지열 발전

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1. 개요

지열 발전은 지구 내부의 열을 활용하여 전기를 생산하는 기술이다. 20세기 초 이탈리아에서 최초의 상업 발전소가 건설되었으며, 이후 미국, 뉴질랜드 등 여러 국가로 확산되었다. 지열 에너지는 지하의 방사성 물질 붕괴나 마그마 활동으로 발생하는 열을 이용하며, 건증기, 습증기, 바이너리 사이클 등 다양한 발전 방식을 활용한다. 주요 지열 발전국으로는 미국, 인도네시아, 필리핀, 터키 등이 있으며, 한국은 지열 에너지 개발에 적극적으로 참여하지 않고 있다. 지열 발전은 탄소 배출량이 적고 토지 및 담수 사용량이 적다는 장점이 있으나, 높은 초기 비용, 미소 지진 유발 가능성, 온천과의 갈등, 낮은 에너지 효율 등의 과제를 가지고 있다.

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지열 발전
지도 정보
기본 정보
크라플라, 아이슬란드의 지열 발전소
지열 발전 프로젝트가 설치되었거나 개발 중인 국가들
개요
에너지원	지열 에너지
전력 생산 방식	지열 발전
지열 에너지 사용 방식	지열 난방 지열 발전
기술 및 원리
발전 원리	지구 내부의 열을 이용하여 증기 터빈을 구동시켜 전기를 생산
발전소 유형	건증기 발전소 플래시 증기 발전소 바이너리 발전소
발전소 건설 조건	지열 자원이 풍부한 지역 화산 활동 지역 지각 활동이 활발한 지역
지열 발전 현황
국제 지열 협회(IGA) 2010년 보고	10,715 메가와트 (MW)의 전력 생산 용량
2015년 설치 용량	12.8 기가와트 (GW)
2019년 기준 상위 10개국	미국 인도네시아 필리핀 터키 뉴질랜드 멕시코 케냐 이탈리아 아이슬란드 일본
장점
친환경성	재생 가능 에너지로 지속 가능한 발전 가능
안정적인 에너지 공급	날씨 변화에 영향 없이 안정적인 전력 생산 가능
에너지 효율성	높은 에너지 효율성
단점
초기 투자 비용	발전소 건설에 많은 초기 비용 소모
지리적 제약	특정 지역에서만 발전 가능
환경 문제	지진 발생 가능성 유해 가스 배출 폐수 처리 문제
지열 발전의 미래
기술 발전	향상된 지열 시스템(EGS) 개발 저온 지열 발전 기술 개발
기여 가능성	기후 변화 완화 및 에너지 안보에 기여
참고 자료
JOGMEC	지열 발전이란 무엇인가? 그 구조부터 장점·단점까지 해설
요미우리 신문	지열 발전 개발 촉진을 위해 국가가 시추 조사를 지원... 막대한 비용과 지역과의 조정을 대행
응용지질학회 논문	일본의 지열 발전 개발
IPCC 보고서	기후 변화 완화에 대한 지열 에너지의 가능한 역할과 기여
한국자원환경지질학회	한국의 지열 연구와 개발

2. 역사

20세기 초, 전기에 대한 수요가 증가하면서 지열 에너지가 발전원으로 주목받기 시작했다. 1904년 7월 4일, 이탈리아 라르데렐로에서 피에로 지노리 콘티 왕자가 최초의 지열 발전기를 시험하여 4개의 전구에 불을 켜는 데 성공했다.^[7] 1911년에는 같은 장소에 세계 최초의 상업용 지열 발전소가 건설되었다. 1920년대에는 일본 벳푸와 미국 캘리포니아주 더 게이서스에서 실험적인 발전기가 건설되었으나, 1958년까지 이탈리아는 세계 유일의 지열 발전 산업 생산국이었다.

1980년부터 2012년까지 지열 발전량 상위 5개국 동향 (미국 에너지 정보청)

1958년, 뉴질랜드 와이라케이 발전소가 가동되면서 뉴질랜드는 두 번째 주요 지열 발전 산업 생산국이 되었다. 와이라케이 발전소는 플래시 증기 기술을 사용한 최초의 발전소였다.^[9] 1960년에는 퍼시픽 가스 앤 일렉트릭이 캘리포니아주 더 게이서스에서 미국 최초의 성공적인 지열 발전소를 가동하기 시작했다.^[10] 이 발전소의 최초 터빈은 30년 이상 가동되었으며 11MW의 순 발전량을 생산했다.^[11]

1967년 소련에서 유기 유체 기반 이원 사이클 발전소가 처음 시연되었고,^[10] 1981년 미국에 도입되었다. 이 기술은 81°C의 낮은 온도에서도 발전을 가능하게 했다. 2006년에는 알래스카주 체나 온천에서 이원 사이클 발전소가 가동되어 57°C의 낮은 유체 온도에서 전기를 생산하기 시작했다.^[29]

최근까지 지열 발전소는 지표면 근처에 고온 지열 자원이 있는 곳에만 건설되었다. 그러나 이원 사이클 발전소의 개발과 시추 및 추출 기술의 발전으로 더 넓은 지역에서 향상된 지열 시스템을 구축할 수 있게 되었다.^[12] 독일 란다우-팔츠, 프랑스 술츠-수-포레에서 시범 사업이 운영 중이며, 스위스 바젤에서 진행되었던 사업은 지진 유발로 중단되었다. 호주, 영국, 미국 등에서도 시범 사업이 건설 중이다.^[13]

지열 발전소의 열효율은 7~10% 정도로 낮다.^[14] 이는 지열 유체의 온도가 낮아 열역학 법칙에 따라 발전 과정에서 유용한 에너지를 추출하는 효율이 제한되기 때문이다. 그러나 지열 발전은 변동적인 에너지원에 의존하지 않아 용량 계수가 높다. 최대 96%까지 입증되었으며,^[15] 2008년 기준 전 세계 평균 용량 계수는 74.5%였다.^[16]

1913년 이탈리아의 라르데렐로에서 상업 발전이 시작되어 2010년에는 543MW의 발전 능력을 갖추게 되었다.^[61] 2005년 세계 지열발전 설비용량 합계는 8,878.5MW였다.

국가별로는 미국이 가장 많은 지열 발전을 하고 있으며, 그 중 90%가 캘리포니아주에 집중되어 있다. 필리핀은 화산 국가로서 지열 발전에 주력하여 국내 총 발전량의 약 4분의 1을 지열로 충당하고 있다. 아이슬란드는 스바르트센기 지열발전소를 통해 지열 해수를 활용한 세계 최대 규모의 노천 온천인 블루라군을 운영하며, 지열과 수력 발전만으로 전력을 충당하는 것을 목표로 하고 있다.^[62] 뉴질랜드는 원자력 발전을 하지 않는 정책에 따라 지열 발전을 추진하고 있다.^[63] 인도네시아는 화석 연료 고갈에 대비하여 지열 발전을 확대하는 에너지 안보 전략을 추진하고 있다.^[64]

일본은 1919년 야마우치 만주지가 벳푸에서 지열용 분기공 시추에 성공하고, 1925년 타치가와 헤이지가 실험 발전에 성공하면서 지열 발전의 역사가 시작되었다.^[109]^[107]^[110] 1966년에는 마쓰카와 지열 발전소가, 1967년에는 오이타현 구주정의 다이가쿠 발전소가 운전을 개시했다.^[107]

2. 1. 한국의 지열 에너지 개발사

한국에서의 지열 연구는 온천 조사로부터 시작되었다. 1924년 이래 한반도의 대표적인 온천들이 조사되었고, 1990년대에 들어서는 지열 에너지를 개발하여 활용하고자 하는 사업이 시작되어 마산, 창원 및 제주도 지역에서 지열 개발을 위한 연구가 수행되었으나 실제 개발을 위한 시추까지 이르지는 못하였다.^[159] 2000년대 이후에는 한국지질자원연구원을 중심으로 본격적인 지열 개발 연구가 수행되었다. 그 결과, 다음과 같은 사실이 밝혀졌다.^[159]

암석의 연대가 젊을수록, 그리고 변성암보다는 퇴적암 계열의 지열류량이 높으며 모호면의 깊이가 얕을수록 지열류량이 높아진다.
일부 유명 온천 지대에서 국부적으로 높은 지열류량 값이 나타난다.
포항시와 양산 단층 지역은 지열류량이 높으며 열전도도가 낮은 신생대 제3기 퇴적층이 두껍게 분포하여 지하 1km 당 지온증가율도 40도 이상으로 높게 나타난다.

