KR20090119118A

KR20090119118A - 심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법

Info

Publication number: KR20090119118A
Application number: KR1020080044966A
Authority: KR
Inventors: 이시우
Original assignee: 이시우
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2009-11-19

Abstract

본 발명은 심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 열원(Heat Source)으로는 심해수와 근거리 위치에서 생산되는 지열수(Geothermal Fluid)를 이용하고, 냉원(Heat Sink)으로는 저온이며 거의 무한량인 심해수(Deep Seawater)를 이용함으로서, 열원과 냉원의 온도차를 증대시키고, 다단의 계단폭포식 바이너리 발전(Cascaded Binary Power Generation)을 이루게 만들어, 발전효율과 용량을 향상시키고 시추비를 절감시키며, 더불어 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal System)가 필요한 경우 역시 거의 무한량인 표층해수(Surface Seawater)를 이용하여 이지에스(EGS)를 조성함으로서, 다량의 지열수 생산과 그에 따라 다량의 발전을 이루게 만드는 바이너리(Binary) 지열발전방법에 관한 것이다.

무한에 가까운 규모이며 영토 안에 부존돼 있는 지열에너지를 열원으로 이용하는 바이너리 지열발전은 장점이 많은 지속가능한 청정 재생에너지 발전으로서, 에너지 및 기후변화 문제에 대한 해결책으로 떠오르고 있는데도, 우리나라에서는 안타깝게도 전혀 이루지 못해 왔는데, 본 발명은, 발전효율과 용량을 현저히 향상시키고 시추비를 현저히 절감시키는 효과 등을 통해서, 종래의 지열발전방법으로는 개발가치가 없어 방치되고 있는 특히 우리나라 동해안지역에 부존된 지열에너지자원을 활용하여 실익 있는 바이너리 지열발전을 이루게 만드는 효과를 제공하며, 더불어 잉여열을 난방, 농어업 등에 이용하는 효과도 있고, 해양심층수관련 산업과 연계해서 개발함으로서 양측 산업 모두의 경제성을 향상시키는 효과를 제공한다.

계단폭포식, 고온암체, 바이너리, 심해수, 에치디알, 이지에스, 지열발전, 지열수, 표층해수

Description

심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법{Method of binary geothermal power generation using deep seawater}

우리가 살고 있는 지구는, 문헌 2의 Figure 1과 같이, 지표로부터 중심까지의 거리가 거의 6,500km로서, 지하로 들어갈수록 온도는 점점 더 올라가, 중심부에선 약 7,000℃에 이르는 것으로 알려져 있다. 지구는 실로 무한에 가까운 막대한 지열에너지(Geothermal Energy)를 지니고 있다.

전 지구적으로 지속적인 유가상승과 공급불안 및 기후변화에 대한 대응책 마련이 시급해지면서, 유망한 해결책으로, 무한에 가까운 규모이고 지속가능한 재생에너지이며 각 나라 영토 안에 부존돼 있는 지열에너지가 떠오르고 있다.

지열에너지는 수증기나 지열수의 형태로 생산된다. 고온(＞150℃; 지표기준)의 수증기나 지열수는 주로 지열발전(Geothermal Power Generation)에 이용되고, 중·저온(＜150℃)의 지열에너지는, 문헌 2의 Figure 10의 설명과 같이, 온도에 따라 바이너리(Binary) 지열발전, 온천, 온실, 건물 난방 등 다양한 용도로 이용된다.

1904년 이태리(Italy)의 Larderello에서 세계 최초로 지열발전이 실시된 이래 오늘날 20여개 나라에서 거의 10,000 MW(메가와트: 백만 와트)에 달하는 여러 형태의 지열발전이 이뤄지고 있다.

종래의 지열발전방법은, 문헌 1의 제7장 및 문헌 2의 Electricity Generation에서 보는 바와 같이, 크게 3가지로 분류된다. 즉, (1) 건조증기(Dry Steam), 플래시증기(Flash Steam) 및 바이너리(Binary) 지열발전방법이다.

건조증기(Dry Steam) 지열발전방법은, 건조한 고압의 수증기가 생산되는 경우에 이용된다. 생산된 수증기로 직접 터빈(Turbine)을 돌려 발전하는 방법이다.

플래시증기(Flash Steam) 지열발전방법은, 고온의 지열수(Geothermal Fluid)가 생산되는 경우에 이용된다. 압력을 지닌 고온의 지열수를 저압탱크 안으로 분무하면 플래시(순간 증발)되고, 그 수증기로 터빈을 돌려 발전하는 방법이다.

바이너리(Binary) 지열발전방법은, 생산된 지열수의 온도가 상기한 방법을 이용하기에 충분하지 못한 경우나 또는 환경오염을 피해야 할 경우에 이용된다.

