지열 에너지란?

지열 시스템의 작동 방식

지열 시스템의 종류

지열 에너지의 장점과 단점 

지열 에너지란?

지열 에너지는 지구 내부의 열 에너지를 이용하는 재생 가능 에너지입니다. 태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며, 이렇게 태양열을 흡수한 땅속의 온도는 지형에 따라 다르지만 지표면 가까운 땅속의 온도는 개략 10℃∼20℃정도 유지할 수 있습니다. 또한 지구 내부는 지구 형성 과정에서 발생한 열과 방사성 물질의 붕괴로 인해 매우 높은 온도를 유지하고 있습니다.

이러한 열 에너지는 지표면으로 올라오면서 온천, 지열 증기, 뜨거운 지하수 등의 형태로 나타납니다. 쉽게 말해서 지열 시스템은 이러한 지표면 아래의 지열 에너지를 이용하여 난방과 냉방 또는 발전을 하는 시스템입니다. 특히 우리나라 일부지역의 심부(지중 1 ~ 2 km) 지중온도는 80 ℃ 정도로서 직접 냉난방에 이용 가능합니다.

여름에 냉방으로 지열 이용(출처: 한국에너지 공단)

겨울에 난방으로 지열 이용 (출처: 한국에너지 공단)

지열 시스템의 작동 방식

• 지열 에너지 흡수:지열 시스템은 지중에 매설된 파이프나 지열 탐침을 통해 지열 에너지를 흡수합니다. 파이프나 지열 탐침 안에는 순환수가 흐르고 있으며, 이 순환수가 지열 에너지를 흡수하여 따뜻해집니다.

• 열 교환:따뜻해진 순환수는 실내에 설치된 열 교환기를 통해 열을 방출합니다. 열 교환기는 순환수의 열을 실내 공기에 전달하여 실내를 따뜻하게 합니다.

• 냉각 및 재순환:실내 공기를 가열한 순환수는 다시 지중으로 보내져 냉각됩니다. 냉각된 순환수는 다시 지열 에너지를 흡수하여 1번 과정을 반복하게 됩니다.

지열 시스템의 종류

자세히 알아보기

물

생수

물 공급 및 처리

폐쇄형 지열 시스템

지중에 매설된 파이프나 지열 탐침 안에 순환하는 물은 지하수와 직접 접촉하지 않고 밀폐된 시스템을 유지합니다. 폐쇄형 시스템은 지하수 오염 우려가 적지만, 설치 비용이 다소 높습니다. 폐회로시스템(폐쇄형)은 루프의 형태에 따라 수직, 수평루프시스템으로 구분되는데 수직으로 100~150m, 수평으로는 1.2~1.8m 정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방부하가 적은 곳에 쓰입니다.

폐쇄형 지열 에너지

개방형 지열 시스템

지중에 매설된 파이프나 지열 탐침 안에 순환하는 물은 지하수와 직접 접촉합니다. 개방형 시스템은 설치 비용이 저렴하지만, 지하수 오염 우려가 존재합니다. 개방회로는 온천수, 지하수에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는 것으로 풍부한 수원지가 있는 곳에서 적용 될 수 있습니다. 

지열 에너지의 장점과 단점 

지열 에너지의 장점

• 재생 가능 에너지: 지열 에너지는 지구 내부의 열 에너지라는 지속 가능한 에너지원으로, 고갈될 염려가 없습니다. 또한, 태양광이나 풍력과 달리 기상 조건에 영향을 받지 않고 안정적으로 에너지를 공급할 수 있습니다.

• 친환경적인 에너지: 지열 발전은 화석 연료를 사용하지 않아 온실 가스를 배출하지 않고 환경오염을 일으키지 않습니다.

• 에너지 효율성: 지열 시스템은 전기 에너지를 사용하는 난방/냉방 시스템에 비해 에너지 효율성이 매우 높습니다. 즉, 같은 양의 에너지를 생산하는데 지열 에너지가 훨씬 적은 비용이 듭니다. 