한국은 평균적으로 지하 1km 당 25도가 높아지며 평균 지표 지열류량은 65mW/m²이다. 지체 구조별 지표 지열류량, 평균 열생산률, 평균 지열류량, 맨틀 지열류량 수치는 다음과 같다.^[159]

지체 구조	경기 육괴	옥천 습곡대	영남 육괴	경상 분지	연일 분지^[165]
지표 지열류량 평균 (mW/m²)	68.5	64.9	60.1	72.4	75.4
평균 열생산율 (µW/m²)	2.06	2.01	2.14	1.66	1.96
평균 지열류량 (mW/m²)	68.75	64.88	60.12	72.38	75.44
맨틀 지열류량 (mW/m²)	45.50	42.08	35.61	53.25	54.09

한국에서는 지표 지열류량이 높은 지역은 중서부, 남동부 그리고 북동부 지역이며 지열류량이 낮은 지역은 남서부 지역이다. 경상 분지와 연일 분지의 높은 지표 지열류량의 원인은 높은 맨틀 지열류량의 영향이다. 경상 분지는 우리나라의 평균 지표 지열류량보다 상대적으로 높은 평균 지표 지열류량을 보이며 경상분지의 서부 지역에서 동해의 울릉 분지 방향으로 지표 지열류량이 점진적으로 증가하는 특징을 보인다.^[159]

우리나라의 지표에서 5km 깊이까지 산출 가능한 지열에너지의 총 부존량은 1.01 ×10²³J로, 이를 석유환산톤(Toe)로 환산하면 2.40 ×10¹²이다. 이 자원의 2%를 사용한다고 했을 때 약 480억 Toe로, 2020년 우리나라 전체 1차 에너지 소비량(2억 9200만 Toe^[166])을 고려했을 때 약 160년 동안 공급할 수 있는 양이다.^[167]

3. 지열 에너지의 근원

지열 에너지의 근원은 상부 지각에 있는 우라늄(U²³⁵, U²³⁸), 토륨(Th²³²), 칼륨(K⁴⁰) 등 방사성 동위원소의 붕괴에 의한 열과 지구 내부 마그마에 의한 것이다. 이 중 방사성 동위원소의 붕괴에 의한 지열이 전체 지열의 약 83%를 차지한다.^[159] 평균적인 지온 증가율은 100m당 2.5~3도이지만, 지열이 많아 지온 증가율이 평균보다 10배 이상 크게 나타나는 지역도 있다. 한국의 평균 지온 경사는 1km당 25도이며 평균 지표 지열류량은 65mW/m2이다.^[160]^[161]

지구의 열 함량은 약 이다.^[23] 이 열은 전도에 의해 초당 44.2TW의 비율로 자연적으로 지표면으로 흘러가며,^[17] 방사성 붕괴에 의해 초당 30TW의 비율로 보충된다.^[18] 이러한 발전량은 인류의 현재 1차 에너지 소비량의 두 배가 넘지만, 이 에너지의 대부분은 (평균적으로 약 0.1W/m2) 너무 분산되어 회수가 불가능하다. 지각은 효과적으로 두꺼운 단열재 역할을 하며, 지하의 열을 방출하기 위해서는 유체 통로(마그마, 물 또는 기타)를 통해 관통해야 한다.

4. 지열 발전 방식

지열 발전은 지열 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 방식이다. 지열 발전 방식은 크게 직접 이용 방식과 간접 이용 방식으로 나눌 수 있다.^[159]

직접 이용 방식: 땅속에서 직접 고온의 열원을 얻어 터빈을 돌리는 방식이다. 건증기 지열 발전, 습증기(플래시 증기) 지열 발전, 바이너리 사이클 지열 발전 등이 이에 해당한다.
간접 이용 방식: 인공적으로 열원을 만들어 터빈을 돌리는 방식이다. 이 기술은 EGS(Enhanced Geothermal Systems, 지열발전시스템증진) 발전이라고도 불린다.^[159]

현재 주로 이용되는 지열 발전 기술에는 드라이 스팀 방식, 플래시 사이클 방식, 바이너리 사이클 방식의 세 가지가 있다.^[67]^[68]^[69]^[70] 미래 기술로는 고온암체 발전과 같이 열수·증기 자원이 없어도 발전이 가능한 기술의 연구 개발도 진행되고 있다. 또한 발전 터빈에서 사용한 후의 증기 처리 방식에 따라, 그대로 대기 중에 방출하는 방식을 배압식, 증기를 냉각하여 물로 되돌리는 방식을 복수식으로 분류한다.

지열 발전에 사용되는 터빈에는 배압식과 복수식이 있다.^[87]

배압식 터빈: 터빈에서 사용한 후의 증기를 대기 중으로 방출한다. 복수식에 비해 약 2배의 증기가 필요하지만, 설비가 간편하고 저렴하며, 개발, 시험, 예비 등을 목적으로 하는 설비에 적합하다.^[71] 비교적 단기간에 제작 및 설치가 가능하며, 주로 수 MW 정도의 소규모 설비에 사용된다.^[71]

복수식 터빈: 터빈 이용 후의 증기를 복수기에서 응축시켜 물로 만든다. 설비가 복잡하고 공사 기간도 길어지지만, 증기의 이용 효율은 높아진다.^[71] 비교적 대규모 설비에 사용된다.^[71]

터빈 발전기가 아닌 열전소자를 사용하는 방식도 있다. 대규모 발전에는 적합하지 않지만 소형화가 용이하다. 국내에서는 지오콘센트 등에서 채택 사례가 있다.

4. 1. 직접 이용 방식

지열 발전에서 직접 이용 방식은 터빈 구동에 필요한 고온의 열원을 땅속에서 직접 추출하는 방식이다. 수 km 깊이로 뚫은 구멍(보어홀)을 통해 지열수나 증기를 뽑아내 터빈을 돌리는 데 필요한 열을 얻는다. 여기에는 건증기 지열발전, 습증기(플래시증기) 지열 발전, 바이너리 사이클 지열발전 등이 있다.^[159]

