제4의 물결 기후변화 “저탄소 녹색성장으로 승부한다”
아직까지도 세계 각국은 주로 석유, 석탄, 원자력, 천연가스 등에서 필요한 대부분의 에너지를 얻고 있다. 하지만, 머지않은 미래에 이런 화석에너지, 원자력에너지원은 고갈될 것으로 예측되고 있다. 더욱이 화석에너지원은 심각한 대기오염의 주범이 되어왔으며, 기후변화협약을 통해 이산화탄소 등 온난화가스 배출을 억제하고 있어 대비가 시급한 실정이다. 이에 모든 국가들이 에너지안보의 시대를 맞으며 새로운 에너지원을 찾기에 사활을 걸고 있다.
우리나라는 경제규모에 비해 온실가스 배출량이 너무 많다. 에너지다소비형 산업구조로 인해 에너지소비율과 이산화탄소 배출증가율도 매우 높다. 2005년 현재 년간 약 5억9천만 탄소톤을 배출했으며, 1인당 기준으로 보면 12.24톤으로 OECD 국가중 14위에 해당하는 수준이다. 또한 석유에 대한 의존도가 높아 세계정세에 따라 국내경제가 타격받기 쉽고 에너지 자립도가 낮아 신재생에너지의 적극적인 개발 및 보급이 다른 어느 나라보다 시급한 실정이다. 우리나라에서는 태양열(광)에너지, 바이오에너지, 풍력, 소수력, 해양에너지, 폐기물에너지, 지열에너지 등 8개 분야를 재생에너지로, 그리고 연료전지, 석탄액화 및 가스화, 수소에너지 등 3개 분야를 신에너지로 분류하고 있다.
이번 호에는 세계적인 신재생에너지기술의 선진국인 독일 남부 뮌헨의 지열발전소와 대형화력발전소가 있는 베를린 외곽지역 슈바르제 품페의 탄소포집 및 저장기술연구소를 찾아본다.
1. "지역사회가 지열발전 선도“
뮌헨 남부 운터하힝(Unterhaching) 지열발전소
2050년까지 CO2 50% 저감목표
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| ▲ 뮌헨 남부 운터하힝(Unterhaching) 지열발전소 |
지오테미 주식회사(Geothermie GMBH)는 지역주민에게 전기를 공급하고, 기후변화도 막자는 취지로 2001년 독일 뮌헨 남부 운터하힝(Unterhaching)에서 지방자치단체의 소유로 설립돼 지열발전을 시작했다.
독일 남부는 가스와 오일이 풍부하며 100미터 시추 때마다 평균 약 3℃가 상승하는데, 운터하힝 지열발전소에서는 지하 4천~5천m 깊이로부터 130~190℃의 열수를 매 초마다 150리터 가량 뽑아내고 있다. 이 뜨거운 물을 이용해 40MW 열을 발전하고 3.4MW 전기를 생산하고 70MW 열에너지는 24km 파이프라인을 통해 지역을 난방한다.
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| ▲ 굴착원리를 설명하는 크나펙(Erwin Knapek)박사 |
이를 통해 연간 약 3만~4만톤의 이산화탄소 저감효과도 누리고 있으며, 지열발전을 통해 2050년까지 이산화탄소 50%절감을 목표로 하고 있다.
“50~200년 정도 사용가능한 지역생산을 목표하고 있다. 한곳만 계속 사용하면 50년후 60℃ 이하로 떨어지기 때문에 순환이용에 유념해야 한다”고 운터하힝의 전 시장이었던 크나펙(Erwin Knapek) 박사는 말한다.
그는 또한, “보다 앞선 펌핑기술이 개발되야 한다. 이용범위가 다양해야 수익을 창출할 수 있고, 인구밀도가 높을수록 유리하다. 공급은 지자체가 맡는 것이 바람직하다”고 밝혔다.
운터하힝 지열발전은 열수작용의 이중시스템으로 가장 발전된 기술로 인식되어 있다. 생산우물(production well)에서는 지하 투수층으로부터 열수를 추출하고, 주입우물(injection well)에서는 식혀진 열수를 다시 동일한 지질 층에 채우게 된다.
