에너지원의 블루오션 지하, 지진을 피한 개발은 가능할까?
에너지원의 블루오션 지하, 지진을 피한 개발은 가능할까?
대학생신재생에너지기자단 18기 민지수, 18기 정동호, 19기 권도현, 19기 박소연, 19기 정지영
[포항 지진 발생의 원인이 지열발전소라고?]
[자료 1. 포항지진 이후 운영이 중단된 포항 지열발전소]
출처 : 경북일보
2019년 3월 20일, 포항 지진 정부 조사연구단은 포항 발전소에서 이루어진 지열 발전 방식인 ‘인공 저류 지열발전 방식(EGS)’이 2017년 11월 15일 포항에서 발생한 지진의 원인이라고 발표하였다. 국내외 전문가들로 구성된 연구단은 지열발전소에 지열정을 뚫고 물을 주입하는 과정에서 규모 2.0 미만의 미소 지진이 일어났고, 그로 인해 규모 5.4의 본진이 발생했다는 결론을 내었다. 이후 포항 발전소의 운영은 영구 중단되었고, 현재 우리나라에서는 지열 발전 연구만 일부 진행될 뿐, 실가동중인 발전소는 없는 상태가 되었다. 또한 포항에서 이루어지고 있던 CCS 실증연구도 포항 지진의 여파로 잠정 중단되기도 하였다.
[포항 지진의 원인 중 하나로 지목된 인공 저류 방식, EGS]
과거의 지열발전은 대부분 화산지대에 있는 나라에서 이루어졌다. 땅속의 뜨거운 열기인 지열을 활용해 전기를 생산하는 방식이기 때문이다. 땅 속의 뜨거운 물이 증발하며 증기를 발생시키는 압력으로 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 그래서 화산지대라고 하더라도 지하에 물을 저장할 수 있는 저류 구조가 없다면 지열발전이 불가능하다. 즉, 기존의 지열발전은 지리적인 제약이 크다. 이를 보완하기 위해 고안된 방법이 바로 EGS이다.
[자료 2. EGS 기술]
출처 : 매일경제
EGS(인공 저류 지열발전 방식)은 직접 물을 찾아가는 것이 아니다. 땅 속에 시추공을 넣고 강한 압력의 물을 주입함으로써 암석을 파괴한 뒤 인공적으로 저류층을 만드는 기술이다. 설치장소에 큰 구애를 받지 않아 장소 선정이 자유로우며 저류층이 없는 화산지대와 화산지역이 아닌 곳에서도 지열발전을 가능하게 한다. 화강암 지대에서도 지하 심부의 암반층까지 인공 파쇄대를 만들면 된다. 또한, 태양광 및 풍력발전에 비해 날씨의 영향을 적게 받아 안정적인 전력생산이 가능하다는 이점을 가지며, 보급 잠재력도 높다고 알려져 있다.
[자료 3. 단층면 압력의 증가로 인한 지진]
출처: 매일경제
하지만 EGS에도 치명적인 단점이 있다. 바로 지진이다. 미국 지질조사국(USGS)은 지열발전소에서 나타나는 지진 발생 메커니즘을 두 가지로 설명한다. 첫 번째는 단층면 압력의 증가로 불안정해진 단층대가 미끄러져 지진이 발생한다는 것이다. 두 번째는 물을 주입하고 빼내는 과정에서 토양 지층이 갖고 있던 응력(stress)이 변하면서 지진이 발생한다는 것이다.
실제로 미국 매사추세츠공대(MIT)가 작성한 `지열에너지의 미래` 보고서에 따르면 EGS를 적용한 슐츠 지역에서 규모 2.0 지진, 스위스 바젤 지역에서 규모 3.4 지진이 발생했으며 사람이 체감하지 못하는 규모 2.0 이하의 미소 지진도 수백 건 일어났던 것으로 밝혀졌다.
포항 지진 이후, 포항 지열발전소에서 주입한 물이 지열발전소 아래 미확인 단층을 활성화했다고 정부에서 발표했다. 결국, 2019년 3월 20일 포항지열발전소 사업은 지진 유발 가능성에 의해 영구 중단되었다.
[CCS 기술이란?]
2019년 3월 포항의 지열발전소가 지진과 관련성이 있다는 결과가 발표되면서 포항시와 지역 시민단체는 지열발전과 비슷하게 땅 속을 이용하는 기술인 CCS 실증시설의 완전 폐지를 정부에 요구했다.
학회 조사단이 포항 영일만의 CCS 실증시설에 대한 안전성을 조사한 결과, CCS 시설의 지진유발 및 이산화탄소 누출 가능성은 크지 않은 것으로 나타났다. 부지 선정 당시 포항 영일만은 전국 5대 퇴적분지를 대상으로 가장 안전한 곳으로 꼽히기도 하였다.