건증기 지열 발전: 건조한 증기를 이용하는 방식으로, 가장 오래된 지열 발전 방식이다. 하지만 증기가 발생하는 지역에만 설치할 수 있다는 제약 때문에 널리 보급되지는 않았다. 따라서 한국에서는 이 방식을 도입하기 어렵다. 이 방식은 포화 상태 또는 약간 과열된 상태의 증기를 보어홀에서 추출하여 배관을 통해 발전 설비의 터빈으로 직접 보내 전기를 생산한다. 이때 보어홀 상부와 증기 배관 사이에 이물질 제거기를 설치하여 터빈 블레이드가 손상되는 것을 막는다.^[22] 건식 증기 발전은 150°C 이상의 지열 증기를 직접 사용하여 터빈을 회전시킨다.^[23]
습증기 지열 발전: 현재 가장 널리 보급된 방식으로, 터빈의 단수에 따라 1단, 2단 등으로 나뉜다. 보어홀에서 나오는 증기는 지열수와 증기가 섞인 혼합물이다. 이 혼합물의 건도(증기의 비율)는 저장소 내 지열 유체의 상태와 보어홀의 크기에 따라 달라진다. 또한 건도는 보어홀 헤드의 압력에 영향을 받는데, 압력은 헤드 밸브나 오리피스(orifice plate)로 조절된다. 보어홀에서 추출한 습증기를 기체와 액체로 분리한 후 기체 상태인 증기만 이용한다. 습증기 사이클은 기/액분리기에서 분리된 액체를 주입정으로 바로 돌려보내는 방식이다. 이때 환원되는 지열수는 높은 온도를 유지하기 때문에 지역 난방 등에 활용되기도 한다. 반면 기계 장치를 통해 지열수를 1단 사이클의 증기압보다 낮은 압력으로 증발시킨 후, 이 증기로 저압 터빈을 추가로 구동하는 방식이 2단 습증기 사이클이다.^[159]
바이너리 사이클 지열 발전: 지하에서 추출한 저온(70∼120°C)의 지열수는 터빈과 직접 접촉하지 않고, 열교환기에서 끓는점이 낮은 2차 유체를 증발시킨 후, 이 증기로 터빈을 구동한다. 즉, 2차 유체의 증발에 필요한 열원이 지열수인 것이다. 바이너리 사이클의 2차 유체로 유기화합물을 사용하기 때문에 유기랭킨사이클이라고도 부른다. 이 방식은 낮은 온도의 지열수를 열원으로 이용하여 발전할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 효율이 낮기 때문에 지역 난방과 연계한 열병합 발전 방식을 채택하여 경제성을 확보한다.^[159] 이원 사이클 발전소는 섭씨 57도만큼 낮은 유체 온도도 받아들일 수 있다.^[29]

4. 2. 간접 이용 방식 (EGS 발전)

EGS(Enhanced Geothermal Systems) 발전은 인공적으로 열원을 만들어 터빈을 구동하는 간접 이용 방식이다. 지중의 뜨거운 암반층까지 보어홀을 시추하고, 이 안으로 물을 주입하여 고온의 물이나 수증기를 만든 후, 이를 다시 지상의 터빈으로 공급하여 전기를 생산한다.^[159] 이 기술은 3세대 지열 활용 기술로, 현재 미국을 비롯한 유럽의 선진국들이 연구 개발에 많은 투자를 하고 있다.^[159]

EGS는 자연적인 열원에 인공적으로 물을 주입하여 발전에 활용한다. 예를 들어, 지열발전소의 터빈을 구동하기 위한 지열수는 사용 후 특정한 환원정을 통하여 저류층으로 다시 주입할 수 있다. 이러한 방법으로 인공적인 물 주입은 지열에너지의 재생 또는 유지에 기여할 수 있다.^[159]

천연 온천수나 증기가 부족하더라도 지하에 고온 암체가 존재하는 곳을 수압 파쇄하여 물을 주입해 증기나 온천수를 얻는 고온암체 발전(hot dry rock geothermal power; HDR, 또는 EGS) 기술도 개발되고 있다.^[83]^[82] 지열 이용 기회를 확대하는 기술로 기대되며, 기존 온수 자원을 이용하지 않고 온천 등과도 경쟁하기 어려운 기술로 여겨진다.^[83] 일본에서는 38GW(38,000MW) 이상(대형 발전소 40기 정도에 해당)에 달하는 자원량을 이용할 수 있는 것으로 여겨진다.^[83] 많은 기술적 과제는 해결되었지만, 2000년부터 2년간 실증 실험, 발전이 실시된 이후 비용 증가를 이유로 중단되었다.^[84]

비용도 9.0원/kWh까지 낮출 가능성이 있지만, 일본처럼 지하 구조 변화가 큰 지역에서 240MW 발전소 건설이 가능한지는 조사가 필요하다.^[83] 2008년에는 미국 구글(Google)사가 벤처 기업 등에 1000만달러를 투자하여 화제가 되었다.^[85] 2010년 시점에서는 오스트레일리아의 지오다이나믹스(Geodynamics)사에 의해 75MW의 대규모 고온암체 지열 발전 플랜트 건설이 진행되고 있다.^[86]

지하수를 끌어올리는 대신, 지상에서 배관에 물을 주입하고, 지열로 고온이 된 배관 내의 물을 지상으로 끌어올려 순환시키는 시스템도 있다. 지열이 있는 곳이라면 열수저장층이 없어도 지열발전소를 건설할 수 있다. 또한, 온천수를 사용하지 않으므로 온천 고갈의 염려가 없다고 여겨진다. 교토대학교 공학연구과 준교수 요코미네 타케히코(横峯健彦) 등의 연구 그룹은 재팬 뉴 에너지(ジャパン・ニュー・エナジー)와 공동으로 개발한 세계 최초의 기술인 "JNEC(제이넥) 방식 신지열발전 시스템"이라 불리는 클로즈드 사이클 시스템에 의한 발전 실증에 성공하였고, 2025년을 목표로 3만 kW 발전량의 발전소를 건설할 예정이라고 한다.^[78]^[79]

물 대신 CO₂(이산화탄소)를 사용하는 기술도 있다. 고온 상태이지만 열수량이 부족하여 기존 기술로는 발전에 이용할 수 없었던 지열저류층에 CO₂를 주입하고, 고온에 의해 초임계 상태가 된 CO₂를 회수하여 발전하는 기술이다. 또한, 지하에 주입된 CO₂의 일부는 탄산염광물 등으로 고정되기 때문에 탄소중립화에도 기여할 것으로 기대된다. 이 기술은 석유가스・금속광물자원기구(JOGMEC)가 수행하는 지열발전 기술 연구개발 사업에서 대성건설과 지열기술개발주식회사가 공동으로 개발 중이다.^[80]^[81]

4. 3. 기타 발전 방식 (일본어 위키 참고)

지열 발전은 크게 '''직접 이용 방식'''과 '''간접 이용 방식'''으로 나뉜다. 직접 이용 방식은 땅속에서 직접 고온의 열원을 얻어 터빈을 돌리는 방식으로, 건증기, 습증기, 바이너리 사이클 발전 등이 있다. 간접 이용 방식은 인공적으로 열원을 만들어 터빈을 돌리는 방식으로, '''EGS'''(Enhanced Geothermal Systems, 지열발전시스템증진) 발전이라고도 불린다.^[159]

; 싱글플래시 사이클

: 얻어진 증기에 많은 열수가 포함되어 있는 경우, 증기터빈에 보내기 전에 기수분리기에서 증기만을 따로 분리할 필요가 있다. 이것을 '''싱글플래시 사이클'''이라고 한다.^[73] 일본의 지열발전소에서는 주류 방식이다.^[67]

; 더블플래시 사이클

: 증기를 분리한 후의 열수를 감압하면, 더 증기를 얻을 수 있다. 이 증기를 터빈에 투입하면, 설비는 복잡해지지만, 15~25% 전후의 출력 향상 및 지열 에너지의 효율적인 이용이 가능해진다.^[67]^[72] 이것을 '''더블플래시 사이클'''이라고 한다.^[67]^[72] 일본에서는 핫초바루 발전소, 오타케 지열 발전소 및 모리 발전소에서 채용되고 있다.

; 트리플플래시 사이클

: 더블플래시 사이클에서 증기를 추출하고 남은 열수를 다시 감압하여 증기를 얻는 트리플플래시 사이클도 있다. 더블플래시 사이클보다 설비가 더 복잡해지지만, 출력 향상에 따른 이점은 작아 뉴질랜드 등에 소수의 사례만 있다.

