이 연구에서는 최근에 발표되고 국제기구에 의해 공인된 protocol에 따라 인공 지열 저류층 생성 기술(EGS)을 통한 우리나라 지열발전의 잠재량을 평가하였다. 잠재량 추정에 필요한 입력 자료인 암석 밀도, 비열 및 열전도도는 1,516개 암반 시료의 측정값을 이용했으며, 열생산율은 180개 자료, 지열류량은 352개 자료, 그리고 지표면 온도는 54개 자료를 사용하였다. 내륙을 34,742개의 $1'{\times}1'$ 크기 격자로 나누어 3-10 km 깊이 범위에 걸쳐 1 km 깊이 구간별로 온도 분포를 계산하고 이로부터 열에너지 부존량을 계산하였다. 지하 3-10 km 범위의 이론적 잠재량은 6,975 GW로 계산되었고 이는 2010년 우리나라 총 발전용량인 76 GW의 약 92배에 달한다. 기술적 잠재량은 3-6.5 km 깊이, 개발행위가 가능한 지역만을 고려하고 또한 암반으로부터의 열 회수율(0.14)과 발전시설의 온도 특성까지 포함해서 산출되었다. 온도하강요소 $10^{\circ}C$를 고려할 때 총 기술적 잠재량은 19.6 GW로 나타나고 있다. 만약 온도하강요소를 경제적 잠재량에 포함시킬 수 있도록 제외한다면 기술적 잠재량은 56 GW로 늘어난다.
이 연구에서는 최근에 발표되고 국제기구에 의해 공인된 protocol에 따라 인공 지열 저류층 생성 기술(EGS)을 통한 우리나라 지열발전의 잠재량을 평가하였다. 잠재량 추정에 필요한 입력 자료인 암석 밀도, 비열 및 열전도도는 1,516개 암반 시료의 측정값을 이용했으며, 열생산율은 180개 자료, 지열류량은 352개 자료, 그리고 지표면 온도는 54개 자료를 사용하였다. 내륙을 34,742개의 $1'{\times}1'$ 크기 격자로 나누어 3-10 km 깊이 범위에 걸쳐 1 km 깊이 구간별로 온도 분포를 계산하고 이로부터 열에너지 부존량을 계산하였다. 지하 3-10 km 범위의 이론적 잠재량은 6,975 GW로 계산되었고 이는 2010년 우리나라 총 발전용량인 76 GW의 약 92배에 달한다. 기술적 잠재량은 3-6.5 km 깊이, 개발행위가 가능한 지역만을 고려하고 또한 암반으로부터의 열 회수율(0.14)과 발전시설의 온도 특성까지 포함해서 산출되었다. 온도하강요소 $10^{\circ}C$를 고려할 때 총 기술적 잠재량은 19.6 GW로 나타나고 있다. 만약 온도하강요소를 경제적 잠재량에 포함시킬 수 있도록 제외한다면 기술적 잠재량은 56 GW로 늘어난다.
We estimated geothermal power generation potential in Korea through Enhanced Geothermal System (EGS) technology following the recently proposed protocol which was endorsed by international organizations. Input thermal and physical data for estimation are density, specific heat and thermal conductivi...
We estimated geothermal power generation potential in Korea through Enhanced Geothermal System (EGS) technology following the recently proposed protocol which was endorsed by international organizations. Input thermal and physical data for estimation are density, specific heat and thermal conductivity measurements from 1,516 outcrop samples, 180 heat production, 352 heat flow, and 52 mean surface temperature data. Inland area was digitized into 34,742 grids of $1'{\times}1'$ size and temperature distribution and available heat were calculated for 1 km depth interval from 3 km down to 10 km. Thus estimated theoretical potential reached 6,975 GW which is 92 times total generation capacity of Korea in 2010. Technical potential down to 6.5 km and considering land accessibility, thermal recovery ratio of 0.14 and temperature drawdown factor of $10^{\circ}C$ was 19.6 GW. If we disregard temperature drawdown factor, which can be considered in estimating economic potential, the technical potential increases up to 56 GW.
