지열에너지, ‘지하’에서 올라온 청정 에너지  

2013년 글로벌 시장 3천억 달러 규모 예상… 국내는 그린홈 중심 부상중

하늘에 ‘태양’이 있다면 지상엔 ‘지열’이 있다.

땅속의 열을 에너지로 전환하여 활용하는 지열에너지 시장이 본격화하고 있다. 특히 자연환경 조건으로 태양광고 함께 효율성이 높은 신재생에너지원으로 각광받고 있다.

지열에너지는 태양 복사열이나 지구 내부의 마그마열이 토양, 지표수, 공기 및 지하수에 저장된 무한 재생에너지를 말한다. 지열의 활용은 열에너지를 직접이용(Direct Use)하는 건물 냉난방용 ‘히트펌프’와 증기를 간접이용(Indirect Use)하여 전력을 생산하는 ‘지열발전’으로 구분한다. 

‘히트펌프’는 2014년 20조원 규모의 시장을 형성하여 보일러 대체기술로 급부상할 것으로 예상됐다. ‘히트펌프’는 1970년대 오일쇼크 이후 본격적인 적용이 시작돼 유럽과 일본에서는 1990년대 후반부터 상용화 됐다.

2001년 미국 환경보호국은 현존하는 냉난방 기술 중에서 지열히트펌프의 효율이 가장 높은 것으로 공인하였으며, 소모되는 에너지 보다 3~4배 많은 에너지를 자연(지열)에서 추출하는 고효율 시스템으로 평가받고 있다. 

농가 지열냉난방시스템 경유대비 70% 에너지절약  

2004년부터 공공기관의 신재생에너지 설비 설치의무화로 인해 건물에 지열을 이용한 냉난방시설을 도입이 늘어나고 있다. 이는 경제적으로도 기존 에너지비용을 60~70%까지 절감할 수 있고 환경적으로도 유해물질을 배출하지 않아 지열은 최소공간에 최대효과를 내는 그린에너지로 인식이 확산되고 있다. 

정부는 그린홈 100만 호 보급사업 등 신재생에너지 주택보급을 적극 추진하기 위해 지난 2009년 5월부터 지열냉난방 전기요금 누진제를 폐지하고 지자체와 함께 시설원예 농가에 설치 보조금을 지급하고 보급 확대에 노력하고 있다.  

용인시는 시설원예를 운영하는 농가 33곳에 9억8,000만원을 들여 에너지절감시설을 지원했다. 특히 지열냉난방시스템은 지난해 시가 시범적으로 농가 한 곳에 설치한 결과 에너지절감 효과가 입증돼 올해 보급농가를 10곳으로 늘렸다. 시는 농가 에너지절감시설의 효과를 경유 사용시에 대비해 분석한 결과 지열냉난방 시스템은 경유대비 70%의 효과가 있다고 밝혔다.  

국내 도시 가운데 녹지비율이 가장 높은 그린시티로 건설되는 세종시는 태양열, 태양광, 지 열 등을 도입, 2020년까지 전체 에너지 소비량의 15%를 공급할 계획이다. 겨울철 눈 녹이는 데에도 톡톡한 효과를 보고 있다. 터널과 공동주택 등지에선 지열을 눈 녹이는 데에 유용하게 사용하고 있다. 스프링 파이프를 땅 표면 바로 밑에 깔아 도로 표면에 쌓인 눈을 녹이고 있다. 

제주도. 포항 등 지열발전소 건립 및 개발 추진 

국내는 제주도에 지열발전소 건립을 추진중에 있다. 현재 한국동서발전과 지열개발 전문기술업체인 이노지오테크놀로지, 그리고 친환경 건설업체인 휴스콘 건설이 2015년까지 5MW 규모의 지열발전소 건립을 추진중이다. 제주도청은 올해부터 본격적인 건립에 들어갈 것이라고 밝혔다. 제주도가 지열발전소에 관심을 갖게 된 것은 제주 혁신도시의 주요 전력 공급원으로 삼을 수 있기 때문. 제주도는 ‘탄소없는 섬’ 정책에 따라 태양광과 풍력 등 신재생에너지를 적극 개발하고 있다. 그러나 태양광과 풍력은 낮과 밤에 따라, 날씨에 따라 발전량이 달라진다. 따라서 혁신도시에 안정적인 전력을 공급하려면 24시간 일정량의 발전이 가능한 지열발전소가 필요하다는 것이다. 

