에너지자원공학과: 지열에너지공학

2050년까지 탄소의 배출량과 흡수량을 같게 한다는 탄소중립으로 인해 신재생에너지에 대한 요구가 높아지고 있습니다. 하지만 태양광이나 풍력 등의 대부분의 신재생에너지는 간헐적으로만 발전이 이루어지기 때문에 꾸준한 발전을 기대하는 것이 어렵습니다. 지열에너지는 이러한 단점을 해결할 수 있습니다. 지열은 연속적인 발전이 가능한 에너지원이기 때문에 한 번 발전소를 지으면 안정적으로 전기를 생산할 수 있고 생산량을 예측하는 것이 쉽습니다. 이러한 장점을 가진 지열에너지를 기초적인 열역학에서부터 발전소 건설까지 모든 것을 다루는 강의가 "지열에너지공학"입니다

그리고 지열에너지공학 강의는 또 다른 특수성이 있습니다. 바로 "혁신융합대학 에너지신산업"에서 열리는 강의입니다. 혁신융합대학은 서울대, 고려대, 한양대 등 여러 대학이 참여하여 강의를 듣고 학점을 얻을 수 있는 프로그램으로 에너지신산업, 빅데이터 등 여러 분야가 존재합니다. 지열에너지공학은 혁신융합대학 중에서도 에너지신산업 분야에 해당되는 강의이므로 에너지자원공학과의 전공임에도 타과생, 타대생들의 비율이 높습니다.

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

1.1 과목의 전반적인 개요

강의 초반에는 열역학을 다룹니다. 열역학을 바탕으로 땅 속의 열을 이용하는 지열히트펌프, 열교환기의 구조 및 설계에 대해서 배웁니다. 열역학 법칙을 기반으로 땅 속에서 일어나는 열교환과 효율을 배움으로써 지열에 대한 이해를 깊게할 수 있습니다. 이론적인 내용 이후에는 열교환기의 시공과 같은 실질적인 내용에 대해 학습합니다. 지중 열전도도 시험 기준, 열교환기 설계 과정을 학습합니다.

수업의 중반부부터는 지열발전을 학습합니다. 지열발전의 종류와 주입공의 개수에 따른 출력차이를 지열발전소의 flow diagram을 통해 학습합니다. 이후에는 현재 존재하는 지열발전소와 앞으로 유망해질 EGS(Enhanced Geothermal System)을 다루면서 강의가 끝나게 됩니다.

그림1. 지열발전의 종류

1.2 지열발전의 3대 요소 = 물 + 열 + 투수율이 높은 암반

지열발전을 위해서는 물, 열, 투수율이 높은 암반이 필요합니다. 지열발전에는 터빈이 필요한데 터빈을 돌리기 위해서는 수증기가 필요하고 물을 수증기로 바꾸기 위해서는 열이 필요합니다. 지열발전이니까 당연하게 열이 필요하다고 이해할 수도 있습니다. 그리고 이 열을 전달하는 매개체가 물입니다. 외부에서 물을 주입하고 물이 땅 속을 이동하면서 충분히 뜨거워지게 되면 수증기가 되면서 터빈을 돌리는 것입니다. 물이 땅 속을 잘 이동하려면 암반의 투수율이 높아야하기 때문에 투수율이 높은 암반 또한 필요합니다. 이 조건들 중에 하나라도 부족하면 지열발전이 어려워지게 됩니다.

1.3 EGS(Enhanced Geothermal System)

EGS는 비전통적인 지열에너지 발전 방식입니다. 위에서 언급한 것처럼 지열발전을 위해서는 물, 열, 투수율이 높은 암반이 필요한데 이 세 조건이 약한 지역에서도 지열발전을 할 수 있는 비전통적 방식입니다. 지하 온도가 충분히 높지 않은 곳에서는 더 많은 열을 위해 3km~7km정도로 깊은 심도가 요구됩니다. 깊은 심도에서는 온도가 더 높기 때문입니다. 그리고 외부에서 물을 강하게 넣어줌으로써 지하 암반의 균열을 일으킵니다. 이를 통해 물과 투수율이 높은 암반 조건까지 갖출 수 있는 방식이 EGS입니다. 하지만 EGS는 굉장히 깊은 심도를 요구하므로 어려운 점이 많고 또한 외부에서 물을 넣어주는 과정에서 미소지진의 위험성이 있어서 아직 상용화된 기술은 아닙니다. 하지만 상용화된다면 어디에서나 지열발전소를 지을 수 있기에 그만큼 강력한 기술이기도 합니다

2. 선배의 조언

태양광, 풍력 등은 잘 알지만 지열에너지는 이름만 들어보고 어떤 원리로 발전이 되는지, 또 지열발전을 위해서는 어떤 조건이 필요한지를 잘 모르는 경우가 많습니다. 이 강의는 지열에너지의 열역학처럼 한 부분만 다루는 것이 아니라 열역학부터 지열발전의 원리, 사례 그리고 지열 탐사 과정 등 지열발전의 전반적인 내용을 모두 다룹니다. 특히 시공에 대한 부분까지 나와있어서 현실감있게 수강하였습니다. 또 물리탐사를 위한 장비를 체험하는 실습수업과 지열 발전의 시뮬레이션을 진행하는 수업도 존재하여 즐겁게 수강할 수 있습니다. 또 이 강의는 혁신융합대학 에너지신산업 분야에서도 열리는 강의입니다. 지열에너지를 시작으로 에너지신산업에 관심이 많아지면 관련있는 다른 강의들을 수강하는 것도 추천드립니다.

그림2. 지열발전소의 사례 : 미국 The Geysers

3. 진로 선택에 도움되는 점

지열에너지를 기본 원리부터 실제 사례까지 폭넓게 다루기 때문에 지열에너지에 관심이 있는 분들은 수강하는 것을 추천드립니다. 관심분야가 지열에너지가 아니더라도 발전소 실제 사례를 학습하면서 발전소 출력과 용량에 대한 이해가 깊어져서 공장의 규모, 발전 규모 등을 쉽게 체감할 수 있게 되었습니다. 또 에너지자원이 풍부한 인도네시아와 같은 국가에서 신재생에너지 개발 사업을 하는 것에 관심이 있는 분들도 지열에너지 강의를 들으면 사업 분야에 대해 디테일한 것들을 배울 수 있으므로 수강을 추천드립니다.

4. 맺음말

에너지에 관심이 많았던 제가 지열에너지를 잘 이해할 수 있었던 수업이었습니다. 단순히 지열발전의 원리뿐만 아니라 실제 사례를 학습하고 탐사 장비 실습 등을 하면서 발전소를 건설할 때 고려해야하는 것들에 대한 이해도 높아졌습니다. 탄소중립으로 새로운 에너지원이 중요해지는 시점에서 시의적절한 강의라고 말씀드리며 글을 마칩니다.

Reference
그림1 : 지열에너지공학 강의 자료
그림2 : 2012, The Geysers Geothermal Field, California, Power technology