지열에너지는 흔히 지구내부에서 자연적으로 나오는 열에너지를 말한다. 우리 주변에서 나타나는 화산, 가이서(geyser, 간헐천), 온천 등이 모두 지구내부의 열에너지와 관련이 되어 있다(그림 3-4-1, 그림 3-4-2). 그러면 이 열에너지는 어디에서 유래된 것일까?


그림 3-4-1. 화산폭발모습. (http://geothermal.marin.org/ GEOpresentation/sld008.htm).	그림 3-4-2. 미국 옐로스톤 국립공원의 간헐천. (http://en.wikipedia.org/wiki/File: Steam_Phase_eruption_of_ Castle_geyser_with_double_rainbow.jpg).

지금까지 과학자들이 밝힌 지구 열에너지의 근원은 다음과 같이 요약할 수 있다(위키디피아, 2010).

① 대부분의 열(45~90%)은 맨틀내부에 존재하는 자연 방사성물질의 붕괴열에서 유래된다.
② 초기 지구형성 당시 수많은 운석충돌에 의한 충격과 압축이 열을 발생시켰다.
③ 또 지구형성 시 무거운 금속(철, 니켈, 구리 등)이 지구내부로 하강하면서 발생한 마찰열에서 유래된다.
④ 다른 과학자들은 지구자기장에 의한 전기자기장의 영향으로 열이 발생한다고도 하며, 또 지표면으로 흐르는 열의 10~20%는 지구 내핵에서 발생하는 핵분열반응(nuclear fission reaction)에 의한 열로 설명하기도 한다.
⑤ 이외에도 지구가 자전할 때 조석에 의한 영향으로 열이 발생한다고 하기도 한다(땅은 물과 달리 압축 그리고 변형되면서 열을 발생).

상기한 바와 같이 지열에너지 근원에 대한 여러 가지 학설들이 있으나 자연 방사성물질의 붕괴열(80%)과 지구 형성당시의 운석충돌에 의한 열(20%)을 가장 중요한 지구내부 열원으로 꼽는다. 그러면 현재 지구내부에서 가장 많은 열을 발생시키고 있는 방사성물질(동위원소)에는 어떤 것이 있을까? 과학자들은 이러한 주요 동위원소로 우라늄-235(235U), 우라늄-238(238U), 칼륨-40(40K)과 토륨-232(232Th)로 꼽고 있다(표 3-4-1). 그런데 30억년쯤 전 지구초창기에는 비교적 반감기가 짧은 동위원소들이 많았으므로 지구내부 열 발생은 현재보다 더 많았을 것으로 추측하고 있다.

표3-4-1. 현재의 주요 지열 발생 동위원소(Turcotte and Schubert, 2002).

동위원소	열발생량 (W/kg isotope)	반감기(년)	맨틀 내 평균농도 (kg isotope/kg mantle)	열발생량 (W/kg mantle)
²³⁸U	9.46 ×10^-5	4.47 ×10⁹	30.8 ×10^-9	2.91 × 10^-12
²³⁵U	5.69 ×10^-4	7.04 ×10⁸	0.22 ×10^-9	1.25 ×10^-13
²³²Th	2.64 ×10^-5	1.40 ×10¹⁰	124 ×10^-9	3.27 ×10^-12
⁴⁰K	2.92 ×10^-5	1.25 ×10⁹	36.9 ×10^-9	1.08 ×10^-12

그림 3-4-3. 지구내부 온도(http://www.pearsonsuccessnet.com/ebook/products/0-13-064282-7/bkfex022.pdf)

그런데 지구의 온도(지온)은 지구내부로 심도가 깊어질수록 증가한다. 지표의 온도는 태양과 대기 온도에 대하여 민감하지만 수 m 아래로만 들어가면 10oC 내외로 연중 일정하다. 그러나 지구의 중심부로 갈수록 지온은 증가하여 내핵은 무려 약 6,000^oC에 이른다(그림 3-4-3과 그림 3-4-4). 이와 같이 지표면에서 하부로 가면서 지온이 증가하는 비율을 우리는 지온경사(geothermal gradient) 혹은 지온증가율이라 부르는데 지구 평균적으로 약 15?30°C/km로 알려져 있으나 지각의 생성되는 해령지역(예를 들어 중앙대서양 해령)은 200^oC/km로 매우 높다.

