는 IEA (International Energy Agency)에서 전망한 전 세계의 전체 신재생 에너지 가용기술 동향을 나타냈다[5]. Figure 2에서 타원으로 표시한 지열에너지 활용기술 은 3가지가 있으며 가격 면에서 고비용 기술 로는 EGS (Enhanced Geothermal System), 저비용기술은 천부 지열기술, 가격경쟁력이 있 는 기술로는 심부 지열 이용기술이 있다. 또 한, 시장 형성의 관점에서 EGS는 개발단계에 있으며, 천부 지열이용기술은 시작 및 완전 형 성 중간단계기술이다. 심부 지열기술은 대량 시장이 형성된 기술로 파악되고 있다. 우리나

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Figure 2. Indication of the current state of deployment of REHC (Renewable Energy Heating and Cooling) technologies from development to application in mass market (IEA, 2007).

라의 경우 세계적으로는 가격 경쟁력이 있고 대량 시장이 형성된 심부 지열기술의 활용은 거의 없는 상황이고 지열에너지 활용기술을 중⋅저온 천부 지열을 사용하는 지열 열펌프 시스템으로 한정된 경향이 있다[2]. 따라서 가 격 경쟁력이 있는 심부 지열 이용 기술에 대 한 파악과 관심이 필요할 것으로 생각된다.

Figure 3에서는 우리나라에서 연도별 폐기 물을 제외한(폐기물의 경우 다른 신재생에너 지에 비해 100배 이상의 생산량을 나타냄) 신 재생에너지 생산량의 변화를 나타내었다[6].

Figure 3에서 알 수 있는 바와 같이 태양열을 제외한 바이오, 태양열, 풍력 에너지의 생산량 은 2000년 이후 계속 증가하는 추세에 있으나 지열에너지는 2002년 이후부터 나타나고 있으 며 그 이후 매년 증가하는 추세에 있다. 그러 나 2006년 현재 이들 4가지 신재생에너지의 생산 비중은 바이오(73.5%)가 가장 많고, 다 음으로 풍력(16%), 태양열(8.8%) 그리고 지

열에너지가 차지하는 비중은 1.7%로 미미한 실정이다. 앞에서도 언급한 바와 같이 이들 이 용도 지열 냉난방에 대한 기술로 국한되어 있 는 실정이다.

Table 1에서는 지열에너지의 활용분야를 보 기 위하여 Lund 등[5]이 제시한 2005년 기준 지열 에너지의 직접이용 분야의 시설용량(capacity), 이용량(utilization)에 대한 전 세계 자료와 국내에서 사용하고 있는 지열 에너지 사용 자료를 나타내었다.

Table 1에서 알 수 있는 바와 같이 2005년 현재 전 세계적으로 시설용량 면에서 지열 열 펌프가 가장 많은 비중(54.4%)을 차지하고 있 으며 다음으로 온천과 수영(19.1%), 지역난방 (15.4%)순으로 이들 분야가 전체의 89%를 차 지하고 있다. 이용량 면에서는 지열 열펌프 (32%)가 가장 높고, 다음으로 온천과 수영 (30.4%), 지역난방(20.2%)으로 80.8%를 차지한 다. 국내의 경우는 2005년 현재까지 지열 히트

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Figure 3. Annual variation of renewable energy production in Korea (except MSW waste).

Table 1. Summary of Various Categories of Direct use World Wide, Referred to the 2005[7]

Worldwide Korea

Capacity Utilization Capacity

(MWt)

Utilization (TJ/yr)

(MWt) (%) (TJ/yr) (%)

Geothermal heat pumps 15,384 54.4 87,503 32.0 3.4 11.9

Space heating 4,366 15.4 55,256 20.2

Greenhouse heating 1,404 5.0 20,661 7.6 Aquaculture pond

Heating 616 2.2 10,976 4.0

Agricultural drying 157 0.6 2,013 0.7

Industrial uses 484 1.7 10,868 4.0

Bathing and swimming 5,401 19.1 83,018 30.4 13.5 163.3

Cooling/snow melting 371 1.3 2,032 0.7

Others 86 0.3 1,045 0.4

Total 28,269 100 273,372 100 16.9 175.2

펌프와 온천 및 수영으로 제한된 사용을 하고 있음을 알 수 있다.

Figure 4에서는 수온에 따른 지열에너지 적

용 분야를 나타내는 Lindal Diagram이다[3].