휴스콘 건설은 초기 자금은 국내에서, 중장기 자금은 해외에서 조달한다는 계획이다. 제주도는 이를 계기로 2020년까지 20MW 규모의 지열발전 능력을 갖춰 안정적인 전력을 확보할 예정이다. 그렇게 되면 제주도는 더 전력공급이 원활해지고 싼 가격에 전력공급이 가능해질 전망이다. 

최근에는 포항시가 흥해 성곡리에 지열발전소를 건립하는 MOU를 체결했다. 포항시는 자원에너지탐사개발 전문업체인 넥스지오와 총사업비 500억원(국비 200억, 민자 300억) 규모의 지열발전소 건립을 위한 MOU를 체결했다. 

포항시 북구 흥해읍 성곡리 일대에 건립될 지열발전소는 1.5MW급으로, 1,000여 가구가 동시에 사용할 수 있는 용량이다. 이 사업은 2013년까지 1단계 공사로 지하 3km에서 섭씨 100도 이상의 열원을 확보한다는 방침이다. 또한 2단계에서는 지하5km 내외의 심부 시추를 통해 물을 끌어올려 전기터빈을 돌리는 방식의 심부 지열발전소로서 2015년 준공되며 이후 최대 20MW까지 발전량을 확대할 계획이다. 

한편 대지진으로 원전폭발사고를 겪은 일본에선 원전대신 지열발전을 확대하고 있다. 일본은 전 세계 화산 활동의 10%를 차지하며 온천도 많아 지열에너지를 더 개발할 수 있는 환경을 갖추고 있기 때문이다. 

하지만 활용사례는 미미한 형편이다. 현재 일본에는 18개의 지열발전소가 있고 전체 전력 생산량에서 차지하는 비율이 0.3%에 불과하다. 미국 정책연구소에 따르면 일본이 지열발전을 확대하면 전력공급량을 현재 535MW에서 8만MW까지 늘릴 수 있다. 하지만 지열보급이 쉽지 않은 것은 온천 관광업자들의 반대와 높은 설치비가 걸림돌로 작용하고 있기 때문이다. 

미국은 지열에너지 생산에서 세계 1위의 자리를 지키고 있다. 현재 발전용량은 3,102MW이며 15개주에서 146개 지열발전 프로젝트를 개발중에 있으며 몇 년 안에 지열에너지 생산이 약 3배 정도 증가할 것이라고 미지열에너지협회는 전망한다. 

‘그린 홈’ 100만 가구 사업에 지열에너지 적극 지원

신재생에너지 가운데 태양광과 풍력 다음으로 시장성을 높이 평가받고 있는 에너지가지열이다. 국토가 좁고 부존자원이 빈약한 우리나라의 실정에 맞는 에너지 기술로 지열에너지에 대한 적극적인활용이 필요하다는 분석이 나오면서 정책과 지원이 본격화해야 한다는 지적이 나왔다. 

산은기술평가원은 최근 ‘녹색성장동력 IV 지열에너지’보고서에서 21세기 변화하는 산업 패러다임 속에서 신재생에너지로 대표되는 녹색산업의 경쟁력이 기업의 생존과 국가의 위상을 결정하는 필수요건이 되고 있다고 밝혔다. 

보고서에 따르면 지열에너지(Geothermal Energy)는 풍력이나 태양광과 달리 기상변화에 관계없이 24시간 일정하게 운전될 뿐만 아니라 소요면적이 가장 작은 재생에너지로 주목받고 있다. 

이에 정부는 신재생에너지 주택(Green Home) 100만 호 보급 사업의 일환으로 일반주택 및 공동주택에 지열에너지 시스템인 수직밀폐형으로 설치시할 때 설치비 일부를 무상으로 지원하고 있다. 지원규모는 호당 17.5kW 이하(5RT 이하)이며, 지원비율은 최대 50%이다. 현재 국내 지열에너지 지원과 투자현황을 보면 시설원예에 대한 지원이 늘어 지난해 33개 농가에 160억원이 지원되고, 제2롯데월드를 비롯해 1,000RT 이상의 대형화가 진행되고 있다. 행정중심 복합도시 정부청사는 1,300RT, 서울시 신청사는 1,100RT, 국립생태원은 1,200RT 등이 추진되고 있다.

