공부하고 정리하고

오늘 포항 지진의 원인이냐의 뜨거운 감자였던 포항 지열발전소에 대한 기사가 나왔더군요.

그 원인을 규명하기 위해 거의 다 지어가던 발전소의 건설을 중단하고 정부에서 합동조사단을 발족하여 

조사를 진행해왔습니다. 

그래서 지금쯤이면 조사가 다 끝났지 않았을까 했는데 아직인것 같습니다. 

지진이 발생했을 당시 그 시공법인 EGS법이 외국에서 인공지진을 일으킨다는 사례가 있는 점, 토양의 액

상화가 발생한 점, 진원지랑 가깝다는 점 등을 들어 지열발전이 원인처럼 이야기 되었었죠. 

하지만, 그 반대편의 의견인 인공지진을 발생시킬 수도 있다하더라도 규모 5.4 이상의 지진을 발생시킬 

만큼의 물의 주입이 이루어지지 않았다는 점, 동일본 지진의 영향으로 한반도 지각 자체에서 지진이 증가

했다는 주장 등으로 첨예하게 주장들이 맞서고 있습니다. 

원인이 무엇이 되었던 결국에는 하나의 원인만으로 지진이 발생하지는 않았을 것입니다. 지열발전소에 

의해 단층의 불안정을 유발하고 실제 포항지진으로 연결된 것일수도 있고 원래 불안한 단층이 존재한 곳

에 시기상 맞물린것일수도 있습니다. 

따라서, 더 정밀한 조사 결과를 기다려야겠네요.

정부 합동조사단이 내년 3월까지 원인을 밝혀낸다고 하니 조금 더 기다려봐야겠습니다.

이번에는 땅속을 들여다보려고 하는데요. 바로 지열 발전에 대한 소개입니다.

지구 내부

우선 땅의 속을 한 번 자세히 알아보죠. 지구 내부는 우리가 살고 있는 지표면으로부터 5~35km안까지가 지각 그 밑으로 2900km 안까지가 맨틀, 5100km까지가 외핵 그리고 지구의 반지름인 6400km까지가 내핵입니다. 여기서 중요하게 생각해야 할 점이 이렇게 층을 이루는 이유입니다. 태초에 지구가 탄생한 시점으로 돌아가서 보죠. 이 당시에는 지구는 매우 뜨거웠습니다. 이때 지구는 액체와도 같았습니다. 시간이 지나면 지날수록 무거운 물질들은 지구의 중심으로 이동하였고 비교적 가벼운 물질이 위에 떠 있게 됩니다. 그리고 시간이 흐르게 됩니다. 지표면부터 식어 굳기 시작합니다. 맨틀도 식어서 암석이 되었지만 온도는 높은 편이고 아래로 내려갈수록 맨틀의 점성은 증가합니다. 그래서 유체처럼 행동하기 때문에 지각을 움직이게 하고 지진이 발생하는 것이지요.
오늘의 주제는 에너지입니다. 그래서 내부는 여기까지만 들여다보겠습니다.

지구의 에너지는?

지구의 에너지는 태초에 생성되었을 때부터 있던 열에너지와 내부 구성물에 포함되어 있는 방사성 동위원소의 붕괴 열 등으로 열 에너지가 있게 됩니다. 지열 발전의 설비용량이 2015년도 기준 12.6GW에 해당하네요. 결코 작은 양은 아닙니다. 잠재 에너지는 훨씬 어마어마하게 크죠.
맨틀에서의 열 에너지가 얼마나 될까요? 최상부에서는 1000도씨정도이고 외핵과의 경계면에서는 4000도정도에 육박한다고 합니다. 그럼 지열발전은 어디에서 열을 가져올까요? 맨틀에서 가지고 올까요? 그러고 싶지만… 현실적으로 불가능 합니다. 왜냐하면 인간은 여기까지 뚫은 적이 없기 때문이죠!! 인간이 이때까지 뚫은 최대 깊이에 대한 기록은 소련이 가지고 있는데 약 12km정도를 뚫었다고 합니다. 이 길이는 지각도 다 못 뚫은 깊이지요. 사실 1000도까지는 바라지도 않습니다. 물이 끓을 수 있는 100도가 좀 넘는 온도가 필요합니다. 이 온도는 지각에서 좀 깊게 파고 들어가야 합니다. 설비의 한계도 있겠죠. 지각에서도 온도가 높은 곳을 찾아야지요. 그런 곳은 어디일까요? 바로 화산지대입니다.
화산 지대는 지열이 보통 150도 정도 되기 때문에 발전에 사용이 가능합니다.