• 운영비 절감: 지열 시스템은 설치 후 운영비가 저렴한 편입니다. 초기 투자 비용은 다소 높지만, 장기적으로 보면 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.

• 기타: 지열 에너지는 온천의 열원으로도 활용되고 있으며, 농업, 축산, 수산업 등 다양한 산업 분야에서도 활용될 수 있습니다.

지열 에너지의 단점

• 초기 투자 비용이 높음: 지열 발전소나 지열 시스템을 설치하는 초기 투자 비용이 많이 소요됩니다.

• 지열 자원의 분포 제한: 지열 자원이 풍부한 지역이 제한적입니다. 한국의 경우 지열 자원이 풍부한 지역은 제주도와 일부 내륙 지역에 국한되어 있습니다.

• 환경 오염 가능성: 지열 발전 과정에서 미량의 유황이나 온실 가스가 배출될 수 있습니다. 또한, 지열 시스템의 경우 지하수 오염 가능성이 존재합니다.

• 기타: 지열 발전은 지진 발생 가능성을 조금 높일 수 있다는 지적도 있습니다.

회로 속의 에너지는 어디로 흐를까

— 맥스웰 방정식과 포인팅 벡터로 본 전기의 본질

거대한 회로를 상상해 봅시다.

건전지, 스위치, 그리고 전구로 연결된 도선이 있습니다.

이 도선의 길이는 무려 30만 킬로미터, 즉 빛이 1초 동안 이동하는 거리와 같습니다.

그렇다면 스위치를 켜는 순간 전기는 얼마나 빨리 전구를 밝힐까요?

빛처럼 1초 후에 켜질까요, 아니면 즉시 켜질까요?

전류보다 먼저 달리는 건 ‘전기장’

스위치를 누르는 순간, 회로 전체에 전기장(Electric Field) 이 형성됩니다.

이 전기장은 도선 내부뿐 아니라 외부 공간에도 퍼지며, 거의 빛의 속도로 전파됩니다.

그 결과 전자들이 밀려 움직이기 시작하죠.

하지만 전자들의 실제 이동 속도는 생각보다 매우 느립니다.

도선 안에서 전자 한 개가 초당 약 0.1mm 정도 움직입니다.

그럼에도 불구하고 전구가 즉시 켜지는 이유는,

‘전자’가 아니라 ‘전기장’이 에너지를 전달하기 때문입니다.

전기장과 자기장의 춤, 맥스웰의 통찰

19세기 제임스 클러크 맥스웰은 전기와 자기의 관계를 완전히 밝혀냈습니다.

그는 전기장과 자기장이 서로를 만들어내며 파동처럼 진동한다는 사실을 알아냈고,

이를 수식으로 표현한 것이 바로 맥스웰 방정식입니다.

이 방정식은 전자기 현상, 빛, 전파, 심지어 전기회로의 작동까지

모두 하나의 원리로 설명할 수 있게 만들었습니다.

빛 또한 전기장과 자기장이 서로 수직으로 진동하며 이동하는 전자기파입니다.

포인팅 벡터 — 에너지가 흐르는 길

맥스웰의 제자를 계승한 영국 물리학자 존 헨리 포인팅은

에너지가 실제로 어떻게 공간을 통과해 이동하는지 설명했습니다.

그가 만든 개념이 바로 포인팅 벡터(Poynting Vector) 입니다.

이는 전기장(E)과 자기장(B)의 외적(×)으로 정의됩니다.

S=1μ0(E×B)\mathbf{S} = \frac{1}{\mu_0} (\mathbf{E} \times \mathbf{B})S=μ0​1​(E×B)

여기서 μ₀는 진공의 투자율이며, S는 단위 면적을 단위 시간 동안

지나가는 전자기 에너지의 양, 즉 에너지 흐름의 방향과 크기를 뜻합니다.

전기장과 자기장이 서로 수직일 때,

이 외적의 방향은 빛이나 전자기파가 이동하는 방향과 일치합니다.

