KR101494940B1 - 이지에스 지열발전소와 간헐성 재생에너지를 결합한 전력공급시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems)를 조성해서 생산되는 지열수(Geothermal Fluid)를 열원(Heat Source)으로 이용하는 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)를, "압축공기를 이용하는 이지에스 지열발전소 운용시스템 및 방법"과 결합시켜, 독립전력계통 지역에 또는 국가 전력계통 지역에 건설하고, 상기 이지에스 지열발전소에 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들을 결합시켜 전력공급시스템을 구축하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 높은 단가의 경유발전으로 구성된 독립전력계통들에서 재생에너지발전들만으로 전력공급시스템을 구축하게 만들고, 또한 국가 전력계통에서는 안정적인 공급을 이루면서 재생에너지발전의 비중을 높일 수 있게, 또 온실가스 감축을 촉진시키는 방향으로 개선할 수 있게 만드는 효과를 제공하며, 그에 따라 상기 효과들을 통해, 우리 국토에서 그만큼 더 많은 재생에너지발전들을 펼칠 수 있게 만들어, 순수국산에너지만으로 생산해내는 전력의 량을 증대시켜, 우리나라의 에너지자급률을 높이고, 에너지 수입과 온실가스 배출을 줄이게 만드는 효과를 제공한다.
[색인어]
간헐성 재생에너지, 공기압축기, 독립전력계통, 압축공기, 압축공기저장탱크, 이지에스, 이지에스 지열발전소, 전력계통, 지열발전, 재생에너지발전
본 발명은, 높은 단가의 경유발전으로 구성된 독립전력계통들에서 재생에너지발전들만으로 전력공급시스템을 구축하게 만들고, 또한 국가 전력계통에서는 안정적인 공급을 이루면서 재생에너지발전의 비중을 높일 수 있게, 또 온실가스 감축을 촉진시키는 방향으로 개선할 수 있게 만드는 효과를 제공하며, 그에 따라 상기 효과들을 통해, 우리 국토에서 그만큼 더 많은 재생에너지발전들을 펼칠 수 있게 만들어, 순수국산에너지만으로 생산해내는 전력의 량을 증대시켜, 우리나라의 에너지자급률을 높이고, 에너지 수입과 온실가스 배출을 줄이게 만드는 효과를 제공한다.
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Description
본 발명은 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)와 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들을 결합하여 전력공급시스템을 구축해서 전력계통에 안정적으로 공급하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems)를 조성해서 생산되는 지열수를 열원으로 이용하는 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)를, "압축공기를 이용하는 이지에스 지열발전소 운용시스템 및 방법"(특허문헌 8)과 결합시켜, 독립전력계통 지역에 또는 국가 전력계통 지역에 건설하고, 상기 이지에스 지열발전소에 간헐성 재생에너지들을 결합시켜 전력공급시스템을 구축함으로써, 높은 단가의 경유발전으로 구성된 독립전력계통들에서 재생에너지발전들만으로 전력공급시스템을 구축해서 안정적으로 공급할 수 있게 만들고, 또한 국가 전력계통에서는 안정적인 공급을 이루면서 재생에너지발전의 비중을 높여나갈 수 있게 만들며, 또한 첨두부하전력을 생산함으로써 화석연료발전의 비중을 줄이면서 온실가스 감축을 촉진시키는 방향으로 개선할 수 있게 만드는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
우리나라는 국가적 차원에서 장기간에 걸쳐 신·재생에너지 개발 및 보급에 많은 노력을 기울여왔는데도 에너지자급률은 아직도 3％대에 머물고 있어, 소요에너지의 97％를 수입에 의존해야 하는 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 실정인데, 이에 더하여 지난 3월 일본 대지진으로 인해 발생된 후쿠시마 원자력발전소 사고는 우리나라의 에너지상황을 한층 더 어렵게 만들고 있다.
국제사회의 흐름을 볼 때, 전력수요의 절반 정도를 원자력발전으로 공급하기로 한 우리나라의 장기 전력수급기본계획에 대하여 수정 요구가 높아질 것으로 예상된다. 그에 따라 원자력발전에 대한 의존도를 낮출 수 있는 대체에너지원의 발굴이 시급한 과제로 떠오르고 있다.
상기한 3％대의 에너지자급률 중 전력생산 부문만 보면, 태양광, 풍력 등 신·재생에너지들을 이용한 전력생산은 대규모 수력발전을 포함하더라도 총 전력생산량의 1％대에 그리고 대규모 수력발전을 제외할 경우 0.5％대에 머물고 있다.
'기후변화에 관한 UN협약'에 따르는 책무를 충족시키기에는, 즉 기후변화로 인해 야기된 전 세계적인 온실가스 감축요구를 충족시키기에는 너무 역부족인 수준의 상기 결과가 초래된 것은, 신·재생에너지들을 이용한 전력생산을 비용효과적으로 촉진시켜나갈 수 있는 수단과 방법들이 도출되지 못하고 있기 때문이다.
이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems)를 조성해서 생산되는 지열수를 열원으로 이용하는 지열발전 부문만 보더라도, 대한민국의 영토 안에도 어느 지점에나 심부지열에너지가 부존돼 있고 그 규모도 거의 무한에 가까운데도, 종래의 지열발전방법으로는 개발할 가치가 없는 것으로 인식되어 전혀 개발되지 못한 채 방치돼 왔다. 최근에 와서야, 특허문헌 1 내지 15에서 실익 있는 지열에너지 생산 및 바이너리 지열발전을 이룰 수 있게 만드는 수단과 방법들이 개시된 바 있다.
이에, 심각한 어려움에 처해 있는 우리나라의 에너지상황을 해결해 나가기 위해서는, 우리 국토에 부존돼 있는 거의 무한에 가까운 규모인 심부지열에너지를 비롯하여 풍력 등 각종 재생에너지들을 활용하면서 재생에너지발전들을 촉진시켜나갈 수 있는 수단과 방법들의 창출이 요구되고 있다.
상기한 필요성에 더하여, 향후 간헐성과 비급전성 및 불규칙성을 지니고 있는 풍력발전 등 신·재생에너지발전들이 전력계통(電力系統)에서 차지하는 비중이 높아질수록, 그만큼 전력계통에 부담으로 작용되어, 안정적인 전력공급을 이루도록 전력계통을 관리하는 과제가 점점 더 어려워지게 될 것이다. 따라서 전력계통에서 안정적인 전력공급을 이루면서 재생에너지발전의 비중을 높여나갈 수 있는 수단과 방법의 창출 또한 요구되고 있다.
상기 전력계통(Electrical Power System)은 발전소에서 생산한 전기를 전기사용자에게 공급하기 위한 발전설비, 송변전설비, 배전설비, 기타 부대설비 등이 유기적으로 결합된 시스템을 말한다.
상기한 필요성들에 더하여, 전 세계적인 온실가스 감축요구를 충족시키는 방향으로 전력계통을 개선해나갈 수 있는 수단과 방법의 창출 또한 요구되고 있다.
우리나라의 전력수급기본계획에 의하면, 국가 전력계통을 구성하는 발전설비(2022년)는 원자력 33％, 석탄 29％, 액화천연가스 23％, 석유 4％ 및 기타 11％로 구성될 계획이다. 상기 발전설비에서 화석연료발전들이 차지하는 비중이 매우 높다. 원자력발전 등 기저부하발전의 출력조절이 어려운 관계로 수입해야 하는 액화천연가스(LNG) 등 화석연료발전들로 대부분의 첨두부하(Peak Load)를 해결할 계획이다.
국제사회의 흐름을 볼 때, 에너지저장시스템 및 재생에너지발전들로 첨두부하의 상당부분을 해결할 수 있게 만들고, 화석연료발전의 비중을 줄이면서, 기후변화로 인해 야기된 전 세계적인 온실가스 감축요구를 충족시키는 방향으로, 우리나라의 전력계통을 개선해나갈 수 있는 수단과 방법의 창출 또한 요구되고 있다.