원리

원리는 간단합니다. 물을 땅속으로 파이프를 이용해 보냅니다. 땅속에서 열을 충분히 받아 물이 증기로 바뀌면서 지상으로 분출됩니다. 이 증기를 이용해 터빈을 돌리고 발전을 합니다.

우리나라는 화산지대가 백두산, 한라산, 울릉도 등이 있지만 모두 휴화산입니다. 지열을 이용하기에는 적절한 상황이 아니지요. 하지만 화산지대가 아니더라도 지열을 이용하는 방법이 있다고 합니다

첫 번째, 바이너리 방식

우선 고온수를 지상으로 끌어올립니다. 이 고온수는 화산지대의 물에 비교하면 저온입니다. 그래서 이 고온수로는 발전을 하기에는 힘듭니다. 하지만 물이 아닌 다른 용매를 2차 계통으로 사용합니다. 고온수는 그저 열만 전달하는 것이지요. 여기서 사용하는 용매는 이 온도에서 충분히 기화하는 용매를 사용합니다. 이 방식은 제가 포스팅 하였던 해수 온도 차 발전(https://steemit.com/kr-science/@chosungyun/2tmafb-5)을 기억해보시면 이해하실 겁니다.

두 번째, EGS 방식

Enhanced Geothermal System이라 합니다. 땅속 깊은 곳의 고온암석에 시추를 한 후 인공 파쇄대를 구성해 고압의 물을 분사해 암석을 파쇄하여 인공 저류층을 형성합니다. 그럼 화산지대가 아니더라도 고온의 수증기를 얻을 수 있다고 합니다. 그런데 이방식은 뭔가 셰일 가스 추출방법과 또 유사하군요.( https://steemit.com/kr-science/@chosungyun/4rvocv) 역시 기술은 돌고 돕니다.

우리나라의 경우도 최초로 EGS방식을 사용하여 포항에 지하 4km를 파서 지열을 가져오는 발전을 준공 중이고 올해 완공할 예정이라고 합니다. 아시아에서는 EGS방식을 사용한 지열발전소는 최초라고 합니다. 포항에서 만든 이유는 포항지역의 깊이에 따른 지온 증가량과 지열류량이 다른 지역보다 훨씬 크기 때문에 선정이 되었다고 합니다.

하지만 최근에 이 지열발전 때문에 지진이 난 거 아니냐는 말이 나오고 있습니다.
왜냐하면 이번에 발생한 지진이 발생한 진앙 지역이 이 지역과 매우 가깝고 작년부터 올해까지 약 12,000,000L의 물을 EGS로 인공 저류층을 만들기 위해 물로 암석을 파쇄했는데요. 이 때문에 지진이 발생했다는 주장이 나왔습니다. 그래서 정밀조사 결과가 나올때까지 건설중단을 선언한 상태이고 울릉도 지역 지열발전소는 건립도 전면 재검토에 들어갔다고 합니다.
마지막으로 장점과 단점을 살펴보면
장점
-친환경적입니다.
-지속적인 열원으로 지속발전이 가능합니다.
단점
-땅을 판다는 점에서 지대 침전 논란의 여지 존재
-EGS의 경우 지진을 유발한다는 논란 존재
-입지조건이 까다롭다.
-초기 투자비용이 높다.

이번 정부에 들어서 발전사업에 많은 제동이 있는 것 같네요. 정밀조사 결과가 빨리 나와서 중단이든 다시 건설이든 빠른 결정이 나길 바랍니다.