; 지열자원이 부족한 국가의 예

: 2011년, 화산 등 지열자원이 부족한 독일에서 바이너리 발전이 이미 실용화되었다. 지하 1킬로미터에서는 온도가 30도 상승하고, 깊이 4킬로미터의 우물을 파면 100도의 지열 에너지를 얻을 수 있다. 독일에서는 3곳의 지열발전소가 가동 중이다.^[66]

; 마그마 발전

: 향후 구상으로는 마그마 덩어리 근처의 고열을 이용하는 마그마 발전이 검토되고 있다. 개발에 최소 50년은 걸릴 것이라고 예상되지만^[115], 잠재 자원량은 6TW(6천만 MW)에 달한다고 추정되며^[83], 이를 이용하면 일본의 전체 전력 수요의 3배 가까이를 충당할 수 있을 것이라고 예측된다.^[115]

5. 국가별 개발 상황

20세기 초, 전력 수요 증가에 따라 지열 에너지가 주목받기 시작했다. 1904년 이탈리아 라르데렐로에서 최초의 지열 발전 실험이 성공했고,^[7] 1911년에는 세계 최초의 상업 지열 발전소가 건설되었다. 1958년 뉴질랜드 와이라케이 발전소가 가동되면서 뉴질랜드는 두 번째 주요 지열 발전 국가가 되었다.^[9] 1960년 미국 캘리포니아주 더 게이서스에서 최초의 성공적인 지열 발전소가 가동되었다.^[10]

1967년 소련에서 유기 유체 기반 이원 사이클 발전소가 처음 시연되었고,^[10] 1981년 미국에 도입되었다. 2006년 알래스카 체나 온천에서는 57°C의 낮은 온도에서 전기를 생산하는 이원 사이클 발전소가 가동되었다.^[29]

최근까지 지열 발전소는 고온 지열 자원이 있는 곳에만 건설되었으나, 이원 사이클 발전소와 추출 기술 발전으로 더 넓은 지역에서 향상된 지열 시스템을 구축할 수 있게 되었다.^[12]

지열 발전소의 열효율은 7~10% 정도로 낮지만,^[14] 용량 계수는 최대 96%로 매우 높다.^[15] 2008년 전 세계 평균 용량 계수는 74.5%였다.^[16]

세계 최대 지열 발전소 단지는 캘리포니아주 더 게이저스에 있다.^[40] 2021년 기준 케냐, 아이슬란드, 엘살바도르, 뉴질랜드, 니카라과 5개국은 전력의 15% 이상을 지열 자원에서 생산한다.^[41]

다음 표는 2021년 미국 에너지 정보청(EIA) 자료를 바탕으로 각 국가별 지열 발전 현황을 나타낸다.^[41]

국가	발전량 (TWh)	지열 발전 비율	용량 (GW)	지열 발전 용량 증가율	설비 이용률
전 세계	91.80	0.3%	14.67	1.7	71%
미국^영어	16.24	0.4%	2.60	1.0	71%
인도네시아^id	15.90	5.2%	2.28	6.9	80%
필리핀^tl	10.89	10.1%	1.93	0	64%
터키^tr	10.77	3.4%	1.68	3.9	73%
뉴질랜드^mi	7.82	18.0%	1.27	0	70%
아이슬란드^is	5.68	29.4%	0.76	0	86%
이탈리아^it	5.53	2.0%	0.77	0	82%
케냐^sw	5.12	43.4%	0.86	0	68%
멕시코^es	4.28	1.3%	1.03	0	47%
일본^일본어	3.02	0.3%	0.48	0	72%
코스타리카^es	1.60	12.6%	0.26	0	70%
엘살바도르^es	1.58	23.9%	0.20	0	88%
니카라과^es	0.78	16.9%	0.15	0	58%
러시아^ru	0.45	0.04%	0.07	0	69%
파푸아뉴기니^영어	0.40	8.2%	0.06	0	82%
칠레^es	0.33	0.4%	0.04	0	94%
과테말라^es	0.32	2.2%	0.05	0	73%
온두라스^es	0.31	2.6%	0.04	0	91%
독일^de	0.25	0.04%	0.05	15.0	62%
포르투갈^pt	0.18	0.4%	0.03	0	70%
프랑스^프랑스어	0.13	0.03%	0.02	0	95%
중국^중국어	0.13	0.002%	0.03	0	55%
크로아티아^hr	0.07	0.5%	0.01	0	85%

2005년 세계 지열발전 설비용량 합계는 8,878.5MW였다. 전 세계 총 발전설비 중 지열발전이 차지하는 비율은 약 0.3%였다.

1919년 일본 제국 해군 야마우치 만주지 중장이 벳푸시에서 지열용 분기공 시추에 성공했고, 1925년 타치가와 헤이지가 실험 발전에 성공했다.^[109]^[107]^[110] 실용적인 지열 발전소로는 1966년 마쓰카와 지열 발전소(하치만타이시)가 처음이며,^[107] 1967년에는 다이가쿠 발전소(구주정)가 운전을 개시했다.^[107]

2019년 기준 일본의 지열발전 설비용량은 약 540MW이며, 발전량은 2,472GWh로 전체 발전량의 0.2%에 불과하다.^[111] 일본에서 지열발전 보급이 저조했던 이유는 석유 가격 안정,^[107] 에너지 정책 전환,^[107] 국정공원, 국립공원 규제, 온천 지역 반발 등이 주요 원인으로 꼽힌다.

일본 국내 지열발전 매장량은 약 33GW로 추정되며,^[112]^[113] 국산 에너지원으로서 개발 필요성이 제기되고 있다.^[114]^[115]

일본 기업들의 지열발전 기술력은 높아서, 2010년 당시 후지전기, 도시바, 미쓰비시중공업 등 일본 기업 3사가 세계 지열발전 설비 용량의 70%를 공급했다.^[118]^[119]

2011년 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 이후 재생 가능 에너지 개발의 일환으로 지열발전 신규 개발을 위한 규제 완화에 대한 관심이 높아졌다. 2012년에는 지열발전을 포함한 재생 가능 에너지 전력 매입 가격을 15년간 1kW당 42엔으로 결정했다.

2019년에는 23년 만의 대규모 지열발전소인 마쓰오 하치만타이 지열발전소(하치만타이시)와 산와이자와 지열발전소(유자와시)가 운전을 시작했다.^[107]

일본의 지열 발전소는 화산이 많은 동북 지방과 규슈 지방 일부에 집중되어 있다.

지열 저류층 관리를 위해 플랜트 1기당 발전 용량은 수십 MW 정도로 소규모이다. 계획적인 소모품 교환과 저류층 관리를 통해 장기간 안정적인 전력 공급이 가능하다.

