신재생 에너지의 일환인 지열발전이 상용화되고 있다. 일본의 도시바 코퍼레이션은 “케냐 최대 지열발전단지인 올카리아 지열발전소(Olkaria Geothermal Power Plant)의 상용 가동에 들어갔다”고 지난 23일 밝혔다.  

도시바와 함께 이 올카리아 지열발전소 건설에 참여하고 있는 현대엔지니어링은 지난 2011년 이 공사를 수주한 후, 지난 2014년 10월 ‘올카리아IV 지열발전소 1&2호기’준공과 올카리아 지열발전소 4&5호기를 증설했다.  

현대엔지니어링은 “이번 준공으로 ‘올카리아IV 지열발전소’와 함께 총 280MW의 전력을 추가로 생산하게 된다”고 밝혔다. 이는 약 14만 가구에 추가 전력 공급이 가능한 규모로 만성 전력난에 시달리고 있는 케냐에 마치 가뭄 속의 단비와 같은 존재가 될 것으로 알려졌다.  

지열발전은 신재생 에너지기술 중 풍력 다음으로 가장 유망한 분야로 부상했다. 그럼에도 불구하고, 개발 리스크가 높고 효율성이 떨어진다는 단점이 있었다. 무엇보다도 화산지대에서만 발굴이 가능하다는 단점은 개발의 제한으로 작용하고 있다.  

하지만 오늘날 진화한 지열발전 기술은 더욱 효율적인 방향으로 나아가고 있고, 비화산지대로 이뤄진 국가에서도 지열 발전을 할 수 있는 기술이 개발되고 있다. 이는 수압파쇄에 의해 뜨거운 암반인 고온 암체에 인공적으로 갈라진 틈새를 만들어 지표에서 물을 주입하는 것이다.  

이렇게 되면 고온암체에 의한 가열로 지하에 열수 저류 층이 생기고, 여기서 증기나 열수를 추출, 발전에 이용할 수 있다.  

초임계수 이용한 지열 발전  

오늘날 풍력 발전과 더불어 가장 경쟁력 있는 대체 에너지는 바로 지열(地熱)이다. 일반적으로, 지열은 상당한 양의 열을 포집하기에 충분한 지각 깊이에서 순환하는 증기 또는 염농도가 높은 물인 ‘브라인(Brine)’이 있는 저류 층까지 시추해 개발한 관정(well)을 통해 지표에까지 운반된다.  

이때 문제는 오늘날 사용되고 있는 증기 터빈이 이 저류층의 증기 또는 브라인에서 얻어지는 물이나 증기의 온도보다 훨씬 더 높은 온도에서 효율적으로 작동한다는 사실이다. 따라서 땅속 깊숙이에서 모아진 지열은 즉시 사용돼야 한다. 그렇지 않으면 사라져 버리기 때문이다.  

실제로 지하 500m 또는 2,000m 정도의 깊이에 존재하는 지열 저류 층을 찾기가 쉽지 않고 유망하다고 판단되는 지역에서도 각종 조사나 많은 관정의 굴삭이 필요하다. 갱정 굴삭에는 많은 비용이 많이 들고 어렵게 판 관정에서 충분한 온도와 양의 증기를 얻지 못하는 경우가 있다.  

뿐만 아니라 땅 속 깊숙이서 얻은 증기는 지표에까지 운반될 때, 그 열의 상당한 양을 잃어버린다. 또한 지질조건의 차이로 인해 분출하는 증기와 브라인의 용존 성분이 다르고 장소에 따라서는 관정이 케이싱이나 배관 부식과 막힘 등의 문제가 발생하는 경우도 있다. 이런 이유로 지금도 지열개발은 개발 리스크나 발전 비용이 높다는 평가를 받고 있다.  

이를 위해 효율적인 신기술이 개발되고 있다. 북유럽 아이슬란드에서 개발 중인 초임계수를 이용한 지열 발전의 경우, 마그마가 위치한 지하 4㎞까지 파내려가 온도가 600도에 이르는 초임계수를 이용한다.  

전문가들은 “이 정도의 깊이에서 물은 마그마의 온도와 암반층 사이의 압력이 더해져 기체도 액체도 아닌 초임계 상태가 되는데 이 같은 고온ㆍ고압의 초임계수는 에너지 효율성이 매우 뛰어나 일반 지열발전소의 10배 수준인 500(㎿)의 전력생산이 가능하다”고 말한다. 이 초임계수는 지구의 핵이 식지 않는 한 무한정의 에너지원으로 알려져 있다.  

비화산 지대서도 발전 가능  

지열발전은 지구 내부의 열에너지를 이용해 전기를 생산하지만 대부분 판의 경계가 위치한 화산지대에서만 이용이 가능했다. 화산지대로부터 얻어지는 고온의 증기와 열수가 에너지원이기 때문이다.  

지열 발전은 지하 2000m 정도에 존재하는 증기나 지열저류층의 위치와 깊이, 크기를 지표에서의 조사나 갱정의 굴삭을 통해 미리 추정하고, 지열저류층을 관통하는 갱정에서 자연적으로 분출하는 증기나 열수를 발전에 이용하는 기술이다.  

따라서 지표에서 지열 저류 층의 위치나 크기를 정확하게 추정할 수 있고 굴삭한 갱정이 지열 저류 층을 잘 통과한다면 지상에서 연소라는 과정을 거치지 않고도 발전에 필요한 증기를 얻을 수 있는 이점이 있다.  

최근에는 지열저류층을 인공적으로 조성해 지표에서 지하로 물을 압입해 지하의 열을 추출하는 이른바 고온암체 발전이라고 하는 새로운 지열개발 기술이 연구되고 있다.  

고온 암체개발의 원리는 지하 1000~5000m에 있는 온도 200~300℃의 건조한 고온 암반에 갱정을 굴삭하고 이 갱정을 이용, 암반 내에 수압을 가해 균열을 다수 진전시킨다. 이 균열이 뜨거운 인공 열수 웅덩이(저류 층)가 된다.  

이 저류 층을 관통하도록 별도의 갱정을 굴삭하면 지표에서 주입정을 통해 인공 저류 층으로 압입된 물은 저류층 내를 흐르는 사이에 암반의 열로 가열되고 열수나 증기가 된다. 이 증기가 생산 정에서 지표로 회수된다. 그리고 지표에서 발전에 이용된 열수나 증기는 주입정에서 다시 저류층으로 압입된다. 이를 통해 지표와 인공 저류 층과의 사이에 물을 순환시켜 지하의 열에너지만을 추출한다.  

고온암체 발전은 지열 저류 층을 인공적으로 만들기 때문에 그 위치나 용량을 쉽게 추정할 수 있다. 또 지표수를 이용해 저류 층과 지표사이를 순환시키기 때문에 열수 안의 용존성분도 적고 갱정이나 배관의 부식과 스케일 등의 문제도 적다. 지표수의 순환을 통해 암반의 열만을 추출하기 때문에 이산화탄소 등 지구온난화 가스의 방출이 적다.