실제로 포항 지진의 진원, 진앙과 영일만 해역 이산화탄소 지중 저장소의 거리는 약 10km 정도 떨어져 관련성이 적은 것으로 확인됐다. 포항 진원의 깊이는 4km에 달하고 CCS 저장층은 해저면 아래 750~800m 수준이다. 또한 조사단은 이산화탄소의 주입량이 다른 CCS 사업과 비교해 촉발 지진을 일으킬 양에 미치지 못한다고 판단하기도 하였다. 실제 주입 기간 동안 지진 활동 기록 역시 나타나지 않았다고 결과를 분석하였다.
[자료 4. 이산화탄소 주입정은 포항 지진 예상 진원지로부터 약 9.54km 떨어져 있음을 확인]
출처 : 조선비즈
그렇다면 비교적 지진으로부터 안전한 CCS의 기술에 대해서 알아보자. CCS(Carbon dioxide Captureand Storage)는 이산화탄소를 대량 발생원으로부터 포집한 후 압축, 수송 과정을 거쳐 육상 또는 해양 지중에 안전하게 저장하거나 유용물질로 전환하는 일련의 과정을 포함하는 기술을 의미한다. 이산화탄소 포집기술에는 크게 3가지 기술이 있다. 연소 후 포집, 연소 전 포집, 순산소 연소 포집 기술이 있으며, 운송과정을 살펴보면 이렇게 포집한 이산화탄소를 파이프라인, 선박 등을 통해 격리 또는 저장하는 곳까지 수송하게 되는데 이미 상용화된 운송기술을 바탕으로 응용하여 실증 위주로 진행 중이다.
| 1,000km 이내 | 내륙 파이프 및 해양 파이프라인 |
| 1,000~ 1,800km | 내륙 파이프 수송 |
| 1,800km 이상 | 선박 |
파이프나 선박을 통해 이동한 이산화탄소는 800m 이상의 폐유전이나, 가스전, 대염수층에 저장되거나 원유 및 메탄 회수를 위해 이용되기도 한다. 이렇게 지중에 주입된 이산화탄소는 누출되지 않고 반영구적으로 저장된다. 이외에도 화학적 이산화탄소 전환 이용 기술과 생물학적 이산화탄소 전환 기술에 의해 처리되어 고분자나 탄산칼슘, 바이오디젤 등으로 재활용하기도 한다.
[자료 5. CCS 기술 정의 개념도]
[지열발전의 해외연구사례]
인공 저류 방식과 CCS 기술과 같이 지반을 기반으로 하는 지속 가능 기술이 활발하게 연구되고 있다. 그렇다면 "세계가 1년 동안 사용하는 에너지의 약 200억 배"를 불러올 수 있다고도 말해지는, 다양한 장점을 가진 청정에너지인 지열발전을 지진의 위험성 없이 개발할 수 있는 방법은 없을까?
[자료 6. 우스코프 교수가 한 손으로는 주황색 냉각수 라인을, 다른 손으로는 자이로트론으로 암석을 뚫은 결과물을 들고 있다]
출처 : IEEE SPECTRUM
우리나라에서는 포항 지진의 여파로 인해 지열 발전 연구가 거의 멈춘 것이나 다름없으나, 해외에서 지진을 피할 수 있는 지열 발전에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 바로 미 MIT 공대의 폴 우스코프(Paul Woskov) 교수의’ 마이크로파를 이용한 지열 시추 방법’이다.
기존의 지열 발전은 드릴 시스템을 사용하여 지반으로부터 약 9km까지 시추하여 에너지 자원에 접근한다. 하지만 지하층의 구성층 중 암반 외 진흙층을 만나게 되면 압력에 의해 벽면이 무너지거나, 드릴이 헛도는 현상으로 인해 작업이 계속 지연되기도 하며 더 깊은 시추가 어렵다는 단점이 있다. 이 방식과는 다르게, 더 깊은 깊이까지 접근할 수 있고 높은 침투율을 통해 고밀도 에너지를 얻을 수 있는 방식인 ‘자이로트론’은 전자기파를 마이크로파로 변환시킨다.
자이로트론이 발생시킨 마이크로파는 바위를 녹인다. 고온의 녹은 바위가 빈 공간의 벽을 밀폐하고, 높아진 온도에서 나오는 고압이 붕괴를 막을 수 있다. 마이크로파에 의해 제한된 부피 안에서 증가한 온도가 압력을 변동시켜 빈 공간의 안정성을 유지한다. 이에 더불어 드릴을 사용할 때 발생하는 진동이나 불규칙한 공간에 의한 지반 붕괴 위험성도 현저히 낮아지며 채굴 과정에서 발생하는 암석 파편의 발생률도 줄여 지반 아래의 지하수 오염도 막는다.