우리나라의 육상에서 풍력 등 재생에너지(Renewable Energy)들을 이용하는 전력생산을 소기의 수준으로 높일 수 없었던 주요 이유들은, (1) 재생에너지들의 발전단가가 매우 높고, 또한 (2) 재생에너지발전은 간헐성과 비급전성을 지니고 있으며, 출력도 불규칙할 수 있어, 전력계통에 특히 용량이 작은 독립전력계통에 연결하기가 어렵고, 또한 (3) 재생에너지발전소의 부지 및 건설공사를 위해 산림 등 환경을 상당히 훼손할 수 있다는 점으로 압축될 수 있다.
앞으로도 상기한 이유들로 인해 야기되는 어려움들을 비용효과적으로 해결하지 못하는 한, 우리나라의 육상에서 재생에너지들을 이용한 전력생산을 현저히 촉진시키기는 어려울 것이다. 따라서 상기한 어려움들을 비용효과적으로 해결해나갈 수 있는 수단과 방법의 창출이 요구되고 있다.
울릉도 등 도서지역들을 제외한 우리 국토에는 국가 전력계통(電力系統)이 축조돼 있다. 상기 국가 전력계통은 원자력발전을 비롯하여 발전단가가 kWh당 100원 내외인 각종 화력발전들로 구성되어 있다. 상기 국가 전력계통과 전혀 연결돼 있지 못한 울릉도 등 도서지역들에는 주로 경유발전기들로 구성된 독립전력계통(Independent Power System)이 축조돼 있으며, 상기 도서지역들에 설치된 경유발전기(Diesel Generator)들의 발전단가는 높게는 kWh당 1,300원 대를 웃돌고 있다. 반면에, 태양광 등 재생에너지발전들의 발전단가는 관련기술이 발전하면서 점진적으로 낮아지겠지만, 아직까지는 높게는 kWh당 500원 대를 웃돌고 있다.
상기 도서지역들에는 특히 양질의 풍력자원이 부존돼 있으므로, 상기 발전단가들만을 보면, 상기 도서지역들의 경유발전을 풍력발전 등 재생에너지발전들로 대체할 수 있을 것으로 보이는데, 상기 도서지역들 중 단 한 곳에서도 아직까지 상기 경유발전을 재생에너지발전으로 대체하지 못하고 있다. 그 이유를 살펴본다.
대체하지 못하고 있는 주요 이유들은, 앞서 언급된 바와 같이, 풍력 등 재생에너지발전들은 간헐성과 비급전성을 지니고 있으며, 출력도 불규칙할 수 있어, 용량이 작은 독립전력계통에 연결하기가 매우 어렵고, 또한 재생에너지발전소의 부지 및 건설공사를 위해 산림 등 주변환경을 상당히 훼손할 수 있기 때문이다.
상기 도서지역들에는 특히 양질의 풍력자원이 부존돼 있지만, 풍력발전은 소기의 바람이 불 때만 전력을 생산할 수 있기 때문에 간헐성 및 비급전성을 지니고 있다. 즉, 전력이 필요한 때에 맞추어 전력을 생산할 수 없고, 오히려 전력이 필요하지 않은 시기에 상당량의 전력을 생산할 수 있다. 또한 바람의 속도는 변할 수 있는 관계로 풍력발전으로 생산되는 전력은 불규칙할 수 있다.
그런데 국가 전력계통과 전혀 연결되어 있지 못한 상기 도서지역들의 총 전력수요는 높아야 수천kW 수준이다. 상기와 같이 작은 용량의 독립전력계통에 간헐성과 비급전성을 지니고 있고 출력도 불규칙할 수 있는 수백kW급 풍력발전을 연결시키는 데는 심각한 어려움이 따르게 되며, 연결 자체가 불가능할 수도 있다.
예컨대, 1999년 울릉도에 설치된 600kW급 풍력발전기는 상기와 유사한 이유로 울릉도의 독립전력계통에 전혀 연결되지 못한 채 방치되고 있는 실정이다.
풍력발전이 많이 보급돼 있는 외국에서는, 상기와 같은 간헐성과 비급전성의 취약점을 에너지저장시스템을 이용해서 해결하고 있다. 대규모 에너지저장시스템으로는 양수발전이 세계 여러 나라에서 널리 이용되고 있고, 양수발전에 더하여, 근년에는 압축공기 에너지저장시스템(CAES: Compressed Air Energy Storage)에 대한 연구 및 실증사업들이 미국, 유럽 등에서 활발히 진행되고 있다.
특허문헌 16에 개시된 기술은, 국가 전력계통과 연결되어 있지 못한 외딴 지역에서 풍력발전만으로 전력수요를 안정적으로 공급할 수 있게 만드는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 풍력발전으로 전력을 생산해서 전력수요를 공급함과 동시에, 풍력을 이용하여 공기압축기를 가동시켜 공기를 압축해서 저장탱크에 저장해 놓고, 소기의 바람이 불지 않아 풍력발전으로 전력수요를 충족시킬 수 없는 시기에는 상기 저장된 압축공기를 회수해서 발전하여 필요한 전력을 공급함으로써, 항시 안정적으로 전력수요를 공급할 수 있게 만든 것이다.
예컨대, 우리나라의 도서지역들에 상기 특허문헌 16에 개시된 기술을 적용하여 전력수요 전부를 풍력발전으로 공급하고자 한다면, 풍력발전의 가동률을 감안할 때, 해당 도서지역의 전력수요의 4배 내지 5배 정도의 풍력발전설비를 설치하고 압축공기저장시스템 등 필요한 설비를 설치해야 한다.
그런데 난제는, 상기 도서지역들에 상기와 같이 상당한 용량의 풍력발전설비 등을 설치하기 위해서는 발전소 부지 및 건설공사를 위해 상당한 토지를 확보해야 하고 필요한 규모의 도로를 개설해야 하며, 그에 따라 산림 등 주변환경을 상당히 훼손하게 되겠는데, 울릉도, 백령도, 흑산도 등 우리나라의 주요 도서지역들의 실정을 직시할 때, 상기와 같은 규모의 환경훼손은 가능하다고 보기 어렵다.
이에, 장기간에 걸친 국가적 차원의 노력에도 불구하고 소기의 수준으로 높여지지 못하고 있는 재생에너지발전에 물꼬를 틀기 위해서는, 우선적으로 매우 높은 발전단가가 들고 있는 경유발전으로 독립전력계통을 구성하고 있는 도서지역들에서, 상기한 난제들을 해결하여 재생에너지발전들만으로 전력공급시스템을 구축해서, 비용효과적으로 상기 경유발전을 재생에너지발전들로 대체하고, 상기 독립전력계통에 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 시스템 및 방법의 창출이 요구되고 있다.
상기한 필요성에 더하여, 향후 간헐성과 비급전성 및 불규칙성을 지니고 있는 풍력발전 등 신·재생에너지발전들이 국가 전력계통(電力系統)에서 차지하는 비중이 높아질수록, 그만큼 국가 전력계통에 부담으로 작용되어, 안정적인 전력공급을 이루도록 국가 전력계통을 관리하는 과제가 점점 더 어려워지게 될 것이다. 따라서 국가 전력계통에서 안정적인 전력공급을 이루면서 재생에너지발전의 비중을 높여나갈 수 있는 시스템 및 방법의 창출 또한 요구되고 있다.
상기한 필요성들에 더하여, 화석연료발전의 비중이 매우 높고, 또한 수입해야 하는 액화천연가스(LNG) 등 화석연료발전들로 대부분의 첨두부하(Peak Load)를 해결하고 있는 우리나라의 전력계통을, 에너지저장시스템 및 재생에너지발전들로 첨두부하의 상당부분을 해결할 수 있게 만들고, 화석연료발전의 비중을 줄이면서, 기후변화로 인해 야기된 전 세계적인 온실가스 감축요구를 충족시키는 방향으로, 개선해나갈 수 있는 시스템 및 방법의 창출 또한 요구되고 있다.
