KR101332085B1

KR101332085B1 - 하천구역을 활용한 바이너리 지열발전시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101332085B1
Application number: KR1020080105167A
Authority: KR
Inventors: 이시우
Original assignee: 이시우
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2013-11-22
Also published as: KR20100028455A

Abstract

본 발명은 하천구역을 활용한 바이너리 지열발전시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 홍수시 외에는 침수되지 않는 상당부분이 유휴지이며 공적 자원인 하천구역을 활용하여, 하천구역 안에서 지열수 생산정(Production Well)과 주입정(Injection Well)을 시추하고, 최대홍수위에도 생산정과 주입정의 웰헤드(Wellhead)가 침수되지 않도록 웰헤드 보호 방수격실(Wellhead Protection Watertight Compartment)을 축조하며, 하천수를 이용하여 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal System)를 조성하고, 계단폭포식 바이너리 발전플랜트(Cascaded Binary Power Plant)를 하천구역 안에 최대홍수위에도 침수되지 않도록 설치하는 지열발전시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 시스템 및 방법은, 기존의 지형과 구조물의 훼손을 최소화하며, 공사비를 최소화하고, 송전비용과 손실도 최소화하면서, 지열발전단지를 조성할 수 있게 만드는 효과를 제공하며, 또한, 순수국산에너지(지열수와 하천수)만으로 전력을 생산함으로써 우리나라의 에너지자급률을 높이고 그만큼 에너지수입과 온실가스 배출을 줄이는 효과를 제공한다. 그리고 본 발명의 시스템 및 방법을 이용하여 우리 국토에서 지열발전단지를 조성해나가면, 유·가스 가격 상승과 공급불안 및 기후변화에 대한 대응책 마련에 고심하고 있는 우리나라의 심각한 어려움 중 상당부분을 해결할 수 있게 되고, 상당한 일자리 창출 등 국부를 창출하는 효과를 얻게 될 것이다.

계단폭포식, 바이너리, 방수격실, 웰헤드, 이지에스, 지열발전, 지열수, 하천구역, 하천수

Description

하천구역을 활용한 바이너리 지열발전시스템 및 방법 {System and method of binary geothermal power generation utilizing river zone}

본 발명은 하천구역을 활용한 바이너리 지열발전시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 홍수시 외에는 침수되지 않는 상당부분이 유휴지이며 공적 자원인 하천구역을 활용하여, 하천구역 안에서 지열수 생산정(Production Well)과 주입정(Injection Well)을 시추하고, 최대홍수위에도 생산정과 주입정의 웰헤드(Wellhead)가 침수되지 않도록 웰헤드 보호 방수격실(Wellhead Protection Watertight Compartment)을 축조하며, 하천수를 이용하여 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal System)를 조성하고, 계단폭포식 바이너리 발전플랜트(Cascaded Binary Power Plant)를 하천구역 안에 최대홍수위에도 침수되지 않도록 설치함으로써, 기존의 지형과 구조물의 훼손을 최소화하며, 공사비를 최소화하고, 송전비용과 손실도 최소화하면서, 지열발전단지를 조성할 수 있게 만드는 지열발전시스템 및 방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 유·가스 가격상승과 공급불안에 더하여 온실가스 감축 압력이 가중됨으로 인해 어려운 에너지상황이 야기되고 있으며, 이에 대한 유망한 해결 책으로 무한에 가까운 규모이고 지속가능한 재생에너지이며 각 나라의 영토 안에 부존돼 있는 지열에너지가 떠오르고 있다.

특히, 비교적 낮은 깊이에 부존돼 있는 중·저온의 지열에너지를, 문헌 1의 설명과 같이, 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal System) 조성을 통해 생산해서 열원으로 이용하는 바이너리 지열발전(Binary Geothermal Power Generation)은 가까운 장래의 유망한 해결책으로 떠오르고 있다.

대한민국에 부존돼 있는 지열에너지자원 역시 그 규모가 거의 무한에 가깝지만, 종래의 지열발전방법으로는 개발할 가치가 없는 것으로 인식되어 전혀 개발되지 못한 채 방치돼 왔으나, 최근에 이르러, 문헌 1에서 실익 있는 바이너리 지열발전을 이룰 수 있게 만드는 수단과 방법이 개시된 바 있다.

문헌 1의 '심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법'에 의하면, 특히 우리나라 동해안지역에 부존된 지열에너지를 열원으로 그리고 근거리 동해에 부존된 저온이며 거의 무한량인 심해수를 냉원으로 이용함으로써, 열원과 냉원의 온도차를 증대시키고, 다단의 계단폭포식 바이너리 발전(Cascaded Binary Power Generation)을 이루게 만들어, 발전효율과 용량을 현저히 향상시키고 시추비를 현저히 절감시키는 효과를 얻을 수 있어, 실익 있는 바이너리 지열발전을 이룰 수 있다는 것이며, 위 발전방법을 이용하여 동해안지역의 지하 약 3km에 부존된 지열에너지를 개발해서 바이너리 지열발전을 펼치는 사업을 우리나라의 제1단계 지열발전 개발목표로 제시한 바 있다.