회로 속에서도 흐르는 ‘장(場) 에너지’

이제 회로로 돌아가 봅시다.

배터리의 플러스 단자에서 마이너스 단자로 연결된 도선 주변에는

전기장과 자기장이 함께 존재합니다.

포인팅 벡터에 따르면, 이때 에너지는

도선 내부가 아닌 도선 외부의 공간을 따라 흐릅니다.

배터리 주변에서는 에너지가 바깥쪽으로 방사되고,

전선 주변에서는 오른손 법칙에 따라

에너지가 전구 방향으로 흘러갑니다.

즉, 에너지는 전류를 따라 도선 안을 흐르는 게 아니라

도선 바깥을 감싸는 전기장과 자기장 속을 따라 흐릅니다.

교류에서도 방향은 같다

직류가 아니라 교류(AC) 회로에서도 원리는 같습니다.

전류 방향이 바뀔 때마다 전기장과 자기장도 동시에 반대 방향으로 뒤집히지만,

두 장의 외적, 즉 포인팅 벡터의 방향은 여전히 전구 쪽을 가리킵니다.

그 결과 에너지는 한쪽 방향으로 꾸준히 전달됩니다.

이것이 발전소에서 가정까지 에너지가 이동하는 실제 방식입니다.

전선 안의 전자는 그저 제자리에서 앞뒤로 진동할 뿐이고,

전기장과 자기장이 공간을 따라 에너지를 실어 나르는 것입니다.

대서양 케이블에서 배운 교훈

이 이론이 단순한 수학적 결과가 아니라는 증거는

19세기 대서양 해저 케이블 실험에서 드러났습니다.

처음 설치된 해저 전선은 절연이 불완전했고,

주변의 금속 피복이 전기장을 흡수해 신호가 심하게 왜곡되었습니다.

이때 켈빈 경은 신호가 도선을 따라 이동한다고 주장했지만,

올리버 헤비사이드와 피츠제럴드는

“에너지는 도선 주변의 장을 따라 이동한다”고 반박했습니다.

실험 결과, 후자의 주장이 옳았습니다.

이후 모든 전력선이 절연된 채로 공중에 설치된 이유가 바로 여기에 있습니다.

에너지는 장 속을 통해 이동하므로,

도선을 지면이나 다른 도체와 분리해 두어야 손실이 줄어듭니다.

전류가 아닌 장이 에너지를 옮긴다

요약하면, 회로 속에서 빛처럼 빠르게 흐르는 것은 전자가 아니라 **‘장’**입니다.

배터리에서 만들어진 전기장과 자기장이

도선 주변 공간을 통해 전구까지 에너지를 전달하고,

전구의 필라멘트는 그 에너지를 받아 빛과 열로 바꾸는 것이죠.

전류는 그 과정의 ‘흐름을 보여주는 표식’일 뿐,

진짜 일을 하는 것은 보이지 않는 전기장과 자기장입니다.

이처럼 맥스웰과 포인팅이 남긴 통찰은

오늘날 모든 전기 시스템의 이해에 기초가 됩니다.

우리가 스위치를 켜는 찰나,

에너지는 이미 빛의 속도로 공간을 가로질러 전구를 밝히고 있는 것입니다.

《에너지효율은 미래를 설계하는 방식이다》

좋은 공간은 단열이 잘 되고, 창이 잘 닫히며,

기계 없이도 오래 머물 수 있다.

그건 고급 마감재 때문이 아니라,

에너지 흐름을 미리 설계했기 때문이다.

에너지효율은 전기요금을 줄이는 기술이 아니라,

사람이 오래 살아도 불편하지 않은 공간을 만드는 기술이다.

지나치게 춥지도,

필요 이상으로 뜨겁지도 않은 집.

그건 설계자가 ‘온도’를 다룬 게 아니라

‘감각’을 다룬 결과다.

건축에서 에너지는 숨겨진 혈관과 같다.