본 발명은 이상의 필요성들에 따라 창출된 것으로, 본 발명의 목적은, 풍력 등 양질의 재생에너지들이 부존돼 있음에도 불구하고, 간헐성과 비급전성 및 환경훼손 등으로 인해 규모있는 재생에너지발전(Renewable Energy Power Generation)들을 이루지 못한 채, 매우 높은 발전단가가 들고 있는 경유발전 등으로 독립전력계통을 구성하고 있는 지역들에서, 예컨대 도서지역들에서, 재생에너지발전들만으로 전력공급시스템을 구축해서 상기 독립전력계통에 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 국가 전력계통에서 안정적인 전력공급을 이루면서 재생에너지발전의 비중을 높여나갈 수 있고, 또한 화석연료발전의 비중이 매우 높고 또 수입해야 하는 액화천연가스(LNG) 등 화석연료발전들로 대부분의 첨두부하를 해결하고 있는 우리나라의 전력계통을, 에너지저장시스템 및 재생에너지발전들로 첨두부하(Peak Load)의 상당부분을 해결하고, 화석연료발전의 비중을 줄이면서, 기후변화로 인해 야기된 전 세계적인 온실가스 감축요구를 충족시키는 방향으로, 개선해나갈 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명인은, 특허문헌 11에 개시된 이지에스·심해수 지열발전(EGS·DSW Power Generation)을 세계 최초로 시범실시하기 위하여, 동해(東海)와 근거리에 있는 지역에서 상기 지열발전을 하는 세계 최초의 이지에스·심해수 지열발전소(EGS·DSW Power Plant)를 건설해서 운용하는 시범사업을 시행하고 후속 사업들을 개척해나가고자, 부지확보비 및 건설공사비와 운용비를 최소화하면서 환경친화적으로 건설해서 운용해 나갈 수 있는 시스템과 방법 및 최적의 부지들을 탐색해오던 중, 이지에스(EGS)를 조성해서 생산되는 지열수를 열원(Heat Source)으로 이용하는 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)를 "압축공기를 이용하는 이지에스 지열발전소 운용시스템 및 방법"(특허문헌 8)과 결합시켜, 독립전력계통 지역에 또는 국가 전력계통 지역에 건설하고, 상기 이지에스 지열발전소에 양질의 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들만을 환경훼손을 최소화하도록 제한적으로 결합시켜 전력공급시스템을 구축해서 상기 전력계통에 안정적으로 전력을 공급함으로써, 상기한 목적을 달성할 수 있다는 결론과 함께 본 발명에 이르게 되었다.
여기서, 특허문헌 8에 개시된 "압축공기를 이용하는 이지에스 지열발전소 운용시스템 및 방법"에 대해 간략히 살펴본다. 특허문헌 8에 개시된 운용시스템 및 방법은, 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)에서 지열발전으로 생산된 전력 외의 에너지로 가동되는 압축공기저장시스템을 이용하여, 즉 지열발전으로 자체 생산된 전력 이외의 에너지로 공기를 압축해서 압축공기저장탱크에 저장해놓고, 전력생산이 필요한 때, 저장된 압축공기를 회수해서, 이지에스 지열발전소의 각종 펌프 등 부속장치들을 구동시킴으로써, 지열발전으로 생산된 전력 전량을 전력계통에 공급할 수 있게 만들고, 또한, 압축공기저장시스템의 주요장치들인 인터쿨러(Intercooler), 애프터쿨러(Aftercooler), 압축공기가온기(Warmer) 및 압축공기저장탱크를 이지에스 지열발전소의 시설인 저수탱크 또는 보충수탱크와 결합시켜 설치 및 운용함으로써, 상기 저장시스템의 에너지효율을 현저히 향상시키는 등 다양한 효과들을 제공한다.
우리나라 도서지역들에서, 풍력 등 양질의 재생에너지들이 부존돼 있음에도 불구하고, 간헐성과 비급전성 및 환경훼손 등으로 인해 규모있는 재생에너지발전들을 이루지 못한 채, 매우 높은 발전단가가 들고 있는 경유발전 등으로 독립전력계통을 구성할 수밖에 없는 주요 이유들은, 전술한 바와 같이, 풍력 등 재생에너지발전들은 간헐성과 비급전성을 지니고 있고, 출력도 불규칙할 수 있어, 용량이 작은 독립전력계통에 연결하기가 매우 어렵고, 또한 재생에너지발전소의 부지 및 건설공사를 위해 산림 등 주변환경을 상당히 훼손할 수 있기 때문이다.
본 발명의 전력공급시스템 및 방법은 상기한 난제들을 다음과 같이 해결하였다. 본 발명은, "압축공기를 이용하는 이지에스 지열발전소 운용시스템 및 방법"(특허문헌 8)을 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)에 결합시켜 해당 전력계통 지역의 최적지에 건설하고, 상기 지역에서 비용효과적으로 활용할 수 있는 양질의 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들만을 환경훼손을 최소화하도록 제한적으로 상기 운용시스템 및 방법(특허문헌 8)과 결합시키고, 상기 간헐성 재생에너지들을 이용하여 압축공기를 생산하도록 하였다.
상기와 같은 결합들에 더하여, 본 발명은 압축공기발전소(Compressed Air Power Plant)를 추가로 설치하고, 상기 운용시스템 및 방법(특허문헌 8)에 따라 설치된 압축공기저장탱크들에 저장된 압축공기 중 상기 이지에스 지열발전소를 운용하는데 필요한 량을 초과하는 잉여량의 압축공기를 이용하여 발전기와 연결된 에어터빈(Air Turbine) 등을 돌려 전력을 생산하도록 하였다.
보다 상세하게는, 상기 전력계통 지역에서 비용효과적으로 활용할 수 있는 풍력 등 양질의 간헐성 재생에너지들만을 환경훼손을 최소화하도록 제한적으로 활용하면서 전력을 생산하는 풍력발전소 등 재생에너지발전소(Renewable Energy Power Plant)들을 상기 전력계통 지역의 최적지들에 건설하고, 상기 재생에너지발전소들에서 생산한 전력 중, 상기 전력계통이 수용할 수 있는 량의 전력은 상기 전력계통에 공급하고, 상기 전력계통이 수용할 수 없는 량의 전력은, "압축공기를 이용하는 이지에스 지열발전소 운용시스템 및 방법"(특허문헌 8)에 따라 상기 이지에스 지열발전소에 설치된 공기압축기(Air Compressor)들을 가동하는데 사용되도록 상기 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)로 송전하도록 하였다.
또한 본 발명의 전력공급시스템 및 방법은, 상기 재생에너지발전소를 건설하는 경우보다 더 비용효과적인 경우, 상기 재생에너지발전소 대신에 재생에너지공기압축소(Renewable Energy Air Compressor Station)들을 상기 전력계통 지역의 최적지들에 건설하고, 상기 재생에너지공기압축소들에서 상기 간헐성 재생에너지들을 이용하여 발생시킨 구동력으로, 발전단계를 거치지 않고, 직접 별도의 공기압축기들을 가동시켜 공기를 압축해서, 상기 운용시스템 및 방법(특허문헌 8)에 따라 상기 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)에 설치된 압축공기저장탱크(Compressed Air Storage Tank)들로 압축공기이송관을 통해 이송하도록 하였다. 예컨대, 풍력으로 발생시킨 터빈의 회전력을 통상의 기아박스(Gear Box) 등 회전력전달장치를 이용하여 공기압축기(Air Compressor)에 직접 연결시켜 가동시킨다. 이렇게 함으로써, 공기압축과 관련된 에너지효율을 현저히 높일 수 있다.
또한 본 발명의 전력공급시스템 및 방법은, 상기 이지에스 지열발전소의 압축공기저장탱크 주변에 압축공기발전소(Compressed Air Power Plant)를 설치하고, 상기 압축공기발전소로 하여금, 상기 압축공기저장탱크(Compressed Air Storage Tank)들에 저장된 압축공기 중, 상기 이지에스 지열발전소를 운용하는데 필요한 량을 초과하는 잉여량의 압축공기를 이용하여 발전기와 연결된 에어터빈(Air Turbine) 등을 돌려 전력을 생산해서, 상기 전력계통에 공급하도록 하였다.
상기와 같이 구축되는 전력공급시스템은, 수력발전 수준의 기동성과 급전성을 지니면서 출력 조절이 가능하게 되어, 24시간 기저부하(Base Load)전력은 물론 중간부하 및 첨두부하(Peak Load)전력도 공급할 수 있게 된다. 특히 상기 압축공기발전소는 비상발전기 수준의 기동성과 급전성을 지니게 되어 첨두부하전력은 물론 비상전력까지 공급할 수 있게 된다. 그에 따라 독립전력계통의 경우, 전력수요 전부를 충족시키면서 항시 안정적으로 전력을 공급할 수 있게 된다.