운터하힝 지열발전은 또한, 카리나(Kalina) 기술에 기초하고 있는데, 카리나란 독일의 발명가인 알렉산더 카리나(Alexander Kalina)의 이름을 본 딴 것이다.
카리나 기술은 암모니아와 물을 혼합해 사용한다. 물이나 펜탄과 같은 순수한 매체와는 대조적으로 암모니아와 물의 혼합물은 광범위한 온도에 걸쳐 일정한 압력을 받으면 끓거나 응축되는데, 이처럼 비등점이 낮은 물질이 담긴 서킷(circuit)을 뜨거운 물로 가열해 움직이게 하면서 이를 이용해 터빈을 돌려 발전하는 원리다.
카리나 기술은 열수의 양과 온도조절, 계절적 온도변이를 고려해 열수이용에 적합한 기술로 평가되고 있다. 또한, 전력생산에서도 약 25% 정도 효율이 높다고 관계자는 밝혔다.
이곳 운터하힝에서는 열에너지로 3,300세대 지역주민에 난방을 제공하는데, 겨울에는 난방에 더 치중하고 여름에는 전기를 생산한다. 1MW 당 60~65유로가 사용되므로 가구당 월 200유로정도가 소요되는데, 이는 기름보다 저렴한 수준이다. 앞으로 냉각시스템이나 녹색집, 어류양식, 저온난방 등까지 응용할 계획이다.
2. "혁신적 과학시추설비“ 이노바리그 InnovaRig
뮌헨 남부 뒤른하르(Durrnhaar) 지열발전소
지열발전의 필수 동반자
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| ▲ 뮌헨 남부 뒤른하르(Durrnhaar) 지열발전소 |
심층시추(deep drilling) 기술은 지속가능한 에너지원을 확보한다는 차원에서, 또한 이산화탄소를 땅속 깊이 저장하는 목적 등으로 그 중요성이 더욱 높아지고 있다.
국제대륙과학시추프로그램(ICDP, International Continental Scientific Drilling Program)은 적합한 시추삭구가 없어 어려움을 겪어왔는데 GFZ(GeoForschungZentrum Potsdam)사가 Herrenknech 사와 공동으로 새로운 심층시추 설비를 개발하며 이 문제를 해결했다.
2007년 5월14일 이노바리그(InnovaRig)로 명명한 시추설비가 시험용으로 사용되었고, 2007년 여름부터 5천m 깊이까지 파내려가기 시작했다. 새 기술인 로타리드릴링과 와이어라인 다이아몬드 코오링(wireline diamond coring)으로 시추기술은 새로운 차원을 맞게 됐다.
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| ▲ GFZ의 에렛게(Frank Eretge) 박사 |
“이노바리그는 과학적목적의 시추나 산업적 응용을 위해 개발된 획기적인 시추설비로 4천~5천m를 거뜬히 뚫는다. 이노바리그의 파이핑 시스템은 사람의 손을 대지 않는 반자동기술로 4개의 드릴링 기술이 통합됐다”고 GFZ의 에렛게(Frank Eretge) 박사는 말한다.
그는 또한, 이노바리그의 주요 구성은 선반, 파이프취급시스템, 유압엘리베이터 부착 기중기, 승강대, 바람전도방지시스템, 전기에너지변압기, 진흙펌프, 진흙조절시스템(진흙탱크, 쉐이커, 원심분리기 등)디젤파워엔진 등이라고 설명했다.
공동개발사인 헤렌네크의 알페만(Dirk Alfermann)씨는 “이노바리그는 특별한 디자인과 설비를 자랑한다”면서 “통합 에너지개념의 유압승강시스템, 디자인과 통합된 정숙공법 등이 부지면적을 최소화하고, 저비용의 시추를 가능하게 한다”고 덧붙였다.
