우리 발 아래에는 거의 무한한 에너지원이 있지만, 운 좋은 몇몇 지역에는 지표 가까이에 지열이 있는 반면, 나머지 세계는 훨씬 더 깊이 파야 할 것입니다. 문제는 충분히 깊이 파는 방법입니다.
전 세계에는 문자 그대로 에너지가 표면으로 거품을 내뿜는 곳이 있습니다. 200개가 넘는 화산과 수십 개의 천연 온천이 있는 아이슬란드에서는 이 에너지를 활용하는 것이 어렵지 않습니다. 전국에는 지각 바로 아래에서 타오르는 지열로 가열된 증기가 나는 물웅덩이가 있습니다. 간헐천에서 끓는 물과 증기가 공기 중으로 뿜어져 나옵니다.
아이슬란드는 현재 이 지열 에너지로 주택의 85%를 난방하고 있으며, 국가 전기의 25%도 지하에서 이 열을 이용하는 발전소에서 나옵니다. 매력적인 전망입니다. 거의 무한한 에너지 공급이 활용되기를 기다리고 있습니다.
하지만 지열 에너지는 지구 전체에 본질적으로 고갈되지 않는 녹색 에너지원을 제공합니다. 그리고 바람이나 태양열과 달리 "항상 켜져 있습니다". 지구의 용융된 핵과 지구 지각에서 자연적으로 발생하는 방사성 원소의 붕괴에서 열이 지속적으로 방출되기 때문입니다. 실제로 지구는 냉각되면서 엄청난 양의 에너지를 방출하기 때문에 매년 우주로 손실되는 열은 세계의 총 에너지 수요를 여러 배나 충족시키기에 충분합니다.
문제는 그 에너지를 활용하는 것입니다.
현재 전 세계에서 지열 발전소가 가동 중인 나라는 32개국에 불과합니다. 전 세계적으로 700개 미만의 발전소가 있으며, 2023년에 이들 발전소를 합쳐 약 97테라와트시(TWh)를 생산합니다. 이는 미국에서만 태양광으로 생산되는 전기량 의 절반에도 못 미치며 지열이 글로벌 에너지 믹스에 기여할 수 있는 잠재적 기여에 대한 추정치에 크게 못 미칩니다. 일부에서는 지열이 세기 중반까지 연간 약 800 ~ 1400TWh 의 전기를 공급할 수 있고, 연간 3,300~3800TWh의 열을 추가로 공급할 수 있을 것으로 추정합니다.
미국 국립 재생 에너지 연구소(NREL)의 지열 프로그램 관리자인 아만다 콜커는 2023년 지열 에너지의 잠재력에 대한 보고서를 발표하면서 "지구 자체는 깨끗한 에너지 미래로의 전환에서 다양한 장애물을 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다"고 주장 했습니다 .
하지만 모든 나라가 아이슬란드만큼 운이 좋은 것은 아닙니다. 아이슬란드에서는 약 120-240C(248-464F)의 온도를 가진 뜨거운 물이 지표 가까이에서 쉽게 접근할 수 있습니다 . 이 나라의 다른 지역에서는 최대 1.5마일(2.5km) 깊이까지 뚫은 우물이 최대 350C(662F)의 온도에 접근할 수 있습니다. 예를 들어 레이캬네스에 있는 아이슬란드의 주요 지열 지대는 600C(1112F)의 과열 유체에 접근하기 위해 2.9마일(4.6km) 깊이까지 실험 우물을 뚫었습니다. 이미 320C(608F) 정도의 온도를 이용하는 얕은 우물을 사용하여 연간 720기가와트시(GWh)의 전기를 생산하는 일상적인 열 추출이 이루어지고 있습니다 .
지열이 더 널리 퍼지지 않은 한 가지 이유는 그 에너지를 추출하는 데 필요한 높은 사전 투자 입니다 . 하지만 물리적으로 도달하는 것도 지금까지는 우리를 넘어섰습니다.
세계의 다른 지역에서도 이 지열의 깨끗한 에너지를 누리려면, 전기를 생산하거나 인근 지역에 대규모 난방을 제공하는 데 필요한 온도에 도달할 수 있도록 더 깊이 굴착해야 합니다.
지구 대부분 지역에서 지구 지각을 따라 1km 내려갈 때마다 평균적으로 온도가 25-30C(45-54F)씩 상승합니다 . 예를 들어 영국에서 영국 지질 조사국에 따르면 지하 5km(3마일) 지점의 지하 온도는 약 140C(284F)입니다 .