또한 상기 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)는, 특허문헌 11 또는 특허문헌 15에 개시된 지열발전소 건설시스템 및 방법을 이용하게 되면, 지열발전소의 부지 및 건설공사에 필요한 토지를 확보하는 비용을 현저히 줄일 수 있고, 또한 기존의 지형과 구조물의 훼손을 최소화하면서 관련공사비들을 현저히 줄일 수 있으며, 또한 시설들의 지상(地上)에 노출되는 부분을 최소화함으로써 자연경관을 훼손하지 않으면서 환경친화적으로 건설해서 운용해나갈 수 있다.
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본 발명의 전력공급시스템 및 방법은, 독립전력계통들에서, 예컨대, 풍력 등 양질의 재생에너지들이 부존돼 있음에도 불구하고 간헐성과 비급전성 및 환경훼손 등으로 인해 규모있는 재생에너지발전을 이루지 못한 채, 매우 높은 발전단가가 들고 있는 경유발전 등으로 독립전력계통을 구성하고 있는 도서지역들에서, 수력발전 수준의 기동성과 급전성을 지니면서 출력 조절이 가능하게 되어, 24시간 기저부하(Base Load)전력은 물론 중간부하 및 첨두부하(Peak Load)전력도 공급할 수 있고, 또한 비상발전기 수준의 기동성과 급전성을 지닌 압축공기발전소로 비상전력(Emergency Power)까지 공급할 수 있어, 상기 독립전력계통의 전력수요 전부를 충족시키면서 항시 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 전력공급시스템을 재생에너지발전들만으로 구축할 수 있게 만드는 효과를 제공한다.
또한 본 발명의 전력공급시스템 및 방법은, 해당 전력계통 지역에서 비용효과적으로 활용할 수 있는 양질의 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들만을 제한적으로 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)와 결합시켜 전력공급시스템을 구축함으로써, 산림 등 환경의 훼손을 최소화하는 효과를 제공한다.
또한 본 발명의 전력공급시스템 및 방법은, 상기 효과들을 통해서, 매우 높은 발전단가가 들고 있는 경유발전 등으로 독립전력계통을 구성하고 있는 외딴 지역들에서, 예컨대 도서지역들에서, 비용효과적으로 상기 경유발전 등을 재생에너지발전들로 대체할 수 있게 만드는 효과를 제공한다.
또한 본 발명의 전력공급시스템 및 방법은, 국가 전력계통에서, 안정적인 전력공급을 이루면서 재생에너지발전의 비중을 높여나갈 수 있게 만들고, 동시에 첨두부하전력을 생산함으로써, 화석연료발전의 비중이 매우 높고 또한 수입해야 하는 액화천연가스(LNG) 등 화석연료발전들로 대부분의 첨두부하(Peak Load)를 해결하고 있는 우리나라의 전력계통을, 화석연료발전의 비중을 줄이면서 기후변화로 인해 야기된 전 세계적인 온실가스 감축요구를 충족시키는 방향으로, 개선해나갈 수 있게 만드는 효과를 제공한다.
그에 따라 본 발명은, 상기 효과들을 통해서, 우리 국토에서 그만큼 더 많은 이지에스(EGS)를 비롯하여 풍력 등 간헐성 재생에너지들을 활용하면서 재생에너지발전(Renewable Energy Power Generation)들을 펼칠 수 있게 만들어, 순수국산에너지만으로 생산해내는 전력의 량을 증대시켜, 우리나라의 에너지자급률을 높이고, 그만큼 에너지 수입과 온실가스 배출을 줄이게 만드는 효과를 제공한다.
본 발명의 전력공급시스템 및 방법에 따라, 우선적으로 매우 높은 발전단가가 들고 있는 경유발전 등으로 독립전력계통을 구성하고 있는 도서지역들에서 재생에너지발전들만으로 전력공급시스템들을 구축해서 상기한 효과들을 실현시켜 나가면, 장기간에 걸친 국가적 차원의 노력에도 불구하고 소기의 수준으로 높여지지 못하고 있는 재생에너지발전에 물꼬가 트일 것이고, 그에 따라 국가 전력계통이 축조돼 있는 지역들에서도 상기와 같은 전력공급시스템들을 구축해나갈 수 있게 될 것이다. 우리 국토에서, 상승하는 에너지가격과 병행하여 점점 더 깊게 시추하면서 심부지열에너지자원을 개발해서 이지에스(EGS)들을 조성하고, 풍력 등 간헐성 재생에너지들을 활용하면서, 상기와 같은 전력공급시스템들을 열심히 구축해나가면, 유·가스 가격 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, 상당한 일자리도 창출하면서, 선진국으로 올라서는 국부를 창출하는 효과를 얻게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 예를 개략적으로 보인 설명도 이다.
본 발명의 이지에스 지열발전소와 간헐성 재생에너지를 결합한 전력공급시스템 및 방법은, 해당 전력계통 지역의 최적지에 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems)를 조성해서 생산되는 지열수(Geothermal Fluid)를 열원(Heat Source)으로 이용하는 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)를 건설하되, "압축공기를 이용하는 이지에스 지열발전소 운용시스템 및 방법"(특허문헌 8)을 상기 이지에스 지열발전소에 결합시키는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 전력공급시스템 및 방법은, 상기 전력계통 지역의 최적지들에 재생에너지발전소(Renewable Energy Power Plant)들을 건설하고, 상기 재생에너지발전소들은 간헐성 재생에너지들을 이용하여 전력을 생산하되, 생산한 전력 중, 상기 전력계통이 수용할 수 있는 량의 전력은 상기 전력계통에 공급하고, 상기 전력계통이 수용할 수 없는 량의 전력은 상기 운용시스템 및 방법(특허문헌 8)에 따라 상기 이지에스 지열발전소에 설치된 공기압축기(Air Compressor)들을 가동하는데 사용되도록 상기 이지에스 지열발전소로 송전하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 전력공급시스템 및 방법은, 상기 재생에너지발전소를 건설하는 경우보다 더 비용효과적인 경우, 상기 재생에너지발전소 대신에 재생에너지공기압축소(Renewable Energy Air Compressor Station)들을 상기 전력계통 지역의 최적지들에 건설하고, 상기 재생에너지공기압축소들은 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들을 이용하여 발생시킨 구동력으로, 발전단계를 거치지 않고, 직접 별도의 공기압축기를 가동시켜 공기를 압축해서, 상기 운용시스템 및 방법(특허문헌 8)에 따라 상기 이지에스 지열발전소에 설치된 압축공기저장탱크(Compressed Air Storage Tank)들로 압축공기이송관을 통해 압축공기를 이송하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 전력공급시스템 및 방법은, 상기 압축공기저장탱크 주변에 압축공기발전소(Compressed Air Power Plant)를 설치하고, 상기 압축공기발전소는 상기 압축공기저장탱크(Compressed Air Storage Tank)들에 저장된 압축공기 중, 상기 이지에스 지열발전소를 운용하는데 필요한 량을 초과하는 잉여량의 압축공기(Compressed Air)를 이용하여 발전기와 연결된 에어터빈(Air Turbine) 등을 돌려 전력을 생산해서, 상기 전력계통에 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전력공급시스템 및 방법을 이용하여, 다음과 같이, 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)들과 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들을 결합하여, 해당 전력계통 지역에 전력공급시스템을 구축하고, 상기 전력계통에 안정적으로 전력을 공급한다.
(1) 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)들과 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들을 결합한 전력공급시스템을 설계한다.