눈에 보이지 않지만,

그것이 막히면 집은 금방 병이 난다.

열관류율, 기밀성, 창호 위치, 일사각도...

이 모든 수치와 조건은

사실 단 하나의 질문으로 귀결된다.

“이 집은, 몇 년을 살아도 괜찮을까?”

나는 에너지효율을

‘기술’로만 말하고 싶지 않다.

그건 결국,

이 공간이 얼마나 오래 사람을 품을 수 있는가에 대한 태도이기 때문이다.

설계자의 실력은

복잡한 설비가 아니라,

단순한 구조 안에서 얼마나 자연과 조화롭게 버틸 수 있는가로 증명된다.

에너지효율은 미래를 위한 현재의 배려다.

그리고 그것이 설계자의 기본이자 최소의 책임이다.

#에너지효율설계 #지속가능한건축 #패시브디자인 #단열기밀창호 #열관류율 #건축가의태도

태양광 패널. 픽사베이

중국산 태양광 패널(모듈)이 국내 시장을 빠른 속도로 잠식해 나가고 있다. 새 정부가 재생에너지에 무게를 실으면서 이 같은 추세는 더욱 가속화할 것으로 보인다. 마땅한 국내 태양광사업 보호대책 없이 재생에너지 확대가 진행될 경우 에너지 안보마저 위협할 것으로 우려된다.

4일 조은희 국민의힘 의원실이 관세청에서 제출받은 자료에 따르면 2021년 7만6161t이었던 중국산 태양광 패널 수입량은 지난해 15만907t으로 4년 만에 2배 가까이 급증했다. 올 들어 상반기까지 수입된 물량은 9만7851t으로 2023년 한 해 동안 수입한 물량 9만4647t을 이미 넘어섰다. 전체 태양광 패널 수입량 중에서 중국산이 차지하는 비중은 99.6%에 달한다.

중국산 패널 수입량은 정부의 재생에너지 확대 방침과 함께 늘어났다. 지난해 기준 재생에너지 발전 비중은 10.4%로 최초로 두 자릿수를 기록했다. 지난해까지 설치된 태양광 설비용량은 27.1기가와트(GW)에 이른다.

하지만 재생에너지 발전이 확산할수록 국내 관련 업체는 고사 위기에 처하는 역설적인 현상이 나타나고 있다. 한때 국내 유일 태양광 잉곳·웨이퍼 생산기업이었던 웅진에너지는 지난 6월 말 법원에서 파산폐지 결정을 받았다. 파산폐지는 웅진에너지가 채권자들에게 변제할 금액을 마련하기 어렵다는 판단에서 이뤄졌다.

웅진에너지. 연합뉴스

웅진에너지는 연간 2000㎿ 규모의 잉곳과 웨이퍼를 생산할 수 있는 능력을 갖추고 있었지만 낮은 전기료와 저렴한 인건비를 무기로 내세운 중국 태양광업체들의 저가 공세에 경쟁력을 상실하고 2022년 파산했다. 웅진에너지 대전 대덕공장은 올해 이 지역 바이오업체에 매각이 완료됐다.

중국산 태양광 패널 공세가 지속된다면 향후 재생에너지 산업에서도 얼마든지 ‘요소수 사태’와 같은 공급망 문제가 불거질 수 있다는 우려가 나오고 있다. 이미 국내 태양광사업 생태계가 붕괴된 상태에서 사실상 시장을 독점한 중국 태양광업체들이 패널 가격을 인상하거나 전략자산화한다면 에너지 안보 측면에서 중국에 종속될 수밖에 없기 때문이다.

조 의원은 “중국산 부품에 대한 대안 없이 의존적으로 재생에너지 확대만 밀어붙일 경우 에너지산업 전반에 리스크를 자초하게 된다”며 “중국에 편중된 취약한 공급망을 바로잡고 국산화율을 높여 산업 자립 기반을 다지는 에너지 안보 정책이 시급하다”고 강조했다.