지구내부에서 유래되는 지열에너지는 화산 등을 유발하는 등 인간에게 해를 입힐 수도 있지만 지열을 이용하여 발전을 하거나 온천을 이용하는 등 사람에게 유익한 점도 많다. 여기서는 지열에너지가 어떻게 이용될 수 있는지 주요한 활용 사례를 살펴보자.

① 지열발전(geothermal power generation)
지열발전이란 지구 내부(~2 km 이내)의 고압하의 고온(100~300oC)의 천연 증기 혹은 열수를 이용하여 전기를 생산하는 것을 말한다. 이와 같은 지열발전은 1904년 이탈리아의 라르데렐로에서 시작되어 주로 화산지대가 분포하는 미국, 필리핀, 이탈리아, 인도, 터키, 일본 등에서 상용화 되었다(그림 3-5). 지열발전은 화석연료(석유, 석탄, 천연가스 등)를 대체하는 청정한 재생에너지(renewable energy)로 각광받고 있으며 우리나라도 2010년 현재 지열발전 가능성에 대한 연구를 진행하고 있다.

그런데 지열발전을 하는 방식에는 크게 건조증기(dry steam)방식, 플래시증기(flash steam)방식 및 바이너리(binary) 방식으로 나눌 수 있다. 건조증기방식은 수분이 포함되지 않은 고온증기를 지열정(geothermal well)에서 뽑아 올려 직접 터빈에 분사하여 발전을 하는 방식을 말한다(그림 3-4-6). 플래시증기방식은 증기상태가 아닌 고온의 열수(hot water)를 뽑아 올려 압력을 낮추면 기화되는데(70^oC의 열수는 155^oC 증기로), 이를 터빈에 분사하여 발전을 하는 방법이다(그림 3-4-7). 바이너리 방식은 지하의 뜨거운 열수를 뽑아 올려 열교환 유체에 열을 전달해 주는 간접적인 발전방법이다(그림 3-4-8). 이외에도 열수가 없는 경우에는 지하의 뜨거운 암석(Hot Dry Rock)에 물을 주입하여 뜨겁게 만든 후 회수하여 발전하는 방식이 있다.


그림 3-4-6. 건조증기방식의 지열발전.	그림 3-4-7. 플래시증기방식의 지열발전.	그림 3-4-8. 바이너리방식의 지열발전.
출처: http://www.colorado.edu/GeolSci/courses/GEOL3520/Geothermal.pdf

② 지열 지역난방 및 온실
지열에너지는 지열발전을 하는 것 이외에도 건물의 난방에 이용할 수 있다. 뜨거운 열수를 지하에서 뽑아 올려 열교환(heat exchange)을 하고, 열을 전달받은 온수를 각 가정과 건물에 공급하여 지역난방을 할 수 있다(그림 3-4-9). 이외에도 지열발전을 할 만큼 뜨겁지는 않은 지열수도 온실의 난방 등에 사용할 수 있다(그림 3-9-10).


그림 3-4-9. 지열수를 이용한 지역난방.	그림 3-4-10. 지열수를 이용한 온실 난방.
출처: http://www.colorado.edu/GeolSci/courses/GEOL3520/Geothermal.pdf

③ 지열 열펌프(geothermal heat pump)
지열발전은 비교적 고온의 증기 혹은 열수가 필요하지만 지표 가까이(~500 m 이내)의 비교적 저온(15~20^oC)의 지열(토양 혹은 지하수)도 건물의 냉난방에 이용할 수 있다. 지표는 태양열과 대기의 온도에 비하여 민감하지만 수 m 아래만 내려가면 외부온도에 상관없이 지온이 거의 일정하다. 여름에는 외부 공기(30oC 내외) 보다 차갑고 겨울에는 외부온도(-5^oC 내외)보다 따뜻하다는 것을 이용한 원리이다(그림 3-4-11). 지열열펌프를 이용하는 방식에는 일반적으로 지반(토양 혹은 암석)의 열을 이용하는 밀폐형과 지하수의 열을 직접 이용하는 개방형(혹은 준개방형)으로 나눌 수 있다(그림 3-4-11).

④ 온천
온천은 지열에너지에 의한 지열수(25^oC 이상)를 이용하는 가장 전통적인 방식이다. 신라시대 때부터 임금들은 건강과 치료의 목적으로 노천탕을 즐기기도 하였으며, 현재는 스파, 목욕탕 등에서 온천수를 이용하기도 한다(그림 3-4-12). 최근에는 우리나라에서 건강에 좋은 성분이 많이 포함된 온천수가 있는 온천을 보양온천으로 지정하기도 하였다.