해당 전력계통 지역에 있어서, 특히 독립전력계통 지역에 있어서, 전력수요의 추이(최저, 평균 및 최대부하 등), 상기 지역에서 건설가능한 이지에스 지열발전소들의 규모와 수, 비용효과적으로 활용가능한 간헐성 재생에너지들의 종류와 규모, 수용가능한 산림 등 환경의 훼손 정도 등 제반여건들을 면밀히 조사·분석하여, 양질의 간헐성 재생에너지들의 활용을 극대화하되 동시에 환경훼손을 최소화하도록 최적화하고, 또한 특히 독립전력계통에서는 전력수요를 충족시키면서 항시 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 최적화하여, 건설할 이지에스 지열발전소들의 규모와 수 및 상기 이지에스 지열발전소들에 결합시킬 간헐성 재생에너지들의 종류와 규모를 결정하고, 하기 (2)항 내지 (6)항에 설명된 시스템 및 방법을 참고하여, 도 1에 보인 예와 유사하게, 상기 전력공급시스템을 설계한다.
(2) 첫 번째 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)를 건설한다.
이지에스(EGS)를 조성해서 생산되는 지열수(Geothermal Fluid)를 열원(Heat Source)으로 이용하면서 전력을 생산하는 첫 번째 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)를 해당 전력계통 지역의 최적지에 건설한다.
상기 이지에스 지열발전소에 "압축공기를 이용하는 이지에스 지열발전소 운용시스템 및 방법"(특허문헌 8)을 결합시킨다. 그에 따라, 상기 이지에스 지열발전소에 필요한 용량과 수의 공기압축기(Air Compressor), 압축공기저장탱크(Compressed Air Storage Tank), 에어모터(Air Motor), 에어터빈(Air Turbine) 등 상기 운용시스템 및 방법(특허문헌 8)이 필요로 하는 설비들을 건설 및 설치하고, 전력생산이 필요한 때, 상기 압축공기저장탱크들에 저장된 압축공기를 회수해서, 상기 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)를 가동시키는데 필요한 각종 펌프 등 부속장치들을 구동시키는 에어모터, 에어터빈 등 압축공기로 구동되는 장치들에 압축공기를 공급하여, 상기 이지에스 지열발전소를 가동시키면서, 상기 이지에스 지열발전소에서 생산되는 전력을 상기 전력계통에 공급한다.
상기 운용시스템 및 방법(특허문헌 8)에서는, 압축공기저장탱크들에 저장된 압축공기를 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 즉, 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 필요한 각종 펌프 등 부속장치들을 구동시키는데 사용한다. 그렇게 함으로써, 지열발전으로 생산된 전력이 소내전력으로 소모되지 않게 만들어, 지열발전으로 생산된 전력 전량을 전력계통에 공급할 수 있게 만든다.
하지만 본 발명에서는, 압축공기저장탱크에 저장된 압축공기를, 상기와 같이 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 사용함은 물론, 이에 더하여, 뒤 (5)항에 설명된 바와 같이, 압축공기저장탱크에 저장해놓은 압축공기 중, 상기와 같이 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 필요한 량을 초과하는 잉여량의 압축공기를 사용하여 압축공기발전소(Compressed Air Power Plant)를 가동시키는데도 사용한다. 따라서 본 발명에서는, 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 필요한 량의 압축공기에 더하여, 압축공기발전소를 가동시키는데 필요한 량의 압축공기도 저장할 수 있는 용량으로 공기압축기들 및 압축공기저장탱크들을 설치한다.
본 발명에서, 뒤 (4)항에 설명된 재생에너지공기압축소들이 건설 및 설치되는 경우, 상기 재생에너지공기압축소들로부터 상당량의 압축공기를 공급받게 되므로, 상기와 같이 공급받는 량만큼 이지에스 지열발전소에 설치되는 공기압축기들의 용량은 축소될 수 있다.
상기 운용시스템 및 방법(특허문헌 8)에서는, 압축공기저장탱크들에 저장된 압축공기를 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 즉, 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 필요한 각종 펌프 등 부속장치들을 구동시키는데 사용한다. 그렇게 함으로써, 지열발전으로 생산된 전력이 소내전력으로 소모되지 않게 만들어, 지열발전으로 생산된 전력 전량을 전력계통에 공급할 수 있게 만든다.
하지만 본 발명에서는, 압축공기저장탱크에 저장된 압축공기를, 상기와 같이 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 사용함은 물론, 이에 더하여, 뒤 (5)항에 설명된 바와 같이, 압축공기저장탱크에 저장해놓은 압축공기 중, 상기와 같이 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 필요한 량을 초과하는 잉여량의 압축공기를 사용하여 압축공기발전소(Compressed Air Power Plant)를 가동시키는데도 사용한다. 따라서 본 발명에서는, 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 필요한 량의 압축공기에 더하여, 압축공기발전소를 가동시키는데 필요한 량의 압축공기도 저장할 수 있는 용량으로 공기압축기들 및 압축공기저장탱크들을 설치한다.
본 발명에서, 뒤 (4)항에 설명된 재생에너지공기압축소들이 건설 및 설치되는 경우, 상기 재생에너지공기압축소들로부터 상당량의 압축공기를 공급받게 되므로, 상기와 같이 공급받는 량만큼 이지에스 지열발전소에 설치되는 공기압축기들의 용량은 축소될 수 있다.
상기 압축공기저장탱크의 가장 바람직한 형태는, 특허문헌 8의 설명과 같이, 상기 압축공기저장탱크를 필요한 재질과 크기의 파이프(Pipe)로 구성하고, 상기 파이프(Pipe)가 상기 이지에스 지열발전소의 저수탱크에 저장돼 있는 지열수 또는 보충수탱크에 저장돼 있는 보충수 속에 잠겨 있게 설치되는 것이다.
상기 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)는, 이용하는 냉원(Heat Sink)에 따라, 심해수(DSW: Deep Sea Water)를 냉원으로 이용하는 이지에스·심해수 지열발전소(EGS·DSW Power Plant), 또는 일반 해수(SW: Sea Water)를 냉원으로 이용하는 이지에스·해수 지열발전소(EGS·SW Power Plant), 또는 통상의 냉원(수냉식, 냉각탑 또는 공랭식)을 이용하는 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)가 된다.
상기 지열발전소들의 건설 및 운용의 효율과 경제성을 더욱 향상시키기 위해 필요시 다음의 특허문헌들에 개시된 기술들을 적용한다.
- 공유수면 바닷가를 활용한 이지에스·심해수 지열발전소 건설시스템 및 방법(System and method of constructing EGS·DSW power plant utilizing seashore) : 특허문헌 11
- 해안도로변 해변을 활용한 이지에스·심해수 지열발전소 건설시스템 및 방법(System and method of constructing EGS·DSW power plant utilizing seaside adjacent to a coast road) : 특허문헌 15
- 타워크레인 마스트를 이용한 시추탑 축조시스템 및 방법(System and method of constructing drilling derrick utilizing tower crane mast) : 특허문헌 5
- 이지에스 웰 클러스터 시추시스템 및 방법(System and method for drilling EGS well cluster) : 특허문헌 10
- 이지에스·심해수 지열발전 웰 시추·파쇄시스템 및 방법(System and method for drilling and fracturing EGS·DSW power generation wells) : 특허문헌 12
- 경부하전력을 이용한 이지에스 조성시스템 및 방법(System and method of creating EGS utilizing off-peak power) : 특허문헌 4
- 구간별 주입정을 축조하는 이지에스 조성시스템 및 방법(System and method of creating EGS having zonal injection wells) : 특허문헌 6
- 이지에스 그룹 조성시스템 및 방법(System and method of creating EGS Group) : 특허문헌 7
- 단층대를 이용한 이지에스 그룹 조성시스템 및 방법(System and method of creating EGS Group utilizing fault zone) : 특허문헌 9
- 이지에스·심해수 지열발전소의 심해수 사이펀 웰 건설시스템 및 방법(System and method for constructing DSW siphon wells of EGS·DSW power plant) : 특허문헌 13
- 이지에스·심해수 지열발전소의 심해수 에어리프트시스템 및 방법(System and method for DSW air lift of EGS·DSW power plant) : 특허문헌 14
- 하천구역을 활용한 바이너리 지열발전시스템 및 방법(System and method of binary geothermal power generation utilizing river zone) : 특허문헌 2
- 경부하전력을 이용한 지열에너지 생산시스템 및 방법(System and method of producing geothermal energy utilizing off-peak power) : 특허문헌 3
(3) 재생에너지발전소(Renewable Energy Power Plant)들을 건설한다.