바이너리 지열발전방법은 기본적으로 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle)에 의한 것으로, 도 1과 문헌 1의 Figure 7.1 및 문헌 4의 on-line 전시에서 보는 바와 같이, 열원(Heat Source)인 지열수를 제1의 매체로 하고, 물보다 훨씬 더 낮은 온도에서 증발이 일어나는 아이소펜테인 같은 제2의 유기매체를 작동유체로 사용하여, 지열수와 작동유체가 직접 접촉함이 없이 열교환기인 증발기(Vaporizer)를 통과하면서, 지열수의 열에 의해 작동유체가 증발하게 되고, 그 증기로 터빈을 돌려 발전하게 된다. 터빈을 통과한 증기상태의 작동유체는 공랭식 또는 수냉식 열교환기인 응축기(Condenser)를 통과하면서 액체상태로 응축되어 펌프에 의해 다시 증발기로 보내지게 된다. 즉, 작동유체는 밀폐된 순환시스템(Closed Loop System) 안에서만 순환하며, 지열수와 작동유체가 2원(元)의 사이클(Binary Cycle)을 이룬다. 이상과 같이 작동하는 관계로 바이너리(Binary) 발전방법을 이용하면 중·저온의 지열수(＜150℃; 지표기준)로도 발전할 수 있으며 환경오염을 피할 수 있다.

바이너리 지열발전은, 기상조건에 상관없이 발전할 수 있으며, 밀폐된 순환시스템 안에서 작동됨으로 환경오염이 없고 소음이 낮으며, 대부분의 시설이 지하에 조성되고 지표시설은 소규모로 매우 환경친화적이며, 운전이 단순하고 시동 및 정지가 간단 용이하여 고부하 시간대에 맞추어 발전할 수도 있고, 기존 발전플랜트들에서 95％이상에 달하는 가동률을 발휘하고 있으며, 중·소형으로 모듈(Module)화 할 수 있어 점증적으로 모듈을 추가해나가는 방식으로 개발을 분산형으로 확장 해나감으로서 위험부담을 최소화하고 경제성을 극대화할 수 있으며 정비 등으로 인한 가동률 손실을 최소화 할 수 있고, 높은 수준의 국산화율을 확보할 수 있으며, 온실가스 감축효과도 얻을 수 있는 등, 장점이 많은 지속가능한 청정 재생에너지 발전이다.

지구상에서 지금까지 개발된 지열발전은 대부분 화산활동 등으로 인해 고온의 지열에너지가 특이하게 낮은 깊이에 부존된 지역에서 생산되는 고온의 수증기나 지열수를 이용한 것으로, 이 같은 유형의 지열에너지자원은 규모에 한계가 있다.

하지만, 위와 같은 특이한 지역이 아니더라도, 지구상 어디에서나 지하로 들어갈수록 온도는 점점 더 올라감으로, 사실상 고온의 지열에너지는 지구상 어느 지점에나 지하에 부존돼 있다. 물론 대한민국 영토 안에도 어느 지점에나 지하에 부존돼 있다. 다만, 지금까지 지열발전에 이용된 고온의 지열에너지보다 깊은 암층에 부존돼 있고, 지역에 따라 부존심도가 다를 수 있을 뿐이다. 예컨대, 외국의 한 지역에 200℃의 지열에너지가 지표로부터 4km 깊이에 부존돼 있다면, 우리나라의 한 지역에는 200℃의 지열에너지가 지표로부터 5km 깊이에 부존돼 있을 수 있다. 이 같은 유형의 지열에너지자원은 규모가 거의 무한에 가깝다.

얼마나 깊은 암층까지 개발할 수 있을지를 결정하는 핵심요소는 개발시점의 에너지 가격과 시추관련 기술 및 비용이다.

바람직하게는 먼저 낮은 깊이의 암층을 개발하며 관련기술을 향상시키고, 에너지 가격이 상승함에 따라 점점 더 깊은 암층으로 개발을 확대하는 것인데, 낮은 깊이의 암층에서 생산해낼 수 있는 지열수의 온도는 일반적으로 중·저온(＜150℃; 지표기준)이다. 따라서 바이너리(Binary) 지열발전방법을 이용하게 된다.

근년에 이르러 다수의 국제적인 에너지전문가들이 중·저온의 지열자원을 개발해서 지열발전을 함으로서 전 세계가 당면하고 있는 에너지 및 기후변화 문제를 해결할 수 있다고 제안하고 있다. 최근의 구체적인 제안을 담은 보고서로는, MIT(Massachusetts Institute of Technology)가 미국 정부로부터 용역을 받아 18인의 전문가로 팀을 구성해서 심도 깊은 연구를 통해 2007년 1월에 발표한 문헌 1의 '지열에너지의 미래(The Future of Geothermal Energy)'를 들 수 있다.

