지열 발전: 뜨거운 녹색 에너지

안정적으로 공급할 수 있는 재생에너지 찾기

태양광과 풍력이 성장하고 있지만 운송, 제조, 해운, 비료 생산 등을 포함한 세계 에너지 사용은 여전히 화석연료에 크게 의존한다.

20세기 이후 세계 에너지 수요가 크게 늘어난 것도 그 배경이다. 다만 모든 지역에서 매년 예외 없이 증가한 것은 아니다.

출처: OurWorldInData

태양광과 풍력의 비용 경쟁력은 개선되었지만 기존 설비, 전력망과 산업 공정을 바꾸는 데에는 상당한 투자와 시간이 필요하다.

또 다른 과제는 날씨와 시간에 따라 출력이 변한다는 점이다.

변동성에 대응하려면 저장, 송전망, 수요 조절과 다른 발전원을 조합해야 한다. 배터리, 양수발전과 압축공기 저장은 ”에너지 저장의 미래 – 유틸리티 규모 배터리 기술”과 ”에너지 전환을 위한 비화학적 배터리 대안”에서 자세히 다뤘다.

베이스로드 전력 옵션

저수지를 갖춘 수력발전은 조절 가능한 재생전력의 중요한 원천이지만 유일한 것은 아니다. 자원과 지형, 생태 영향에 제약이 있고 지역마다 미개발 잠재력도 다르다.

원자력은 운전 중 탄소 배출이 적고 안정적인 출력을 공급할 수 있다. 전 생애주기의 배출이 완전히 없는 것은 아니며 가뭄, 냉각수와 정비도 운전에 영향을 준다.

기술 개발에는 소형모듈원자로(SMR)와 제4세대 원자로 설계가 있다. (관련 보고서는 링크에서 확인할 수 있다) 데이터센터 전력 확보를 위해 마이크로소프트도 원자력 관련 계약을 체결했다. 해당 계약의 기간과 공급 조건은 개별 사업에 따라 다르다.

원자력에는 안전, 폐기물, 비용과 사회적 수용성 문제가 있다. 미래 전원 구성에서 차지할 비중은 국가별로 다를 것이다.

태양광, 풍력, 수력 외에도 지열이라는 재생에너지 자원이 있다. 재생에너지가 정확히 네 종류뿐이라는 뜻은 아니다.

지열 에너지

태양광과 바람, 물순환의 에너지에는 태양이 중요한 역할을 한다. 하지만 조력 등 모든 재생에너지를 태양에너지로 환원할 수는 없다.

지열은 지구 내부의 열을 이용한다. 이 열은 지구 형성 때 남은 열과 지각·맨틀 등의 방사성 붕괴에서 비롯된다. 모두 지구 핵의 방사성 반응만으로 발생하는 것은 아니다.

출처: 캘리포니아 과학 아카데미

지열은 비교적 안정적인 출력을 제공할 수 있다. 일부 설계는 출력 조절이나 열 저장으로 변동성 전원을 보완하지만, 모든 지열발전소가 자유롭게 몇 시간씩 발전을 미룰 수 있는 것은 아니다.

지열 자원은 지역에 크게 좌우된다. 중앙유럽과 일본 등에서도 잠재력이 있지만 기술, 허가와 비용을 평가해야 한다.

출처: Journal of Cleaner Production

지열 잠재력 평가

지열의 활용 가능성은 지하 온도와 깊이에 달려 있다. 화산 지역은 열이 풍부한 경우가 많지만 산악 지형이나 지진 활동만으로 경제성이 보장되지는 않는다.

열수형 발전에서는 물과 암석의 투수성도 중요하다. 깊은 곳의 열과 유체 흐름을 충분히 확보할 수 있는지가 생산량을 좌우한다.

이탈리아 CNR 연구진의 2020년 연구 ”지열 발전소의 지리적 적합성 예측”에서는 지열발전의 지리적 적합성을 모델링했다. 지도는 특정 가정과 기술 범위에 따른 평가다.

