목 차

1. 지열발전의 역사

2. 지열발전의 구조 및 시스템

3. 지열원(Hydrorhemal Resources)

4. 지열발전소(Geothermal Power Plant)

[참고문헌] 한국지열에너지학회(www.ksgee.or.kr)/송윤호,

지열발전 현황 및 기술동향, 설비저널, 40권, 대한설비공학회, 2011년10월호/우정선, 이세균,

지열원 열펌프 시스템 기술, 보급현황, 58권, 9호, 대한전기학회 2009

지열(地熱)은 지구표면에서 수km 사이의 지각내부에 존재하는 열에

너지로서 경제적으로 타당성 있게 개발하여 이용할 수 있는 에너지

원(原)

지열은 재생이 불가능한 에너지이나 지구 자체가 가지고 있는 에너

지로 굴착하는 깊이에 따라 온도에 영향을 받는 무한(無限)에너지임

지열은 그동안 온천 등 관광자원 또는 난방열원으로만 제한적으로

개발되었지만 이제는 냉난방은 물로 전기적 에너지원으로 추후 개발

이 기대되는 에너지원임

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이탈이아의 토스카나주 라르데로에 있는 붕산제조공장에서 지놀 콘티氏가

1904년 천연증기로 전기250kW를 생산한 것이 시초

지열은 해양에너지에 비하여 1,000배 이상의 열용량(heat capacity,熱容量)

을 갖는다.

지열은 1km당 30℃씩 증가하여 약 3km에서는 90℃정도가 되면 건물의 난방이

나 급탕열로 사용하고 5km까지 내려가면 약240℃까지 올라 터빈발전으로 전기

에너지 생산이 가능함

이러한 지열을 가장 많이 사용하는 나라는 미국으로

2,850kW이고 그 다음이 필리핀 이탈리아 멕시코 그리고

일본 등으로 화산이 많은 나라중심으로 많이 사용

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지구의 내부의 온도

• 내핵의 온도 3900℃

• 외핵의 온도 2500℃

• 맨틀의 온도 2000℃

지각의 두께

해양지각 5~6km, 대륙지각 30~40km

지각내의 열분포

• 지각내에 분포하는 방사성물질의 붕괴열 (약 40%)

• 맨틀에서 올라온 마그마의 열 (약 60%)

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지열은 지표면부터 수㎞깊이에서 뜨거운 물이나 암석에 가지고 있는

열로 물일 경우 온천 등으로 사용하나 암석이 녹아 있는 것을 마그

마(magma)라고 불림

태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며, 이렇게 태양열

을 흡수한 땅속의 온도는 지형에 따라 다르지만 지표면 가까운 땅속

의 온도는 개략 10℃∼20℃ 정도로 연중 변화가 다소있으나 지하 수

십m에서의 온도는40℃∼150℃이상을 유지함

우리나라의 경우 일본, 이태리 등과 같은 화산지대가 거의 존재하지

않아 심층지열 이용은 매우 어려운 것으로 나타나고 있으며, 이에 따

라 현재는 지하 100∼150m 깊이의 지열을 이용하는 시스템의 개발

보급이 점차적으로 활성화되고 있음

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①지열수(hydrothermal fluid)

• 지열원이 180~370℃의 액체 또는 증기의 형태로 존재하는 곳에서 사용

• 용융마그마의 지각에서 관입 또는 단층을 통한 심부에 존재하는 물의 순환결과

• 지표로부터 100m~4.5km사이에 위치한 갈라진 틈 또는 다공성 바위에 형성

• 고온일 경우 전기발전에 사용이 가능하고 저온일 경우 직접가열적용(direct heat

application)에 사용

• 지열수의 근원은 열원(결정화된 화강암(마그마)),

• 지하수를 함유한 침투성 지층(aquifer ,대수층),

• 대수층을 밀봉하는 불침투성(impermeable)암반으로 구성된다.