위 MIT 보고서의 핵심요지는, 실익 있는 지열발전을 할 수 있는 지열에너지의 온도 하한선을 150℃(심부암층의 온도)로 설정하고, 미국 영토 내 지하 3km부터 10km까지의 구간에 부존된 150℃ 이상의 지열에너지자원을 파악하였으며, 그 자원의 규모는 2005년도 미국의 총 에너지소비량인 100 EJ(Exa Joules: 10의 18승 줄)의 14만 배인 14백만 EJ에 달하는 막대한 량이며, 이지에스(EGS) 조성 등을 통해 그 중 2％만 생산해낸다고 매우 보수적으로 평가하더라도, 전기에너지생산량은 2005년도 미국의 총 에너지소비량인 100 EJ의 2,800배인 28만 EJ에 달한다는 것이며, 고품위의 지열에너지자원부터 개발하여 2050년까지 100,000 MW(메가와트: 백만 와트)를 생산하도록 추진하라고 미국 정부에 권고한 것이다.

위 MIT 보고서에 언급된 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal System)란, 문헌 1의 Figure 1.1에 설명된 바와 같이, 심부에 고온의 지열에너지는 존재하지만, 생산정(Production Well)을 시추하여도 지열발전에 필요한 량의 지열수가 생산되지 못하는 경우, 주입정(Injection Well)과 생산정을 적당한 거리(예, 1km)를 두고 시 추하고, 수압파쇄기술을 이용하여 심부암층에 주입정과 생산정 간을 연결하는 인공적인 파쇄대(Fracture Zone)를 생성시켜서, 주입정으로 주입한 물이 파쇄대를 통과하면서 암층의 열에 의해 가열되게 하고, 가열된 지열수를 생산정을 통해 취수하여 지열발전에 이용하도록 공학적으로 조성한 지열에너지 생산시스템을 의미한다.

개발초기에는 에치디알(HDR: Hot Dry Rock: 고온 암체) 시스템이라고 불리다가 의미가 개량되면서 이지에스(EGS)라는 명칭을 갖게 되었으며, 이 기술은 미국 로스 알라모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)에서 1970년대 초 미국 원자력에너지위원회(U.S. Atomic Energy Commission)로부터 용역을 받아 개발되었으며, 문헌 3의 미국 특허로 1974년에 공개된 이래, 문헌 1의 제4장에 기술된 바와 같이 미국, 영국, 프랑스, 일본, 독일, 스위스, 스웨덴, 호주 등 여러 나라에서 다양한 형태로 실시되며 개량돼 왔다.

위 MIT 보고서에서 실익 있는 종래의 바이너리 발전을 하기 위해 필요한 지열에너지의 온도 하한선을 150℃(심부암층의 온도)로 설정한 이유를 살펴본다.

바이너리 발전에는 2개의 에너지원 즉, 열원(Hot or Heat Source)과 냉원(Cold Source or Heat Sink)이 필요한데, 종래의 바이너리 지열발전방법은 지열수를 열원으로 이용하여 증발기를 가열하고, 공랭(Air-Cooling) 또는 수냉(Water-Cooling)방식을 냉원으로 하여 응축기를 냉각시킨다. 기본적으로 발전효율(Heat-to-Power Efficiency)은 열원과 냉원의 온도차에 의해 결정된다.

인근에 강이나 연못 같은 수원(水源)이 있어 물을 끌어 순환시키거나 또는 수량이 부족할 경우에는 냉각탑(Cooling Tower)을 설치해서 냉각수를 순환시키는 수냉식이 냉각온도도 낮고 냉각효율도 훨씬 더 높지만, 지열수가 생산되는 지역에 수원이 없는 경우가 많아 공랭식이 널리 이용되고 있다. 공랭식의 경우 전기의 가치가 높아지는 여름철에 대기온도 상승에 따라 냉각온도가 올라가고 발전효율이 크게 떨어져 무더운 지역에서는 발전량이 40％이상까지 감소하는 손실을 입게 된다.

150℃의 심부암층에 이지에스(EGS)를 조성하면, 결과에 따라 지표에서는 110℃ 내외의 지열수를 얻을 수 있다. 110℃ 지열수(열원)의 경우, 여름철 응축기를 40℃로 유지하는 공랭식을 냉원으로 이용하는 종래의 바이너리 지열발전방법에서, 열원과 냉원의 온도차는 약 70℃가 된다. 온도차가 최소한 이 정도는 되어야 심부암층에 이지에스(EGS)를 조성하는 등 상당한 투자를 하고서도 실익을 거둘 수 있는 바이너리 지열발전이 가능하다고 본 것이다.