심부지열 에너지 개발도 지속해야 

한편 학계에선 심부지열 에너지 개발의 필요성을 주장하고 있다. 서울대 에너지시스템공학관계자는 “심부지열 에너지 개발의 필요하다”고 밝혔다.  

이 관계자에 따르면 프랑스 슐츠 지열발전소는 유럽 연합의 주도로 1987년 이래 실시한 장기적인 연구개발의 결정체로 지하 5km 이상 시추된 3개의 시추공을 중심으로 다양한 현지실험이 실실해 폐기물 지하 처분장 등과 관련분야에서 인용돼 큰 파급효과를 낳고 있다고 밝혔다. 

또한 프랑스의 수도 파리의 인근 지역은 약 25만명의 인구가 약 2km 심도의 34개의 시추공에서 생산된 지열로 난방을 하고 있으며 전력설비로 환산하면 이는 200MW가 넘는 규모이다. 

이처럼 심부지열을 이용해 난방을 하고 발전을 하는 것은 더 이상 꿈이 아니라 현실이 되고 있으며 국제에너지기구는 2050년까지 지열발전에 의하여 전 세계 전력량의 3.5%에 해당하는 총 200GW급의 전력을 생산해 이중 50% 이상이 비화산지대의 지열발전에 의해 공급 가능할 것으로 전망하고 있다. 

우리나라의 경우도 2010년 12월부터 지식경제부의 지원으로 심부지열발전 사업이 5년 예정으로 시작돼 포항지역에서 2개의 심부시추를 실시해 지열발전소를 건설할 예정이다. 

5km 당 100억원대에 이르는 막대한 시추 비용, 심부암반에서의 인공저류층 생성가능여부에 대한 불확실성, 지열에너지개발에 따른 주민수용성 등은 국내 최초의 지열발전소 건설의 장애요인으로 꼽힌다. 

특히 국내에 존재하는 자원개발 경험이 부족하다 보니 심부암반에 대한 정보가 부족해 외국의 많은 사례에서처럼 자원개발 시 사용된 수백개의 시추공에서 획득한 직간접적인 정보를 활용하기 힘들다는 점에서 초기투자의 불확실성이 상대적으로 높다고 할 수 있다. 

하지만 우리나라도 지난 9월 개최된 국제에너지기구 산하 지열에너지 실행위원회에서 한국지질자원연구원 송윤호 박사가 부위원장으로 피선이 되는 등 국제학계에서는 꾸준히 학술활동을 펼쳐 본격적인 지열에너지 사업을 실시할 수 있는 인적 역량을 갖춰 가고 있다.

총 475억원이 소요되는 국내최초의 지열발전소사업에서 심부지열에너지 개발은 지표에서 이뤄지는 실험이나 지질조사로는 한계가 있으며 반드시 지하심부로 접근해 실증을 실시해야 한다. 그런 면에서 이번 시도를 통해 얻어질 국내 과학기술계의 경험은 금액으로 환산할 수 없는 소중한 것이며, 외국 학계에서도 아시아 최대의 비화산지대 지열발전소 건설 사업에 비상한 관심을 이미 표하고 있다. 

미국, 지열에 3,800만달러 투자 계획 발표  

미국이 지열에 대한 대규모 투자계획을 발표했다. 최근 미국 에너지부(DOE)는 차세대 지열 기술과 가격 경쟁력 확보에 3,800만달러를 투자할 계획이다. 

지열에너지 분야에서는 앞으로 3년간 14개 주에서 32개의 프로젝트를 통해 지열자원 탐사와 특성분석, 굴착, 열저장기법 등을 연구함으로써 지열에너지의 활용을 높이고 자국의 화석연료 의존도를낮출 계획이다. 

프로젝트는 전국의 각 대학 연구시설에서 진행되며 차세대 지열에너지 개발과 현장검증, 실증테스트 등을 거쳐 채택된 프로젝트는 에너지부와 보증기금의 지원을 받게 된다.