우리나라는 에너지자급률이 3％대로 낮아 소요에너지의 97％를 수입에 의존 해야 하는, 전 세계에서 유례를 찾아볼 수 없는 매우 취약한 구조인데, 유·가스 가격은 오르고 있고, 설상가상으로 '기후변화에 관한 UN협약'에 따라 세계 10위권의 온실가스 배출국인 관계로 온실가스 감축의무 압력이 가중되고 있어 에너지상황은 점점 더 어려워지는 방향으로 옥죄이고 있는 실정이므로, 문헌 1의 지열발전방법을 이용하여 동해안지역에서 지열발전 개발을 펼치는 정도에 머무를 수는 없고, 연속해서, 국내 여타지역에서도 실익 있는 바이너리 지열발전을 이룰 수 있는 수단과 방법의 창출이 요구되고 있다.

종래기술의 문헌정보

[문헌 1] KR 특허출원번호: 10-2008-0044966, "심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법(Method of binary geothermal power generation using deep seawater)", 출원일자: 2008.05.15.

대한민국 영토 안에도 지열에너지는 어느 지점에나 지하에 부존돼 있다. 전 세계에서 지금까지 펼쳐진 지열발전사업들에 비해 같은 온도의 지열에너지가 부존돼 있는 심도가 보다 깊을 뿐이다.

우리 국토에서도 많은 지역에서 지하 3km 내지 4km 암층부터는 이지에스(EGS)를 조성하면 바이너리 지열발전을 이룰 수 있는 온도의 지열에너지를 생산해낼 수 있다. 따라서 저비용·고효율의 심부시추기술 등 핵심기술들을 확보·발전시 켜나가면, 상승하는 에너지가격과 병행하여, 점점 더 깊은 암층으로 시추하며 지열에너지를 생산해서 지열발전을 펼쳐나갈 수 있다.

그런데 난제는, 우리 국토에서, 특히 송전비용과 손실을 최소화하며 배전계통에 연계시킬 수 있는 전기의 수요가 집중된 지역에서, 지열발전단지를 조성할 부지를 찾기가 용이하지 않다는 사실이다. 그 이유를 살펴본다.

우리 국토에서 우선적으로 펼치게 될 바이너리 지열발전단지 조성공사의 주요부분을 살펴보면, 제일먼저, 필요한 지열에너지가 부존된 수 km 깊이 암층까지 생산정(Production Well)을 시추해서 지열수(Geothermal Fluid)를 확보해야 한다. 시추공에서 필요량의 지열수가 생산되지 못하는 경우, 문헌 1의 설명과 같이, 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal System)를 조성해야 한다. 이지에스(EGS)를 조성하기 위해선 다량의 물을 주입해야 하므로, 필요한 규모의 수원을 확보하고 주입정까지 송수관을 설치해야 한다. 또한, 지열수를 생산정에서 발전플랜트로 보내는 송수관, 발전플랜트를 통과한 지열수를 주입정으로 보내는 송수관, 냉각수를 수원에서 발전플랜트로 보내는 송수관 및 발전플랜트를 통과한 냉각수를 방류지점으로 보내는 송수관도 설치해야 한다. 그리고 이지에스(EGS) 조성과정에서 미소지진 관측을 위해 주입정 주위 약 1km 반경 내의 지역에 다수의 관측소를 설치해야 한다.

지열발전단지를 조성하려면, 수십 개에 달할 수 있는 생산정과 주입정들을 격자형으로 시추하고 그에 맞추어 이상의 공사들을 펼쳐야 한다.

이상과 같은 공사들에 있어 가장 큰 난제는 수백 톤(ton)에 달하는 대형의 시추장비를 각 시추지점으로 운반하여 설치하는 작업이다. 이를 위해서는 상당한 폭과 규모의 도로(교량 포함)가 있어야 하며, 그렇지 못한 경우 임시 도로(교량 포함)를 개설해야 하는데, 그러려면 도로, 건물, 산지, 농지 등 기존의 지형과 구조물들을 훼손할 수 있다. 구조물들이 밀집돼 있는 지역에서는 공사 자체가 불가능할 수도 있다. 또한, 이지에스(EGS) 조성과정에서도 중장비 동원 및 다수의 미소지진관측소 설치를 위해 구조물들을 훼손할 수 있으며, 구조물들 때문에 관측소들을 필요한 위치에 설치할 수 없을 수도 있다. 그리고 지열수 및 냉각수 송수관들이 지나는 길목에 도로가 있는 경우 도로를 절개해야 하고, 구조물이 있는 경우 일부 철거하거나 우회해야한다.

