지열 에너지란 무엇인가요?
이 깨끗한 재생 가능한 에너지 리소스를 통해 세계의 화석 연료 의존도를 줄일 수 있는 방법을 알아보세요.
지열 에너지란 무엇인가요?
사람, 조직 및 국가가 탄소 배출을 줄이는 방법을 찾게 되면서 정부 및 기업이 탄소 절감을 위한 중요한 약속을 하며 전진했습니다. 이러한 목표를 달성하기 위해서 천연 가스 및 석유 등과 같은 화석 연료에 대한 대안을 찾는 것이 중요합니다. 이를 위해 재생 가능한 더 깨끗한 에너지 자원인 태양, 수소, 풍력 및 지열과 같은 에너지원의 중요성이 증가하고 있습니다.
오늘날 지열 에너지는 가장 효율적이고 지속 가능한 유형의 에너지 중 하나로 간주됩니다. 이는 깨끗하고 안정적이며 재생 가능한 리소스이기 때문 입니다. 지열 에너지는 지표면 내에 저장된 열을 사용하여 집과 비즈니스에 필요한 전기를 생성하고 지열 난방 및 냉방을 제공합니다. 지열 자원은 북아메리카에서 10,000년 이상 사용되어 왔습니다. 팔레오 인디언 원주민이 따뜻한 온천, 요리 및 목욕에 지열을 사용해 왔기 때문입니다.
지리는 지열 에너지의 유용성에 중요한 역할을 합니다. 가장 좋은 지열 에너지원은 일반적으로 지열판의 경계 근처에 있습니다. 지각의 움직임으로 인해 이 경계 근처에는 화산 활동과 지진이 집중되어 있습니다. 예를 들어 태평양 가장자리 주위 환태평양조산대는 주로 지열판으로 인해 발생하는 일련의 지진 및 지진 활동이 일어납니다. 따라서 이 지역은 전 세계에서 가장 활동적인 지열 영역을 가지고 있습니다.
지열 에너지는 미국 에너지 소비량에 작은 비율을 차지하지만 현재 미국은 지열 에너지 생산 세계 리더입니다. 지열 에너지가 지열 판경계 주변에 있기 때문에 미국 지열 에너지 발전소는 대부분 서부 주에 있습니다. 캘리포니아는 40개 운영 지열 발전소가 있는 가장 큰 지열 전기 발전 지역입니다.
아이슬란드, 필리핀 및 엘 살바도르 또한 지열 세계 리더입니다. 지열 에너지가 국가 전체 에너지 사용의 25% 이상을 차지합니다.
지열 에너지를 탐색하고 장단점을 평가하며 지열 에너지 사례를 살펴보려면 이 문서를 읽으세요. 지열 에너지의 미래와 기술이 지열 에너지 혁신에 어떤 도움을 주는지 알아보세요.
지열 에너지의 유형
지열 에너지는 지구 내에서 생성된 열에서 얻습니다. “지열”이라는 용어는 지구라는 뜻의 그리스어 “geo”와 뜨겁다 라는 뜻의 “thermos”에서 유래했습니다. 암석과 물로 구성된 지층 아래는 마그마라고 불리는 뜨거운 용융 암석 계층이 있습니다. 마그마는 1,300F°~2,400F°의 온도에 도달하고 지표면에 용암 거품을 발생시킬 수 있습니다. 마그마는 간헐천, 온천 및 스팀벤트 등 에너지 원천을 통해 분출되기도 하는 암석 및 지층 하부 물을 가열합니다.
그러나 지구의 지열 에너지 대부분은 스팀 포켓과 뜨거운 용수로 지반 밑에 남아있고 다음과 같은 다양한 방법으로 수집됩니다.
저온 지열 에너지
- 지표면 근처 지열 유체에서 얻은 열은 스스로 상승하거나 유정을 사용하여 접근합니다.
- 전 세계 거의 모든 곳에서 액세스할 수 있습니다.
- 가정, 비닐 하우스, 수산업 및 산업 프로세스 등과 같은 곳에 직접 지열을 적용합니다.
공동 생성된 지열 에너지
- 석유 및 가스 유정의 부산물로 열원을 사용합니다.
- 발전소에서 사용하거나 그리드에 판매하는 전기를 생성합니다.
지열 난방 및 냉방
- 지열 히트 펌프는 10~300피트로 지구를 드릴합니다.
- 겨울에 집 및 건물을 난방하고 여름에는 냉방합니다.
지열 발전소
- 지구 최대 2마일 깊이 까지 지열 저장고를 탭핑합니다.
- 전기를 생성합니다.
지열 에너지의 장단점
지열 에너지는 재생 가능하고 깨끗한 에너지원이지만 높은 초기 비용과 지진 및 땅의 점진적 싱크인 지반 침식의 원인이 될 수 있는 가능성 등 단점이 있습니다.