CCS가 이뤄지는 지역의 지반 안정성을 더 높이기 위해 추가적인 연구가 활발하게 진행되고 있다. 지반 아래의 힘은 비등방성이다. 즉, 마이크로파의 방향에 의해 불규칙적으로 힘을 받을 수 있으므로 이 방향을 파악하여 쏘여 줄 마이크로파의 축을 계산하는 것이 중요한 과제로 주목받는다. 이러한 마이크로파 기술이 더욱 발전된다면 다양한 분야에 긍정적인 효과를 불러올 수 있다. 소음과 진동을 동반하지 않는 건설 기술, 채굴 기술에도 사용될 수 있을 것이다.
[지열발전의 필요성과 CCS 연구방향]
앞서 언급한 것처럼 EGS는 지열발전의 지리적 제약을 극복하고, 365일 내내 안정적인 에너지 생산을 가능하게 하는 개발방식이다. 하지만 세계 곳곳의 지열발전소 근처에서 지진이 일어나며 이 기술의 단점이 드러났다. 이후 CCS 방식을 활용한 지열 방식, 마이크로파를 활용한 시추 방식이 알려졌다. 지열발전소와 지진의 사례에서 경험했듯이 우리는 재생에너지 연구에서 자연재해와 같은 다양한 변수에 주목해야 한다.
해결방안 중 하나로 언급된 CCS 방식은 지열발전 분야에서 지진 발생의 확률을 낮추는 기술로도 활용되고 있지만, 이산화탄소를 포집한다는 점에서 지속 가능한 기술로 주목받고 있다. 이산화탄소가 대기 중으로 배출되기 전에 포집하여 영구적으로 저장하기 때문에 온실가스 감축에 효과적인 방안으로 꼽히고 있는 것이다.
CCS 산업은 민간기업이 아닌 국제기관과 정부의 주도로 시작된 사업이다. CCS 산업 시장은 민간기업이 이윤을 얻을 수 있는 시장구조가 아니기 때문이다. 사회간접자본의 성격이 강해 공공부문의 투자 비중이 높아 CCS 산업 시장의 발전을 위해서는 정부의 역할이 중요하다. 하지만 최근에는 여러 정책과 제도로 CCS 기술을 민간사업으로 확장시키고, 탄소거래 시장을 도입하여 민간기업이 자발적으로 이산화탄소를 감축하도록 유도하고 있다. 민간기업의 CCS 기술 도입은 점차 증가할 것으로 기대된다.
참고문헌
[포항 지진 발생의 원인이 지열발전소라고?]
1) 손대성, “포항 지진·지열발전소 연관 발표에 시민들 "실험대상이냐" 발끈”, 연합뉴스, 2019.03.20., https://www.yna.co.kr/view/AKR20190320079800053?input=1195m
2) 김민수, “2050년 ‘탄소중립’ 구현할 이산화탄소 포집·저장·활용 현주소는”, 동아사이언스, 2020.12.14., http://dongascience.donga.com/news/view/42232
3) 산업통상자원부, 한국 에너지공단, 신재생에너지백서, p556
4) 손대성, "[포항 지진 3년] ②지진 촉발 지열발전소 어떡하나", 연합뉴스, 2020.11.12., www.yna.co.kr/view/AKR20201112030900053
[포항 지진의 원인 중 하나로 지목된 인공 저류 방식, EGS]
1) 이태종,”첨단 지열발전 시스템, EGS”, 동아사이언스, 2014.08.11., http://dongascience.donga.com/special.php?idx=662
2) 조성구, "[에너지 톡톡(talk talk)] 지열에너지 어떻게 쓰이나", 한국 에너지, 2019.04.11., www.koenergy.co.kr/news/articleView.html?idxno=106084
3) 송경은, "[Science] 눈·비 와도 전기 생산 '지열발전' 좋은데… 지진 유발이 치명적", 매일경제, 2019.03.29., www.mk.co.kr/news/it/view/2019/03/192351/
[CCS 기술이란?]
1) 김태환, “포항 지진, 영일만 이산화탄소 지중저장시설과는 무관”, 조선비즈, 2019.05.24., https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2019/05/24/2019052402208.htm
2) 한국 이산화탄소 포집 및 처리연구개발센터, "주요국 동향", http://www.kcrc.re.kr/html/news.html
[지열발전의 해외연구사례]
1) 김준래, “드릴 아닌 전자파로 땅속 뚫는다?” , the science times, 2020.03.16., www.sciencetimes.co.kr/news/%EB%93%9C%EB%A6%B4-%EC%95%84%EB%8B%8C-%EC%A0%84%EC%9E%90%ED%8C%8C%EB%A1%9C-%EB%95%85%EC%86%8D-%EB%9A%AB%EB%8A%94%EB%8B%A4/
2)"Rock, Drill Bit, Microwave: Paul Woskov Explores A New Path Through The Earth's Crust”, MIT News, 2016.04.12., https://news.mit.edu/2016/paul-woskov-explores-new-path-through-earth-crust-0412
[지열발전의 필요성과 CCS 연구방향]
1) 한국 IR협의회, "이산화탄소 포집/저장/배출원 관리", 혁신성장품목보고서, p1-4, 2020.08.20.