We estimated geothermal power generation potential in Korea through Enhanced Geothermal System (EGS) technology following the recently proposed protocol which was endorsed by international organizations. Input thermal and physical data for estimation are density, specific heat and thermal conductivity measurements from 1,516 outcrop samples, 180 heat production, 352 heat flow, and 52 mean surface temperature data. Inland area was digitized into 34,742 grids of $1'{\times}1'$ size and temperature distribution and available heat were calculated for 1 km depth interval from 3 km down to 10 km. Thus estimated theoretical potential reached 6,975 GW which is 92 times total generation capacity of Korea in 2010. Technical potential down to 6.5 km and considering land accessibility, thermal recovery ratio of 0.14 and temperature drawdown factor of $10^{\circ}C$ was 19.6 GW. If we disregard temperature drawdown factor, which can be considered in estimating economic potential, the technical potential increases up to 56 GW.
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문제 정의
(2010)의 열에너지 부존량 산정에서 출발하여 protocol에서 제시한 방법론에 따라 우리나라 지열발전의 이론적 및 기술적 잠재량을 추정하였다. 이 논문에서는 먼저 EGS 지열발전 잠재량 평가 protocol이 제안된 배경을 살펴보고, protocol의 내용을 상세히 소개한다. 이어서 우리나라에서 기존에 발표된 지열관련 자료를 이용해 심도별 온도분포, 열에너지 부존량을 계산하고 이를 이용해 이론적 잠재량과 기술적 잠재량 추정 결과를 서술하였으며, 얻어진 결과의 의의에 대해 토의한다.
이 논문에서는 먼저 EGS 지열발전 잠재량 평가 protocol이 제안된 배경을 살펴보고, protocol의 내용을 상세히 소개한다. 이어서 우리나라에서 기존에 발표된 지열관련 자료를 이용해 심도별 온도분포, 열에너지 부존량을 계산하고 이를 이용해 이론적 잠재량과 기술적 잠재량 추정 결과를 서술하였으며, 얻어진 결과의 의의에 대해 토의한다.
가설 설정
1152가 된다. 물론 실질적으로는 암반의 온도에 비해 순환되는 지열수의 온도가 약간 낮아지지만 이는 유량에도 관계되는 문제이므로 정량적으로 기준을 정하는 것이 매우 어렵기 때문에 지열수의 온도를 암반의 온도와 동일하게 가정하였다.
제안 방법
(c) 자료는 전국에 걸쳐 채취한 1,516개의 암반 노두 시료로부터 측정한 값을 가지고 Kriging 방법을 통해 1'×1' 격자에 해당하는 값을 추출하였다.
3장의 1)에 나타난 바와 같이 protocol에서는 대상지역을 5'×5'의 격자로 나누도록 제시하고 있으나, 우리나라는 좁은 면적에 비해 지질학적인 변화가 다양하므로 이 연구에서는 전 국토를 1'×1' 크기로 나누었다.
암반의 열생산율(d)은 125개 암석시료의 측정값과 55개 감마검층 자료로부터 얻어진 총 180개의 자료를 사용하여 IDW (Inverse Distance Weighted) 방법을 통해 각 격자에서의 값을 추출하였다. Kim and Lee (2007)에 의해 보고된 359개 지열류량 자료 중 매우 인접한 위치의 자료 등을 제외한 352개의 지열류량 자료를 사용하여 Kriging 방법을 통해 각 격자에 해당하는 값을 추출하였다 (Fig. 2 (e)).
이러한 이유로 우리나라의 복잡한 지질 분포를 감안하여 protocol에서 제시한 격자크기의 1/25인 1'×1'크기의 격자를 이용해 모든 계산을 수행하였다.