위와 같은 난제들 때문에, 지열발전단지 조성공사를 펼칠 부지는 가능한 한 평탄하고, 기존의 구조물들의 규모나 수가 적으며, 필요한 규모의 수원에 가까워야, 공사비가 적게 들어 사업의 경제성이 향상될 수 있다.

그런데, 우리나라 국토 중 비교적 평탄한 토지는 거의 모두 상업, 주거 및 농업지역으로 개발돼 있다. 상업 및 주거지역에는 도로와 각종 지상 및 지하 구조물들이 조밀하게 들어서있고, 특히 전기의 수요가 집중돼 있는 지역에는 더욱 조밀하게 들어서있다. 농업지역에는 논이나 밭, 과수원 등이 들어서있고 비교적 좁은 농로가 깔려있다.

위와 같은 지역에서, 특히 전기의 수요가 집중돼 있는 지역에서, 지열발전단지를 조성할 부지를 찾기란 용이치 않으며, 찾는다 해도, 공사에 필요한 부지를 매입 또는 임대하는 비용, 기존의 지형이나 구조물 훼손에 대한 보상비 등 총체적으로 높은 조성공사비를 감안할 때, 상당한 어려움이 예상된다.

향후 우리 국토 여러 곳에서 지열발전단지들이 성공적으로 조성되어 나라의 에너지와 경제에 대한 기여와 수익성이 입증되고 나면, 기존의 지형과 구조물들이 일부 훼손되더라도 지열발전단지 조성에 대한 동의를 얻어내기가 보다 쉬워질 수 있겠지만, 적어도 그 때까지는, 기존의 지형과 구조물의 훼손을 최소화하고 공사비를 최소화하면서 지열발전단지를 조성할 수 있어야 한다.

이에, 상기한 난제들을 해결하면서 우리 국토에서 지열발전단지들을 성공적으로 조성해나갈 수 있는 시스템과 방법의 창출이 요구되고 있다.

본 발명은 이상의 필요성에 따라 창출된 것으로, 본 발명의 목적은, 우리 국토에서, 기존의 지형과 구조물의 훼손을 최소화하고 공사비를 최소화하면서, 이지에스(EGS)를 조성해서 생산되는 지열수를 열원으로 이용하는 바이너리 지열발전을 하는, 지열발전단지를 조성할 수 있는 시스템과 방법을 제공하는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명인은 장기간에 걸쳐 우리 국토에 다양한 형태로 부존돼 있는 지열에너지자원의 특성과 개발기술 및 지열발전기술에 대해 심도 깊은 조사·연구를 계속해오던 중, 홍수 시 외에는 침수되지 않는 상당부분이 유휴지이며 공적 자원인 하천구역을 활용함으로써, 상기한 목적을 달성할 수 있다는 결론과 함께 본 발명에 이르게 되었다.

우리 국토에는 다수의 하천들이 있고, 댐, 하구둑(방조제 포함), 홍수조절지, 저류지 등 하천시설들이 설치돼 있으며, 단기간에 집중적으로 내리는 강수 특성상 홍수피해를 막기 위해 하천법에 의거 하천구역이 설정돼 있다.

하천구역(河川區域)이란, 제방이 있는 곳은 그 제방의 부지 및 그 제방으로 부터 하심측의 토지로, 또한 댐, 하구둑, 홍수조절지, 저류지의 경우에는 계획홍수위 아래에 해당하는 토지로, 그리고 제방이 없는 곳에서는 기본적으로 계획홍수량만큼의 물이 소통하는데 필요한 양안 사이의 토지 등을 말한다.

하천구역은, 공적 자원으로서, 상당부분이 평탄하며, 홍수시 외에는 침수되지 않으므로 농작물 경작이나 공원 등으로 일부 활용되고 있지만, 특히 겨울철에는 많은 부분이 유휴지로 남겨져 있다.

하천구역 안에는 대체로 큰 도로나 구조물이 없으며, 밭이나 공원 등이 있더라도 훼손을 최소화하며, 비교적 낮은 비용으로 임시도로를 만들어 대형 시추장비 및 중장비들을 운반하여 설치할 수 있고, 이지에스(EGS) 조성과정에서 미소지진관측소들을 필요한 위치에 설치하기도 용이하며, 지열수 및 하천수 송수관들도 비교적 낮은 비용으로 매설할 수 있다. 즉, 상업, 주거 및 농업지역에 비해 총체적으로 훨씬 낮은 비용으로 조성공사를 시행할 수 있다.

또한, 전기의 수요가 집중돼 있는 상업 및 주거지들과 근거리에 있는 하천구역에 지열발전단지를 조성함으로써, 송전비용과 손실을 최소화하면서 생산한 전력을 배전계통에 연계시킬 수 있다.