미국의 고온 자원은 서부에 많이 분포한다. 텍사스와 루이지애나 등에서도 기술과 목표 온도에 따라 가능성이 검토된다.

출처: EIA

유럽에서도 아이슬란드, 이탈리아와 라인 계곡 등 다양한 지역에 자원이 있다. 서로 다른 지도의 지표만으로 모든 지역의 잠재력이 같다고 비교해서는 안 된다.

출처: International Journal of Terrestrial Heat Flow and Applied Geothermics

아시아에서는 일본과 인도네시아 등 환태평양 화산대에 고온 자원이 풍부하다. 실제 개발은 지질과 사회·환경 조건에 달려 있다.

지열 에너지 규모

깊이와 온도에 따라 지열 이용의 목적과 기술 난도가 달라진다. 아래 구분은 설명을 위한 것으로 모든 분야가 같은 경계를 쓰지는 않는다.

얕은 지중열과 열펌프

지중열 히트펌프는 비교적 일정한 지하 온도를 냉난방에 활용한다. 얕은 지중열에는 계절적으로 저장된 태양열도 중요한 역할을 하며 심부 지열발전과 구분해야 한다.

일정 깊이 아래에서는 계절 변화가 작아져 겨울에는 열을 가져오고 여름에는 건물의 열을 땅으로 내보낼 수 있다. 히트펌프 구동에는 전력이 필요하다.

출처: NPR

열교환 배관, 개방형 지하수 이용 여부와 지질에 따라 여러 방식이 있다.

출처: GSI

대부분 히트펌프로 열을 이동시킨다. 지중 열교환을 활용한 온실의 수동적 온도 조절도 가능하지만 조건에 따라 보조 열원이 필요하다. 관련 내용은 ”지중열과 수동형 온실: 농업 배출을 줄이는 방법”에서 다뤘다.

심층 지열 에너지

수백 미터 이상 깊이에서는 심부 지열을 활용할 수 있다. 온도 상승률은 지질에 따라 다르며 깊이만으로 일정한 자원을 보장하지 않는다.

영국의 한 일반적 추정에서는 깊이 1,000m, 3,000m, 5,000m의 온도를 각각 약 40°C, 90°C, 140°C로 제시한다. 실제 위치와 측정 조건에 따라 달라진다.

중간 깊이의 자원은 건물과 산업시설의 열 공급, 특히 지역난방에 활용할 수 있다. 적정 깊이와 온도는 현장 조건에 따라 정해진다.

프랑스 오를리 공항의 사례에서는 약 74°C의 물을 시간당 약 300세제곱미터 이용한다. 약 10MW의 열 출력과 연간 약 4,000톤 석유환산의 연료 절감이 제시되었다. 유량에서 “시간당”을 빼면 의미가 달라진다.

초심층 지열 에너지

초심부와 고온 지열은 서로 관련되지만 동일한 분류는 아니다. 화산 지역에서는 비교적 얕은 곳에서도 높은 온도를 얻을 수 있다.

깊어질수록 압력, 온도와 암석 특성 때문에 시추가 어려워질 수 있다. 물의 끓는점도 압력에 따라 달라지므로 지하에서는 단순히 100°C 기준을 적용할 수 없다.

높은 온도는 발전 효율과 단위 유량당 에너지에 도움이 되지만 생산량은 저류층과 설비에도 달려 있다.

출처: BGS

지열 에너지로 전력 생산

케냐, 아이슬란드와 필리핀은 지열발전을 활용하는 대표적인 국가다. 약 50퍼센트, 30퍼센트, 17퍼센트 같은 수치는 특정 연도와 통계 범위에 해당하며 현재의 고정된 비중이 아니다.

미개발 자원은 여러 나라에 존재한다. 송전, 환경, 비용과 현지 수요가 실제 확대 규모를 좌우한다.

고온 열수는 전력과 열을 함께 공급할 수 있다. 약 150°C는 흔히 사용되는 설명 기준 중 하나이며 더 낮은 온도에서도 바이너리 발전 등으로 전기를 생산할 수 있다.