충분히 깊이 파고들면, 220바(1바는 해수면에서 지구 표면의 평균 압력) 이상의 압력에서 물 온도가 374C(705F)를 넘는 지점에 도달할 수 있습니다. 여기서 물은 초임계라고 알려진 에너지 집약적 상태에 들어가는데, 액체도 기체도 아닌 형태로 존재합니다 . 더 뜨겁고 더 가압될수록 더 많은 에너지를 포함합니다.
NREL에 따르면 , 실제로 단 하나의 초고온 지열 우물은 현재 상업용 지열 우물이 생산하는 에너지의 5~10배를 생산할 수 있습니다.
그러나 하나의 주요 장애물은 기존의 회전 드릴(다이아몬드로 팁이 달린 드릴 포함)이 이런 종류의 온도에 접근하는 데 필요한 깊이까지 굴착하기에 적합하지 않다는 것입니다. 불확실한 지질, 극한의 온도 및 엄청난 압력의 신비로운 깊은 지하 세계에서 드릴 구성 요소는 자주 고장날 수 있으며 , 구멍이 막히지 않도록 하는 것은 끊임없는 싸움입니다 .
예를 들어 2009년 아이슬란드 심층 시추 프로젝트에서 일하는 한 팀이 크라플라 화산의 마그마 챔버를 시추할 때 실수로 초임계 조건을 발견했습니다 . 이 시추공에서 방출된 과열 증기는 산성도가 매우 높아 사용하기 어려웠습니다 . 또한 고압과 고온이 발생하여 제어하기 어려웠고, 밸브 고장으로 인해 시추공을 봉쇄해야 하기 전까지 약 2년 동안 간헐적으로 방출 해야 했습니다 .
심층 드릴링은 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리는 작업일 수도 있습니다 .
인간이 파낸 가장 깊은 굴은 냉전으로 거슬러 올라가는데, 당시 초강대국들이 지구 지각을 최대한 깊이 뚫기 위해 경쟁을 벌였습니다. 소련은 7.6마일(12.2km)의 바위를 뚫어 북극권의 높은 콜라 반도에 콜라 초심 시추공을 만들었습니다. 그 깊이에 도달하는 데 거의 20년이 걸렸고, 인간이 지구를 파낸 가장 깊은 굴로 남아 있습니다. ( 이 기사에서 콜라 초심 시추공 에 대해 자세히 알아보세요 .)
NREL은 1km 깊이의 시추공을 굴착하는 데 드는 비용이 약 200만 달러 (157만 파운드)라고 추정하고, 현재 기술을 사용하면 그 깊이의 4배를 굴착하는 데는 600만~1,000만 달러(470만~787만 파운드)가 소요될 수 있습니다.
그러나 심층 지열 에너지는 지구 지각 깊숙이 접근할 수 있는 더 높은 온도와 압력으로 인해 기존 지열에 비해 상당한 비용 절감을 제공할 수 있습니다. 일부 연구에 따르면 심층 지열 에너지는 가스 사용과 같은 다른 형태의 난방과 비슷한 비용 으로 지역 사회에 난방을 공급할 수 있지만 온실 가스 배출은 더 적습니다 .
이러한 점을 염두에 두고, 일부 선구적인 연구자와 회사는 지열 에너지를 전 세계에서 결코 불가능하다고 생각했던 지역에 공급하고자 지금껏 만들어진 가장 깊은 구멍을 뚫기 위해 새로운 유형의 굴착 및 굴착 기술을 활용하고 있습니다.
예를 들어 매사추세츠 공과대학(MIT)의 분사 기업인 Quaise Energy는 500C(932F) 이상의 온도에 도달하기 위해 최대 12마일(20km) 깊이의 구멍을 뚫는 것을 목표로 하고 있습니다. 이를 위해 그들은 핵융합 발전에 대한 수년간의 연구를 활용한 도구를 사용하고 있습니다. 이 회사의 공동 창립자인 Matt Houde는 "다른 사람들이 삽을 땅에 박는 동안, 우리는 처음으로 마이크로파를 땅에 박고 있습니다."라고 말합니다.