그리고 하천구역을 활용하여 조성한 지열발전단지는, 순수국산에너지(지열수와 하천수)만으로 전력을 생산함으로써 우리나라의 에너지자급률을 높이고 그만큼 에너지수입과 온실가스 배출을 줄이며, 일자리도 창출하면서 국부를 창출하게 되고, 공공이익을 위한 사업에 쓰일 수 있는 하천 및 하천수 사용료도 창출하여, 공공이익을 상당히 증진시키게 되므로, 따라서 지열발전단지 조성공사에 필요한 부지를 비교적 낮은 비용으로 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

문제는, 통상의 공법으로 웰셀러(Well Cellar)를 축조하고 지열수 생산정(Production Well)들 및 주입정(Injection Well)들의 웰헤드(Wellhead)들을 해당 하천구역의 지표면(地表面) 가까이에 설치한다면, 홍수시 예컨대 장마철에 상기 하천구역의 수위가 평수위 보다 크게 높아질 때 상기 웰헤드(Wellhead)들은 침수될 수밖에 없다. 바이너리 발전플랜트(Binary Power Plant) 역시 상기 지표면 가까이에 설치된다면 침수될 수밖에 없다. 따라서 홍수시 상기 웰헤드(Wellhead)들과 바이너리 발전플랜트가 침수되지 않도록 보호하는 시설들이 필요하다.

본 발명의 시스템 및 방법은, 다음과 같이, 우리 국토에서 홍수시에는 침수되지만 홍수시 외에는 침수되지 않는 상당부분이 유휴지이며 공적 자원이고 대체로 평탄하며 기존의 구조물들이 별로 없는, 하천법에 의거하여 설정된, 하천구역을 활용하여 이지에스(EGS)를 조성해서 지열발전단지를 조성할 수 있게 만듦으로써, 전술한 난제들을 해결하고, 기존의 지형과 구조물의 훼손을 최소화하고, 또 조성비를 최소화하며, 또 송전비용과 손실도 최소화하면서, 지열발전단지를 조성할 수 있게 하였다.
본 발명의 시스템 및 방법은, 먼저, 이지에스(EGS)를 조성하는데 필요한 지열수 생산정(Production Well)들 및 주입정(Injection Well)들을 해당 하천구역 안에서 시추(Drilling)하도록 하였다.
또한 본 발명의 시스템 및 방법은, 상기 생산정들 및 주입정들의 웰헤드(Wellhead)들이 최대홍수위에도 침수되지 않도록 하기 위해, 또 향후 필요하게 되는 웰헤드 보수작업, 웰보수작업(Well Workover) 등 다양한 특수작업들이 가능해지도록 하기 위해, 웰헤드 보호 방수격실(Wellhead Protection Watertight Compartment)들을 하기와 같이 상기 하천구역 안에 축조하도록 하였다.
또한 본 발명의 시스템 및 방법은, 상기 하천구역 안에서 하천수를 이용하여 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems)를 조성하도록 하였다.
또한 본 발명의 시스템 및 방법은, 상기 하천구역 안에 바이너리 발전플랜트(Binary Power Plant)를 설치하되, 상기 바이너리 발전플랜트가 최대홍수위에도 침수되지 않도록 설치하도록 하였다.

또한 본 발명은, 상기 웰헤드 보호 방수격실들을, 통상의 생산정 또는 주입정의 웰셀러(Well Cellar)를 웰헤드(Wellhead) 높이 이상으로 확장하고 지붕과 방수문을 추가한 형태로, 상기 하천구역의 최대홍수위에도 웰헤드(Wellhead)가 침수되지 않도록 방수기능을 갖춘 철근콘크리트구조로 축조하되, 상기 웰헤드 보호 방수격실의 대부분을 지하에 축조하고, 지상에 노출되는 부분은, 상기 웰헤드 보호 방수격실의 지붕면이 평시(홍수시 외) 침수되지 않을 정도로, 최소화하며, 상기 웰헤드 보호 방수격실의 내부는 웰헤드(Wellhead) 분리작업을 할 수 있는 사각형이나 또는 여타 형태의 공간으로 하고, 상기 웰헤드 보호 방수격실의 지붕면에는 사각형이나 또는 여타 형태의 출입구를 설치하며, 상기 출입구의 크기와 위치는, 웰보수작업(Well Workover) 시 분리한 웰헤드(Wellhead)를 상기 방수격실 밖으로 안전하게 통과시킬 수 있게 하고, 또한 웰케이싱(Well Casing)을 상기 출입구의 중심부를 통과시켜 위로 연장시켜 설치한 상태에서도 최소 1인이 출입할 수 있게 하며, 상기 출입구에는 방수문(Watertight Door)을 설치하도록 하였다.