상기 재생에너지발전소들은 상기 전력계통 지역에서 비용효과적으로 이용할 수 있는 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들을, 예컨대 풍력, 태양광, 수력, 조력, 파력 등을 이용하여 전력을 생산하는 발전소들이다.
상기 (2)항의 이지에스 지열발전소와 결합시키기로 설계된 재생에너지발전소들을 상기 전력계통 지역의 최적지들에 건설하고 필요한 송전선을 설치한다.
상기 재생에너지발전소들이 생산한 전력 중, 상기 전력계통이 수용할 수 있는 량의 전력은 상기 전력계통에 직접 공급하고, 상기 전력계통이 수용할 수 없는 량의 전력은 상기 운용시스템 및 방법(특허문헌 8)에 따라 상기 이지에스 지열발전소에 설치된 공기압축기(Air Compressor)들을 가동하는데 사용되도록 상기 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)로 송전한다.
해당 재생에너지발전소가 생산한 전력의 간헐성 및 불규칙성이 심할수록, 또한 해당 독립전력계통의 총 전력수요가 작을수록, 상기 생산한 전력 중 이지에스 지열발전소로 송전해야 하는 량은 그만큼 더 커지게 된다. 상기 공기압축기를 가동하는데 있어선 전력의 간헐성 및 불규칙성은 별 어려움을 야기하지 않는다.
(4) 재생에너지공기압축소(Renewable Energy Air Compressor Station)들을 건설 및 설치한다.
상기 (3)항의 재생에너지발전소를 건설하는 경우보다 더 비용효과적인 경우, 상기 재생에너지발전소 대신에 재생에너지공기압축소들을 상기 전력계통 지역의 최적지들에 건설 및 설치한다.
상기 재생에너지공기압축소들은 상기 전력계통 지역에서 비용효과적으로 이용할 수 있는 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들을, 예컨대 풍력 등을 활용하여 발생시킨 구동력으로, 발전단계를 거치지 않고, 직접 별도의 공기압축기를 가동시켜 공기를 압축해서, 상기 운용시스템 및 방법(특허문헌 8)에 따라 상기 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)에 설치된 압축공기저장탱크(Compressed Air Storage Tank)들로 압축공기이송관을 통해 압축공기(Compressed Air)를 이송하는 설비들이다.
예컨대, 풍력으로 발생시킨 터빈(Turbine)의 회전력을 기아박스(Gear Box) 등 회전력전달장치를 이용하여 공기압축기(Air Compressor)에 직접 연결시켜 가동시키도록 건설 및 설치한다. 이렇게 함으로써, 풍력발전으로 생산한 전력으로 공기압축기와 연결된 전기모터를 구동시켜 공기를 압축하는 경우에 비해 에너지효율을 현저히 높일 수 있다.
상기 재생에너지공기압축소를 건설하는 경우, 상기 압축공기저장탱크까지 압축공기이송관을 매설해야 하므로, 그에 드는 비용 등을 조사하여, 상기 (3)항의 재생에너지발전소를 건설하는 경우보다 더 비용효과적인 지를 분석한다. 해당 전력계통 지역의 제반여건들과 활용하는 재생에너지들의 특성에 따라, 도 1의 예와 같이, 재생에너지발전소들과 재생에너지공기압축소들을 겸비할 수 있다.
(5) 압축공기발전소(Compressed Air Power Plant)를 설치한다.
상기 압축공기발전소는, 상기 압축공기저장탱크(Compressed Air Storage Tank) 주변에 설치되어, 상기 압축공기저장탱크들에 상기 (2)항 내지 (4)항에 설명된 시스템 및 방법에 따라 저장된 압축공기 중, 상기 이지에스 지열발전소를 운용하는데 필요한 량을 초과하는 잉여량의 압축공기(Compressed Air)를 이용하여 전력을 생산해서, 상기 전력계통에 공급하는 발전소다.
상기 압축공기발전소의 발전기(Electric Generator)들을 구동시키는 설비로는 필요에 따라 에어터빈(Air Turbine), 에어모터(Air Motor), 또는 터보팽창기(Turboexpander) 등을 사용할 수 있다.
상기 압축공기발전소는 상기 압축공기저장탱크에 이미 저장되어 있는 압축공기를 회수해서 발전하기 때문에, 상기 압축공기발전소의 발전기들의 기동성과 급전성은 비상발전기 수준이다. 그에 따라 첨두부하(Peak Load)전력은 물론 비상전력(Emergency Power)까지 생산할 수 있다.
(6) 후속 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)들을 건설한다.
상기 (2)항 내지 (5)항의 시스템 및 방법에 따라, 상기 (1)항에서 설계된 두 번째 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)를 건설하고, 상기 두 번째 이지에스 지열발전소와 결합시키기로 설계된 재생에너지발전소들, 재생에너지공기압축소들 및 압축공기발전소를 최적지들에 건설 및 설치한다.
상기한 시스템 및 방법에 따라, 상기 (1)항에서 설계된 전력공급시스템에서 필요로 하는 수의 이지에스 지열발전소들 및 상기 이지에스 지열발전소들과 결합시키기로 설계된 재생에너지발전소들, 재생에너지공기압축소들 및 압축공기발전소들을 최적지들에 차례대로 건설 및 설치하여 상기 전력공급시스템을 구축한다.
상기와 같이 구축되는 전력공급시스템은, 수력발전 수준의 기동성과 급전성을 지니면서 출력 조절이 가능하게 되어, 24시간 기저부하(Base Load)전력은 물론 중간부하 및 첨두부하(Peak Load)전력도 공급할 수 있게 된다. 특히 상기 압축공기발전소는 비상발전기 수준의 기동성과 급전성을 지니게 되어 첨두부하전력은 물론 비상전력까지 공급할 수 있게 된다. 그에 따라 독립전력계통의 경우, 전력수요 전부를 충족시키면서 항시 안정적으로 전력을 공급할 수 있게 된다.
도 1에 보인 본 발명의 전력공급시스템의 예는, 단순한 시스템으로서, 1개의 이지에스 지열발전소(2), 2개의 재생에너지발전소(5), 2개의 재생에너지공기압축소(6) 및 1개의 압축공기발전소(7)로 구성되었다.
상기 이지에스 지열발전소(2)는, 해당 전력계통 지역에 건설되어, 상기 이지에스 지열발전소(2)에 설치된 압축공기저장탱크(4)에 저장된 압축공기를 회수해서, 상기 이지에스 지열발전소(2)를 가동시키는데 필요한 각종 펌프 등 부속장치들을 구동시키는 에어모터(Air Motor), 에어터빈(Air Turbine) 등 압축공기로 구동되는 장치들에 압축공기를 공급하여 상기 이지에스 지열발전소(2)를 가동시키면서, 상기 이지에스 지열발전소(2)에서 생산되는 전력 전량을 전력계통(1)에 공급한다.
상기 재생에너지발전소(5)는, 상기 전력계통 지역에 건설되어, 풍력 등 간헐성 재생에너지를 이용하여 전력을 생산하면서, 이렇게 생산된 전력 중, 상기 전력계통(1)이 수용할 수 있는 량의 전력은 상기 전력계통(1)에 직접 공급하고, 생산되는 전력의 간헐성이나 불규칙성 등으로 인해 상기 전력계통(1)이 수용할 수 없는 량의 전력은 상기 이지에스 지열발전소(2)에 설치된 공기압축기(3)를 가동시키는데 사용되도록 상기 이지에스 지열발전소(2)로 송전한다. 상기 공기압축기(3)로 생산된 압축공기는 상기 압축공기저장탱크(4)에 저장된다.
상기 재생에너지공기압축소(6)는, 상기 전력계통 지역에 건설되어, 풍력 등 간헐성 재생에너지를 이용하여 상기 재생에너지공기압축소(6)에 설치된 별도의 공기압축기를 가동시켜 공기를 압축하고, 이렇게 생산된 압축공기는 압축공기이송관을 통해 이송되어 상기 압축공기저장탱크(4)에 저장된다.
상기 압축공기발전소(7)는, 상기 압축공기저장탱크(4) 주변에 설치되어, 상기 압축공기저장탱크(4)에 저장된 압축공기 중, 상기 이지에스 지열발전소(2)를 가동시키는데 필요한 량을 초과하는 잉여량의 압축공기를 사용하여 발전기와 연결된 에어터빈(Air Turbine) 등을 돌려 전력을 생산해서 상기 전력계통(1)에 공급한다.