Figure 4에서 알 수 있는 바와 같이 지열 에너 지를 활용하는 산업 분야는 발전 분야(2종류),

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Figure 4. Fields of application of geothermal energy according to water temperature (Hurter and Schellschmidt, 2003)

산업(10개), 농업(7개), 지역난방(6개), 온천 및 수영(2개)의 분야로 나누어진다. Figure 4에서 검정과 회색으로 표시한 분야는 Table 1에서

나타낸 전 세계에서 주로 사용하는 지열 에너 지 산업 분야(8개)로 Table 1에서 나타낸 지 열열펌프(geothermal heat pump), 지역난방

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Table 2. Potential Environmental Impacts of Direct use Geothermal Projects; Possibility and Severity^a) Impact Probability of occurring^b) Severity of consequences^b)

Air pollution L M

Surface water pollution M M

Underground pollution L M

Land subsidence L L to M

High Noise level H L to M

Well blowout L L to M

Conflict with cultural and archeological features L to M M to H

Socioeconomics problems L L

Solid waste disposal M M to H

a) Pollution can be chemical and/or thermal

b) L=low, M=medium, H=high.

(space heating), 온실난방(greenhouse heating), 양식업(aquaculture), 농산물건조(agricultural drying), 산업이용(industrial uses), 온천 및 수영(bathing and swimming), 제설(snow melting) 분야를 나타낸다. Figure 4에서 검정 색으로 표시한 막대는 국내에서 현재 사용하 고 있는 지열 에너지 산업 분야이다. 이상에서 알 수 있는 바와 같이 우리나라의 경우 현재 로선 60 ℃ 이하의 지열에너지 사용이 제한된 분야에만 집중되어 있음을 알 수 있다.

3. 지열에너지 활용과 환경문제

Kagel and Gawell[8]에 따르면 지열발전의 가동율(capacity factor)은 89∼97로 재생에너 지에 의한 다른 발전 방법(바이오, 80, 풍력, 26∼40, 태양, 22.5∼32.2)보다 높다. 또한, 지 열 에너지의 사용은 명백하게 화석연료의 사 용을 저감할 수 있고 온실가스의 배출을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.

지열에너지는 신재생에너지이고 “친환경”

에너지원이지만 고려해야 할 환경적인 여러 가지 영향이 있다. 지열 발전소를 개발하기 위

해서는 탐사, 생산성 실험, 설치 및 운영의 과 정을 거친다. 이러한 과정에서 발생하는 환경 영향은 전망과 토지 이용의 변화, 대기 또는 지열, 지중수로의 오염물 유입, 소음, 지반침 하, 지진활동 그리고 고형폐기물의 발생 등 이 있다. Raybach[9]에 따르면 지열 자원 개발에 따른 환경문제는 Table 2와 같다.

Table 2에서 알 수 있는 바와 같이 지열 이 용기술이 보존지역이나 청정지역에 설치되는 경우 자연 경관 보존과 유적지 보존이 문제가 될 수 있고 고형폐기물 배출에도 문제가 있을 수 있다. 대기오염물의 배출량은 석탄, 기름, 가스 발전에 비하여 미미하거나 제로에 가깝 다. Lund[4]에 따르면 지열 개발로 인한 소음 은 주로 굴착작업에서 발생하며 가동 중에 발 생하는 소음은 냉각팬과 터빈의 회전에 의한 것으로 무시할 수 있는 수준이다. 지하수 회수 로 인한 지반침하와 지하수면의 강하와 지진 활동은 반드시 고려해야 할 중요한 사항이다.

이는 보통 회수된 지하수를 동일 장소에 주입 하여 해결할 수 있고 한다. 그러나 Rhorhalls- dottir[10]에 따르면 최근 수력과 지열에너지 의 개발에 따른 환경 영향 평가는 구체적으로 자연 환경과 문화유산에의 영향 관점을 자연

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원시성, 4) 정보(인식론적, 지세학적, 과학적 그리고 교육적), 5) 국제적 책임성, 6) 경관가 치를 고려하여 평가되어야 한다고 하였다. 또 한 평가의 과정에서 다음 3단계 작업 순서를 거쳐서 하도록 구체적인 방안까지 제시하고 있다.

