Department of Energy Grid
Fall 2013
신재생 에너지 응용
(GE0038)
- Chapter 9 Geothermal Power (I) -
본 자료는 주 수업교재“지속가능한 신재생에너지 (김원정 외4)”
출판사(한티미티어)에서 제공한 강의자료를 참조하여 작성되었습니다.
9.1 Introduction
• 태양과 독립적인 신재생에너지.
• 지구 표면에서 단위면적당 지열에 의한 평균 열유량은 태양 복사에너지의
1/5000 수준이지만 집중된 지역이 존 재함(high enthalpy resource).
• 집중지역에 천공하여 전력생산과 열 이 용 (2000년 현재 발전용량 8GWe, 열 이용 16GWt).
• 대표적 사용국가: 미국, 필리핀, 인도네 시아, 멕시코, 이태리, 일본 등.
• 흔히 단기적으로는 지속 가능한 형태로 이용되지 않음. (예) 이태리 투스카니 지역의 지열 잠재량:
이용량/잠재량:
MWt m
mW
m 200 / 500 10
2500× 6 2 × 2 =
24 500
/
12000MWt MWt =
9.1 Introduction
• 열의 기원: 지구가 형성된 46억년 전부 터 수축에 의해 가열되며 표면에서 복 사에 의한 냉각이 지열임. 중심온도 약 7000도씨. 표면온도는 일기예보.
• 지구 생성 100만년 후 냉각이 완료되 었을 것이나 방사성 물질이 지각 상부 에 집중되고 핵분열로 발열함. 지열의 절반.
• 외핵을 감싸는 맨틀은 대류 열전달이나 지각은 고체로 전도 열전달. 지열 온도 구배 존재함.
• 지각의 상부는 대류판으로 구성되어 수 cm/year 이동. 판 경계는 화산활동이 활성화되고 지열이 로 평균 의 5 배에 이르러 지열 이용의 주요 대 상이 되는 지역을 형성함 (그림).
/ 2
300mW m
9.1 역사적 관점
• 그리이스 로마 시대부터 노천 온천 이용. 뉴질랜드의 폴리네시아 지역에서 는 요리와 난방에 사용함. 이태리 투수카니 지역에서 붕소의 채굴에 이용 하여 화학발전에 기여함.
• 1913년 이탈리아 라데레로 지역에서 발전 시작함 (그림: 6기의 터빈으로 120 MW 지열 발전). 1950년대 뉴질랜드, 60년대 캘리포니아의 가이저 이 용 발전(1990년대 총 발전량 2800MW). 이후 필리핀으로 기술이전.
• 이탈리아, 아이슬랜드 및 환태평양 지역의 일본, 필리핀, 멕시코 등이 최근 의 지열발전 기술 개발에 기여. 엘살바도르, 니카라구아에 이어 코스타리 카, 에쿠아도르, 칠레가 지열 설비 설치함.
• 열이용은 일본, 중국, 소련, 헝가리, 아일랜드 위 주로 70/80년대에 프랑스 등 서유럽국이 가세.
구동독, 폴란드, 루마니아, 헝가리, 슬로베니아로 확장됨.
• 최근 지하 100-150m 12-15도씨의 지열이용한 GSHP설비는 스위스, 독일,스웨덴 지역에 연 수만 가구 증설되어 냉난방에 이용됨.
9.1 설치 사례
• 영국 사우스햄톤: 온수공급을 목적으로 1981년 도심 지하 1800m 천공.
심부에서 70도씨의 단일 온수전에서 발생함.
• 대염수층(브라인)의 압력으로 지하 100m까지 자연 상승. 지하 650m에 설 치된 펌프로 가압함. 열교환기로 정수와 열교환하여 지역난방과 2km 반경 의 온수 공급에 이용함.
• 1MWt 용량을 2MW로 증설하고 기저 열부하용으로 활용. 첨두부하 시에는 화석연료 보일러를 가동하여 12 MW까지 공급. 최근 디젤 발전기로 펌프
와 모니터링에 필요한 전력을 생산하며 발전 기의 냉각열을 추가로 공급함. 잉여 전력은 발전사에 판매함.
9.2 지열발전 물리 배경
• 3요소: 1. 염수층(Aquifer), 2. 불투수 덮개암(Cap rock), 3. 열원.
