목차 1. 지열발전의역사 2. 지열발전의구조및시스템 3. 지열원 (Hydrorhemal Resources) 4. 지열발전소 (Geothermal Power Plant) [ 참고문헌 ] 한국지열에너지학회 (www.ksgee.or.kr)/ 송윤호, 지열발전현황및기술동향, 설비저널, 40 권, 대한설비공학회, 2011 년 10 월호 / 우정선, 이세균, 지열원열펌프시스템기술, 보급현황, 58 권, 9 호, 대한전기학회 2009
지열 ( 地熱 ) 은지구표면에서수 km 사이의지각내부에존재하는열에 너지로서경제적으로타당성있게개발하여이용할수있는에너지 원 ( 原 ) 지열은재생이불가능한에너지이나지구자체가가지고있는에너 지로굴착하는깊이에따라온도에영향을받는무한 ( 無限 ) 에너지임 지열은그동안온천등관광자원또는난방열원으로만제한적으로 개발되었지만이제는냉난방은물로전기적에너지원으로추후개발 이기대되는에너지원임 3
이탈이아의토스카나주라르데로에있는붕산제조공장에서지놀콘티氏가 1904년천연증기로전기250kW를생산한것이시초 지열은해양에너지에비하여 1,000배이상의열용량 (heat capacity, 熱容量 ) 을갖는다. 지열은 1km 당 30 씩증가하여약 3km 에서는 90 정도가되면건물의난방이 나급탕열로사용하고 5km 까지내려가면약 240 까지올라터빈발전으로전기 에너지생산이가능함 이러한지열을가장많이사용하는나라는미국으로 2,850kW 이고그다음이필리핀이탈리아멕시코그리고 일본등으로화산이많은나라중심으로많이사용 4
지구의내부의온도 내핵의온도 3900 외핵의온도 2500 맨틀의온도 2000 지각의두께 해양지각 5~6km, 대륙지각 30~40km 지각내의열분포 지각내에분포하는방사성물질의붕괴열 ( 약 40%) 맨틀에서올라온마그마의열 ( 약 60%) 5
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지열은지표면부터수km깊이에서뜨거운물이나암석에가지고있는열로물일경우온천등으로사용하나암석이녹아있는것을마그마 (magma) 라고불림태양열의약 47% 가지표면을통해지하에저장되며, 이렇게태양열을흡수한땅속의온도는지형에따라다르지만지표면가까운땅속의온도는개략 10 20 정도로연중변화가다소있으나지하수십m에서의온도는40 150 이상을유지함 우리나라의경우일본, 이태리등과같은화산지대가거의존재하지않아심층지열이용은매우어려운것으로나타나고있으며, 이에따라현재는지하 100 150m 깊이의지열을이용하는시스템의개발보급이점차적으로활성화되고있음 7
1 지열수 (hydrothermal fluid) 지열원이 180~370 의액체또는증기의형태로존재하는곳에서사용 용융마그마의지각에서관입또는단층을통한심부에존재하는물의순환결과 지표로부터 100m~4.5km사이에위치한갈라진틈또는다공성바위에형성 고온일경우전기발전에사용이가능하고저온일경우직접가열적용 (direct heat application) 에사용 지열수의근원은열원 ( 결정화된화강암 ( 마그마 )), 지하수를함유한침투성지층 (aquifer, 대수층 ), 대수층을밀봉하는불침투성 (impermeable) 암반으로구성된다. 지열수에서지열에너지는이대수층을천공하여고온수또는증기를추출함으로획득 8
단층 [ fault, 斷層 ] : 외부의힘을받은지각이두개의조각으로끊어져어긋난지질구조 지층은양쪽에서잡아당기는장력, 양쪽에서미는횡압력, 중력등의힘으로끊어진다. 이때끊어진지층이움직이지않았다면절리 ( 節理, joint) 이고, 움직였다면단층이된다. 이때지층의잘린면을단층면 (fault surface, 斷層面 ) 이라고하며, 단층은단층면을따라작게는몇밀리미터 (mm) 에서크게는몇킬로미터 (km) 까지이동한다. 단층면을기준으로위에있는지각을 상반 (hanging wall, 上盤 ), 아래에있는 지각을하반 (foot wall, 下盤 ) 이라한다. 9
관입 [ 貫入, intrusion ] 마그마가암석틈을따라들어가화성암으로굳어지는과정을말한다. 수직에가까운 관입화성암체를암맥이라고한다. 암맥은주로반심성암으로되어있고다른암석과의두접촉면은거의평행하다. 암맥은모든기존암, 즉화성암, 퇴적암, 변성암을구조에관계없이뚫고들어간다. 암맥은그연장이수 m밖에안되는것으로부터수백 km 이상계속되는것이있고, 그두께는수 mm로부터수백 m 이상에달하는것이있다. 암맥과달리거의평행으로관입한판상의 화성암체를암상 ( 岩床, sill) 이라고한다. 암상은퇴적암중에만국한되고, 특히 그층리면에평행하게들어간판상의 화성암체만을지칭한다. 관입된암상은 아래위에있는퇴적암중으로작은암맥 으로뻗어들어가게하고, 퇴적암에열의 작용을가하여변색하기도한다 10
지열장소의기본적특성을도시한단면도 (Image Adapted from Boyle, 1998)
2 고온해수 (geopessurized brines) - 고압하의깊고넓은대수층에서메탄이포화된고온소금물로구성 - 물과메탄이 3~6 km깊이에서퇴적암에존재 - 물의온도 : 90 ~ 200 C 3가지형태의에너지 : - 열에너지, - 고압의수력에너지, - 용해된메탄가스의연소로부터얻는화학에너지 - 주요지역 : 멕시코만의북부 12