1) 지역가치(site values)

2) 복합-기준 내에서 개발영향(development impacts within a multi-criteria analysis) 3) 환경-문화적 관점에서 최악에서 최선까 지 대안들의 등급 결정(ranking the al- ternatives from worst to best choice from an environmental-cultural point of view)

지열에너지 개발에 따른 장점 이용과 이에 따른 환경영향 평가는 지속가능한 발전의 관 점에서 모두 달성해야 할 중요한 과정이다. 따 라서 많은 장점을 지니는 지열 에너지의 개발 도 중요하지만 이에 따른 환경상의 손실에 대 한 치밀한 연구가 병행되었을 때 지열에너지 이용도 타당성과 지속성을 유지할 수 있을 것 이다.

4. 결 론

전 세계적으로 지난 30년 동안 전력 생산을 위한 지열 에너지의 개발은 초기에는 연간 15% 성장하였으나 지난 10년간은 연간 3%의 성장을 이루었다. 지열 에너지의 직접 이용은 지난 30년간 연간 10%의 성장을 하였고 대부 분은 지열 히트 펌프에서 이루어졌다[4]. 미국 에서 지열에너지의 사용은 1980년 석유 파동 에서 시작하여 1980년대 후반에 피크를 이루 다가 1990년대에 쇠퇴하기 시작하여 1992년

2002년부터 지열 에너지의 개발이 본격화되었 으며 국가 차원에서 지열에너지의 개발과 보 급을 주도하고 있다.

국내에서 지열 에너지의 활용 분야는 건물 냉난방과 관련한 기술 개발과 보급에 집중되 어 있고, 세계적으로는 가격 경쟁력이 있는 대 량 시장이 형성된 심부 지열기술의 활용은 거 의 없는 상황이다. 또한 세계적으로 많이 활용 되는 지역난방, 다양한 산업분야에 대한 활용 이 필요하고, 지열 에너지를 사용한 발전이 전 무한 점을 감안하여 국내 실정에 맞는 지열 에너지의 발전에도 관심을 기울여야 할 것으 로 생각된다.

지열에너지 개발로 발생하게 될 환경문제는 Rybach[9]가 지적한 바와 같이 다양한 환경 분야에서 발생할 수 있으므로 계획 단계에서 부터 충분한 검토가 필요하다. 장래의 지열 에 너지 개발이 활발하게 추진될 것을 전망하면 지열 개발에 대한 환경문제를 해결할 수 있는 적극적인 대처 방안이 병행될 때 지속가능한 발전이 이루어질 것으로 생각된다.

참 고 문 헌

1. A. M. Omer, Ground-source heat pumps systems and applications, Renewable &

sustainable energy reviews, 12, 344-371 (2008).

2. 지열 전문위원회, 신⋅재생에너지 지열분 야 기술 및 시장 동향분석 보고서(2007).

3. S. Hurter and R. Schellschmidt, Atlas of Geothermal resources in Europe, Geo- thermics, 32, 779 (2003).

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4. J. W. Lund, Geothermal Energy Focus, November/December, 48-51 (2006).

5. IEA, Renewables for Heating and Cooling -Untapped Potential, International Energy Agency, OECD/IEA, Paris, October, 204 pp (2007), free download at <www.iea.org>.

6. 에너지관리공단, 2006년 신재생에너지 통 계(2007).

7. J. W Lund, D. H. Freeston, and T. L.

Boyd, Direct application of geothermal energy: 2005 Worldwide Review, Geo- thermics, 34, 691 (2005).

% 저 자 소 개

정 상 진

1983 부산대학교 토목공학과 학사 1985 부산대학교 토목공학과 석사 1991 부산대학교 토목공학과 박사 1999 Texas A&M 대학교 교환교수 1991∼현재 경기대학교 환경공학과 교수

8. A. Kagel and K. Gawell, Promoting Geothermal Energy: Air Emissions Com- parison Externality Analysis, The Elec- tricity Journal, 18, 90 (2005).

9. L. Rybach, Geothermal energy: sustain- ability and the environment, Geothermics, 32, 463 (2003).

10. T. H. Rhorhallsdottir, Strategic planning at the national level: Evaluating ranking energy projects by environmental impact, Environmental Impact Assessment Re- view, 27, 545 (2007).

이 근 상

1988 서울대학교 자원공학과 학사 1990 서울대학교 자원공학과 석사 1990 U. of Texas at Austin Ph.D.

1995∼1998 금호 전임연구원 1998∼현재 경기대학교 환경공학과 교수