지열 에너지의 장점:
- 환경 친화적: 지열 발전소는 탄소 발자국을 최소화하고 관련 오염이 매우 적습니다. 지열 난방 및 냉방은 가스 배출을 줄입니다.
- 재생 가능: 화석 연료와 달리 지구 내의 지열 에너지 재생 가능 저장소는 자연적으로 보충되며 수십억 년 동안 지속됩니다.
- 신뢰성 및 안정성: 풍력 및 태양열과 달리 지열 에너지는 항상 사용 가능하며 변동하지 않습니다. 관리는 지열 발전소의 전력 출력을 정확하게 예측할 수 있으므로 기본 부하 에너지 수요를 충족하는 데 적합합니다.
지열 에너지의 단점:
- 환경 부작용: 지열 에너지로 인해 지구 표면 아래 일부 가스가 대기권으로 분출됩니다. 지열 발전소는 지형의 안정성에 영향을 줄 수 있고 지진을 유발하고 지반 침식의 원인이 될 수 있습니다.
- 관리 필요: 지열 발전소에 의해 탭핑되면 지열 저장고가 고갈되지 않도록 제대로 관리해야 합니다.
- 위치 제한을 받는 발전소 지열 발전소는 지열 저장소를 사용할 수 있는 지열 판 경계 근처 지역에만 지을 수 있습니다.
지열 발전소
지열 발전소는 건기 또는 열탕 유정에서 나오는 고온 지열원을 사용합니다. 석유를 드릴하는 것과 마찬가지로 지열 발전소는 지구 심층으로 유정을 드릴합니다. 수증기 또는 열탕은 표면으로 펌프되어 터빈을 스핀하거나 전기를 발전하는데 사용됩니다.
다음 세 가지 유형의 지열 발전소가 있습니다.
건기식 발전소
지하에서 자연적으로 발생하는 수증기를 사용합니다. 수증기는 생산 유정에서 지표면까지 상승하고 에너지를 터빈까지 이전하고 압축한 후 다시 지구로 되돌아 가거나 대기권으로 방출됩니다. 건기식 발전소는 가장 오래된 유형의 지열 발전소이며 가장 간단하고 가장 효과적인 것으로 간주됩니다.
가장 오래된 건기식 발전소는 이탈리아 라레도에 있습니다. 1911년에 구축된 이 발전소는 100만 명이 넘는 거주자에게 여전히 전기를 공급하고 있습니다. 또 다른 중요한 건기식 발전소는 샌프란시스코 북부의 간헐천 자원 지역에 있습니다. 1960년부터 전기를 생산해 왔으며 캘리포니아 재생 에너지의 약 1/5를 제공합니다.
재증발 증기 발전소
지구 내부 깊은 곳에서 360F°보다 뜨거운 가압된 물이 수증기로 변환됩니다. 열탕이 지표면에 도달하면 훨씬 낮은 압력으로 유지되는 “플래시 탱크”’로 보내집니다. 감소된 압력으로 인해 일부 물이 “플래시”됩니다. 터빈 구동을 위해 빠르게 수증기로 증발하는 것입니다. 남은 액체는 더 많은 에너지를 추출하기 위해 두 번째 플래시 탱크에서 다시 플래시 될 수 있습니다.
플래시 스팀 발전소는 현재 사용 중인 가장 일반적인 유형의 지열 발전소입니다. 화산 섬인 아이슬란드는 플래시 스팀 지열 발전소를 사용하여 국가에 필요한 거의 모든 전기를 공급합니다. 환태평양조산대를 따라 위치한 필리핀에는 세계에서 가장 큰 플래시 스팀 발전소가 있습니다.
이진 주기 발전소
열을 생성하는데 다른 접근 방법을 사용합니다. 225°F에서 330°F 사이의 낮은 온도에서 고압의 물로 작동합니다. 이 방법은 열 교환기를 사용하여 열을 핫 워터에서 보조 유체로 전환하여 터빈을 구동합니다.
보통 온도의 물은 더 널리 사용 가능하기 때문에 이진 주기 발전소는 향후 가장 일반적인 유형의 지열 발전소가 될 것으로 예상됩니다.
지열 에너지는 어떻게 사용될까요?
지열 에너지의 가장 일반적인 세 가지 용도는 직접 사용, 발전 및 지상원 난방 및 냉방입니다.
