What it will take to unleash the potential of geothermal power

지열발전 활성화 위해 필요한 것은?

미국 인프라 법안의 지원을 받아 새로운 지열발전 기술을 테스트하기 위한 지열발전 시범 발전소가 미국 동부와 서부 네 곳에 새로 세워질 예정이다. 이번 연구를 통해 ‘잊힌 재생에너지’라고 불리는 지열발전을 더 활성화시킬 수 있을지도 모른다.

지구 내부에서 흘러나오는 열은 지구 전체에 필요한 에너지 수요를 두 배 이상 충족시킬 정도로 충분한 에너지를 공급할 수 있다. 그러나 이러한 지열에너지를 활용하려면 땅속 깊은 곳까지 구멍을 파고 그 열을 사용할 수 있는 에너지 형태로 변형시켜야 한다. 이는 어렵기도 하고 비용도 많이 드는 작업이다. 그렇기 때문에 ‘잊힌 재생에너지’로 불리기도 하는 ‘지열발전’이 전 세계 전기 발전량의 고작 0.3%만을 차지하고 있는 것이다.

그러나 이제 상황이 바뀌려고 한다. 최근 통과된 미국 인프라 법안에는 미국 에너지부에 새로운 기술이 적용된 시범 지열발전소 네 곳을 건설하기 위한 예산으로 8,400만 달러(약 993억 원)가 포함되어 있다. 이 시범 발전소들에서는 ‘인공저류층 지열시스템(enhanced geothermal system, EGS)’이라는 실험적인 새로운 기술을 테스트할 예정이다.

인프라 법안에서 에너지부에 할당된 전체 예산이 620억 달러라는 점을 고려하면 이번 예산은 빙산의 일각에 불과하다. 나머지 예산에는 장거리 전송선 건설, 배터리 공급망 강화, 원자력발전소 유지를 위한 비용도 포함되어 있다. 지열에너지 연구자들은 이러한 제한적인 예산으로 EGS의 상용화를 돕기에는 갈 길이 멀 것이라고 전망한다.

EGS 스타트업 퍼보(Fervo)의 설립자이자 최고 경영자 팀 라티머(Tim Latimer)는 “지열에너지는 좋은 때를 맞이할 준비가 되어 있다”고 말했다.

지열발전의 가장 큰 장점은 일관성이다. 풍력발전이나 태양광발전을 통한 전기 생산량은 날씨나 시간에 따라 달라지지만, 지열발전은 그런 조건과 관계없이 언제나 안정적으로 전력을 공급할 수 있다.

미국 국립 재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 지열발전 엔지니어 조디 로빈스(Jody Robins)는 “지열에너지는 재생에너지 중 유일한 ‘기저부하(baseload)’ 에너지”라고 설명했다. 탄소를 배출하지는 않지만 재생에너지라고는 할 수 없는 원자력 발전도 이와 비슷한 역할을 할 수 있지만, 발전 비용과 폐기물 문제, 대중들의 인식으로 인해 사용에 제한이 있는 상황이다.

현대식 지열발전소는 미국에서 1970년대부터 가동되기 시작했다. 이러한 발전소들은 일반적으로 땅속에서 뜨거운 물이나 증기를 지표까지 끌어올린 후 터빈을 움직여 전기를 생산한다. 이렇게 사용된 물은 지하의 압력 유지를 위해 다시 땅속으로 보내지고, 이러한 과정이 반복된다.

지열발전이 주로 이루어지는 장소들에는 몇 가지 공통적인 특징이 있다. 충분한 열이 있어야 하고, 내부에 균열이 있는 암석 지형이어야 하며, 물이 있어야 하는데, 이 세 가지가 서로 가까이에 있어야 하며, 지표면에서 대략 3km 이내에 있어야 한다. 그러나 이러한 요건을 충족하며 지열에너지 자원을 활용하기 좋은 장소들은(미국에서는 주로 서부에 몰려있다) 이미 지열발전소로 개발된 곳들이다. 연구자들은 아직 발견되지 않은 잠재적인 장소들이 많이 있을 것이라고 믿고 있지만, 발견하기가 쉽지 않다. 또한 미국 동부 지역 대부분과 전 세계 다른 지역의 경우에는, 지반을 이루는 암석이 기존의 지역발전 방식에 적합하지 않거나 물이 존재하지 않는다.

일부 연구자들과 스타트업들은 새로운 곳들을 개발해 지열발전을 확대하고자 한다. EGS를 활용해서 이들은 액체를 불침투성 암석에 내려보내 강제로 균열을 만드는 방식으로 땅속 환경을 지열발전에 적합하게 만드는 것을 시도하고 있다. 이렇게 하면 물이 지하에서 자유롭게 움직이다가 데워져서 발전에 필요한 증기를 만들어 낼 공간을 확보할 수 있다. 이러한 과정은 한국스위스에서 진행된 초기 프로젝트에서 드러난 것처럼 지진을 초래할 가능성도 있다. 그러나 로빈스는 EGS가 미국에서 널리 사용되는 수압파쇄법(fracking)과 유사하며, 대부분의 장소에서 위험성도 관리할 수 있을 것이라고 설명했다.