삭제

본 발명은, 상기와 같이, 우리 국토에서 홍수시에는 침수되지만 홍수시 외에는 침수되지 않는 상당부분이 유휴지이며 공적 자원이고 대체로 평탄하며 기존의 구조물들이 별로 없는, 하천법에 의거하여 설정된, 하천구역을 활용하여 이지에스(EGS)를 조성해서 지열발전단지를 조성할 수 있게 만듦으로써, 기존의 지형과 구조물의 훼손을 최소화하고, 또 조성비를 최소화하며, 또 송전비용과 손실도 최소화하면서, 지열발전단지를 조성할 수 있게 만드는 효과를 제공한다.

또한 본 발명은, 조성된 지열발전단지에서 창출되는 하천 및 하천수 사용료를 이용하여 공공이익을 위한 사업을 펼칠 수 있게 만드는 효과도 제공한다.

그에 따라 본 발명은, 상기 효과들을 통해서, 우리 국토에서 그만큼 더 많은 지열에너지를 생산해서 지열발전을 펼칠 수 있게 만들어, 순수국산에너지(지열수와 하천수)만으로 생산해내는 전력의 량을 증대시켜, 우리나라의 에너지자급률을 높이고, 그만큼 에너지 수입과 온실가스 배출을 줄일 수 있게 만드는 효과를 제공한다.

그리고 본 발명의 시스템 및 방법을 이용하여 우리 국토에서 하천구역들을 활용하면서 지열발전단지들을 조성해나가면, 에너지가격 상승과 공급불안 및 기후변화에 대한 대응책 마련에 고심하고 있는 우리나라의 심각한 어려움 중 상당부분을 해결할 수 있게 될 뿐만 아니라, 장기적으로는 원자력발전에 대한 의존도도 현저히 낮출 수 있게 되고, 일자리도 창출하면서, 상당한 국부를 창출하게 될 것이다.

본 발명의 하천구역을 활용한 바이너리 지열발전시스템 및 방법은, 도 1에 설명된 바와 같이, 크게 3개 부분으로 구성된다.

제1부분은 열원부(熱源部)로서, 해당 하천구역 안에서 시추한 지열수 생산정(Production Well)들 및 주입정(Injection Well)들, 상기 생산정들 및 주입정들의 웰헤드 보호 방수격실(Wellhead Protection Watertight Compartment)들, 이지에스(EGS), 이지에스(EGS) 조성에 사용하는 하천수를 취수지점에서 주입정들로 보내는 송수관, 지열수를 생산정들에서 발전플랜트로 보내는 송수관, 발전플랜트를 통과한 지열수를 잉여열 이용시설을 통과시켜 주입정들로 보내는 송수관 및 펌프 등 부대시설들로 구성된다.

제2부분은 냉원부(冷源部)로서, 냉원으로 이용할 하천수를 취수지점에서 발전플랜트로 보내는 송수관, 방열호(放熱湖: Cooling Pond), 발전플랜트를 통과한 하천수를 필요시 방열호를 통과시킨 후 하천의 방류지점으로 보내는 송수관 및 펌프 등 부대시설로 구성된다.

제3부분은 바이너리 발전부(發電部)로서, 여기에 바이너리 발전플랜트(Binary Power Plant)가 설치된다. 상기 바이너리 발전플랜트는 상기 열원부로부터 공급받는 지열수(열원)와 냉원부로부터 공급받는 하천수(냉원)를 이용하여 바이너리 지열발전(Binary Geothermal Power Generation)을 한다.
도 1에 보인 바이너리 발전부는 계단폭포식 바이너리 발전(Cascaded Binary Power Generation)을 하는 경우로서, 제1단 바이너리 발전플랜트, 제2단 바이너리 발전플랜트 및 제3단 바이너리 발전플랜트로 구성된 계단폭포식 바이너리 발전플랜트(Cascaded Binary Power Plant)를 설치하고 있다.

도 1의 설명을 참조하여, 본 발명의 실시를 순서대로 설명한다.

첫째, 제일먼저 열원부를 조성한다. 새로운 하천구역에서의 첫 시추지점은, 가능한 한 사방으로 적어도 0.5km 거리의 토지가 있고 양질의 지열에너지가 부존된 지점으로 선정한다. 이렇게 하는 이유는, 새로운 지역에서는 이지에스(EGS)가 어느 방향으로 조성될 지를 예측하기 어렵기 때문이다.

시추공에서 필요량의 지열수가 생산되지 못할 경우, 하천수를 이용하여 이지에스(EGS)를 조성한다. 이에 사용하는 하천수는 사용 시 해당 하천에서 수온이 가능한 한 가장 높은 부분(지점·수심)에서 취수한다.