전통적, 향상형 및 고급 지열

전통적 지열

전통적인 열수형 지열발전은 충분한 열과 물, 유체가 흐를 수 있는 암석을 필요로 한다.

시추 후 온도, 유량이나 투수성이 예상에 못 미치면 사업성이 크게 악화될 수 있다. 암석 자체를 발견하지 못한다는 문제가 아니다.

따라서 지하 탐사와 시추의 불확실성이 중요하며, 석유·가스 산업의 경험을 활용할 수 있다.

향상형 지열

향상형 지열시스템(EGS)은 주입과 자극을 통해 유체 흐름을 개선한다.

수압 자극은 기존 균열을 열거나 새로운 균열을 만들 수 있다. 석유·가스 수압파쇄와 설계가 다를 수 있지만, 새로운 균열은 전혀 만들지 않는다고 단정하면 부정확하다.

EGS는 이용 가능한 지역을 넓힐 수 있다. 그렇다고 세계 어디서나 같은 비용과 성능으로 가능한 것은 아니다. 온도, 암석, 응력과 깊이가 중요하다.

향상형 기술은 자원 접근성을 높일 가능성이 있지만 유량, 열 고갈과 유발지진을 관리해야 한다.

출처: ThinkGeoEnergy

고급 지열

폐쇄 루프

폐쇄형 시스템은 유체를 배관 내부에서 순환시켜 주변 암석의 열을 전달받는다. 일반적인 개방형 저류층 순환과 구분되는 접근법이다.

출처: ThinkGeoEnergy

이론적으로 적용 범위를 넓힐 수 있지만 온도, 깊이, 열전달 면적과 시추비가 실제 출력과 비용을 결정한다.

초임계 지열

초임계 지열은 매우 높은 온도와 압력의 유체를 이용하려는 접근법이다. 순수한 물은 약 374°C와 22MPa를 넘어야 임계점을 넘으며 400°C라는 온도만으로 충분하지 않다.

특정 초고온 조건에서는 우물당 높은 에너지 생산이 가능하다. 일반 물의 에너지가 언제나 정확히 4–10배가 된다는 뜻은 아니다. 200°C 설비와 400°C 설비의 5MW·50MW 또는 우물 수 비교는 특정 설계와 가정에 따른 예시다. 실제 용량은 압력, 유량, 저류층과 변환 효율에 따라 달라진다.

대표적인 연구로 아이슬란드 심부 시추 프로젝트(IDDP)가 있다. 개별 프로젝트의 결과와 운영 상황을 확인해야 한다.

또 다른 개발 기업인 Quaise는 자이로트론의 밀리미터파를 이용해 암석을 가열·제거하는 시추 기술을 개발한다. 깊이 약 20km와 500°C 자원 접근은 개발 목표이지 이미 달성한 상업 시추 실적이 아니다. 모든 기저전력을 대체한다는 주장도 장기 구상이다.

광물 추출

지열수에는 회수할 수 있는 광물이 녹아 있을 수 있다. 열 생산과 광물 회수를 결합하면 추가 수익 기회가 생기지만 분리 공정과 비용이 필요하다. 예를 들어 Vulcan Energy (VUL.AX)는 라인 계곡에서 열과 전력, 리튬의 공동 생산을 추진한다. 자세한 내용은 아래에서 다룬다.

열·전력의 복합 활용

지열은 난방과 전력 생산에 쓰이며 온도 단계에 따라 여러 용도로 연결할 수 있다. 해수담수화나 수소·암모니아 생산에 활용하는 구상도 있지만 물류, 변환 손실과 경제성을 따져야 한다.

지열 경제학

지열의 비용 경쟁력은 부지와 기술에 따라 달라진다. 시장이 2023–2033년에 연평균 약 3.14퍼센트 성장할 것이라는 예측은 시장조사의 전망이지 보장된 결과가 아니다.

석유·가스 산업의 시추 경험과 인력은 지열 개발에 활용될 수 있다. 다만 기술과 지역 조건에 맞는 재교육 및 설계가 필요하다.