우리나라는, 에너지자급율이 3％대로 낮아, 소요에너지의 97％를 수입에 의존해야 하는데, 유가는 계속 오르고 있고, 설상가상으로 '기후변화에 관한 UN협약'에 따라 세계 10위권의 온실가스 배출국인 관계로 온실가스 감축의무 압력이 가중되고 있어 에너지상황은 더욱 더 어려워지는 방향으로 옥죄이고 있는데, 이 같은 심각한 어려움에 직면해 있는 우리나라에게야말로 국내에서 상당규모의 경제성 있는 바이너리 지열발전이 가능하게 된다면 어려움 타개에 획기적인 전기가 마련될 수 있을 터인데, 안타깝게도 우리나라에 부존된 지열에너지자원은 종래의 지열발전방법으로는 개발가치가 없는 것으로 평가되어 방치되고 있다.

그렇다면 우리나라에 부존된 지열에너지자원과 종래의 바이너리 지열발전방법 및 심부시추, 이지에스(EGS) 등 관련기술에는 어떤 문제점들이 있어서 개발가치 가 없는 것으로 평가되고 있는지 살펴본다.

우리나라에서, 문헌 5의 그림 3.2.8.과 같이, 지열류량(Heat Flow)이 비교적 양호한 포항시 흥해읍 일원에서 2km 깊이의 시추를 실시하여 측정한 바에 의하면, 문헌 6의 그림 3.2.21.과 같이, 지하 2km 암층의 온도는 약 83℃이고, 지온증가율은 하부구간에서 30 내지 70℃/km를 보이고 있다. 이상의 자료를 근거로 하여 보수적으로 예측해보면, 위 지역에서는 지하 3km에서 약 115℃, 4km에서 약 150℃ 및 5km에서 약 190℃를 기대할 수 있다.

즉, 상기 MIT 보고서에서 실익 있는 종래의 바이너리 지열발전을 하기 위해 필요한 지열에너지의 온도 하한선으로 설정한 150℃의 지열에너지는 위 포항 인근 동해안지역에서는 지하 4km 정도에서 기대할 수 있다.

그런데, 심부시추(Deep Drilling)에 필요한 기술수준과 비용은 시추심도에 따라 기하급수적으로 높아진다. 예컨대, 4km 시추비용은 3km 시추비용의 2배가 넘고, 5km 시추비용은 4km 시추비용의 2배가 넘을 수 있다. 즉, 지하 3km부터 4km까지의 1km 구간을 시추하는데 드는 비용이 지표로부터 3km까지 시추하는데 드는 비용보다 크고, 지하 4km부터 5km까지의 1km 구간을 시추하는데 드는 비용이 지표로부터 4km까지 시추하는데 드는 비용보다 클 수 있다.

지열생산정 시추비(Drilling·Completion Cost)는, 문헌 1의 Figure 6.1의 실제 소요된 비용(HDR/EGS Actual; 2004년도 기준)들에 근거하여 하한선으로 추산해보더라도, 3km 깊이가 U＄500만, 4km 깊이가 U＄1,000만 정도에 달한다.

위와 같이 지열생산정 시추비가 높은 수준인데다 시추심도에 따라 기하급수 적으로 높아진다는 사실에 더하여, 국내 육상에선 3km를 넘는 유·가스나 지열생산정을 시추한 경험이 없다는 사실을 감안할 때, 국내 제 1단계 지열발전 개발목표를 3km보다 깊게 삼기에는 기술과 비용 양면에서 무리가 따를 것으로 보인다.

초기단계에는 기술과 비용 양면에서 부담이 보다 적은 자원부터 개발하면서, 저비용·고효율의 심부시추기술 등 관련기술을 개발·확보하고 정예의 국내기술진을 양성하여 국산화율을 높은 수준으로 끌어올리면서, 점진적으로 보다 높은 수준의 기술과 비용을 요하는 자원으로 확대·개발해나가야, 국내 여러 지역에 다양하게 부존된 지열자원들을 보다 많이 성공적으로 개발해낼 수 있을 것으로 보인다.

그렇다면, 바람직한 국내 제 1단계 지열발전 개발목표는 지하 3km 정도가 되겠는데, 3km에서는 상술한 바와 같이 약 115℃의 지열에너지를 기대할 수 있다. 하지만, 115℃는 상기한 MIT 보고서에서 실익이 있는 종래의 바이너리 지열발전을 하기 위해 필요한 지열에너지의 온도 하한선으로 설정한 150℃ 보다 35℃가 낮다.

종래기술의 문헌정보

[문헌 1] MIT(Massachusetts Institute of Technology) 보고서:

The Future of Geothermal Energy - Impact of Enhanced Geothermal Systems(EGS) on the United States in the 21st Century, an assessment by an MIT-led interdisciplinary panel(2006).

[on-line: http://www1.eere.energy.gov/geothermal/egs_technology.html ]

[문헌 2] Mary H. Dickson and Mario Fanelli, Istituto di Geoscienze e Georisorse, CNR, Pisa, Italy. (2004). What is Geothermal Energy?