• 지열수에서 지열에너지는 이 대수층을 천공하여 고온수 또는 증기를 추출함으로 획득

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단층[ fault, 斷層 ] :

외부의 힘을 받은 지각이 두 개의 조각으로 끊어져 어긋난 지질구조

지층은 양쪽에서 잡아당기는 장력, 양쪽에서 미는 횡압력, 중력 등의 힘으로 끊어진다.

이때 끊어진 지층이 움직이지 않았다면 절리(節理, joint)이고, 움직였다면 단층이 된

다. 이때 지층의 잘린 면을 단층면(fault surface, 斷層面)이라고 하며, 단층은 단층면

을 따라 작게는 몇 밀리미터(mm)에서

크게는 몇 킬로미터(km)까지 이동한다.

단층면을 기준으로 위에 있는 지각을

상반(hanging wall, 上盤), 아래에 있는

지각을 하반(foot wall, 下盤)이라 한다.

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관입[ 貫入, intrusion ] 마그마가 암석 틈을 따라 들어가 화성암으로 굳어지는 과정을 말한다. 수직에 가까운

관입 화성암체를 암맥이라고 한다. 암맥은 주로 반심성암으로 되어 있고 다른 암석과

의 두 접촉면은 거의 평행하다. 암맥은 모든 기존암, 즉 화성암, 퇴적암, 변성암을 구

조에 관계없이 뚫고 들어간다. 암맥은 그 연장이 수 m밖에 안 되는 것으로부터 수백

km 이상 계속되는 것이 있고, 그 두께는 수 mm로부터 수백 m 이상에 달하는 것이 있

다. 암맥과 달리 거의 평행으로 관입한 판상의

화성암체를 암상(岩床, sill)이라고 한다.

암상은 퇴적암 중에만 국한되고, 특히

그 층리면에 평행하게 들어간 판상의

화성암체만을 지칭한다. 관입된 암상은

아래 위에 있는 퇴적암 중으로 작은 암맥

으로 뻗어 들어가게 하고, 퇴적암에 열의

작용을 가하여 변색하기도 한다

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지열장소의 기본적 특성을 도시한 단면도(Image Adapted from Boyle, 1998)

②고온해수 (geopessurized brines)

- 고압하의 깊고 넓은 대수층에서 메탄이 포화된 고온소금물로 구성

- 물과 메탄이 3~6 km깊이에서 퇴적암에 존재

- 물의 온도 : 90 ~ 200 ◦C

3가지 형태의 에너지 :

- 열에너지,

- 고압의 수력에너지,

- 용해된 메탄가스의 연소로부터 얻는 화학에너지

- 주요지역 : 멕시코 만의 북부

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③고온건성암(hot dry rock)

• - 지구 표면의 8 ~ 16 km 깊이에서 일반적으로는 20~30℃/km이나 어떤

위치에서는 40℃/km이상이 되는 곳이 있는데 이곳을 고온건성암이라 한다

• - 이곳은 대수층과 같이 물을 함유하지 않으며 지열의 대부분이 여기에

저장되어있다.

- 이곳은 열전달 매체가 유체가 아니어서 암석을 분쇄시킨 후 열 회수용

물을 주입해야 하는데 이를 위해서는 찬물을 넣어서 열적 응력(Heat stress)을

인가(Applied)하거나 화학적 폭발 또는 핵폭발을 이용해야 한다.

이 방법은 많은 조사가 이루어 지었지만 아직 실증 플렌트는 없다.

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• ④ 용융마그마 (melting magma)

- 극한 고온의 용융암 상태

- 가장 큰 지열원

- 3 ~ 10 km 또는 더 깊은 깊이에서 발견

=> 쉽게 사용 가능하지 않음

- 온도 : 650 ~ 1200 ◦C

- 현재 잘 탐사되어 있지 않음

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방문 발전소 : Southern Negros Geothermal Power Complex

Ticala caidiocan valencia Negros Ornt. Philippines

방문 일자 : 2011.8.27

방문자 :황재석, 이태석, 구응모

접촉인사 : Luba, Jed General Manager

필리핀 견학

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Southern Negros Geothermal Power Complex

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Leyte Geothermal Production Field (LGPF) World’s largest wet steamfield