그와 그의 동료들은 가장 단단한 바위조차 증발시키는 밀리미터파 지향성 에너지 빔을 실험하고 있습니다. 마이크로파와 비슷하지만 더 높은 주파수의 고출력 방사선 빔을 바위의 한 부분에 집중시켜 3,000C(5,432F)까지 가열하여 녹고 증발시킵니다. 빔을 바위를 뚫도록 지시함으로써 기존 드릴링 기술에서 발생하는 파편과 마찰 없이 구멍을 만들 수 있습니다.
"밀리미터파 드릴링은 깊이에 크게 관계없이 작동할 수 있는 프로세스입니다."라고 Houde는 말합니다. "그리고 밀리미터파 에너지는 더럽고 먼지가 많은 환경을 통과할 수도 있습니다."
이 기술은 MIT의 Plasma Science and Fusion Centre의 엔지니어인 Paul Woskov가 수행한 핵융합 플라스마 실험에서 발전했습니다. 밀리미터파 지향 에너지는 1970년대부터 핵융합로에서 플라스마를 가열하는 방법으로 탐구되었지만, 몇 년 전 Woskov는 이 기술의 또 다른 용도를 발견했습니다. 그는 자이로트론이라는 장치에서 생성된 밀리미터파 빔을 사용하여 바위를 녹이기 시작했습니다 .
하지만 지금까지 이 기술은 실험실에서만 테스트되었으며, 비교적 작은 암석 샘플에 얕은 구멍을 뚫었지만, 이 회사는 시간당 약 3.5m(11.5ft)의 속도로 암석을 뚫을 수 있다고 주장합니다 . 이는 기존 드릴링 기술에 비해 느리지 만 , "드릴 비트"가 물리적으로 암석을 갈아내는 것이 아니기 때문에 마모되거나 교체할 필요가 없기 때문에 다른 이점이 있습니다. Quaise Energy는 현재 2025년 초에 현장 시험을 시작하기 전에 밀리미터파 기술의 실험실 테스트의 마지막 단계에 있습니다.
하지만 밀리미터파 굴착 기술을 연구실 수준에서 실제 굴착 작업으로 옮기는 것은 여전히 어려운 일입니다.
"이들은 깊은 고압 지하 환경에서 이전에 사용된 적이 없습니다."라고 Woskow는 말합니다. "시추에 적용된 강렬한 에너지-물질 상호 작용으로 인한 변화는 새로운 학습 곡선을 요구합니다."
한편 슬로바키아에 본사를 둔 GA Drilling은 지구 지각을 뚫기 위해 다른 고에너지 드릴 기술을 탐색하고 있습니다. 이 회사는 암석을 녹이지 않고 분해하는 매우 짧은 고에너지 전기 방전을 기반으로 하는 펄스 플라즈마 드릴을 사용하고 있습니다. 이를 통해 제거하기 어려울 수 있고 드릴 비트가 더 이상 침투하지 못하는 점성 용융 암석이 생성되는 것을 방지할 수 있습니다. GA Drilling의 최고 경영자 겸 회장인 이고르 코시스는 "암석을 짧은 충격으로 부수는 과정이 매우 빠르기 때문에 용융물이 형성될 시간이 없습니다. 따라서 비트를 잡아당겨 교체할 필요성이 크게 줄어듭니다."라고 말합니다. 그는 "현재 개발 프로그램의 목표는 5~8km(3~5마일)이고 나중에는 10km 이상입니다."라고 덧붙였습니다. "이러한 깊이는 거의 모든 사람이 지열 발전에 접근할 수 있게 해줍니다."
이온화 가스를 최대 6,000C(10,832F)의 온도로 사용하여 암석을 분해하는 매우 짧은 에너지 펄스를 사용하는 펄스 플라스마 드릴 연구는 독일과 스위스의 파트너와 함께 지열 에너지 및 지오유체(GEG) 그룹이 이끄는 유럽 컨소시엄에서 탐구하고 있는 또 다른 분야입니다.
GA Drilling은 또한 옥스포드 대학의 공학 과학 조교수인 콘스탄티나 보지아차키와 협력하여 플라즈마 드릴링을 통해 접근한 심층 지구 에너지원을 활용할 때 초임계 유체를 제어하는 방법을 살펴보는 고급 수학을 적용했습니다. "우리는 풀 스케일 드릴링 도구에 대한 최적의 연소 시스템을 정의하는 작업을 했으며, 플라즈마 드릴링을 통해 초고압 연소를 제어하는 새로운 지평을 열었습니다."라고 보지아차키는 말합니다.