[on-line: http://iga.igg.cnr.it/geo/geoenergy.php (geothermal energy)]

[문헌 3] US Patent 3,786,858: "Method of Extracting Heat from Dry Geothermal Reservoirs", Potter, R.M., Robinson, E.S. and Smith, M.C. (1974. 01. 22.)

[문헌 4] On-Line Demonstration : Air-Cooled-Binary-Geothermal-Power-Plant

[http://www.ormat.com/our-businesses/geothermal-power/our-technologies/power-plant-configurations/ (Binary Power Plants ---＞ See a demonstration)]

[문헌 5] 지열자원 부존특성 규명 및 활용기반기술 연구(2005), 한국지질자원연구원

[on-line: http://www.kigam.re.kr/ (연구성과 --＞ 연구보고서)]

[문헌 6] 심부지열에너지 개발사업(2006), 한국지질자원연구원

[on-line: http://www.kigam.re.kr/ (연구성과 --＞ 연구보고서)]

[문헌 7] US Patent 4,578,953: "Cascaded power plant using low and medium temperature source fluid", Krieger, et al.(1986. 04. 01)

우리나라의 제 1단계 지열발전 개발목표로 바람직한 지하 3km에서 기대할 수 있는 약 115℃의 암층에 이지에스(EGS)를 조성하면, 결과에 따라 지표에서는 75℃ 내외의 지열수(Geothermal Fluid)를 얻을 수 있다.

75℃ 지열수(열원)의 경우, 여름철 응축기를 40℃로 유지하는 공랭식을 냉원으로 이용하는 종래의 바이너리 지열발전방법에서, 열원과 냉원의 온도차는 약 35℃ 밖에 되지 못한다. 이 같이 작은 온도차로는 발전효율이 너무 낮아 바이너리 지열발전을 통해 실익을 거둘 수 없어 결국 개발가치가 없게 되는 것이다.

위와 같은 작은 온도차 문제에 더하여, 이지에스(EGS)를 조성해서 필요량의 지열수를 생산하기 위해서는 다량의 물을 공급해야 하는 문제가 따른다.

75℃의 지열수(열원)에 냉원이 5℃일 경우 발전효율은 약 8％가 된다. 8％의 발전효율로 발전용량을 높이기 위해서는 지열수의 유량을 높여야 한다. 그를 위해선 다량의 물을 이지에스(EGS)에 주입·순환시켜야 한다. 위 경우 1 MW 발전을 위해서는 시간당 약 500톤의 75℃ 지열수를 증발기에 공급해야 한다. 다량의 지열수를 생산하는 이지에스를 조성하기 위해서는 생산 개시 이전에 먼저 이지에스의 특성에 따라서는 수백만 톤 이상에 달할 수도 있는 다량의 물을 주입해야 한다. 다량의 지열수 생산을 계속하기 위해 주입수(Injection Water)를 계속 보충해야 할 경우도 생긴다. 즉, 다량의 물을 공급할 수 없다면, 원하는 규모와 수의 이지에스(EGS)를 조성할 수가 없고, 따라서 원하는 바이너리(Binary) 지열발전을 이룰 수 없다.

이에, 상기한 기술적 문제들을 해결해서, 국내 제 1단계 개발목표로 바람직한 지하 3km에서 기대할 수 있는 약 115℃의 지열에너지를 활용하여 실익 있는 바 이너리 지열발전을 이룰 수 있게 만드는 수단과 방법의 창출이 요구되고 있다.

본 발명은 이상의 필요성에 따라 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 지열발전방법으로는 개발가치가 없어 방치되고 있는 특히 우리나라 동해안지역에 부존된 지열에너지자원을 활용하여 실익 있는 바이너리 지열발전을 이룰 수 있게 만드는 수단과 방법을 제공하는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명인은 장기간에 걸쳐 우리나라의 여러 지역에 다양한 형태로 부존돼 있는 지열에너지자원의 특성과 지열에너지 생산국들의 개발기술 및 지열발전기술에 대해 심도 깊은 조사·연구를 계속해오던 중, 특히 동해안지역에 비교적 양질의 지열에너지자원이 부존돼 있다는 사실과 더불어 근거리에 연중 안정된 저온(예, 고성지역의 심해수: 약 2℃)을 유지하고 있는 거의 무한량인 심해수(Deep Seawater)가 존재한다는 사실을 확인하게 되었고, 이들 자원들을 이지에스(EGS) 및 바이너리(Binary) 발전과 결합하면 우리나라의 제 1단계 지열발전 개발목표로 바람직하게 된다는 결론과 함께 본 발명에 이르게 되었다.

위 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 열원(Heat Source)으로는 심해수와 근거리 위치에서 즉, 심해수 취수관련 경제성이 확보되는 위치에서 생산되는 지열수(Geothermal Fluid)를 이용하고, 냉원(Heat Sink)으로는 저온이며 거의 무한량인 심해수(Deep Seawater)를 이용함으로서, 열원과 냉원의 온도차를 증대시키고, 다단의 계단폭포식 바이너리 발전(Cascaded Binary Power Generation)을 이루게 만들어, 발전효율과 용량을 향상시키고 시추비를 절감시키는 것을 특징으로 한다.