이론/모형
밀도(a), 비열(b) 및 열전도도(c) 자료는 전국에 걸쳐 채취한 1,516개의 암반 노두 시료로부터 측정한 값을 가지고 Kriging 방법을 통해 1'×1' 격자에 해당하는 값을 추출하였다. 암반의 열생산율(d)은 125개 암석시료의 측정값과 55개 감마검층 자료로부터 얻어진 총 180개의 자료를 사용하여 IDW (Inverse Distance Weighted) 방법을 통해 각 격자에서의 값을 추출하였다. Kim and Lee (2007)에 의해 보고된 359개 지열류량 자료 중 매우 인접한 위치의 자료 등을 제외한 352개의 지열류량 자료를 사용하여 Kriging 방법을 통해 각 격자에 해당하는 값을 추출하였다 (Fig.
이 연구에서는 Lee et al. (2010)의 열에너지 부존량 산정에서 출발하여 protocol에서 제시한 방법론에 따라 우리나라 지열발전의 이론적 및 기술적 잠재량을 추정하였다. 이 논문에서는 먼저 EGS 지열발전 잠재량 평가 protocol이 제안된 배경을 살펴보고, protocol의 내용을 상세히 소개한다.
, 2007)을 이용하였다. 이 연구에서는 Lee et al. (2010)이 사용한 동일한 물성 자료 및 지열류량 자료(Kim and Lee, 2007)를 가지고 (5)식에 나타난 protocol의 방법과 Blackwell et al. (2007)의 방법에 따라 각각 깊이별 온도를 계산하였는데, 그 결과는 오차범위내에서 동일하게 나타났다.
2 (e)). 한편, 연평균 지표면 온도자료는 기상관측 자료를 이용해 구한 결과(Koo et al., 2006)에서 육지에 해당하는 54개 자료에 IDW 방법을 적용하였다(f). 각 입력값들의 분포 범위는 Table 1에 보여진다.
성능/효과
Figs. 3, 4, 5를 비교해보면 지하 온도가 높은 곳에서 열에너지 부존량도 높고 또한 이론적 잠재량도 높은 결과를 보임을 확인할 수 있다. 광역적으로 볼 때에 경상남북도 동부에서 이론적 잠재량이 높게 나타나고 있다.
3장의 1)에 나타난 바와 같이 protocol에서는 대상지역을 5'×5'의 격자로 나누도록 제시하고 있으나, 우리나라는 좁은 면적에 비해 지질학적인 변화가 다양하므로 이 연구에서는 전 국토를 1'×1' 크기로 나누었다. 격자의 면적은 남해안 지역에서는 최소 약 2.722 km2이고 가장 북쪽에서는 최대 약 2.837 km2이며, 도서지방 및 해안선 일부를 제외한 전체 면적 약 95,939 km2에서 총 34,742개 격자로 나뉘어졌다. 제주도 및 울릉도 지역은 지열류량 자료가 없어서 제외하였다.
지하 3-10 km 범위의 이론적 잠재량은 6,975 GW로 계산되었고 이는 2010년 우리나라 총 발전용량인 76 GW의 약 92배에 달하는 막대한 양이다. 기술적 잠재량은 현재 시추 기술 및 저류층 생성에 무리가 없다고 생각되는 깊이인 6.5 km와 개발행위가 가능한 지역만을 고려하고 또한 암반으로부터의 열 회수율과 발전시설의 온도 특성까지 포함해서 산출되었다. 우리나라 지표 면적 중 도시, 산악, 수계 및 보전지역을 제외한 접근가능 면적은 총 면적의 40.
5 km와 개발행위가 가능한 지역만을 고려하고 또한 암반으로부터의 열 회수율과 발전시설의 온도 특성까지 포함해서 산출되었다. 우리나라 지표 면적 중 도시, 산악, 수계 및 보전지역을 제외한 접근가능 면적은 총 면적의 40.7%로 산출되었으며 온도하강요소 10℃를 고려할 때 총 기술적 잠재량은 19.6 GW로 나타나고 있다. 만약 온도하강요소를 경제적 잠재량에 포함시킬 수 있도록 제외한다면 기술적 잠재량은 56 GW로 늘어나게 된다.
