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[지열에너지 활용 및 기술개발 동향 3]
지열과 풍력을 병용하는 발전소의 설비 개요
-하치조섬(八丈島) 지열발전소·풍력발전소를 중심으로 살펴본-
지열발전은 연료의 연소에 따른 환경오염물질을 발생시키지 않는 클린에너지이다. 그러나 지열정에서 분출하는 비응축성 가스 중에는 소량의 황화수소가 함유되어 있다. 일본에서는 이 황화수소 제거 설비를 갖추고 있는 발전소로 하치조섬(八丈島) 지열발전소가 유명하다. 21세기 청정에너지의 모델 섬으로 선정된 이 하치조섬(八丈島)에는 도쿄전력 최초의 지열발전소인 ‘하치조섬 지열발전소’와 ‘하치조섬 풍력발전소’가 설치되어 있다. 하치조섬에서는 지열 발전뿐만 아니라, 풍력 발전과의 병용 및 내연력 발전소의 원방감시제어로 섬 전체 전력공급의 약 30%를 해결하고 있으며, 발전 시 이산화탄소 배출량을 약 40% 가까이 절감하고 있다. 본고에서는 이 하치조섬(八丈島) 지열발전소 및 풍력발전소를 중심으로 살펴본 ‘지열과 풍력을 병용하는 발전소의 설비 개요’에 대해 소개한다. 번역·정리 김대근 기자 이즈칠도(伊豆七島)의 하나인 하치조섬(八丈島)은 도쿄의 남쪽 해상 약 287km에 위치하며, 면적 69.52㎢, 주위 58.91km의 표주박형 섬이다. 지형적으로는 후지 화산대에 속하는 화산섬이며, 남동부를 차지하는 미하라산(三原山)과 북서부를 차지하는 하치조후지(八丈富士)로 이루어져 있다. 인구는 약 8100명, 세대수는 약 45000세대이다.(2013년 7월 기준) 기후도 온난하며(연평균 기온 18.1℃, 고온다습하며 비가 많이 내린다) 희귀 동식물도 서식하는 자연 풍부한 이 섬에 도쿄전력 최초의 지열발전소인「하치조섬(八丈島) 지열발전소」와 풍력발전소인「하치조섬(八丈島) 풍력발전소」가 설치되어 있다. 이즈칠도(伊豆七島) 국립공원 내에 있는 이 발전소들은 자연환경의 보전과 지역과의 공생을 최우선으로 하여 건설되었으며, 주변 환경도 충분히 고려하면서 지열 에너지와 바람 에너지를 이용하여 발전을 실시하고 있다.
하치조섬(八丈島) 지열발전소 지열발전소 도입의 경위는 하치조정(八丈町)이「21세기 청정에너지의 모델 섬」이 된 것과 더불어 도쿄전력으로서도 순 국산에너지의 개발, 지구환경 문제에 대한 하나의 대책으로서 지열발전소 건설을 지향하여 하치조섬(八丈島)을 후보지로 결정하게 되었다. 지열발전소는 하치조섬(八丈島)의 나카노고(中之鄕) 지구에서 1989년부터 NEDO(신에너지·산업기술종합개발기구)에 의한 지열개발 촉진 조사가 개시되어 1992년에 도쿄전력에 의한 고정밀도 지표 조사를 통해 지열 에너지의 잠재력이 충분히 확보되어 있음이 확인되었다. 1995년부터는 분기(噴氣) 시험(지하에서 발생되는 열수 및 고온고압의 증기를 수개월간 분출시켜 이 열수와 증기의 클리닝(Cleaning)을 실시하는 시험)을 실시하여 1999년 3월 26일 국내 최초로 낙도(落島)에서의 지열발전 설비의 영업운전을 개시했다. 지열설비는 터빈, 발전기, 복수기, 증기발생 설비, 열수환원설비, 황화수소제거설비 및 부대설비로 구성되어 있다. 하치조섬(八丈島)의 전력공급은 내연력 발전소(디젤발전기, 총 출력 11,100kW), 지열발전소(3,300kW), 풍력발전소(500kW)로 구성되어 있으며, 지열과 풍력에서의 전력공급 능력은 하치조섬(八丈島)의 전체 전력공급의 약 30%를 차지하고 있다. 이 지열발전소의 운전을 통해 발전 시 발생하는 이산화탄소를 약 40% 줄일 수 있다. 또 복수기에서의 온수는 열교환기를 통해 유효하게 활용되고 있다. 하치조섬 지열발전소는 총 면적 약 104,000㎡(도쿄돔의 약 2배)의 넓이를 가지고 있으며, 발전소의 건설공사에서는 수목 벌채를 최소화하여 현존하는 녹지의 대부분을 남기는 방향으로 공사를 실시하고, 또 녹지 회복의 일환으로서 새롭게 나무를 심어 주변 환경과의 공생을 충분히 고려한 발전소를 지향하고 있다. 지열발전소가 있는 나카노고(中之鄕) 지구는 지하 4km~5km에 마그마 챔버가 있는 것으로 추정되며, 그 열에 의해 주위의 암석이 가열되고 있다. 그 암석에 침투한 지하수는 캡록(Cap Rock)*이 덮개가 된 지층에서 주로 단층부분에 고온고압(약 300℃, 10MPa)의 열수로 저장되어 있으며(지열저류조), 그곳까지 우물을 파서 열수를 끄집어낼 수 있다. 이 열수를 기수분리기를 통해 증기와 열수로 분리하며, 증기는 터빈에 직결된 발전기를 회전시켜 발전한 후 냉각탑에서 응축시켜 온수로 되돌리고 기수분리기로 분리된 열수와 함께 환원정을 통해 지중의 깊은 곳으로 보내진다. 