상기 웰헤드 보호 방수격실은, 홍수시 예컨대 장마철에 수위가 평수위보다 높아졌을 때(예, 수m 이상), 웰헤드(Wellhead)가 침수되지 않도록 보호하기 위해 축조되는 방수격실이다. 따라서 필요한 내부공간, 견고성 등 필요한 기능들과 구조가 확보되도록 그리고 해당 하천구역의 경관을 훼손하지 않게 평시(홍수시 외) 지상에 노출되는 부분이 최소화되도록, 통상의 웰셀러(Well Cellar)를 웰헤드(Wellhead) 높이 이상으로 확장하고 지붕과 방수문을 추가하여, 해당 하천구역의 최대홍수위에도 웰헤드(Wellhead)가 침수되지 않도록 방수기능을 갖춘 철근콘크리트구조로 축조한다.
보다 상세하게는 상기 웰헤드 보호 방수격실을 다음과 같이 축조하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 방수격실의 대부분을 지하에 축조하고, 지상에 노출되는 부분은 상기 방수격실의 지붕면이 평시(홍수시 외) 침수되지 않을 정도로 최소화하며, 상기 방수격실의 내부는 웰헤드(Wellhead) 분리작업을 할 수 있는 사각형이나 또는 여타 형태의 공간으로 하고, 상기 방수격실의 지붕면에는 사각형이나 또는 여타 형태의 출입구를 설치하며, 상기 출입구의 크기와 위치는, 향후 필요할 수 있는 웰보수작업(Well Workover)을 가능하게 하기 위해, 웰보수작업(Well Workover) 시 분리한 웰헤드(Wellhead)를 상기 방수격실 밖으로 안전하게 통과시킬 수 있게 하고, 또한 웰보수작업(Well Workover) 시 압력통제장치(Blowout Preventer 등)를 설치하기 위해 웰케이싱(Well Casing)을 상기 출입구의 중심부를 통과시켜 위로 연장시켜 설치한 상태에서도 최소 1인이 출입할 수 있게 하며, 상기 출입구에는 방수문(Watertight Door)을 설치한다.
상기 방수문은 수위가 평수위보다 현저히 높아지는 우기(雨期)에만 설치하고, 그 외의 기간에는 간편한 출입문으로 대체하여 사용하는 것이 바람직하다.
웰헤드(Wellhead)들 간의 거리가 매우 가깝게(예, 2m) 시추되어 방수격실의 필요한 내부공간이 확보되기 어려운 경우, 2개 이상의 웰헤드 보호 방수격실들을 결합시켜 상기 방수격실들 간의 칸막이벽을 제거함으로써 내부공간의 활용도를 높일 수 있다.

또한, 최대홍수위와 평수위의 차이가 비교적 작고 또 하기와 같은 설치가 미관상 용인되는 하천구역에서는, 상기 웰헤드 보호 방수격실 대신에 통상의 웰셀러(Well Cellar)를 축조하고, 웰케이싱(Well Casing)을 상기 하천구역의 최대홍수위에도 웰헤드(Wellhead)가 침수되지 않는 높이로 연장시켜 설치한다.
시추심도가 매우 깊거나(예, 6km 이상) 또는 지열수(Geothermal Fluid)의 온도가 매우 높은(예, 200℃ 이상) 경우를 제외한 대부분의 경우, 컨덕터파이프(Conductor Pipe), 써휘스케이싱(Surface Casing) 및 중간케이싱(Intermediate Casing)들에 이어 맨 마지막에 설치되는 웰케이싱(Well Casing)인 생산케이싱(Production Casing)만을 필요한 높이로 연장시켜 설치하면 된다.
상기와 같이 설치되어 평시(홍수시 외) 지상에 노출되는 상기 웰케이싱(Well Casing) 및 웰헤드(Wellhead)는 하천구역의 경관을 훼손할 수 있으므로, 상기 웰케이싱(Well Casing) 및 웰헤드(Wellhead)를 감싸는 환경친화적인 구조와 형태의 오두막 등을 설치하여 하천구역의 경관훼손을 최소화하는 것이 바람직하다.

송수관들은 가능한 한 매설하고, 여타 시설들도 가능한 한 지상 노출을 최소화하여 하천구역의 미관 훼손을 최소화한다.

이상의 공사들에 소요되는 기술은 상업화된 관용기술이며, 전문기술용역회사들이 활동하고 있으므로, 공정별로 계약을 체결하여 필요한 기술용역을 제공받아 통합하거나, 턴키방식으로 전체를 제공받을 수도 있다.

지열수(Geothermal Fluid) 생산이 개시되면, 시험생산을 통해 안정적으로 생산가능한 지열수의 온도와 유량을 산출한다.