EGS 방식을 활용하면 기존 지열발전 방식에 필요했던 지하수나 암석이 없는 곳까지도 지열발전을 확대할 수 있다.

그렇다고 해도 지열발전을 마음껏 활용하기는 쉽지 않을 것으로 보인다. 상업적인 시추로는 일반적으로 7km 너머까지 땅을 파지 않는다. 비용 문제 때문이다. 사실 그보다 더 얕게 땅을 파는 경우가 많은데, 지열발전으로 이익을 얻을 수 있을 법한 많은 장소에서 그 정도 깊이로는 경제적인 지열발전에 필요한 150℃ 정도의 온도를 확보할 수가 없다. 발전에 필요한 온도에 도달하려면 땅을 더 깊이 파야 하고, 이를 위해서는 높은 열기와 압력을 견뎌낼 수 있는 새로운 기법과 기술이 필요하다.

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지하 7km 깊이의 온도. 미국 에너지부 지열기술국(DOE Geothermal Technologies Office)

퍼보는 자체적인 프로젝트를 통해 이와 관련된 자세한 내용을 연구하고 있다. 그러한 프로젝트 중에는 올해 초에 구글과 협력하여 네바다에 있는 구글 데이터 센터 근처에 지열발전 설비를 설치하겠다고 발표한 프로젝트도 포함된다. 퍼보는 또한 최근에 유타 중부 지역에서 미국 에너지부의 ‘FORGE(Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy, 지열에너지연구관측소)’ 프로젝트에도 참여하고 있다.

FORGE에서 학계와 산업계 연구자들은 시추와 전력 비축 유지를 포함해서 EGS를 활용할 가장 좋은 방법을 찾기 위해 노력하고 있다. 미국 에너지부 지열기술국(Geothermal Technologies Office)의 EGS 프로그램 매니저 로런 보이드(Lauren Boyd)는 유타 중부 지역을 선정한 이유가 이곳이 미국에서 다른 EGS 발전소가 설립될 가능성이 있는 곳들을 대표할만한 지질을 보여주기 때문이라고 설명했다. 

인프라 법안으로 지원받은 새 예산으로 에너지국은 네 개의 추가적인 시범 지역에 자금을 투자할 것이다. 네 개의 다양한 지역에서 연구자들은 각기 다른 종류의 암석을 대상으로 연구를 진행하면서 EGS 시설 설립에 관한 이해를 넓힐 수 있을 것이다. 네 개의 시범 발전소 중 적어도 하나는 지열발전이 그다지 흔하지 않은 미국 동부에 세워질 예정이다.

에너지부 지열기술국의 책임자 수전 햄(Susan Hamm)은 지열발전 방식의 발전을 더디게 하는 원인이 기술 장벽뿐만은 아니라고 말했다. 지열발전소를 설립하려면 각종 허가를 받아야 하기 때문에 10년 정도 시간이 소요될 수 있다. 그러한 허가 작업들을 간소화하게 되면 지열발전소 설립 시간을 절반으로 줄일 수 있고, 2050년까지 예상 지열발전량도 두 배로 늘릴 수 있을 것이다.

지열발전 프로젝트에 자금을 조달하는 것 역시 어려운 일일 수 있다. 지열발전 프로젝트에는 태양광이나 풍력 발전 프로젝트보다 더 많은 자본 투자가 필요하다. 풍력과 태양광 발전은 1킬로와트당 각각 1,700달러, 2,100달러가 필요하지만, 지열발전에는 1킬로와트당 3,000~6,000달러가 필요하다. (그러나 지열발전은 같은 용량의 태양광 또는 풍력 발전에 비해 두 배에서 네 배 더 많은 전기를 생산할 수 있다.)

지열발전은 현재 다른 재생에너지와 마찬가지로 세금 우대를 받고 있다. 그러나 프로젝트를 시작하려면 건설 허가를 받는 데에만 거의 10년이 소요되는 상황이다 보니, 개발자들이 발전소를 건설해서 가동할 때까지 세금 우대 정책이 계속될지 확신할 수 없는 상황이다.

2019년 에너지부 보고서에 따르면, 정책 변화와 기술 발전의 결합으로 미국의 지열발전 전기 발전량은 2050년까지 60기가와트에 달할 것으로 예측된다. 그렇게 되면 지열발전이 미국 전체 전기 발전량의 거의 9%를 차지하게 될 것이다. 현재 지열발전은 미국 전기 발전량의 0.4%를 차지한다.

언제든 사용할 수 있고, 탄소도 배출하지 않는 지열발전은 주목할 만한 발전 방식이다. 비용만 줄일 수 있다면, 그리고 널리 사용될 수 있다면, 지열발전은 탄소중립 전기 발전을 가능하게 할 마지막 퍼즐 한 조각이 될 수 있을 것이라고 라티머는 설명했다. 그러면서 이렇게 덧붙였다. “그것이 우리가 추구하고 있는 보상이다.”

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