국립공원(10곳), 도립공원(23곳) 및 시군립공원(33곳)으로 분류되는 모든 공원을 제외하였고, 16곳의 습지보호지역과 5,048곳의 문화재지정 구역도 모두 접근 불가능 지역으로 간주하여 제외하였다. 이렇게 제외된 접근 불가능 지역의 면적은 56,868 km2로서 격자화가 이루어진 내륙지역 면적 95,939 km2의 59.3%를 차지하여 결과적으로 EGS 지열발전을 위한 개발이 가능한 곳은 전체 면적의 40.7%로 나타나고 있다.
지금까지 서술한 바와 같이 이 연구에서 시도한 우리나라 EGS 지열발전 잠재량 추정 결과, 국가 전력공급에 상당한 기여를 할 수 있는 잠재량을 확보하고 있음을 확인할 수 있었다. 물론 기술적 잠재량이 그대로 경제적 잠재량 또는 공급가능 잠재량이 될 수는 없는데, 이는 EGS 지열발전의 경우 5 km 이상 깊이까지의 시추공 굴착 및 완성, 그리고 인공 지열 저류층 생성을 위한 수압자극에 막대한 비용이 소요되어 발전차액보조(feed-in tariff)제도나 RPS (Renewable Portfolio Standard) 등의 정책적 지원제도가 없으면 아직까지는 경제성이 부족하기 때문이다.
이다. 지하에 부존하는 열에너지의 총량을 계산할 때 통상적으로 연평균 지표온도를 기준으로 이용하고 우리나라에서의 지열자원 부존량 평가(Lee et al., 2010)에서도 이를 따랐지만, EGS 발전을 생각할 때에는 binary 발전시스템에서 발전이 가능한 최저 온도를 기준 온도로 보는 것이 타당할 것이다. 미국 Alaska의 Chena Hot Springs에서는 빙하 녹은 물이 연중 풍부하게 공급되어 지열수 온도 74℃에서도 발전이 가능하지만, 이는 일반적인 경우가 아니다.
후속연구
그러나 최근 독일이나 프랑스에서 강력한 발전차액보조제도를 시행하여 지원을 하고, 미국에서는 막대한 연구개발/시범보급 비용을 투자하는 추세를 고려한다면 2030년까지 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다(IEA, 2010). 따라서 우리나라에서도 이 연구의 결과가 널리 보급되어 좀 더 진일보한 장기 국가 에너지 정책수립 및 연구개발 지원의 자료로 활용될 수 있기를 기대한다.
46×108초) 동안 발전하는 것을 전제로 한다. 즉, 암반이 가지고 있는 기준온도 이상의 열에너지가 30년 동안 모두 소진된다는 것을 전제로 하는데, 기술적인 면에서의 제한은 추후 기술적 잠재량을 산정할 때 도입된다. 한편, 발전효율은 MIT 보고서(Tester et al.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
EGS 기술의 전망은 어떠한가?
EGS 기술은 21세기 지열발전의 상업적 보급을 이끌어갈 확실한 대안이며, MIT 보고서(Tester et al., 2006)에서 2050년에 미국에서의 지열발전이 100 GW까지 가능하다고 전망한 이후로, IPCC 보고서(Fridleifsson et al., 2008), IEA 전망(IEA, 2010) 등에서 2050년까지 전세계 지열발전 전망을 140 GW까지 추정하는데 기본 기술이 되고 있다. 그러나 과연 EGS 기술을 통해 발전이 가능한 지열자원의 부존량이 얼마인지에 대해서는 아직까지 확실한 연구결과가 없이, 막연히 무궁무진한 자원이 지하에 부존하고 있다고 이야기되어왔다.
binary 발전이란?
7 GW의 89% 가량을 차지하고 있다(Bertani, 2010). 지열수의 온도가 이 보다 낮아 직접적으로 터빈을 돌리는 압력을 제공하지 못할 경우에는 주로 유기냉매인 2차 작동유체에 열을 전달하여 작동 유체가 터빈을 돌려서 발전을 하는 binary 발전을 통하게 된다. Binary 발전은 전세계 지열발전 용량의 약 11%를 담당하고 있으며 최근 열역학 기술의 발달로 인해 발전가능 온도가 낮아져, 충분한 냉각수가 공급될 때 74℃의 지열수로 발전을 수행하는 경우도 있다(www.
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