둘째, 냉원으로 사용할 하천수의 온도와 공급가능한 유량의 범위를 선정한다. 기간별로(예컨대, 하천수의 온도분포에 따라 월별 내지 분기별로) 해당 하천에서 수온이 가능한 한 가장 낮은 부분(지점·수심)에서 취수하는 것으로 하여 기간별로 수온과 공급가능한 유량의 범위를 선정한다.

셋째, 이상과 같이 취득된 지열수의 온도와 유량 및 하천수의 기간별 온도와 공급가능한 유량의 범위에 기초하여, 최적화된 첫 번째 바이너리 발전플랜트(Binary Power Plant) 모듈(Module)을 설계 및 제작한다.
상기 바이너리 발전플랜트는 해당 하천구역의 최대홍수위에도 침수되지 않도록 상기 하천구역 안의 최적지에 설치한다.
보다 상세하게는 다음과 같이 설치하는 것이 바람직하다. 상기 하천구역에 제방이 있는 경우, 상기 바이너리 발전플랜트를 상기 제방 위에 상기 하천구역의 최대홍수위에도 침수되지 않도록 설치하고, 상기 제방 위에서 설치할 부지를 확보할 수 없거나 또는 상기 하천구역에 제방이 없는 경우에는, 상기 하천구역의 최대홍수위에도 상판(교각과 교각 위에 걸쳐 놓는 바닥판)이 침수되지 않는 높이의 구조물(다리의 경간 1개와 유사한 구조물)을 상기 하천구역 안의 최적지에 축조하고, 상기 바이너리 발전플랜트를 상기 상판 위에 설치한다.
상기 구조물은 상기 바이너리 발전플랜트, 상기 바이너리 발전플랜트를 수용하는 하우스(House) 및 여타 필요한 부속시설들을 안전하게 지탱할 수 있는 구조로 축조한다. 또한, 상기 바이너리 발전플랜트의 침수에 민감한 장치(계기 등)들은 여유 높이를 더하여(예, 상판 위 약 1.5m) 설치한다. 또한, 상기 바이너리 발전플랜트를 수용하는 하우스(House)를 환경친화적인 구조와 형태로 건설하여 하천구역의 경관훼손을 최소화한다.

발전플랜트는 중·소형(예, ＜1MW)으로 모듈(Module)화한다. 첫 번째 모듈에는 생산가능한 지열수 유량의 일부(예, ＜30％)만이 공급되도록 하고, 문헌 1의 설명과 같이, 바이너리 발전이 가능한 지열수의 온도 하한선까지 다단의 계단폭포식 바이너리 발전플랜트(Cascaded Binary Power Plant)로 설계한다. 마지막 단의 증발기를 통과한 지열수는 작동유체를 예열하는 식으로, 마지막 단의 응축기를 통과한 하천수의 전부 또는 일부를 그 전 단의 응축기에 공급하는 식으로, 열원과 냉원을 최적화한다.

중·소형의 모듈을 추가해나가는 방식으로 개발을 확장함으로써, 지열수의 온도와 유량의 변화에 따르는 위험부담을 최소화할 수 있고, 성능을 최적화하여 경제성을 극대화할 수 있으며, 운송도 용이하고 저렴하며, 최적의 위치에 설치할 수 있고, 정비나 보수로 인한 가동률 손실을 최소화 할 수 있으며, 이전설치도 용이하게 되는 등 여러 이득을 얻을 수 있다.

이에 소요되는 기술은 상업화된 관용기술로서, 전문기술용역회사들이 활동하고 있으므로, 입찰 등을 통해 대부분의 경우 턴키(Turnkey)방식으로 발전플랜트를 설계, 제작, 설치, 시운전, 정비 및 보수하게 된다.

넷째, 발전플랜트 모듈의 설계가 완성되어 냉원으로 사용할 하천수의 온도와 유량이 확정되면, 그에 맞추어 냉원부를 설치한다. 발전플랜트 설계시에 기초한 기간별 수온에 맞추어 취수하도록 시설을 갖춘다.

이에 소요되는 기술은 상업화된 관용기술로서 전문기술용역회사들이 활동하고 있으므로, 입찰 등을 통해 설계 및 설치하게 된다.

다섯째, 열원(지열수)과 냉원(하천수)을 바이너리 발전플랜트 모듈에 연결하고 시운전한다. 생산되는 전력은 배전계통에 연계시킨다. 시운전과 향후 정비 및 보수는 일반적으로 발전플랜트 제작사가 담당토록 한다.

여섯째, 발전플랜트 모듈의 성능자료를 분석하여 최적화된 다음 모듈을 설계 및 제작하여 설치한다. 점증적으로 모듈을 추가해나간다.

일곱째, 바이너리 발전부를 통과한 지열수는, 잉여열을 난방, 농어업 등에 다양하게 이용한 후, 주입정에 주입한다.