-이미지 출처-

1. https://www.vox.com/energy-and-environment/2017/1/15/14270240/geothermal-energy
2. https://phys.org/news/2015-10-earth-core-older-previously-thought.html
3. https://archive.epa.gov/climatechange/kids/solutions/technologies/geothermal.html
4. http://www.alternative-energy-news.info/technology/heating/
5. http://blog.geoplat.org/en/2013/11/19/sistemas-egs-el-futuro-de-la-energia-geotermica/
6. http://www.energytimes.kr/news/articleView.html?idxno=16983
7. http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2017/11/16/2017111600276.html

이번 포항 지진 때 필로티 구조의 원룸의 기둥이 엿가락처럼 휘어버린 사진을 보신 적이 있으실 겁니다. 없다면 아래에 있는 사진입니다 한 번 보시길 바랍니다. 저도 자취를 하는 학생의 입장에서 이 사진을 보니 무섭더군요. 그래서 오늘은 내진설계에 대해 알아왔습니다. 기본적으로 내진설계란 지진에 대항하여 버틸 수 있도록 건물을 설계하는 방법을 말합니다.

국내 내진설계

국내 내진설계는 2층 이상의 건물과 높이 13m 이상 전체면적 500m2 이상의 건축물에 적용이 됩니다.

내진설계의 방식에는 크게 3가지 정도의 방법이 있다고 합니다.

내진 구조

우선 내진구조는 지진이 발생해도 이 지진력을 버티도록 기존의 건물보다 튼튼하게 짓는 것을 말합니다. 즉, 건물 벽에 철근을 삽입한 콘크리트를 많이 사용해 강한 흔들림에도 붕괴하지 않도록 합니다.

제진 구조

다음으로 제진 구조가 있습니다. 다양한 종류의 제진 장치를 사용하여 지진을 감쇠시키는 역할을 합니다.
제진장치로는 점탄성감쇠기, 점성유체감쇠기, 항복형 감쇠기, 동조감쇠기, 능동형 감쇠장치 등이 있습니다.
위 각각의 장치들은 작용하는 방식이 다르지만 공통적으로 하고자 하는 일은 지진력을 감쇠시켜 건물 자체에 주는 데미지를 줄이고자 하는 목표를 두고 있습니다.

면진 구조

면진 구조는 면진 장치를 사용해 지반과 건물을 분리시키는 방법입니다. 면진 장치는 지반에서 오는 진동 에너지를 흡수하여 건물에 주는 진동을 줄여주는 진동 격리장치입니다.

이 세가지 구조중에 가장 안정성이 높은 구조는 면진 구조이고 그 다음이 제진구조 입니다. 내진은 그냥 버티도록 설계되는 반면 면진은 진동이 최대한 안가도록 만들었으니 지진 발생 시에 진동이 가장 적죠. 하지만 각각의 구조에 대한 경제적인 비용 부분으로 보았을 때는 면진 구조가 가장 비용이 많이 듭니다.

차진 구조

이는 현재 연구 중인 구조방식인데 지진이 발생했을 때 공중에 떠 있다면 지진으로 무너질 걱정을 할 필요가 없겠죠? 그런 생각으로 지진 발생시에 건물을 뛰우는 기술입니다. 자기장이나 압축공기를 활용해서 연구 중이라고 합니다. 실제 최근 기사를 보니 일본의 연구팀이 건물아래로 분당 800L의 공기를 분사하여 건물을 0.06mm 띄우는 방식의 장치를 개발했다고 합니다.

오늘은 다양한 내진 설계 구조를 알아보았습니다. 문득 드는 생각이 그럼 내전 설계를 하지 않은 건물도 많을텐데 괜찮을까? 라는 생각이 듭니다. 이러한 건물들은 내진 설계를 할 수는 없기에 내진보강이라는 방식으로 구조를 보완한다고 합니다. 방식은 제진 장치를 보강하는 방식인것 같습니다.
위에 소개한 여러 내진 설계를 혼합하여 사용한다면 더 튼튼한 건축물을 만들 수 있을 겁니다.

-이미지 출처-

1. http://www.sanandreasfault.org/EQS.html
2. http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2017/11/16/2017111602278.html
3. http://www.kvceng.com/sub/sub0303.php
4. http://goodhousing.eseoul.go.kr/SeoulEqk/04_information/sub4_5_3.html
5. http://flypo.tistory.com/996
6. http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2017/09/05/2017090502082.html
7. http://infopara.tistory.com/61
8. http://www.segye.com/newsView/20160419003613