여기서 심해수 취수관련 경제성이 확보되는 위치는 개발시점의 에너지 가격, 취수여건, 관련기술과 비용 등에 의해 결정되는데, 에너지 가격이 상승함에 따라 경제성이 확보되는 취수지점과 지열수생산정 간의 거리는 점점 더 커질 수 있다.

또한, 이지에스(EGS)가 필요한 경우, 역시 거의 무한량인 표층해수(Surface Seawater)를 이용하여 이지에스(EGS)를 조성함으로서, 다량의 지열수 생산과 그에 따라 다량의 발전을 이루게 만드는 것을 특징으로 한다.

그리고 심해수 취수수심은, 깊어짐에 따라 수온이 급격하게 감소하는 수온약층(Thermocline)의 특성을 이용하여 취수지점의 여름철 수온 연직분포에서 취수시설비용-대-효과가 최대화되는 수심으로 하며, 심해수를 지열발전에 이용한 후 해양심층수산업에서 후속 이용하는 경우에는 해양심층수관련법에 의거하여 규정된 취수지점의 해양심층수 취수수심으로 하는 것을 특징으로 한다.

75℃ 지열수의 경우, 여름철 응축기를 40℃로 유지하는 공랭식을 냉원으로 이용하는 종래의 바이너리 지열발전방법으로는, 열원과 냉원의 온도차가 약 35℃ 밖에 되지 못해 발전효율이 너무 낮아 실익 있는 바이너리 발전이 불가능하겠으나, 본 발명은, 저온의 심해수를 냉원(예, 5℃)으로 이용함으로서, 열원과 냉원의 온도차를 위의 2배인 약 70℃로 증대시켜 발전효율을 그만큼 향상시키는 효과를 제공한다.

또한, 도 1과 문헌 7의 계단폭포식 발전플랜트(Cascaded Power Plant)와 같이, 다단의 계단폭포식 바이너리 발전(Cascaded Binary Power Generation)을 함으 로서 발전효율과 용량을 현저히 향상시킬 수 있는데, 본 발명의 지열발전방법은 저온이며 거의 무한량인 심해수를 냉원으로 이용함으로서, 바이너리 지열발전을 하기 위해 필요한 열원과 냉원의 최소한의 온도차를 확보할 수 있는 열원(지열수)의 온도 하한선을 현저히 낮추고, 더불어, 다단의 발전을 함에 따라 그만큼 더 많이 필요하게 되는 냉원(저온의 심해수)을 용이하게 공급할 수 있어, 종래의 바이너리 지열발전방법에 비해 추가로 최소 1단 많게는 3단까지의 바이너리 발전을 더 이루게 만들어, 발전효율과 용량을 그만큼 향상시키는 효과를 제공한다.

예컨대, 110℃의 지열수로 발전하는 경우, 여름철 응축기를 40℃로 유지하는 공랭식을 냉원으로 이용한 종래의 바이너리 지열발전방법에서는, 열원과 냉원의 70℃의 온도차를 이용하여 제1단 발전을 한 후, 지열수가 77℃로 낮아지면, 이제 열원과 냉원의 온도차는 37℃로 너무 작아져 제2단 발전은 실익이 없게 된다. 하지만 본 발명의 발전방법에서는, 저온의 심해수를 냉원(예, 5℃)으로 이용함으로서, 110℃의 지열수는 105℃의 온도차를 이용하여 제1단 발전을 하고, 제1단을 통과한 77℃의 지열수는 72℃의 온도차를 이용하여 제2단 발전을 하고, 제2단을 통과한 55℃의 지열수는 50℃의 온도차를 이용하여 제3단 발전을 하는 식으로, 총 3단의 계단폭포식 바이너리 발전을 이루어, 상기한 1단만 가능한 종래의 바이너리 지열발전방법의 경우에 비해 발전효율과 용량을 약 2배로 향상시키는 효과를 제공한다.

또한, 이지에스(EGS)가 필요한 경우, 역시 거의 무한량인 표층해수를 이용하여 이지에스(EGS)를 조성함으로서, 다량의 지열수 생산과 그에 따라 다량의 발전을 이루게 만드는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명으로 추가되는 약 35℃의 열원과 냉원의 온도차는, 공랭식을 이용한 종래의 바이너리 지열발전방법에서는, 약 1km를 더 깊게 시추해야만 확보할 수 있는 것인데, 앞서 배경기술에서 설명한 바와 같이, 3km 깊이의 지열생산정 시추비가 U＄500만정도이고, 추가로 1km를 더 깊게 시추하는 비용도 U＄500만 정도이므로, 심해수 취수시설비를 감안하더라도, 현저한 시추비 절감 효과를 제공한다.