화력발전소가 보일러로 석탄·석유·LNG 등을 연소시켜 그 열로 증기를 발생시키는 것에 비해, 지열발전소는 지구 자체가 커다란 보일러 역할을 하고 있다고 말할 수 있다. 또 증기 중에는 지열유체 중 황화수소(농도는 700~2000ppm)가 함유되어 있어 그대로 대기 중에 배출시킬 수가 없으므로 가스추출기에서 황화수소 제거 설비를 통해 황화수소의 농도를 낮추고(농도는 10ppm 이하) 냉각탑의 냉각공기로 희석시켜 복수기를 통해 배기한다. 일본 전국에 존재하는 지열발전소 중에서도 이 황화수소 제거 설비를 가지고 있는 것은 하치조섬(八丈島) 지열발전소와 야나이즈 니시야마(柳津西山) 지열발전소(도호쿠 전력) 두 군데뿐이다. 터빈을 돌린 후의 증기는 복수기에서 온수가 되고 원수(原水, 농업용수)와 열교환이 이루어지며, 12월~3월 사이에는 발전소에 인접한 사외의 온실 난방 등에 공급하여 열의 유효이용을 도모하고 있다. 외부로의 열 공급 능력에는 아직 여력이 있기 때문에 향후 열을 이용한 사업 확대 및 신규 사업으로의 확장을 계획하고 있다. 이러한 하치조섬(八丈島) 지열발전소의 설비를 이해하기 쉽게 설명하기 위해 지열발전소 부지 내에는 하치조정(八丈町)이 운영하는 지열관이 설치되어 있다. 철골조 2층 건물(연면적 약 260㎡)이며, 건물 전체를 하치조섬(八丈島)에 비긴다면 2개의 지붕이 각각 미하라산(낮은 지붕)과 하치조후지(높은 지붕)를 나타내고 있다. 1층은 하치조섬(八丈島)의 지하와 해저를 이미지화한 공간으로 이루어져 있다. 나카노고(中之鄕)에서 어프로치 터널을 통과하여 지하로 들어가고 해저의 광장인 시어터·지오로 견학자들을 안내하는 구조이다. 어프로치 터널에서는 지열을 비롯하여 지하에 존재하는 갖가지 에너지들을 소개하고 있으며, 지열발전의 유의성을 이해할 수 있는 설비가 갖추어져 있다.
* 캡록(Cap Rock): 지하수(열수)에는 다양한 물질이 녹아 있으며, 열수는 지표로 향함에 따라 점차 온도가 내려간다. 열수의 온도가 내려감에 따라 녹아 있던 성분이 재결정화되고, 암석과 암석의 간격을 막아 물이 통과되기 어려운 층이 되는데 이 암석층을 캡록이라고 한다. 이 캡록 아래에 열원이 형성된다.
하치조섬(八丈島) 풍력발전소
풍력발전소 도입의 경위는 지열발전소 도입의 배경과 더불어 풍차의 저가격화, 신뢰성 향상의 영향하에「21세기 청정에너지의 모델 섬」의 일익을 담당하는 역할을 수행할 것으로 기대를 모으며 설치에 대한 검토가 이루어졌다. 풍력발전에 빼놓을 수 없는 풍황 조사결과(바람의 강도와 풍향, 바람의 흐트러짐 등 바람의 성질과 상황 조사)를 기초로 경제성에 대한 검토가 진행된 결과, 500kW 용량의 풍력발전설비가 설치 가능한 것으로 판단되어 지열발전소 설치로부터 약 1년 후인 2000년 3월 31일에 영업운전을 개시하였다. 풍력발전설비의 주요제원은 전체 높이 64.15m, 로터 회전속도는 가변식으로 18회전/분~38회전/분, 블레이드(날개) 매수는 3장, 블레이드 길이는 20.15m, 블레이드 재질은 유리 섬유 강화 플라스틱이다. 풍력발전으로 발전된 전기는 풍속에 따라 주파수가 변하지만, 타워의 하부에 설치된 인버터 설비 등에 의해 400V, 50Hz의 전기로 변환된다. 그 후 변압기로 6600V까지 승압되어 같은 부지 내의 지열발전소로 보내진다. 그리고 지열발전소에서 발전되는 전기와 아울러 약 12km 떨어진 내연력 발전소로 보내져 내연력(Internal Combustion Power, 內燃力)으로 발전된 전기와 함께 섬 내 고객들에게 공급된다. 풍력발전은「바람」이라고 하는 자연 에너지를 이용하여 발전하기 때문에 발전을 위한 연료가 필요 없으므로 이산화탄소를 배출하지 않는다는 장점이 있지만, 바람의 상태에 따라 출력이 크게 변동된다는 단점도 있다. 이 단점을 보완하기 위해 풍차의 블레이드 각도 및 방향을 자동적으로 바꾸어 출력을 조정하는 등 풍력을 최대한으로 이용하고 고효율로 발전하기 위한 제어 시스템이 도입되고 있다. 풍속 2.5m/s에서 발전을 시작해 14m/s에서 정격출력(500kW)이 되며, 고효율 발전을 실시하고 있다. 또 풍속 25m/s를 넘으면 안전성을 고려하여 블레이드가 바람을 받지 않는 위치로 제어, 자동정지하는 구조이다. 소개한「지열발전소」,「풍력발전소」의 운전은 각각 내연력 발전소에서의 원방감시제어로 안전운전을 실시하고 있다. 하치조정(八丈町)은 1992년도부터「 21세기 청정에너지의 모델 섬」을 목표로 하여 산업·관광의 진흥과 더불어 주민복지의 향상을 위해 노력해오고 있으며, 이러한 지열발전소 및 풍력발전소는 환경적인 측면은 물론, 하치조 마을의 지역발전에도 크게 기여하고 있다.
<Energy News>
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