도 1에 보인 본 발명의 전력공급시스템의 예는, 단순한 시스템으로서, 1개의 이지에스 지열발전소(2), 2개의 재생에너지발전소(5), 2개의 재생에너지공기압축소(6) 및 1개의 압축공기발전소(7)로 구성되었다.
상기 이지에스 지열발전소(2)는, 해당 전력계통 지역에 건설되어, 상기 이지에스 지열발전소(2)에 설치된 압축공기저장탱크(4)에 저장된 압축공기를 회수해서, 상기 이지에스 지열발전소(2)를 가동시키는데 필요한 각종 펌프 등 부속장치들을 구동시키는 에어모터(Air Motor), 에어터빈(Air Turbine) 등 압축공기로 구동되는 장치들에 압축공기를 공급하여 상기 이지에스 지열발전소(2)를 가동시키면서, 상기 이지에스 지열발전소(2)에서 생산되는 전력 전량을 전력계통(1)에 공급한다.
상기 재생에너지발전소(5)는, 상기 전력계통 지역에 건설되어, 풍력 등 간헐성 재생에너지를 이용하여 전력을 생산하면서, 이렇게 생산된 전력 중, 상기 전력계통(1)이 수용할 수 있는 량의 전력은 상기 전력계통(1)에 직접 공급하고, 생산되는 전력의 간헐성이나 불규칙성 등으로 인해 상기 전력계통(1)이 수용할 수 없는 량의 전력은 상기 이지에스 지열발전소(2)에 설치된 공기압축기(3)를 가동시키는데 사용되도록 상기 이지에스 지열발전소(2)로 송전한다. 상기 공기압축기(3)로 생산된 압축공기는 상기 압축공기저장탱크(4)에 저장된다.
상기 재생에너지공기압축소(6)는, 상기 전력계통 지역에 건설되어, 풍력 등 간헐성 재생에너지를 이용하여 상기 재생에너지공기압축소(6)에 설치된 별도의 공기압축기를 가동시켜 공기를 압축하고, 이렇게 생산된 압축공기는 압축공기이송관을 통해 이송되어 상기 압축공기저장탱크(4)에 저장된다.
상기 압축공기발전소(7)는, 상기 압축공기저장탱크(4) 주변에 설치되어, 상기 압축공기저장탱크(4)에 저장된 압축공기 중, 상기 이지에스 지열발전소(2)를 가동시키는데 필요한 량을 초과하는 잉여량의 압축공기를 사용하여 발전기와 연결된 에어터빈(Air Turbine) 등을 돌려 전력을 생산해서 상기 전력계통(1)에 공급한다.
독립전력계통 지역들에서, 상기한 시스템 및 방법에 따라 전력공급시스템들을 구축함으로써, 간헐성과 비급전성 및 환경훼손 등으로 인해 규모있는 재생에너지발전들을 이루지 못한 채, 매우 높은 발전단가가 들고 있는 경유발전 등으로 독립전력계통을 구성하고 있는 지역들에서, 예컨대 도서지역들에서, 산림 등 환경의 훼손을 최소화하면서, 재생에너지발전(Renewable Energy Power Generation)들만으로 전력공급시스템을 구축해서, 상기 경유발전 등을 재생에너지발전들로 대체하고, 상기 독립전력계통에 안정적으로 전력을 공급할 수 있게 된다.
또한, 국가 전력계통 지역들에서, 상기한 시스템 및 방법에 따라 전력공급시스템들을 구축함으로써, 국가 전력계통에 있어서 안정적인 전력공급을 이루면서 재생에너지발전의 비중을 높여나갈 수 있게 되고, 동시에 첨두부하전력을 생산함으로써, 화석연료발전의 비중이 매우 높고 또한 수입해야 하는 액화천연가스(LNG) 등 화석연료발전들로 대부분의 첨두부하(Peak Load)를 해결하고 있는 우리나라의 전력계통을, 화석연료발전의 비중을 줄이면서 기후변화로 인해 야기된 전 세계적인 온실가스 감축요구를 충족시키는 방향으로, 개선해나갈 수 있게 된다.
독립전력계통 지역들에서, 예컨대 도서지역들에서, 본 발명의 전력공급시스템 및 방법에 따라, 이지에스(EGS)를 비롯하여 풍력 등 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들을 활용하면서, 다음과 같이 전력공급시스템들을 구축해나감으로써, 기대효과를 극대화할 수 있다.
이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)는, 이용하는 냉원(Heat Sink)에 따라, 심해수(DSW: Deep Sea Water)를 냉원으로 이용하는 이지에스·심해수 지열발전소(EGS·DSW Power Plant), 또는 일반 해수(SW: Sea Water)를 냉원으로 이용하는 이지에스·해수 지열발전소(EGS·SW Power Plant), 또는 통상의 냉원(수냉식, 냉각탑 또는 공랭식)을 이용하는 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)로 분류된다.
이지에스·심해수 지열발전소(EGS·DSW Power Plant)의 경제성이 가장 우수하므로, 우선적으로 저온의 심해수(DSW: Deep Sea Water)를 취수할 수 있는 동해(東海)의 울릉도에, 특허문헌 11 또는 특허문헌 15의 지열발전소 건설시스템 및 방법을 이용하여, 이지에스·심해수 지열발전소(EGS·DSW Power Plant)들과 풍력 등 간헐성 재생에너지들을 결합시켜 전력공급시스템을 구축한다.
동해(東海)의 울릉도에 이어, 저온의 심해수는 없지만 거의 무한량의 일반 해수(SW: Sea Water)가 부존돼 있는 서해(西海)와 남해(南海)의 흑산도, 백령도 등 도서지역들에, 특허문헌 11 또는 특허문헌 15의 지열발전소 건설시스템 및 방법을 이용하여, 이지에스·해수 지열발전소(EGS·SW Power Plant)들과 풍력 등 간헐성 재생에너지들을 결합시켜 전력공급시스템들을 구축해나간다.
상기한 구축과 병행하여, 해안과 멀리 떨어져 있지만 양질의 심부지열에너지자원과 풍력 등 간헐성 재생에너지들이 부존돼 있고 또한 우수한 입지조건을 지니고 있는 상기 도서지역들의 내륙지역들에 통상의 냉원(수냉식, 냉각탑 또는 공랭식)을 이용하는 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)들과 풍력 등 간헐성 재생에너지들을 결합시켜 전력공급시스템들을 구축해나갈 수 있다.
상기와 같이, 풍력 등 양질의 재생에너지들이 부존돼 있음에도 불구하고, 간헐성과 비급전성 및 환경훼손 등으로 인해 규모있는 재생에너지발전들을 이루지 못한 채, 매우 높은 발전단가가 들고 있는 경유발전 등으로 독립전력계통을 구성하고 있는 동해(東海), 서해(西海) 및 남해(南海)의 도서지역들에서, 재생에너지발전들만으로 전력공급시스템들을 구축해서 전술한 효과들을 실현시켜 나가면, 장기간에 걸친 국가적 차원의 노력에도 불구하고 소기의 수준으로 높여지지 못하고 있는 재생에너지발전에 물꼬가 트일 것이고, 그에 따라 국가 전력계통이 축조돼 있는 지역들에서도, 상기와 같은 전력공급시스템들을 구축해나갈 수 있게 될 것이다.
국가 전력계통 지역들에서는, 본 발명의 전력공급시스템 및 방법에 따라, 이지에스(EGS)를 비롯하여 풍력 등 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)들을 활용하면서, 다음과 같이 전력공급시스템들을 구축해나감으로써, 기대효과를 극대화할 수 있다.
이지에스·심해수 지열발전소(EGS·DSW Power Plant)의 경제성이 가장 우수하므로, 일차적으로 저온의 심해수(DSW: Deep Sea Water)를 취수할 수 있는 동해(東海)의 해안지역들에, 특허문헌 11 또는 특허문헌 15의 지열발전소 건설시스템 및 방법을 이용하여, 이지에스·심해수 지열발전소(EGS·DSW Power Plant)들과 풍력 등 간헐성 재생에너지들을 결합시켜 전력공급시스템들을 구축해나간다.