일본의 지열 발전소 목록^[137]
도도부현	도시	발전소	발전회사	방식	용량(kW)
홋카이도	하코다테시	난마부 지열발전소	OR지오 난마부	B	6500
	모리정	모리 발전소	홋카이도 전력	DF	25000
	데시쿠베정	마슈호 온천 바이너리 발전 시설	국서간행회	B	100
	도야호정	도야호 온천 KH-1	도야호 온천 이용 협동조합	B	45
	오쿠시리정	오쿠시리 지열	에시모리 석유전기상회	B	250
이와테현	하치만타이시	마쓰카와 지열 발전소	도호쿠 수력 지열	DS	23500
		마쓰오하치만타이 지열 발전소	이와테 지열	DS	7499
		안비 지열 발전소	안비 지열	SF	14900
	시즈이시정	갓켄다 지열 발전소	도호쿠 전력	SF	80000
미야기현	오사키시	오니쿠비 지열 발전소	전원개발	SF	14900
미야기현	오사키시	나루코 온천 바이너리	나루코 고향 창생 온천 사업 합동회사	B	65
아키타현	유자와시	우에노다이 지열 발전소	도호쿠 전력	SF	28800
	유자와시	야마와사자와 지열 발전소	전원개발	DF	46199
	카쿠노다시	스미가와 지열 발전소	도호쿠 전력	SF	50000
	카쿠노다시	오누마 지열 발전소	미쓰비시 머티리얼	SF	9500
후쿠시마현	야나이즈정	야나이즈니시야마 지열 발전소	도호쿠 전력	SF	30000
후쿠시마현	후쿠시마시	도유 온천 16호 원천 바이너리 발전소	쓰치유 온천 에너지	B	400
토치기현	나스정	호텔 썬밸리 바이너리 발전소	호텔 썬밸리 나스	B	20
도쿄도	하지죠정	하지죠섬 지열·풍력 발전소(폐지)	오릭스	DF	~~3300~~
니가타현	토오카마치	마쓰노야마 온천 바이너리 지열 발전 실증 시험 시설	환경성	B	87
나가노현	다카야마무라	나나미 온천 호텔 케이산테이 바이너리 발전소	나나미 온천 호텔	B	20
기후현	다카야마시	히토에가네 2호 바이너리	신·에너지	B	72
기후현	다카야마시	나카오 지열 발전소	나카오 지열 발전	DF	1998
시즈오카현	히가시이즈정	히가시이즈정 온천 발전소(유노하나 파크)	히가시이즈정	B	3
시즈오카현	시모다시	시모다 온천 바이너리	JX금속	B	110
효고현	신온센정	유무라 온천 관광 교류 센터 약사유 온천 바이너리 발전소	신온센정	B	40
돗토리현	토호쿠정	협화지건컨설턴트 유나시하마 지열 발전소	협화지건컨설턴트	B	20
나가사키현	운젠시	오하마 온천 바이너리 발전소	코요전기	B	200
구마모토현	오구니정	다케노유 발전소(휴지중)	히로세상사	SF	50
		와이타 지열 발전소	와이타회	SF	1995
		오구니 마쓰야 지열 발전소	오구니 마쓰야 발전소	B	50
		오구니정 오코시 에너지 지열 발전소	정 오코시 에너지	SF	4990
오이타현	베푸시	스기노이 지열 발전소	스기노이 호텔	SF	1900
		코스모텍 베푸 바이너리 발전소	코스모텍	B	500
		유야마 지열 발전소	니시니혼 지열 발전	B	100
		가메노이 발전소	지열 월드 공업	TF	11
		고토엔 지열 발전소	니시니혼 지열 발전	B	92
		미나미타테이시 온천 열 발전소	헤이와 건설	B	49
		안베 내과 병원 발전소	안베 내과 병원	B	20
		타타라 제1 발전소	일본 지열 흥업	B	49
		세토우치 자연 에너지 XLT 발전소	세토우치 자연 에너지	B	48
		KA컨티뉴	KA컨티뉴(주)	B	48
		베푸 스파 서비스 발전소(분양형 발전소)	(주)베푸 스파 서비스	B	125
		피노 바이너리 발전소	피노 바이너리 발전소(동)	B	250
		PPSN 바이너리	(주)PPSN	B	125
		SUMO POWER	(주)SUMO POWER	B	125
		에스엔에스파워	(주)에스엔에스파워	B	125
		마키노	마키노 해운(주)	B	125
		BLD 바이너리	BLDPowerStations(주)	B	250
		(주)치바	(주)치바	B	250
		치바HD	(주)치바홀딩스	B	250
		GRACE	(주)GRACE	B	125
		기주	(주)기주	B	125
		나라사키 미키오	나라사키 미키오	B	125
		VEP에너지	(주)VEP에너지	B	125
		RE-ENERGY 지열	RE-ENERGY조합	B	125
		레나비스	(주)레나비스	B	125
		레나 발전소 1호	레나 발전소 1호(동)	B	250
		P-POWER	(주)PPSN	B	250
		엔아이에스 바이너리	엔아이에스 바이너리 발전소(동)	B	250
		T·S·B	(주)T·S·B	B	125
		듀얼에너지	듀얼에너지 바이너리 발전소 1호(동)	B	250
		베푸쓰루미 온천 지열 발전소 1호	베푸쓰루미 온천 지열 발전소 1호(동)	B	250
		안베 내과 병원	안베 내과 병원	B	20
		산코 지열 개발 바이너리	산코 지열 개발	B	53
		데루와 프로젝트 온천 재생 사업 1호	츠지다 건기	B	57
	구주정	오다케 발전소	규슈 전력	DF	13700
		하지나하라 발전소	규슈 전력	DF	112000
		하지나하라 바이너리	규슈 전력	B	2000
		다키가미 발전소	규슈 전력	SF	27500
		구주 지열 발전소	구주 관광 호텔	SF	990
		스가와라 바이너리 발전소	규전 미라이 에너지	B	5000
		다키가미 바이너리 발전소	이쓰쿠 오이타 지열	B	5050
		구주 노야 지구 바이너리	(주)타카후지	B	50
	유후시	유후인 포레스트 에너지 바이너리 발전소	유후인 포레스트 에너지	B	50
	유후시	OTE오이타 오쿠에 온천 지열 바이너리 사이클	OTE오이타(주)	B	50
미야자키현	에비노시	야마노메구미 온천열 바이너리 발전소	야마노메구미 발전	B	60
가고시마현	사이토시	야마가와 발전소	규슈 전력	SF	30000
		야마가와 바이너리 발전소	규전 미라이 에너지	B	4990
		메디폴리스 사이토 발전소	메디폴리스 에너지	B	1410
	키리시마시	오키리 발전소	규슈 전력	SF	30000
	키리시마시	키리시마 국제 호텔 지열 발전소	다이와 방직 관광	B	100
합계(휴지중 제외)					537297

＊발전 방식 DS: 드라이 스팀, SF: 싱글 플래시, DF: 더블 플래시, B: 바이너리, TF: 토털 플로 발전

6. 한국의 지열

한국에서의 지열 연구는 온천 조사에서 시작되었다. 1924년부터 한반도의 주요 온천들이 조사되었고, 1990년대에는 지열 에너지 개발 사업이 시작되어 마산, 창원, 제주도 등에서 연구가 진행되었으나, 실제 시추까지는 이루어지지 못했다.^[159] 2000년대 이후 한국지질자원연구원을 중심으로 본격적인 지열 개발 연구가 진행되어 다음과 같은 사실들이 밝혀졌다.^[159]

암석 연대가 젊을수록, 변성암보다 퇴적암 계열의 지열류량이 높고, 모호면 깊이가 얕을수록 지열류량이 높다.
일부 온천 지역에서 국부적으로 높은 지열류량 값이 나타난다.
포항시와 양산 단층 지역은 지열류량이 높고, 열전도도가 낮은 신생대 제3기 퇴적층이 두꺼워 지하 1km당 40도 이상으로 지온증가율이 높다. 양산 단층 및 주변 단층대를 따라 지열류량이 높은 것은 단층대가 지하 깊은 곳까지 연결되어 열의 흐름을 유발하기 때문이다.