9.2 공극률과 투과도
• 공극률(porosity): 공극 체적의 비
• 투과도 (permeability):
단위 압력구배와 유속의 비례 상수
• 체적유량과의 관계
• (그림) a,c: 높은 투과도 b,d: 낮은 투과도 e: 큰 공극률, 낮은 투과도 f: 큰 공극률, 높은 투과도 g: fracture permeability.
total void
V
= V
φ
dx K dP v = − w
dx AK dP
Q = − w
9.2 공극률과 투과도
• 미결합 퇴적토: Clay(점토), silt(이토) , sand(모래), 화산재, gravle(자갈)
• 퇴적암: mudrock(이암), sandstone(사암), limestone(석회암),
• 화성암: solidified lava(화산암), granite(화강암), slate(점판암)
• 퇴적토와 사암, 석회암 등의 투과도가 상대적으로 큼.
• 덮개암의 중요성: 압력을 유지 하고 단열효과. 따라서 신생화 산의 주변은 투과도가 높은 화 산재로 덮여 지열이용에 부적합 하며 세월이 지나 덮개암이 형 성되기도 함.
• 열원: 1. 화산지역, 2. 퇴적지역 심층부, 3. HDR(hot dry rock;
지열밀도가 높은 지역이나 인공 대수층이 필요한 곳).
9.2 화산관련 열원과 액체
• High enthalpy field: 주로 냉각 및 고화 중인 마그마(부분적으로 용융 상 태인 암석)가 열원.
• 마그마는 밀도 차이에 의해 부력으로 상승함. 지표에 이르며 용해 가스가 석출되어 분리되면 마그마의 밀도는 증가함. 주변의 암석은 지표로 갈수록 밀도가 감소하여 부력 중립에서
정지함. 지하 1-5km에서 고화.
• Krafla 지열 개발 중 1977년 250년만의 화산활동으로 20분 간 3톤의 마그마가 분출됨.
1984년 활동 중지 후 개발되어 60MW 발전.
• 통상 열수 온도는 100-300도씨 (임계점 이하). 간혹 온도 400도 씨 압력 200기압을 초과함.
• 증기지배(Vapor dominated) vs 액체지배(liquid dominated system).
9.2 화산(계속)/심부 퇴적층
• Vapor dominated system(선호): 높은 건도와 엔탈피의 증기 생산. 압력은 상대적으로 낮음. Liquid dominated system: 높은 압력(1km 지하 100기 압)으로 지상에서 감압 비등(flash) 가능.
• 심부 퇴적층: 일반 암석의 열전도 계수 , 점토 및 이판암 (shale)의 열전도 계수 . 이암은 불투수 덮개암과 단열의 기 능을 가짐. 평균 지열 열유속( ) 조건에서도 깊이 2km에서 60 도씨 가능. 지열 온도구배 (그림). 이암과 석회암 또는 사암의 교대 퇴적층 이 발전에는 부적합하나 지열이용에 적합함. 유전/가스전 탐사자료 활용.
• 심부 퇴적층 응용의 확장: 지열 열유속이 큰 지역. 퇴적층이 큰 깊이로 발 달된 지역 .
• 지열 지하수: 오랜기간 암석 접촉으로 광물질 농도 높음(브라인). 용존 가스 농도 높음. 우회기 술 개발되었으며 설계에 고려되지 않을 경우 시스 템 실패함.
mK W /
5 . 3 5 . 2 − mK
W / 2 1−
/ 2
60mW m
9.2 HDR
• HDR(hot dry rocks): 열에너지가 저장된 대량의 불투수 암반층.
• 에너지 추출을 위해 자연 간극을 인공적으로 증가시켜야 함.
• 천공 비용은 깊이에 따라 기하급수적으로 증가함.
• 개발 조건: 최소 지열 온도구배 , 열전도계수 , 열유속
• 화강암은 지각 상부에 대규모로 존재하고 방사성 동위원소(우라늄, 토륨, 칼륨)를 다량 포함하는 화학 성분을 다량 포함하는 경향이 있어 표적 추적 인자임.
• 화강암층 상부에 열전도계수가 작은 단열 퇴적층이 있으면 매우 바람직함.
km C /
250 3W / mK
/ 2
75mW m
9.3 지열 이용 기술 - 조산지대
• 고온의 지열 염수로 변성된 암석이 존재하며 표면 탐사의 단서는 암석의 균열로부터 방출되는 가스와 온천 및 진흙조 등이 있음.지구물리학 탐사기 술의 발달로 염수의 존재를 측정하는 전기저항 탐사가 효과적이며 최근에 는 인공위성을 이용하여 지표면의 승강을 측정함.
• 지열열원의 위치가 파악되면 시추 및 생산정을 천공함.석유전 및 가스전 개발에 활용되는 천공기술의 발달로 성숙도 높은 기술이나 상대적으로 고 온이며 암반이 견고함. 암석의 밀도와 균형을 이루어 심부 유체의 압력이 100기압에 이르므로 ‘blow out’을 방지하기 위해 고밀도의 천공진흙을 사 용하여야 함. 강관의 지름은 표면에서 50cm 심부에서 15cm로 좁아지며 지상에서 단열관으로 발전설비에 연결됨.
