지하 20km까지 굴착, 심부 지열을 활용하는 기술 개발 중

ⓒPhoto by Matt Palmer on Unsplash
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'지열(Geothermal Energy)'은 재생에너지임에도 태양광이나 풍력 등에 비해 활용이 많이 이루어지지 않는다. 국제 재생에너지 기구(International Renewable Energy Agency, IRENA)에 따르면 지열 발전은 2015년 시점에서 세계 전체의 발전 전력량의 0.3%에 불과하다. 

지열은 지구 내부에서 표면을 거쳐 외부로 나오게 되는 열을 말한다. 지구는 중심부로 갈수록 온도가 높아지는데, 지구 중심부의 온도는 4,000℃에 달한다. 이러한 지열은 열전도에 의해서 가스, 온수 및 화산분출 등에 의해 유출된다. 그 양은 지역적으로 크게 다르지만, 지구의 전표면에서 방출되고 있다. 그렇기 때문에 엄밀히 말해 지열에너지는 재생이 불가능한 에너지원이지만, 지구 자체가 가지고 있는 에너지이므로 굴착하는 깊이에 따라 잠재력은 거의 무한하다고 할 수 있다.

◇ 지열 발전의 한계

ⓒPhoto by Sam Bark on Unsplash
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일반적인 지열 발전은 지표면에서 그리 깊지 않은 곳의 열에너지를 활용한다. 지열에너지는 열에너지를 이용하는 깊이에 따라 천부지열과 심부지열로 구분된다. 천부지열은 지표에서 300m 이내의 깊이에서 발생하는 10~35℃의 지열을 이용하여 주로 냉난방, 시설원예 및 건조 등의 농업, 온천, 산업 등에 이용된다. 심부지열은 땅속 수 킬로미터 속에 존재하는 80~400℃의 고온의 물 또는 증기로 전력 생산 및 난방 등에 활용된다.

하지만 지표 근처에 지열 발전에 적합한 곳은 한정되어 있다. 그런 까닭에 지열에너지가 재생에너지의 하나임에도 불구하고 전체 에너지 생산량은 미비한 수준에 그친 것이다. 그렇다면 지열에너지는 빛 좋은 개살구에 불과한 것일까.

지하 200km에는 심부 지열이 윤택하게 퍼져 있어 지구 어디에서나 지열을 얻을 수 있다. 이 심부 지열을 이용할 수 있다면 지열에너지는 전 세계 어디서나 얻을 수 있는 재생에너지로 주목받을 수 있을 것이다. 문제는 지하 깊이 굴착해야하고, 섭씨 180℃를 넘는 고온 환경에서 암체를 부수어야 한다는 점이다.

◇ 새로운 굴착 장치의 개발
최근 미국 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 플라즈마 과학 및 핵융합 센터(MIT Plasma Science and Fusion Center, PSFC)에서 시작된 한 스타트업이 섭씨 약 500℃의 지하 20km까지 굴착할 수 있는 새로운 장치를 개발하고 있어 눈길을 끌고 있다.

'콰이즈 에너지(Quaise Energy)'는 기존의 굴착 기술과 핵융합 연구를 결합하여 섭씨 약 500℃의 지하 20km까지 초심도 굴착을 할 수 있는 새로운 굴착 장치의 개발을 진행하고 있다. 이 굴착 장치는 자기장에 따라 고속으로 회전하는 전자의 운동을 에너지원으로 하여 밀리미터파대 전자파를 방출하는 ‘자이로트론(Gyrotron)’*을 이용하고 있다. 
*자이로트론: 강한 자기장 내에서 사이클로트론 운동을 하는 집속 전자에 의해, 밀리미터파 빔을 방출하는 고출력 증폭관

콰이즈 에너지의 새로운 굴착 장치는 종래의 회전 굴착으로 자하의 암체를 뚫고, 자이로트론을 사용하여 밀리미터파대 전자파를 발생시켜 바위를 녹여 기화시키면서 지하 20km까지 도달한다는 아이디어이다. 

이러한 아이디어를 바탕으로 콰이즈 에너지는 2024년까지 이 굴착 장치를 완성하고, 2026년에 100메가와트의 지열 발전 시스템을 구축할 계획을 세웠으다. 또 2028년 이후에는 기존의 화력 발전소의 지열 발전소로의 전환을 추진해 나갈 것이라는 포부도 밝혔다. 

아직 실행되지 않은 기술이지만, 이러한 기술이 계속해서 발전해 나가서 더 많은 재생에너지를 확보하여 기존의 화력 발전을 대체할 수 있을 날을 기대해 본다. 

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