3. “석탄으로 저탄소에너지시대 연다”
탄소포집저장기술 CCS(Carbon Capture & Storage) 각광
베를린 남동 tm프렘베르그 슈뱌르제 품페(Schwarze Pumpe)
바텐팔(Vattenfall), 세계최초 CCS 실험공장 준공
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| ▲ 바텐팔(Vattenfall), 세계최초 CCS 실험공장 준공 |
“이산화탄소(CO2)만 뺀다면, 석탄이 미래”라고 독일 바텐팔(Vattenfall) 사는 장담한다.
세계는 화석연료로부터 대부분의 에너지를 공급받고 있으며, 대체에너지원의 개발에는 많은 시간이 소요되기 때문에 CO2의 포집과 저장기술은 머지않은 장래에 저탄소에너지시대를 이끌어 갈 것이라는 것이다. 바텐팔 사는 세계최초로 이산화탄소 분리기술을 갖춘 석탄화력발전소를 건립해 현재 25~30%까지 가능한 CO2 포집수준을 99%까지 올려 1천년 이상 저장하는 기술을 개발중이다.
CCS(탄소포집 및 저장기술)은 이산화탄소 저장방법중 하나이며 적정한 가격으로 가장 빠르고 효과적으로 CO2를 줄이는 방법이다. 바텐팔은 2001년부터 대형 석탄화력발전소에서 발생되는 CO2를 포집해 안전하게 지하에 저장하는 기술개발에 노력해왔다.
이산화탄소의 포집 및 저장(CCS)은 포집(capture), 수송(transport), 저장(storage)의 세가지 과정으로 구분된다. 포집은 또한, 산소연료연소, 연소후 포집, 연소전 포집으로 구분된다. 산소연료연소과정에서 CO2 는 순수산소와 재활용된 배출가스의 연소결과 생성된다. 연소후 포집과정에서 CO2는 연소후 배출가스로부터 세척되며, 연소전 포집과정에서는 수소가스(H2)가 가스화 과정을 통해 연료로부터 CO2 를 제거하게 된다. 이 과정에서 에너지사용저감과 장비투자비 감소에 유념해야 한다며 바텐팔 관계자는 지적했다.
수송은 발전소에서의 이산화탄소 포집과 적정장소에서의 저장을 연계시키는 핵심요소이며, 파이프라인과 트럭, 선박을 통해 수송이 가능하다.
저장은 자연상태에서 침전암의 기공형태로 존재하는 이산화탄소를 모방해 유전, 천연가스전에 저장하는 방식을 말한다. 이산화탄소 저장에는 기존 유전과 가스에 이산화탄소를 주입하는 방법, 고갈된 유전, 가스전을 이용해 저장하는 방법, 염분을 함유한 심해지질층에 저장하는 방법 등이 있다.
바텐팔 슈바르제품페 산소연료(Oxyfuel) 시험공장
2008년 12월 10일 바텐팔은 세계 최초의 30MW급 CCS 시험공장을 공개했다. 이 공장은 매년 1천만톤의 이산화탄소가 발생되는 1600MW급 슈바르제 품페 갈탄화력발전소 근처에 세워졌다. 이 시험공장의 목적은 산소연료기술을 통해 이산화탄소 포집 관련기술의 타당성을 검증하고 향상시키는 것이며, 2020년까지 CCS의 상업화 목적을 달성하는데 중요한 이정표 역할을 할 것으로 예측되고 있다.
슈바르제 품페에서 생성된 이산화탄소는 독일 북부 알트말크(Altmark) 가스전으로 이동 저장된다. 알트말크는 ‘프랑스 가스’가 소유하고 있는데 이산화탄소주입은 EGR(Enhanced Gas Recovery) 기술을 시험하고, 또한, 고갈된 가스전을 장기 저장소로 사용하기 위한 프로젝트중 하나다.
한편, CCS 연구는 과학계와 산업계가 큰 기대를 걸고 있는 반면, 그린피스를 비롯한 환경단체들로 부터는 석탄화력발전의 합리화 도구로 이용된다는 점과 상용화까지 너무 많은 비용이 소요된다는 이유로 비판의 대상이 되고 있어 앞으로 더 많은 이목이 집중될 것으로 보인다.
<독일= 김익수 기자, 취재자문= 그린폴라리스, 후원= 한국언론재단, 기후변화센터>