Location: straddles Ormoc City and Kananga Municipality in West Leyte Size: 107,625 hectares Total Plant Capacity over 700 MW

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Leyte Geothermal Production Field (LGPF) World’s largest wet steamfield

Plant Production Wells

Reinjection Wells

Pipe Network (km)

Plant Capacity (MW)

Tongonan 1 17 7 7.1 112.5

Upper Mahiao 21 8 14.5 125

Malitbog 24 11 38 232.5

Mahanagdong 25 14 14 180

Leyte Optimization

50.9

Consisting of:

①건증기발소(Dry steam Power Plant)

지열증기가 물과 혼합되지 않는 곳에서 적절한 지열원으로 유입정(production well) 을 대수층

(aquifer)까지 천공하여 과열, 가압된 증기(180~350 ◦C)를 표면까지 고속으로 가져와 전기를

생산하도록 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 : 비응축 가스(CO2, SO2)의 존재에 의해 영향

단순하고 가장 경제적인 기술로 널리 사용 => 상용화

1904년 Italy에서 최초로 사용된 가장 오래된 발전소의 형태로 보통은 unit당 35~120 MW

인도네시아, 일본, 멕시코에서도 발견

미국 California Geyser는 세계의 가장 큰 지열 발전원, 설치된 용량 (1,100 MW)

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건성수증기발전소

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지열원이 180~370℃의 액체형태로 존재하는 곳에서 사용

• 지열원인 액체보다 훨씬 저압인 플래시 탱크(Flash tank)로 액체가 분무되면 액체는 급속히

증발되어 증기로 변한 후, 그 증기는 건증기 발전소와 같이 발전기와 연결된 터빈을 통과 하면서

발전하여 전기를 생산한다.

• 지열수가 정(well)내에서 증발되는 것을 방지하고자 정(well)은 항상 고압을 유지한다.

• 이러한 경우 대부분의 지열유체는 증발 되지 않으므로 이 지열수를 직접열적용(local direct heat

application)으로 사용하거나 injection well로 배출한다.

만일 tank내부에 남아있는 지열수가 아직도 고온이면 압력강하 등의 기술을 이용하여 증발을 더

유도하여 증기변환이 가능한 제2의 tank에 넣고 주터빈으로부터 배기되는 증기와 합하여 추가로

전기를 생성 - 출력증가분 (20~25%), 발전소 비용 5% 정도 상승

• 발전소 크기 : 10 ~ 55 MW 필리핀, 멕시코 : 표준으로 20 MW 사용 22

② Flash Steam power plant

Flash steam Power Plant(Image adapted from Boyle, 1998)

소금물

Production well Injection well

버려지는 소금물

증기

응축기

공기

Cooling tower

물

직접열적용

고온정

응축

Flash tank

③ 바이너리 사이클발전소 (Binary Cycle Power Plant)

•유체의 열원이 충분히 높지 못하여 효율적으로 사용하여 발전하고자 할 때

•지열원을 플래시 하기에 너무 많은 화학적 불순물을 함유하는 곳에서 사용

• 지열유체는 열교환기를 통하여, 물보다 낮은 비등점을 갖는 유기혼합물인

이소부탄(isobutane)또는 펜탄(pentane)등의 제2유체가 터빈에서 기화하면서 팽창시켜

전기를 생산하고 팽창된 작동유체는 응축되어 사이클링하면서 계속 재사용된다.

• 모든 지열유체는 밀폐사이클 시스템의 지하로 배출

• 효율 : 바이너리 사이클발전소 > 플래시증기발전소

• 낮은 온도의 열원 사용하므로 부식문제 피할 수 있음

•발전소 출력의 대부분을 소비하는 대형펌프가 운전비용을 많이 들게 한다.

• Unit의 크기 : 1 ~ 3 MW, 모듈 배열에 의해서 사용

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4. 지열발전소 (Geothermal Power Plant )

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Binary Cycle Power Plant (Image adapted from Boyle, 1998)

4. 지열발전소 (Geothermal Power Plant )