한국은 평균적으로 지하 1km당 25도가 높아지며, 평균 지표 지열류량은 65mW/m²이다. 지체 구조별 지표 지열류량, 평균 열생산율, 평균 지열류량, 맨틀 지열류량 수치는 다음과 같다.^[159]

지체 구조	경기 육괴	옥천 습곡대	영남 육괴	경상 분지	연일 분지^[165]
지표 지열류량 평균 (mW/m²)	68.5	64.9	60.1	72.4	75.4
평균 열생산율 (µW/m²)	2.06	2.01	2.14	1.66	1.96
평균 지열류량 (mW/m²)	68.75	64.88	60.12	72.38	75.44
맨틀 지열류량 (mW/m²)	45.50	42.08	35.61	53.25	54.09

한국에서 지표 지열류량이 높은 지역은 중서부, 남동부, 북동부 지역이며, 낮은 지역은 남서부 지역이다. 지표 지열류량이 높은 지역에서 낮은 열생산율을 보이는 경향으로 보아, 상부 지각의 열생산율이 지표 지열류량을 결정하는 주요 요인이 아님을 알 수 있다. 경상 분지와 연일 분지의 높은 지표 지열류량은 높은 맨틀 지열류량의 영향이다. 경상 분지는 평균보다 높은 지표 지열류량을 보이며, 서부에서 동해의 울릉 분지 방향으로 점진적으로 증가한다. 이는 동해 확장으로 인한 대륙과 해양 사이 전이대에서 증가하는 맨틀 지열류량이 주요 원인으로 판단된다.^[159]

한국에서 지하 5km까지 산출 가능한 지열 에너지 총 부존량은 1.01 ×10²³J (2.40 ×10¹² 석유환산톤(Toe))이다. 이 자원의 2%를 사용하면 약 480억 Toe로, 2020년 한국 전체 1차 에너지 소비량(2억 9200만 Toe^[166])을 기준으로 약 160년 동안 공급할 수 있는 양이다.

7. 환경 영향

기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)가 검토한 연구에 따르면, 기존 지열 발전소는 평균적으로 메가와트시당 45kg의 이산화탄소 상당 배출량(kg eq/MW·h)을 생성한다.^[42] 이는 탄소 포집 및 저장(CCS)이 적용되지 않은 석탄 화력 발전소의 메가와트시당 1,001kg 배출량에 비해 매우 낮은 수치이다.^[6]^[42] 지열 발전소가 지하 저수지의 압력을 줄여 가스 방출 속도를 감소시킬 수 있다는 가설도 있다.^[43]

높은 수준의 산 및 휘발성 화학 물질을 포함하는 지열 발전소는 배출 제어 시스템을 갖추고 있으며, 뉴질랜드^[43]와 아이슬란드의 CarbFix 프로젝트처럼 가스를 지구로 다시 주입하여 탄소 포집 및 저장을 수행하기도 한다. Kızıldere 지열 발전소는 지열 유체를 이용해 이산화탄소 가스를 드라이아이스로 처리하여 환경 영향을 최소화한다.^[44]

지열원의 온수에는 수은, 비소, 붕소, 안티몬 등의 유독성 화학 물질이 미량 포함될 수 있다.^[45] 이러한 화학 물질은 물이 식으면서 용액에서 나와 환경 피해를 야기할 수 있지만, 현대적인 지열 발전 방식은 지열 유체를 지구로 다시 주입하여 이러한 위험을 줄인다.

발전소 건설은 토지 안정성에 영향을 줄 수 있다. 뉴질랜드의 와이라케이 지열전에서는 지반 침하가 발생했으며,^[46] 증강 지열 시스템은 물 주입으로 인해 지진을 유발할 수 있다. 스위스 바젤의 프로젝트는 지진 발생으로 중단되기도 했다.^[47] 슈타우펜 임 브라이스가우에서는 지열 시추로 인한 융기 현상이 나타났다.

지열 발전은 토지 및 담수 요구량이 적다. 지열 발전소는 기가와트시당 404제곱미터를 사용하여 석탄 시설(3,632제곱미터) 및 풍력 발전소(1,335제곱미터)보다 훨씬 적은 토지를 사용한다.^[46] 담수 사용량도 MW·h당 20리터로, 원자력, 석탄, 석유(MW·h당 1,000리터 이상)보다 훨씬 적다.^[46]

지열 순환 시스템은 지역 기후 냉각을 유발할 수 있지만, 그 영향은 자연적인 기후 변동에 비해 미미하다.^[48]

2018년 푸나 하부 분화로 인해 푸나 지열 벤처는 2022년까지 정상 가동되지 못했다.^[49]

8. 경제성

지열발전은 재생에너지인 지열을 활용하므로, 화력발전에 비해 온실가스 배출량이 적고, 연료 가격 상승 문제가 없다.^[56] 태양광발전이나 풍력발전과 달리 날씨, 계절, 시간에 관계없이 안정적인 발전량을 얻을 수 있다.^[56]^[58] 발전 후 온수를 이용한 하우스재배나 양식사업 등 에너지의 다단계 활용을 통해 지역과 공생하는 개발도 가능하다.^[56] 일본과 같은 화산 지대에서는 큰 잠재력을 가지고 있다.^[56]^[83]^[60]

반면 다음과 같은 단점도 존재한다.^[56]

자연공원 내에 자원이 집중되어 개발이 제한될 수 있다.^[58]
탐사 및 개발에 10년 이상의 장기간이 필요하다.^[58]
발전에 필요한 양의 증기를 수십 년 단위로 생산하지 못하면 수지가 맞지 않는다.^[56]
지하 1,000~2,000미터를 굴착하여 증기 분출량을 확인해야 하며, 초기 조사에만 10억엔 이상의 비용이 소요된다.^[58]
굴착해도 분출량이 부족하여 사업을 중단하는 등 성공률이 30% 정도에 불과하며, 실패할 경우 보조금을 제외한 모든 비용은 기업의 손실이 된다.^[58]

지하에 고온의 암체가 존재하는 곳을 수압 파쇄하여 물을 주입하여 증기나 온천수를 얻는 고온암체 지열발전 기술도 개발되고 있다.^[83]^[82] 일본에서는 이 기술을 통해 대형 발전소 40기 정도에 해당하는 38GW 이상의 자원량을 이용할 수 있을 것으로 예상한다.^[83] 2000년부터 2년간 실증 실험 및 발전이 실시되었지만, 비용 증가를 이유로 중단되었다.^[84]

2008년에는 미국 구글사가 벤처 기업 등에 1000만달러를 투자하여 화제가 되었다.^[85] 2010년에는 오스트레일리아의 지오다이나믹스(Geodynamics)사에 의해 75MW의 대규모 고온암체 지열 발전 플랜트 건설이 진행되고 있다.^[86]

9. 과제

지열 발전은 재생에너지를 활용하여 화력발전에 비해 온실가스 배출량이 적고 연료 문제에서 자유롭다는 장점이 있지만, 여러 과제를 안고 있다.

일본의 경우, 발전소 후보지가 대부분 국립공원 등으로 지정되어 개발이 제한되었고, 1972년에는 정부 부처 간 각서^[130]로 인해 신규 발전소 건설이 사실상 불가능했다. 그러나 2012년 규제 완화^[131] 이후 개발이 재개되고 있다.

또한, 온천 지역 주민들의 반대도 개발의 걸림돌이었다. 주민들은 온천 고갈, 수량 감소, 온도 저하 등을 우려하여 반대했지만,^[132]^[133] 추진 측은 과학적 조사 결과와 해외 사례를 들어 영향이 없다고 반박하며, 온천과의 공존, 공영을 주장한다.^[131]^[135]

이 외에도 다음과 같은 문제점들이 있다.

탐사 및 개발에 10년 이상 소요^[58]
지열정 굴착 실패 확률 30%^[58]
지열정 굴착 시 막대한 초기 비용 발생^[58]
지열 자원 유지 및 관리를 위한 '''저류층 관리''' 필요
발전에 사용된 증기 및 온수의 '''환원''' 문제
지열 발전소 설계 출력 미달 및 발전량 감소 추세^[106]^[108]
지열원의 온수에 포함된 수은, 비소 등의 유독성 화학 물질^[45]
발전소 건설로 인한 토지 안정성 문제^[46]
2018년 푸나 하부 분화와 같이 자연재해로 인한 발전소 가동 중단 사례^[49]

지열 발전은 낮은 탄소 배출량^[42]과 적은 토지 및 담수 사용량^[46] 등 환경적 이점을 가지지만, 위와 같은 과제들을 해결해야 지속 가능한 에너지원으로 자리매김할 수 있을 것이다.