다른 발전원과 비교할 때는 발전비뿐 아니라 저장, 송전과 안정적 공급의 가치를 함께 평가해야 한다.

출처: Lazard

일사량이 낮거나 겨울 난방 수요가 큰 지역에서는 지열의 안정적인 전력과 열이 특히 유용할 수 있다. 실제 자원 접근성은 별도로 확인해야 한다.

사업은 수익을 낼 수 있지만 초기 탐사·시추비가 크고 회수 기간도 달라진다. 모든 프로젝트가 10년 또는 20년에 투자금을 회수한다고 일반화할 수 없다.

지원 제도는 국가와 시기에 따라 다르다. 보조금 비교 그래프만으로 모든 지열이 정책에서 소외되었다고 단정해서는 안 된다.

전력의 변동성과 안정적 공급에 대한 관심은 지열 지원과 투자 논의에도 영향을 줄 수 있다.

지열의 장점 및 단점

지열의 잠재적 장점

적절히 관리된 지열 자원은 안정적인 공급을 제공할 수 있다. 하지만 열수 저류층의 지속 가능성과 출력 조절 능력은 프로젝트별로 다르다.

지열은 비교적 작은 지상 면적으로 큰 출력을 제공할 수 있다. 그렇다고 생태 영향이 없다는 뜻은 아니다. 도로, 배관, 물 사용, 가스와 소음 등을 평가해야 한다.

출처: Wikipedia

시추 산업의 장비와 역량을 활용할 수 있어 공급망을 다변화하는 데 도움이 될 수 있다. 모든 지열 기술이 특정 국가에 독립적이거나 모든 풍력기가 희토류 자석을 쓰는 것은 아니다.

지열 문제

자원 고갈

지열은 장기적으로 보충되지만 한 부지에서 열을 너무 빨리 꺼내면 온도와 생산량이 떨어질 수 있다. 생산률, 재주입과 회복 기간은 저류층 모델에 따라 관리해야 하며 일률적인 30–50년 수명이나 휴지 기간을 정할 수 없다.

지진 위험

지하 유체의 주입과 압력 변화는 일부 조건에서 유발지진을 일으킬 수 있다. 예를 들어 2017년 포항의 규모 5.5 지진은 지열 프로젝트의 주입 활동과 관련된 것으로 조사되었다. 모든 지열발전이 같은 위험을 갖는다는 뜻은 아니다.

유체 압력 변화가 단층의 유효응력을 바꾸면 미끄러짐을 촉진할 수 있다. 이를 단순히 암석을 윤활하는 현상이라고만 설명하면 불충분하다.

유발지진은 크기와 피해가 다양하다. “크지 않다”는 말만으로 지역 위험을 축소해서는 안 된다.

입지 선정, 사전 조사와 실시간 감시, 주입 조절 등으로 위험을 관리해야 한다. 사람이 적은 지역에 설치하는 것만으로 문제가 해결되지는 않는다.

폐쇄형 시스템은 지층으로 직접 물을 주입하지 않아 일부 위험을 줄일 수 있다. 그러나 시추와 지하 작업의 모든 위험이 사라지는 것은 아니다.

지열 에너지에 투자하기

지열은 다른 에너지 분야보다 규모가 작고 새로운 기술이 개발되고 있다.

이 분야에는 비상장기업도 많다. 예를 들어 Eavor와 Quaise 같은 기업은 비상장으로 일반 투자자의 접근이 제한될 수 있다. Baseload Capital도 특정 투자자와 거래 조건을 확인해야 한다.

일부 지열 사업은 더 큰 그룹에 속한다. 예를 들어 Iceland Drilling은 Archer (ARCH.OL) 그룹의 사업이므로 그룹 전체 실적과 위험을 살펴봐야 한다.

관련 증권사에 대해서는 미국, 캐나다, 호주, 영국,  등 여러 국가에 관한 평가를 참고할 수 있다.