본 발명은, 이상의 효과들을 통해서, 종래의 지열발전방법으로는 개발가치가 없어 방치되고 있는 특히 우리나라 동해안지역에 부존된 지열에너지자원을 활용하여 실익 있는 바이너리 지열발전을 이루게 만드는 효과를 제공한다.

더불어, 발전플랜트를 통과한 지열수가 지니고 있는 잉여열(剩餘熱)을 난방, 농어업 등에 다양하게 이용하는 효과도 있다.

또한, 본 발명의 심해수를 이용한 바이너리 지열발전을 해양심층수관련 산업과 연계해서 개발함으로서 양측 산업 모두의 경제성을 향상시키는 효과를 제공한다.

그리고 본 발명의 지열발전방법을 이용하여, 동해안지역에 부존된 지열자원중 심해수와 보다 근거리에 위치해 있고 기술과 비용 양면에서 부담이 보다 적은 자원부터 개발하면서, 저비용·고효율의 심부시추기술 등 관련기술을 개발·확보하고 정예의 국내기술진을 양성하여 높은 수준의 국산화율을 이루게 되면, 동해안지역 뿐만 아니라 국내 여러 지역에 다양하게 부존된 보다 높은 기술과 비용을 요하는 지열자원들도 개발이 가능하게 될 것인바, 이와 같이 확대해나가면, 유가상승과 공급불안 및 기후변화에 대한 대응책 마련에 고심하고 있는 우리나라의 심각한 어 려움 중 상당부분을 국내 지열발전을 통해 해결할 수 있게 될 뿐만 아니라, 해양심층수관련 산업도 크게 성장·확대되어, 양측 산업에서 상당한 일자리 창출 등 국부를 창출하는 효과를 얻을 수 있을 것이다.

본 발명의 심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법은, 도 1에 설명된 바와 같이, 크게 3개 부분으로 구성된다.

제1부분은 열원부(熱源部)로서, 지열에너지가 부존된 심부암층까지 시추된 지열수 생산정과 주입정, 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal System), 표층해수 송수관, 잉여열 이용 시설, 펌프 등 지표부대시설로 구성된다.

제2부분은 냉원부(冷源部)로서, 심해수를 취수해서 송수관을 통해 바이너리 발전플랜트에 공급하는 시설과 발전플랜트를 통과한 심해수를 후속 이용하도록 해양심층수산업에 공급하고, 마지막으로 해역에 방류하는 송수관 등으로 구성된다.

제3부분은 바이너리(Binary) 발전부(發電部)로서, 열원(지열수)과 냉원(심해수)으로 계단폭포식 바이너리 발전(Cascaded Binary Power Generation)을 한다.

도 1의 설명을 참조하여, 본 발명의 실시를 순서대로 설명한다.

첫째, 제일먼저 열원부를 조성한다. 특히 다음 사항들을 고려하여 시추위치를 선정한다.

(1) 양질의 지열에너지가 부존되고, 심해수 취수관련 경제성이 확보되는 지점.

(2) 시추장비 등 중장비 운반이 용이한 지점.

(3) 배전계통과 연계가 용이한 지점 등.

시추공에서 필요량의 지열수가 생산되지 못할 경우, 표층해수를 이용하여 이지에스(EGS)를 조성한다.

생산정과 주입정을 시추(Drilling), 검층(Logging) 및 완결(Completion)하고, 이지에스(EGS)를 조성하며, 송수관, 펌프 등 지표부대시설을 설치하는데 소요되는 일체의 기술은 널리 상업화된 관용기술이다.

위 관용기술은, 문헌 1의 제6장에서 보는 바와 같이, 유·가스전 개발기술을 그대로 이용하거나 고온에 적합하도록 개량한 것들로서, 시추, 검층 등 각 공정별로 국제적인 전문기술용역회사들이 활동하고 있다. 따라서 일반적으로 심부지열자원 개발사업자는 각 공정별로 위 기술용역회사들과 계약을 체결하여 필요한 기술용역을 제공받아 통합하거나, 턴키(Turnkey)방식으로 전체를 제공받을 수도 있다.

지열수 생산이 개시되면, 시험생산을 통해 안정적으로 생산가능한 지열수의 온도와 유량을 산출한다.

둘째, 심해수 취수수심과 온도의 범위를 선정한다. 수온약층의 특성을 이용하여, 취수지점의 여름철 수온 연직분포에서 취수시설비용-대-효과가 최대화되는 수심과 온도의 범위(예, 3 내지 8℃)를 선정한다. 심해수를 지열발전에 이용한 후 해양심층수산업에서 후속 이용하는 경우에는 해양심층수관련법에 의거해 규정된 취수지점의 해양심층수 취수수심과 그에 해당되는 온도로 선정한다.