여덟째, 바이너리 발전부를 통과한 하천수는 하천에 방류한다. 향후 시추심도가 깊어져 지열수의 온도가 높아지면, 발전부를 통과한 하천수의 온도가 그대로 하천에 방류하기에는 너무 높을 수 있는데, 그러한 경우에는 하천구역 안의 적합한 부지에 방열호(放熱湖: Cooling Pond)를 조성하고, 그를 통과시켜 수온을 필요한 만큼 낮춘 후에 하천에 방류한다. 방열호는 수온과 수질에 따라 양어장이나 체육시설 등으로 활용할 수 있다.

아홉째, 주입수를 보충해야 하는 경우, 방류할 하천수로 보충한다.

이상과 같이 실시되는 본 발명의 지열발전시스템 및 방법에 의하면, 예컨대 제2단 발전플랜트에 75℃의 지열수(열원)와 5℃(1월)의 하천수(냉원)가 공급되는 경우에, 발전플랜트 설계에 따라 다소 차이를 보일 수 있겠으나, 제2단 바이너리 발전플랜트에서 대략 다음과 같이 전력을 생산할 수 있다.

[제2단 바이너리 발전플랜트]

열원 : 지열수

냉원 : 하천수

총 전력생산량: 1 MW(메가와트: 백만 와트)

도 1은 본 발명의 하천구역을 활용한 바이너리 지열발전시스템 및 방법 설명도이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 열원부(熱源部)

11 : 하천구역 안에 설치된 지열수 생산정의 웰헤드 보호 방수격실(Wellhead Protection Watertight Compartment)

12 : 지열수(Geothermal Fluid)

13 : 하천구역 안에서 조성한 이지에스(EGS : Enhanced Geothermal System)

14 : 하천구역 안에 설치된 주입정의 웰헤드 보호 방수격실

15 : 하천수 송수관 16 : 잉여열(剩餘熱) 이용

20 : 냉원부(冷源部)

21 : 하천수 송수관 22 : 방열호(放熱湖 : Cooling Pond) 23 : 하천에 방류

30 : 바이너리(Binary) 발전부(發電部)

31 : 하천구역 안에 설치된 계단폭포식 바이너리 발전플랜트(Cascaded Binary Power Plant)

32 : 제1단 바이너리 발전플랜트 33 : 제2단 바이너리 발전플랜트

34 : 제3단 바이너리 발전플랜트 35 : 증발기(Vaporizer)

36 : 작동유체(Working Fluid) 37 : 터빈(Turbine)

38 : 발전기(Generator) 39 : 응축기(Condenser) 40 : 펌프(Pump)

Claims

이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems)를 조성해서 생산되는 지열수(Geothermal Fluid)를 열원(Heat Source)으로 이용하는 바이너리 지열발전(Binary Geothermal Power Generation)시스템에 있어서,

해당 하천구역 안에서 시추한 지열수 생산정(Production Well)들 및 주입정(Injection Well)들;

상기 생산정들 및 주입정들의 웰헤드(Wellhead)들이 최대홍수위에도 침수되지 않도록 하기 웰헤드 보호 방수격실들을 축조하되, 하기 웰헤드 보호 방수격실들은, 통상의 생산정 또는 주입정의 웰셀러(Well Cellar)를 웰헤드(Wellhead) 높이 이상으로 확장하고 지붕과 방수문을 추가한 형태로서, 상기 하천구역의 최대홍수위에도 웰헤드(Wellhead)가 침수되지 않도록 방수기능을 갖춘 철근콘크리트구조로 축조하되, 상기 방수격실의 대부분을 지하에 축조하고, 지상에 노출되는 부분은, 상기 방수격실의 지붕면이 평시(홍수시 외) 침수되지 않을 정도로, 최소화하며, 상기 방수격실의 내부는 웰헤드(Wellhead) 분리작업을 할 수 있는 사각형이나 또는 여타 형태의 공간으로 하고, 상기 방수격실의 지붕면에는 사각형이나 또는 여타 형태의 출입구를 설치하며, 상기 출입구의 크기와 위치는, 웰보수작업(Well Workover) 시 분리한 웰헤드(Wellhead)를 상기 방수격실 밖으로 안전하게 통과시킬 수 있게 하고, 또한 웰케이싱(Well Casing)을 상기 출입구의 중심부를 통과시켜 위로 연장시켜 설치한 상태에서도 최소 1인이 출입할 수 있게 하며, 상기 출입구에는 방수문(Watertight Door)을 설치하는 것을 특징으로 하는 웰헤드 보호 방수격실(Wellhead Protection Watertight Compartment)들;

상기 하천구역 안에서 하천수를 이용하여 조성한 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems); 및

상기 하천구역 안에 최대홍수위에도 침수되지 않도록 설치한 바이너리 발전플랜트(Binary Power Plant);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하천구역을 활용한 바이너리 지열발전시스템.
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