개별 청정에너지 기업을 선택하기 어렵다면 넓은 범위의 ETF를 검토할 수 있다. 예를 들어 iShares Global Clean Energy ETF (ICLN), First Trust NASDAQ Clean Edge Green Energy Index Fund (QCLN) 또는 ALPS Clean Energy ETF (ACES) 등이 있다. 이들은 지열에만 투자하는 펀드가 아니며 편입 종목과 비중을 확인해야 한다.

지열 기업

1. Ormat Technologies, Inc.

Ormat은 주요 지열 소유·운영사이자 상장기업이다. 미국, 케냐, 인도네시아와 중미·카리브 지역 등에 사업이 있다. 약 1.23GW와 개발 중 125MW는 특정 시점의 회사 집계이며 현재의 고정된 용량이 아니다.

Ormat은 에너지 저장 사업도 확대하고 있다. 약 190MW 운용과 2028년 1GW 목표는 해당 시점 자료다. MW는 출력이고 MWh는 저장 에너지이므로 구분해야 한다.

출처: Ormat

뉴질랜드와 인도네시아 등의 프로젝트에는 설비 공급과 소유 발전소가 섞일 수 있다. 모두 Ormat 소유 발전 용량의 증가라고 해석하면 안 된다.

회사는 과거 누적으로 약 3.4GW의 지열 설비 공급 실적도 제시했다. 업계 순위는 집계 시점과 공급 범위에 따라 달라지며 보유 발전 용량과는 다른 지표다.

미국 인플레이션감축법의 세액공제는 사업 경제성에 도움이 될 수 있다. 연간 최대 1억 2,500만 달러라는 금액은 계획과 자격 요건에 따른 전망이지 무조건 받는 현금이 아니다.

출처: Ormat

지열 확대에는 기술 외에도 전력회사와 산업 고객의 이해, 계약과 규제 절차가 중요하다.

Ormat의 경험은 경쟁력이 될 수 있다. 다만 수요 증가가 모든 사업의 수익성이나 투자 성과를 보장하지는 않는다.

2. Vulcan Energy (VUL.AX)

Vulcan은 호주 상장 그룹으로 독일 라인 계곡에서 지열과 리튬 사업을 추진한다. 독일 프로젝트와 그룹의 법인 소재지를 구분해야 한다.

프로젝트의 장기 구상에는 재생열 공급과 리튬 생산, 배출 감축이 포함된다. 1단계 목표는 연간 리튬 수산화물 약 2만 4,000톤, 약 50만 대 전기차에 해당하는 규모로 제시되었다. 모두 실현된 생산량은 아니다.

독일의 지역난방을 화석연료에서 전환하는 데 활용될 수 있지만 연결망과 수요 계약이 필요하다.

1단계에는 연간 전력 약 275GWh와 열 최대 560GWh라는 목표가 제시되었다. GWh는 에너지량이며 발전소의 순간 출력과 다르다.

출처: Vulcan Energy

2024년에는 실증 규모의 리튬 생산이 진행되었고 여러 고객과 생산물 구매계약을 맺었다. 상업적 대량생산이 확립된 것은 아니다. Stellantis는 2022년 약 5,000만 유로를 투자했다. 이를 달러 투자나 고정된 현재 지분율로 바꾸어 읽으면 안 된다.

자원 농도 변화와 낮은 생산비는 저류층 모델 및 사업 계획의 추정이다. 2025년 말 생산 시작 등 당시 일정은 목표였으며 시장 가격, 자금조달과 시공에 따라 달라질 수 있다.

출처: Vulcan Energy

Vulcan은 개발·확대 단계의 위험을 가진 사업이다. 2024년 실증 생산은 진전이지만 상업적 규모의 원가와 지속적 현금흐름을 입증한 것은 아니다.

지열과 리튬 회수의 결합은 배출을 줄일 가능성이 있다. “탄소중립” 또는 “화석연료 제로”는 회사의 공정·경계 가정에 따른 표현으로 전체 생애주기 배출이 없거나 세계에서 유일하다는 사실을 자동으로 뜻하지 않는다.