상기한 구축에 이어, 심해수 취수가 어려운 동해(東海)의 해안지역들 및 서해(西海)와 남해(南海)의 해안지역들에, 특허문헌 11 또는 특허문헌 15의 지열발전소 건설시스템 및 방법을 이용하여, 이지에스·해수 지열발전소(EGS·SW Power Plant)들과 풍력 등 간헐성 재생에너지들을 결합시켜 전력공급시스템들을 구축해나간다.
상기한 구축과 병행하여, 해안과 멀리 떨어져 있지만 양질의 심부지열에너지자원과 풍력 등 간헐성 재생에너지들이 부존돼 있고 또한 우수한 입지조건을 지니고 있는 내륙지역들에 통상의 냉원(수냉식, 냉각탑 또는 공랭식)을 이용하는 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)들과 풍력 등 간헐성 재생에너지들을 결합시켜 전력공급시스템들을 구축해나간다.
1개의 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems)는 특성에 따라 연직방향으로 수백m 내지 1km 정도 두께의 암층에 부존돼 있는 지열을 생산해낼 수 있다. 따라서 동일한 지역에서 다수의 이지에스(EGS)들을 층층이 조성하게 된다. 예컨대, 지하 3km부터 3.5km까지 구간에 이지에스(EGS) 1을, 지하 3.5km부터 4km까지 구간에 이지에스(EGS) 2를, 지하 4km부터 4.5km까지 구간에 이지에스(EGS) 3을, 지하 4.5km부터 5km까지 구간에 이지에스(EGS) 4를 조성하는 시스템으로, 점진적으로 보다 더 깊은 암층으로 확장하며 이지에스(EGS)들을 조성해나간다.
그런데, 심부시추(Deep Drilling)의 비용과 리스크(Risk)는 심도가 깊어질수록 기하급수적으로 커지게 된다. 또한, 우리 국토에서는 심도 3km 이상의 지열수 생산정(Production Well)을 시추한 적이 아직 없다. 또한, 우리 국토에서 최초의 이지에스(EGS)를 조성하고 후속 이지에스(EGS)들을 조성·개척해나가는 특히 초기단계에서는, 향후 널리 상업화되는 단계에 비해 훨씬 더 높은 시추비용이 들게 된다.
상기 사실들을 감안할 때, 우리 국토에서 펼치는 상기 초기단계에서는 가능한 한 낮은 심도에, 예컨대 대략 지하 3km부터 3.5km까지 구간에, 이지에스(EGS)를 조성하는 것이 바람직하다. 우리 국토에서 시추 및 이지에스(EGS) 조성 실적을 쌓아 가면서, 또한 에너지가격이 상승함에 따라서, 점진적으로 보다 더 깊은 암층으로 시추하면서 이지에스(EGS)들을 조성해나갈 수 있다.
우리 국토에서, 상승하는 에너지가격과 병행하여 점점 더 깊게 시추하면서 심부지열에너지자원을 개발해서 이지에스(EGS)들을 조성하고, 풍력 등 간헐성 재생에너지들을 활용하면서, 상기와 같은 전력공급시스템들을 열심히 구축해나가면, 유·가스 가격 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, 상당한 일자리도 창출하면서, 선진국으로 올라서는 국부를 창출하게 될 것이다.
1 : 독립전력계통 또는 국가 전력계통(電力系統)
2 : 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems)를 조성해서 생산되는 지열수를 열원으로 이용하는 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)
3 : 상기 지열발전소의 공기압축기(Air Compressor)
4 : 상기 지열발전소의 압축공기저장탱크(Compressed Air Storage Tank)
5 : 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)를 이용하여 전력을 생산하는 재생에너지발전소(Renewable Energy Power Plant)
6 : 간헐성 재생에너지를 이용하여 발생시킨 구동력으로 직접 공기압축기를 가동시키는 재생에너지공기압축소(Renewable Energy Air Compressor Station)
7 : 상기 압축공기저장탱크에 저장된 압축공기 중, 잉여량을 이용하여 전력을 생산하는 압축공기발전소(Compressed Air Power Plant)
2 : 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal Systems)를 조성해서 생산되는 지열수를 열원으로 이용하는 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)
3 : 상기 지열발전소의 공기압축기(Air Compressor)
4 : 상기 지열발전소의 압축공기저장탱크(Compressed Air Storage Tank)
5 : 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)를 이용하여 전력을 생산하는 재생에너지발전소(Renewable Energy Power Plant)
6 : 간헐성 재생에너지를 이용하여 발생시킨 구동력으로 직접 공기압축기를 가동시키는 재생에너지공기압축소(Renewable Energy Air Compressor Station)
7 : 상기 압축공기저장탱크에 저장된 압축공기 중, 잉여량을 이용하여 전력을 생산하는 압축공기발전소(Compressed Air Power Plant)
Claims (1)
- 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant)와 간헐성 재생에너지(Intermittent Renewable Energy)를 결합한 전력공급시스템에 있어서,
하기 이지에스 지열발전소에서 생산한 전력을 해당 전력계통에 공급하도록, 상기 전력계통이 구축돼 있는 지역에 건설되는 이지에스 지열발전소(EGS Power Plant);
상기 이지에스 지열발전소에 "압축공기를 이용하는 이지에스 지열발전소 운용시스템 및 방법"(특허문헌 8)을 결합시키고, 그에 따라 하기 압축공기저장탱크들, 공기압축기들, 에어모터(Air Motor), 에어터빈(Air Turbine) 등 상기 운용시스템 및 방법(특허문헌 8)이 필요로 하는 설비들을 상기 이지에스 지열발전소에 건설 및 설치한 후, 전력생산이 필요한 때, 하기 압축공기저장탱크들에 저장된 압축공기를 회수해서 상기 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 필요한 각종 펌프(Pump) 등 부속장치들을 구동시키는 상기 에어모터, 에어터빈 등 압축공기로 구동되는 장치들에 압축공기를 공급하여 상기 이지에스 지열발전소를 가동시키되, 하기 압축공기발전소를 가동시키는데 필요한 량의 압축공기도 저장할 수 있는 용량으로 설치되는 압축공기저장탱크(Compressed Air Storage Tank)들 및 압축공기를 생산해서 상기 압축공기저장탱크들에 저장하는 공기압축기(Air Compressor)들;
하기 재생에너지발전소들에서 풍력에너지 등 간헐성 재생에너지를 이용하여 생산한 전력 중, 상기 전력계통이 수용할 수 있는 량의 전력은 상기 전력계통에 직접 공급하고, 생산한 전력의 간헐성과 불규칙성 등으로 인하여 상기 전력계통이 수용할 수 없는 량의 전력은 상기 공기압축기들을 가동시키는데 사용하기 위해 상기 이지에스 지열발전소로 송전하도록, 상기 전력계통이 구축돼 있는 지역에 건설되는 재생에너지발전소(Renewable Energy Power Plant)들;
상기 재생에너지발전소를 건설하는 경우보다 더 비용효과적인 경우, 상기 재생에너지발전소 대신에 건설되는 하기 재생에너지공기압축소들에서 간헐성 재생에너지를 이용하여 발생시킨 구동력으로, 발전단계를 거치지 않고, 하기 재생에너지공기압축소들에 설치된 별도의 공기압축기들을 가동시켜 생산한 압축공기를 압축공기이송관들을 통해 상기 압축공기저장탱크들로 이송하도록, 상기 전력계통이 구축돼 있는 지역에 건설되는 재생에너지공기압축소(Renewable Energy Air Compressor Station)들; 및
하기 압축공기발전소에서, 상기 압축공기저장탱크들에 저장된 압축공기 중, 상기 이지에스 지열발전소를 가동시키는데 필요한 량을 초과하는 잉여량의 압축공기를 사용하여 발전기와 연결된 에어터빈(Air Turbine) 등을 돌려 전력을 생산해서 상기 전력계통에 공급하도록, 상기 압축공기저장탱크들 주변에 설치되는 압축공기발전소(Compressed Air Power Plant);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이지에스 지열발전소와 간헐성 재생에너지를 결합한 전력공급시스템.
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