다른 사람들은 우리가 지구를 뚫고 들어갈 수 있도록 돕는 방법을 우리 지구 너머에서 찾고 있습니다. 온도가 475C(887F) 에 달할 수 있는 금성의 뜨거운 표면에서 행성 탐사 임무를 위해 개발된 기술이 지열 시추 회사에서 채택되고 있습니다. 아칸소주 파예트빌에 있는 전자 제조업체인 오자크 집적 회로(Ozark Integrated Circuits)는 지구 심부 지열 시추 장비에서 사용할 수 있는 극한의 온도를 견딜 수 있는 회로를 적용해 왔습니다.
NREL은 복잡한 지하 환경을 분석하여 초임계수를 굴착할 최적의 장소를 찾고, 주요 문제가 발생하기 전에 굴착을 통해 결함을 예측하고 감지하는 데 도움을 주기 위해 AI를 활용하고 있습니다.
그리고 일부 회사는 이미 지구 깊은 곳으로 진출하고 있습니다.지열 회사인 Eavor는 BBC에 2024년에 독일 바이에른주 게레스트리트에 있는 한 부지에서 두 개의 수직 우물로 3마일(5km) 깊이에 도달했다고 말했습니다.이 회사는 유럽에서 가장 큰 육상 굴착 장비 두 개를 사용하여 게레스트리트에 상업적 규모의 공장을 건설하기 위해 노력해 왔으며 , 이 공장은 Eavor Loop라고 불리는 폐쇄 루프 설계 내에서 물을 순환시켜 지열을 표면으로 가져오는 것을 목표로 합니다.이 시스템은 거대한 라디에이터처럼 작동하며, 루프의 차가운 물은 지하에서 가열된 다음 표면으로 돌아와 전기를 생성하는 데 사용되고 지역 난방 시스템을 통해 인근 주택으로 파이프로 공급됩니다 .Eavor의 CEO 겸 사장인 John Redfern은 Eavor가 2025년 상반기에 이 부지에서 에너지를 생산하기 시작할 것으로 예상한다고 말했습니다.
"저희 기술은 앞으로 최대 11km(6.8마일)까지 뚫을 계획입니다." 지질학자이자 Eavor의 공동 창립자인 Jeanine Vany가 말했습니다. "저는 앞으로 3~5년 안에 초고온 암석을 푸는 데 의미 있는 진전을 이룰 수 있을 것으로 믿습니다."
그들의 폐쇄 루프 방식은 또한 아이슬란드 심층 시추 프로젝트가 2009년에 발견한 것처럼, 깊은 지열 우물에서 과열된 물을 추출할 때 발생할 수 있는 일부 오염 문제를 피하는 데 도움이 됩니다. 또한 개방 루프 지열 시스템에서 배출될 수 있는 황화수소와 같은 유해 가스의 배출을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
베니는 또한 심부 지열 에너지는 표면에 많은 공간을 필요로 하지 않기 때문에 미래에 도시 지역에 적용될 수 있다고 지적했습니다.
하지만 극복해야 할 다른 문제들이 있습니다. 깊은 지열 우물을 유지하고 막히지 않게 하는 것이 얼마나 쉬운지는 아직 불분명합니다 .
깊은 지열 에너지를 활용하려는 노력은 국가들이 전통적인 탄소 배출 에너지원을 끄려고 하면서 노후화된 화석 연료 발전소에 새로운 활력을 불어넣을 수도 있습니다 . 오래된 석탄 발전소를 지열 발전소로 개조하면 증기 발전기에 두 번째 생명을 불어넣고 기존 전기 송전선을 활용하여 지열 발전소 건설을 가속화하는 방법이 될 수 있습니다. Woskov는 뉴욕 북부의 버려진 석탄 발전소를 발견했는데, 그는 이 발전소가 10년 안에 다시 문을 열어 지하 깊은 곳에서 전기를 생산할 수 있기 를 바랍니다 .
그 전환에는 어떤 시가 담겨 있을 것입니다. 한때 땅에서 파낸 더러운 연료로 가동되었던 발전소가 지하 깊은 곳에서 나온 에너지원을 이용해 깨끗한 에너지 혁명을 통해 새로운 활력을 얻는 것입니다.
문제는 그들이 충분히 깊이 파고들 수 있을지 여부입니다.
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