• 발전설비는 열수의 온도와 압력 및 염도 및 용존 가스의 성분에 따라 결정 되며 통상 30-50MWe 범위.
• 발전단가의 대부분이 초기 건설비용이며 운영비용의 비중은 낮으므로 효 율의 최적화를 위해 저온열원에 적합한 방식이 필요함.
• 세계적으로 수백개의 발전설비가 가동 중이며 방식에 따라 분류됨.
9.3 지열 이용 기술 - 조산지대
• 건증기 발전 (Dry steam power
plant)
• 일단 비등 발전 (Single flash steam power plant)
• 이원 사이클 발전 (Binary cycle power plant)
• 이단 비등 발전 (Double flash steam power plant)
9.3 지열 이용 기술 - 조산지대
• 건증기 발전: 증기지배 열원의 경우. 온도 180-225도씨 압력 40-80기압 의 증기가 수백 km/h의 유속으로 지상에 도달함.
• 가장 단순한 형태는 배압장치를 사용하여 터빈 출구 증기를 대기로 방출함.
효율이 낮아 개발 초기에만 사용함. 이후 응축기를 추가하여 폐열을 이용 함. 통상 효율 20% 정도이며 kWh 당 6.5 kg의 증기를 사용함.
• 이산화탄소 및 황화수소 등 불응축기체의 포함 여부가 이익에 심각한 영향 을 줌. 불응축 기체를 제거하는 방출기(ejector)를 추가하여야 하고 추출된 기체를 화학 처리하거나 지하로 재주입하며 비용이 발생함.
• 가장 고급의 지열 열원으로 미국과 이탈리아에 광범위하게 존재하고 인도 네시아, 일본, 멕시코 등지에 일부 존재.
• 미국 가이저 지열발전의 경우 사용 후 증기를 재주입하지 않아 증기량의 감소를 경험하였으며 현재 적어도 70%의 증기를 재주입함. 일부는 냉각탑 에서 증발로 방출되며 하수를 보충수로 재주입하여 두 마리 토끼를 잡기도 함.
9.3 지열 이용 기술 - 조산지대
• 일단 비등 발전: 지열 열수가 지표에 도달하면서 비등하는 경우 분리기를 사용하여 터빈에 액체의 유입을 방지하는 방식을 사용하나 생산정 내부에 서 비등하는 경우 광물질의 석출 침착으로 플러깅 발생하여 부정적임.
• 고압의 열수로 지상에 도달하도록 압력을 제어하고 비등기를 사용하여 지 상에서 증기로 변화하여 발전함.
• 압력 5-6 기압 온도 155-165도씨의 증기를 터빈에 공급하여 kWh 당 8 kg의 증기를 소비함. 80%에 이르는 열수는 비등하지 않으므로 폐열로 활 용. 다량의 열수를 소비하므로 재주입이 필수적임.
• 이원 사이클 발전: 지열 열수로부터 열교환기를 사용하여 펜탄 및 부탄 등 의 제2작동유체를 가열하고 Organic Ranking Cycle(ORC)을 구동함.
• 상대적으로 저온 열원을 활용할 수 있어 170도시 이하에서 수증기 사이클 보다 효율이 우수하며 불순 화학물질이 함유된 열수도 비등 없이 활용가능 함. 단점은 열수의 압력을 고압으로 유지하고 작동유체의 가압에 30% 정 도의 출력 손실을 감수하여야 함. 캘리포니아 맘모스 지열 발전의 경우 30MWe 출력에 700kg/s의 열수를 투입함.
9.3 지열 이용 기술 - 조산지대
• 이단 비등 발전: 비등 기술의 발전으로 일단 비등에서 활용하지 못한 열수 를 압력이 낮은 상태에서 2차 비등하여 다단 터빈을 구동함.
• 불순물과 비응축 가스가 적은 경우가 적합하며 2단 비등은 상대적으로 낮 은 압력에서 이루어지므로 5%정도의 설비비 증가로 20-25%의 출력 증가 를 얻을 수 있음. 캘리포니아 East Mesa 지열발전의 경우 37MWe 출력에 1000kg/s의 열수를 소비함.
• 향후 기술개발: 지열 열수의 온도가 낮은 경우 또는 압력은 고압이나 온도 가 낮은 경우로 활용범위를 확장하기 위해 새로운 열기관 사이클 및 작동 유체의 개발이 진행됨.
• 암모니아수를 사용하는 Kalina 사이클의 경우 130도씨 열원으로부터 13%
의 열효율을 달성하여 이상적인 카르노 사이클의 58%에 해당하며 ORC 에 비해 출력의 40% 증가가 가능함.