9. 1. 미소 지진 유발

지하에서 열수를 끌어올릴 때 미소 지진이 발생하는 경우가 있다. 하지만, 보통은 고감도 지진계로만 감지할 수 있는 무감지진이다.^[96] 또한, 대규모 지진을 유발한 사례도 없다.^[96]

하지만 고온암체발전의 경우는 상황이 다르다. 2006년 스위스 바젤에서 시작된 개발 프로젝트에서는 갱정에 가압 주수를 하여 M3급 지진이 발생, 가옥과 건물에 약 700만스위스 프랑의 피해를 입혔다. 조사 결과, 개발을 계속하면 최대 M4.5 정도의 지진이 유발될 수 있다는 점이 지적되어, 이 프로젝트는 2009년에 중지되었다.^[97]

대한민국 포항시에서 실시된 개발 프로젝트에서는 총 5회에 걸쳐 가압 주수가 이루어졌고, 무감지진을 포함하여 519회의 지진이 관측되었다.^[98] 그중 2017년 11월 15일에 발생한 지진은 포항지진이라 불리며, 대한민국 관측 사상 두 번째로 큰 M5.5를 기록했을 뿐만 아니라, 7500만달러의 직접적인 피해를 입혔다.^[99] 한국 정부는 이 지진의 원인이 포항에서 실시되었던 고온암체발전 개발 프로젝트라고 발표했다.^[100]

9. 2. 온천과의 관계

일본에서는 영향이 발생한 사례는 없지만, 해외에서는 온천수의 환원 부족 등으로 지열 발전이 온천에 영향을 미친 사례가 몇 가지 확인되고 있다.^[101] 일본처럼 환원정(還元井)에서의 자원 관리 및 환경 대책이 이루어지지 않은 점이나 규모의 차이가 해외 사례에서 지적되고 있다.^[101] 이러한 기본적인 대책이 시행된다면, 원리적으로는 온천의 용출량 감소 원인이 되지 않는다.

일본에서 지열 발전 개발이 더디게 진행된 큰 이유 중 하나는 주변 온천 지역의 반대였다. 온천 관계자들은 "지열 발전소 신설로 인해 온천 고갈, 온천수량 감소, 온천 온도 저하, 경관 훼손의 우려가 있다"며 반발했고, 한국온천협회(일본온천협회)도 지열 개발에 반대 의사를 표명했다.^[132] 예를 들어 군마현 쓰마고이촌에서는 2008년에 지열 발전 계획이 제기되었지만, 예정 부지가 쿠사쓰온천의 온천수 원천에서 불과 수 km밖에 떨어져 있지 않아 "온천에 영향을 미칠 가능성을 완전히 배제할 수 없다"며 쿠사쓰정이 반대 의사를 표명했다.^[133] 쿠사쓰온천에서는 온천권을 주장하며 지열 발전과 온천 간 인과관계 여부를 검증하기 위한 지하 보링 조사 등에도 반대했다.

그러나 지열 발전 추진 측에서는 지하 지열 에너지 및 온천 자원에 대한 과학적 조사 결과, 일본의 지열 발전소 개발 규모는 외국에 비해 작고 지열 자원 유지에 세심한 주의를 기울이고 있기 때문에 지열 발전소가 온천 등 주변 환경에 영향을 미친 사례는 전혀 없다고 반박하고 있다.^[131] 또한 지열 발전소와 온천·관광지의 공존, 공영이 가능하다는 견해를 제시하고 있다.^[135]

온천지의 반대는 지하 열원 이용을 둘러싸고 지열 발전소와 주변 온천 간의 조정 체계가 확립되지 않아 해결이 어렵다는 지적도 있다.^[136] 예를 들어, 용수 이용에서는 물 분쟁이라고 불리는 역사가 있으며, 상류 지역이 수자원 권리를 독점하는 일은 없었고, 상류와 하류가 조정하는 관습이 오래전부터 있었다. 그러나 지하 열원에 대해서는 지금까지 온천업자가 지열을 이른바 기득권으로 독점해 왔다. (실제로 일본에서는 온천에 영향을 미친 사례가 없고, 기우, 즉 "걱정이 지나치다"는 것이므로, 좀 더 현실적으로 되어 일본 전체의 이익도 고려해야 한다.) 지하 열원에 대해서도 용수 이용과 마찬가지로, 지열 발전과 온천지 간에 협의할 수 있는 적절한 조정 체계가 필요하다는 지적도 있다.

9. 3. 비용 문제

지열 발전은 초기 투자 비용이 높다는 단점이 있다. 발전소 건설과 지열정 시추에는 상당한 비용이 소요되며, 계획 단계부터 완공까지 10년 이상 걸리는 경우도 많다.^[102]

하지만, 일단 발전소가 가동되면 연료비가 들지 않아 운영 비용이 낮아지고, 다른 신재생 에너지에 비해 높은 설비 이용률을 보인다. 2005년 조사에 따르면 지열 발전의 발전 비용은 8.3원/kWh 수준이었다.^[103] 특히, 규슈 전력의 하치죠하라 발전소(八丁原発電所)는 감가상각이 진행되면서 최근 7원/kWh의 발전 비용을 달성했다.^[103]

2013년 고정가격매입제도(固定価格買い取り制度)에서는 지열 발전 전력 매입 가격을 15MW 미만은 40원/kWh(세금 별도), 15MW 이상은 26원/kWh(세금 별도)로 책정했다.^[104] 이는 지열 발전이 24시간 안정적인 발전이 가능한 기저 부하 전원으로 분류되어, 태양광이나 풍력 발전에 비해 안정적인 전력 공급에 유리하기 때문이다.

일본의 경우, 2008년 미국 구글(Google)사가 벤처 기업 등에 1000만달러를 투자하여 화제가 되기도 했다.^[85]

고온암체 발전(HDR/EGS) 기술은 지하의 고온 암체에 수압 파쇄를 통해 물을 주입하여 증기를 얻는 방식으로, 지열 발전의 가능성을 넓히는 기술로 주목받고 있다.^[83]^[82] 그러나, 많은 기술적 과제가 해결되었음에도 불구하고, 2018년 2월 기준으로 비용 증가를 이유로 실증 실험이 중단된 상태이다.^[84] 비용을 9.0원/kWh까지 낮출 가능성도 있지만, 일본처럼 지질 구조 변화가 큰 지역에서의 대규모 발전소 건설 가능성은 추가 조사가 필요하다.^[83]

9. 4. 발전량 감소

기존 지열 발전소는 평균적으로 메가와트시당 45kg의 이산화탄소 상당 배출량(kg eq/MW·h)을 생성한다.^[42] 이는 탄소 포집 및 저장(CCS)이 적용되지 않은 석탄 화력 발전소(메가와트시당 1,001kg)에 비해 현저히 낮은 수치이다.^[6]^[42] 지열 발전소가 지하 저수지의 압력을 줄여 가스 방출 속도를 감소시킬 수 있다는 가설도 있다.^[43]

높은 수준의 산 및 휘발성 화학 물질을 배출하는 발전소는 배출 제어 시스템을 갖추고 있으며, 뉴질랜드^[43]와 아이슬란드의 CarbFix 프로젝트처럼 지열 발전소가 탄소 포집 및 저장을 수행하는 경우도 있다. Kızıldere 지열 발전소는 지열 유체를 사용하여 이산화탄소 가스를 드라이아이스로 처리하는 기능을 보여준다.^[44]

지열원의 온수에는 수은, 비소, 붕소, 안티몬 등 유독성 화학 물질이 포함될 수 있다.^[45] 이러한 화학 물질은 물이 식으면서 용액에서 나와 환경 피해를 야기할 수 있지만, 현대적인 지열 유체 재주입 방법은 이러한 환경 위험을 줄이는 데 기여한다.