셋째, 이상과 같이 취득된 지열수의 온도와 유량 및 심해수의 온도 범위에 기초하고, 심해수의 유량은 필요량까지 공급할 수 있는 것으로 가정하여, 최적화된 첫 번째 바이너리 발전플랜트 모듈을 설계 및 제작한다.

발전플랜트는 중·소형(예, 1MW)으로 모듈(Module)화한다. 첫 번째 모듈에는 생산가능한 지열수 유량의 일부(예, ＜30％)만이 공급되도록 하고, 본 발명의 지열발전방법의 적용이 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 심해수의 전부 또는 일부를 그 전 단의 응축기에 공급하는 식으로, 열원과 냉원을 최적화한다.

중·소형의 모듈을 추가해나가는 방식으로 개발을 확장함으로서, 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, 국제적인 전문기술용역회사들이 활동하고 있으며, 입찰 등을 통해 대부분의 경우 턴키(Turnkey)방식으로 발전플랜트를 설계, 제작, 설치, 시운전, 정비 및 보수하게 된다.

넷째, 바이너리 발전플랜트 모듈의 설계가 완성되어 심해수의 온도와 유량이 확정되면, 그에 맞추어 냉원부를 설치한다.

이에 소요되는 기술은 해양심층수산업에서 상업화된 관용기술이며, 국내 및 국제 전문기술용역회사들이 활동하고 있고, 입찰 등을 통해 설계 및 설치하게 된 다.

다섯째, 열원과 냉원을 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 추가해나가는 방식으로 개발을 확장한다.

일곱째, 바이너리 발전부를 통과한 지열수는, 잉여열을 난방, 농어업 등에 다양하게 이용한 후, 이지에스(EGS)에 주입한다.

여덟째, 바이너리 발전부를 통과한 심해수는, 해양심층수산업에서 다양하게 이용한 후, 해역에 방류한다.

아홉째, 이지에스(EGS) 주입수를 보충하는 경우, 방류하는 심해수와 표층해수 중 수질, 온도 등 주입조건이 보다 우수한 것으로 보충한다.

이상과 같이 실시되는 본 발명의 심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법은, 75℃의 지열수와 5℃의 심해수의 경우, 설계에 따라 다소 차이를 보일 수 있겠으나, 제1단 바이너리 발전플랜트에서 대략 다음과 같은 성능을 발휘한다.

[제1단 바이너리 발전플랜트]

열원 : 지열수

냉원 : 심해수

총 전력생산량: 1 MW(메가와트: 백만 와트)

* 위 제1단 발전플랜트의 증발기를 통과한 59℃의 지열수는, 제2단 또는 제2단 및 제3단 발전플랜트의 증발기를 통과한 후, 마지막으로 작동유체를 예열할 수 있다.

도 1은 본 발명의 심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법 설명도이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 열원부(熱源部) 11 : 생산정(Production Well) 12 : 지열수(Geothermal Fluid)

13 : 이지에스(EGS : Enhanced Geothermal System) 14 : 주입정(Injection Well)

15 : 표층해수(Surface Seawater) 송수관 16 : 잉여열(剩餘熱) 이용

20 : 냉원부(冷源部) 21 : 심해수(Deep Seawater) 송수관

22 : 해양심층수산업에 이용 23 : 해역에 방류

30 : 바이너리(Binary) 발전부(發電部)

31 : 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

열원(Heat Source)으로는 심해수와 근거리 위치에서 생산되는 지열수(Geothermal Fluid)를 이용하고, 냉원(Heat Sink)으로는 저온이며 거의 무한량인 심해수(Deep Seawater)를 이용함으로서, 열원과 냉원의 온도차를 증대시키고, 다단의 계단폭포식 바이너리 발전(Cascaded Binary Power Generation)을 이루게 만들어, 발전효율과 용량을 향상시키고 시추비를 절감시키는 것을 특징으로 하는 심해수를 이용한 바이너리(Binary) 지열발전방법.
제 1항에 있어서, 이지에스(EGS: Enhanced Geothermal System)가 필요한 경우 거의 무한량인 표층해수(Surface Seawater)를 이용하여 이지에스(EGS)를 조성함으로서, 다량의 지열수 생산과 그에 따라 다량의 발전을 이루게 만드는 것을 특징으로 하는 심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법.
제 1항에 있어서, 심해수 취수수심은, 수온약층(Thermocline)의 특성을 이용하여 취수지점의 여름철 수온 연직분포에서 취수시설비용-대-효과가 최대화되는 수심으로 하며, 심해수를 지열발전에 이용한 후 해양심층수산업에서 후속 이용하는 경우에는 해양심층수관련법에 의거하여 규정된 취수지점의 해양심층수 취수수심으로 하는 것을 특징으로 하는 심해수를 이용한 바이너리 지열발전방법.