3 고온건성암 (hot dry rock) - 지구표면의 8 ~ 16 km 깊이에서일반적으로는 20~30 /km이나어떤위치에서는 40 /km이상이되는곳이있는데이곳을고온건성암이라한다 - 이곳은대수층과같이물을함유하지않으며지열의대부분이여기에저장되어있다. - 이곳은열전달매체가유체가아니어서암석을분쇄시킨후열회수용물을주입해야하는데이를위해서는찬물을넣어서열적응력 (Heat stress) 을인가 (Applied) 하거나화학적폭발또는핵폭발을이용해야한다. 이방법은많은조사가이루어지었지만아직실증플렌트는없다. 13
4 용융마그마 (melting magma) - 극한고온의용융암상태 - 가장큰지열원 - 3 ~ 10 km 또는더깊은깊이에서발견 => 쉽게사용가능하지않음 - 온도 : 650 ~ 1200 C - 현재잘탐사되어있지않음 14
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필리핀견학 방문발전소 : Southern Negros Geothermal Power Complex 방문일자 : 2011.8.27 Ticala caidiocan valencia Negros Ornt. Philippines 방문자 : 황재석, 이태석, 구응모 접촉인사 : Luba, Jed General Manager 16
Southern Negros Geothermal Power Complex 17
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 18
Leyte Geothermal Production Field (LGPF) World s largest wet steamfield Consisting of: 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 19
1 건증기발소 (Dry steam Power Plant) 지열증기가물과혼합되지않는곳에서적절한지열원으로유입정 (production well) 을대수층 (aquifer) 까지천공하여과열, 가압된증기 (180~350 C) 를표면까지고속으로가져와전기를생산하도록터빈을구동 증기를물로변환시키기위하여증기를응축기에통과 => 터빈효율증가, 환경문제회피 버려지는물은배수정 (injection well) 을통하여지층으로배수 효율과경제성 : 비응축가스 (CO 2, SO 2 ) 의존재에의해영향 단순하고가장경제적인기술로널리사용 => 상용화 1904년 Italy에서최초로사용된가장오래된발전소의형태로보통은 unit당 35~120 MW 인도네시아, 일본, 멕시코에서도발견 미국 California Geyser 는세계의가장큰지열발전원, 설치된용량 (1,100 MW) 20
건성수증기발전소 21
2 Flash Steam power plant 지열원이 180~370 의액체형태로존재하는곳에서사용 지열원인액체보다훨씬저압인플래시탱크 (Flash tank) 로액체가분무되면액체는급속히증발되어증기로변한후, 그증기는건증기발전소와같이발전기와연결된터빈을통과하면서발전하여전기를생산한다. 지열수가정 (well) 내에서증발되는것을방지하고자정 (well) 은항상고압을유지한다. 이러한경우대부분의지열유체는증발되지않으므로이지열수를직접열적용 (local direct heat application) 으로사용하거나 injection well로배출한다. 만일 tank내부에남아있는지열수가아직도고온이면압력강하등의기술을이용하여증발을더유도하여증기변환이가능한제2의 tank에넣고주터빈으로부터배기되는증기와합하여추가로전기를생성 - 출력증가분 (20~25%), 발전소비용 5% 정도상승 발전소크기 : 10 ~ 55 MW 필리핀, 멕시코 : 표준으로 20 MW 사용 22
응축기 증기 Cooling tower 공기 소금물 버려지는소금물 응축 고온정 물 직접열적용 Flash tank Production well Injection well Flash steam Power Plant(Image adapted from Boyle, 1998)
4. 지열발전소 (Geothermal Power Plant ) 3 바이너리사이클발전소 (Binary Cycle Power Plant) 유체의열원이충분히높지못하여효율적으로사용하여발전하고자할때 지열원을플래시하기에너무많은화학적불순물을함유하는곳에서사용 지열유체는열교환기를통하여, 물보다낮은비등점을갖는유기혼합물인이소부탄 (isobutane) 또는펜탄 (pentane) 등의제2유체가터빈에서기화하면서팽창시켜전기를생산하고팽창된작동유체는응축되어사이클링하면서계속재사용된다. 모든지열유체는밀폐사이클시스템의지하로배출 효율 : 바이너리사이클발전소 > 플래시증기발전소 낮은온도의열원사용하므로부식문제피할수있음 발전소출력의대부분을소비하는대형펌프가운전비용을많이들게한다. Unit의크기 : 1 ~ 3 MW, 모듈배열에의해서사용 24
4. 지열발전소 (Geothermal Power Plant ) Binary Cycle Power Plant (Image adapted from Boyle, 1998) 25