지열 직접 사용 시스템
지표면에서 몇 피트에서부터 1마일 미만 아래까지 떨어진 곳에 위치해 있으며 자연적으로 가열된 지하수를 사용합니다. 온도가 최대 200°F 이상일 수 있는 지하수를 추출하기 위해 우물을 뚫습니다. 경우에 따라 뜨거운 물이나 증기가 능동적 펌핑 없이 자체적으로 상승할 수 있으며, 이러한 물이나 증기는 직접 사용하거나 열 교환기를 통해 순환할 수 있습니다.
직접 사용하는 지열수는 양식장 난방 유지, 보도와 도로의 얼음과 눈 녹이기, 대형 수영장 난방, 건물 난방, 온수 제공 등 다양한 응용 분야를 지원합니다. 직접 사용하는 지열 시스템은 더 깊은 지열 시스템보다 자본 비용이 낮지만, 이 기술은 화산 또는 구조 활동이 있는 지역과 같이 지표면 근처 또는 지표면에 뜨거운 지하수가 있는 지역으로 제한됩니다.
전력 발전
위에서 설명한 세 가지 유형의 지열 발전소는 지구 내부 심층의 지열 자원을 활용하여 전기를 생산합니다. 대부분은 닫힌 루프 용수 시스템을 가지고 있습니다. 여기서 추출된 물은 사용 후 지열 저장고로 직접 다시 펌프됩니다. 물의 상당 부분이 수증기로 증발하므로 발전소의 저장소에 안정적인 물 양을 유지하려면 상당한 양의 물을 다시 주입해야 합니다. 지열 에너지는 현재 약 20개 국가에서 사용하는 재생 가능한 자원이지만, 특히 열을 보충하는 것보다 더 빠르게 추출할 경우 대부분의 지열정은 시간이 지남에 따라 온도가 내려갑니다.
지열 난방 및 냉방
접지 가열 및 냉각으로도 알려져 있는 이 방법은 오늘날 지열 에너지가 사용되는 가장 일반적인 방법입니다. “지열 난방이란 무엇인가”라는 질문에 답하려면 지열 히트 펌프(지열원 히트펌프라고도 함)가 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 중요합니다. 열을 생성하는 대신 펌프는 지구를 열원으로 사용하여 지구와 가정 또는 건물 간에 열을 이동합니다.
10~300피트 땅 속에 펌프를 뚫고 지하와 건물 전체에 액체를 순환하는 긴 파이프 루프에 연결합니다. 겨울에는 액체가 지구의 열을 흡수하여 건물로 운반하고, 그러면 지열 난방이 도관 시스템을 통해 열을 방출합니다. 여름에는 액체가 건물의 열을 흡수하여, 냉방을 위해 열을 땅으로 옮깁니다.
지열 에너지가 사용되는 더 많은 방법
- 농업은 겨울에 식물을 따뜻하게 유지하기 위하여 증기를 토양에 적용하는 방식으로 지열 에너지를 사용합니다.
- 일부 건강 스파는 지열 통풍구를 사용하여 온탕과 욕조를 가열합니다.
- 온천은 사람들의 건강 개선을 위한 능력으로 알려져 있습니다.
- 자연 간헐천은 경외심을 일으키는 여행지가 될 수 있습니다. Yellowstone National Park의 “Old Fast” 는 60~90분마다 지열이 솟아오르는 불가사의로 매년 약 4백만 명이 방문합니다.
지열 에너지의 미래
지열 에너지의 수압파쇄
석유 및 가스 산업에서 파쇄법은 생산 증가를 위한 일반적인 방법입니다. 파쇄는 암석 형성에 고압 유체를 주입하여 암석 형성을 깨고 유체투과성으로 만듭니다. 지열 에너지에 대한 수압 파쇄는 유사한 접근 방식을 사용하며 “ESG(향상된 지열 시스템)”라고도 합니다. 이 프로세스는 천연 가스 산업에서 사용하는 파쇄법 유형과 비슷하지만 몇 가지 중요한 차이점이 있습니다. 지열 파쇄법은 더 작고 컨트롤 가능한 파쇄를 만들고 유체를 사용하기 때문에 오염이 적습니다.
ESG는 자체 증기를 생산하기 위하여 충분히 뜨거울 정도의 암석에서 에너지를 추출하여 증기를 생성합니다. 개발자는 지구까지 약 0.6~2.8마일 깊이까지 수직으로 “주입 유정”을 드릴하여 핫 건기 암석 저장소에 도달합니다. 그런 다음, 고압 물이나 폭발물을 사용하여 암석을 깨우고 유체의 지열 저장소를 만듭니다. 생산 유정은 열탕을 지표면으로 다시 펌프합니다. 이는 2차 유체 플래시로 증기를 만드는 이진 주기 발전소와 유사합니다. 지열 발전소는 증기를 사용하여 터빈을 구동하여 전기를 만듭니다.