발전소 건설은 토지 안정성에 영향을 줄 수 있다. 뉴질랜드의 와이라케이 지열전에서는 지반 침하가 발생했고,^[46] 증강 지열 시스템은 지진을 유발할 수 있다.^[47] 스위스 바젤의 프로젝트는 지진으로 인해 중단되기도 했다.^[47] 융기 위험은 슈타우펜 임 브라이스가우에서 경험되었다.

지열은 토지 및 담수 요구량이 적다. 지열 발전소는 기가와트시당 404제곱미터를 사용하여 석탄 시설(3,632제곱미터) 및 풍력 발전소(1,335제곱미터)보다 적은 토지를 사용한다.^[46] 담수 사용량도 MW·h당 20리터로, 원자력, 석탄, 석유(MW·h당 1,000리터 이상)보다 훨씬 적다.^[46]

지열 순환 시스템은 지역 기후 냉각을 유발할 수 있지만, 1980년대 레닌그라드 광산 연구소의 추정에 따르면 그 영향은 미미하다.^[48]

2018년 푸나 하부 분화 이후 푸나 지열 벤처는 아직 정상 가동되지 못하고 있다.^[49]

발전에 사용한 증기나 온수를 지표에 방출하면 지하 자원 고갈 및 수질 오염 우려가 있어, '''환원'''(시추공을 통해 지하로 되돌리는 작업)이 이루어진다. 환원 시에는 적절한 장소와 양을 선정해야 지중 온도 저하나 흐름 교란을 막을 수 있다.

'''저류층 관리'''는 지열 자원을 지속적으로 이용하기 위한 기술로, 저류층의 온도와 수분을 유지하기 위해 증기 이용 및 환원을 계획하고 실시한다.

각 발전소는 설계 출력을 유지하기 위해 추가 지열정을 시추하지만, 대부분 설계 출력을 유지하지 못하고 있다.^[106] 2012년 에너지 백서에 따르면 연간 발전량은 1997년 37억 5,700만 kWh에서 2010년 26억 3,200만 kWh로 약 29.9% 감소하였다. 지열 발전소 수는 증가했지만, 류츠니시야마 지열 발전소의 출력이 65,000kW에서 45,000kW로 감소하는 등 대규모 시설에서 출력 감소가 나타나고 있으며, 지열 발전의 총 출력은 1996년 최고치^[107]를 밑돌고 있다.^[108]

9. 5. 에너지 효율

기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)가 검토한 바에 따르면, 기존 지열 발전소는 평균적으로 메가와트시당 45kg의 이산화탄소 상당 배출량(kg eq/MW·h)을 생성한다.^[42] 이는 탄소 포집 및 저장(CCS)이 적용되지 않은 석탄 화력 발전소(메가와트시당 1,001kg)에 비해 현저히 낮은 수치이다.^[6]^[42] 지열 발전소가 지하 저수지의 압력을 줄여 가스 방출 속도를 감소시킬 수 있다는 가설도 있다.^[43]

높은 수준의 산 및 휘발성 화학 물질을 배출하는 발전소는 배출 제어 시스템을 갖추고 있으며, 뉴질랜드^[43]와 아이슬란드의 CarbFix 프로젝트처럼 탄소 포집 및 저장을 통해 가스를 지구로 다시 주입하기도 한다. Kızıldere 지열 발전소는 지열 유체를 사용하여 이산화탄소 가스를 드라이아이스로 처리하는 기능을 보여준다.^[44]

지열원의 온수에는 수은, 비소, 붕소, 안티몬 및 염과 같은 미량의 유독성 화학 물질이 포함될 수 있다.^[45] 이러한 화학 물질은 물이 식으면서 방출될 경우 환경 피해를 야기할 수 있지만, 현대적인 지열 유체 재주입 방법은 이러한 환경 위험을 줄이는 효과가 있다.

발전소 건설은 토지 안정성에 영향을 줄 수 있는데, 뉴질랜드의 와이라케이 지열전에서는 지반 침하가 발생했고,^[46] 증강 지열 시스템은 지진을 일으킬 수 있다. 스위스 바젤의 프로젝트는 릭터 규모 3.4까지의 지진이 발생하여 중단되었다.^[47] 슈타우펜 임 브라이스가우에서는 융기 현상이 나타나기도 했다.

지열은 토지와 담수 요구량이 적다. 지열 발전소는 기가와트시당 404제곱미터를 사용하는 반면, 석탄 시설과 풍력 발전소는 각각 3,632제곱미터 및 1,335제곱미터를 사용한다.^[46] 담수 사용량은 MW·h당 20리터로, 원자력, 석탄, 석유(MW·h당 1,000리터 이상)보다 훨씬 적다.^[46]

지열 순환 시스템의 작용으로 지역 기후가 냉각될 수 있지만, 그 영향은 자연적인 기후 변동에 비해 미미하다.^[48]

일본 지열발전소의 평균 발전 열효율은 15~20% 범위이다.^[106]

10. 관련 기술

증기를 채취하기 위한 시추공(증기 시추공·생산 시추공)의 깊이는 지하 구조나 수분량 등에 따라 다르며, 수십 미터에서 3000m를 넘는 것까지 다양하다.^[88] 일반적으로는 1km 이상 3km 이하이다.^[89] 시추에는 유정과 유사한 설비와 기술이 많이 사용된다.^[90] 그러나 석유 시추공 등에서는 골칫거리로 여겨지는 유출수 현상이 지열 시추공에서는 지열 저류층과의 교차를 의미하기 때문에, 시추 방침과 방법이 반드시 동일하다고는 할 수 없다.^[91]

증기발전 및 바이너리 발전에서는 발전에 사용한 증기(복수기에서 응축되어 물이 됨)나 남은 온수를 지표에 방출·방류하면 지하의 증기나 온수가 고갈될 우려가 있다. 또한, 온수에 포함된 금속 등의 성분이 하천이나 호수의 수질에 영향을 미칠 수도 있다는 우려가 있다. 따라서, 발전에 사용한 후의 증기나 온수는 시추공(우물)을 통해 지하로 되돌리는 작업이 이루어진다. 이것을 '''환원'''이라고 한다. 환원용 시추공(환원 시추공)은 증기 시추공보다 얕은 경우가 많다. 환원 시추공은 처음부터 환원 시추공으로 시추되기도 하지만, 힘이 약해진 증기 시추공이 전용되는 경우도 있다.

한편, 환원량이 너무 많거나 장소가 좋지 않으면 지중의 온도를 낮추거나 지중의 증기나 온수의 흐름을 교란시켜 발전에 이용 가능한 증기나 온수를 얻을 수 없게 될 수 있으므로, 환원 시에는 적절한 장소와 양을 선정해야 한다. 지하에 증기나 열수가 고여 있는 부분을 저류층이라고 하는데, 저류층의 온도와 수분을 유지하기 위해 증기의 이용 및 환원을 계획·실시하는 것을 '''저류층 관리'''라고 한다. 저류층 관리는 지열 자원을 지속적으로 이용하기 위한 중요한 기술이다. 발전 과정에서 발생하는 잉여열이나 온수를 복합적으로 활용하는 사례도 있다. 잉여열을 온실 재배에 활용하거나^[92], 온수를 활용하는 동시에 발전소 자체를 관광 자원으로 활용하는 사례^[93] 등이 있다.

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