지열 에너지 성장 장벽
- 자연 지열원 부족. 이 문서의 시작 부분에서 설명한 것처럼 지열원 가용성은 지열 판 경계 근처의 위치로 제한됩니다. 지열 에너지에 액세스할 수 있는 대부분의 국가에서는 이미 리소스를 어느 정도 활용하고 있습니다.
- 지열 발전소 탐색 비용 및 위험. 3~5개의 지열 유정의 초기 및 드릴 프로그램을 수행하기 위해 USD$2~3천만 사이의 비용이 듭니다. 이는 탐색 실패의 위험과 함께 전 세계적으로 지열 에너지 사용을 확장하는 데 방해가 됩니다.
- 향상된 지열 시스템 발전소 비용 및 위험. ESG는 지열원 가용성을 확장할 가능성이 있지만, 석유 또는 가스 드릴에 비해 지열 유정을 드릴하는 데 비용이 매우 많이 듭니다. 또 다른 장벽은 기존의 “파쇄법”과 ESG 유정도 지진을 발생시킨다는 것입니다. 특히, 수압 파쇄가 기존 결함 근처에 발생하는 경우 근처 건물에 손상을 입힐 수 있을 만큼 강력한 대규모 지진의 위험이 있습니다.
- 지열 난방 및 냉각 시스템 높은 초기비용. 지열 히트펌프는 기본 단위의 경우 USD$3,500~7,500 사이의 비용이 들고, 열탕 난방이 있는 더 비용이 많이드는 모델도 있습니다. 또한 굴착과 설치 비용은 최대 USD$12,000~15,000로 책정될 수 있습니다. 그러나 일부 국가에서는 이러한 비용의 일부를 오프셋하기 위해 리베이트 또는 세금 공제를 제공하기도 합니다. 이러한 시스템은 에너지 효율이 매우 높기 때문에 결국 투자 수익률을 제공합니다. 지열 난방 및 냉방 시스템에 투자하는 사용자는 연간 에너지 요금의 30~70%를 절감할 수 있습니다.
지열 에너지는 환경에 어떤 영향을 미치나요?
깨끗하고 재생 가능한 리소스인 지열 에너지는 화석연료 대체재로 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 그러나 지열 에너지는 여러 다른 방법으로 환경에 영향을 줍니다. 전반적으로 지열 에너지의 긍정적인 영향이 부정적인 영향보다 많습니다.
부정적인 영향
용수 사용량
공기 배출
지반침식
ESG 파쇄
ESG 파쇄법의 지진 발생 가능성은 도심, 비즈니스 및 가정이 있는 지역에서 발전소를 적용하는데 방해가 됩니다. 또한 많은 사람들은 ESG 파쇄법이 누출, 유출, 배출풀 및 지류 오염 등과 같은 가스 파쇄법과 유사한 부정적인 영향을 일으킬 가능성이 있다고 생각합니다.
긍정적인 영향
저탄소 배출
대체 에너지에 대한 의존도를 줄입니다.
탄소 발자국 감축
에너지 혁신을 촉진하는 기술
세계는 넷 제로 탄소 경제를 구축하여 기후를 안정화해야 하는 엄청난 과제에 직면했습니다. 이러한 혁신적인 기술은 더 깨끗한 에너지로의 글로벌 전환을 지원하는 데 도움이 됩니다.
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자주 묻는 질문
-
가장 지속 가능하고 효율적인 에너지 유형 중 하나로 간주되는 지열 에너지는 깨끗하고 안정적이며 재생 가능한 리소스입니다. 지표면 내에 저장된 열을 사용하여 전기를 생성하고 가정과 기업을 위한 지열 및 냉각을 제공합니다.
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지열 에너지는 다음과 같은 세 가지 주요 이점을 제공합니다.
- 환경 친화적입니다.
- 재생 가능합니다.
- 신뢰할 수 있고 안정적입니다.
이 깨끗한 재생 가능한 에너지원이 세계의 화석 연료 의존도를 줄일 수 있는 방법을 알아보세요.
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다른 에너지원과 비교할 때 지열 에너지에는 다음과 같은 세 가지 단점이 있습니다.
- 지열 에너지는 지표면 아래의 온실 가스가 대기권으로 빠져나가 이면의 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.
- 지열 저장소는 고갈되지 않도록 관리해야 합니다.
- 지열 발전소는 지열 저장소를 사용할 수 있는 지열 판 경계 근처 지역에만 지을 수 있습니다.
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지열 에너지는 가정 냉난방, 비닐 하우스 난방, 산업 공정 지원 및 전기 생산에 사용됩니다.
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4가지 유형의 지열 에너지는 다음과 같습니다.
- 저온 지열 에너지.
- 공동 생성된 지열 에너지.
- 지열 난방 및 냉방.
- 지열 발전소.
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