지열 난방

Geothermal heating

지열 난방은 일부 난방 용도로 지열 에너지를 직접 사용하는 것입니다.인간은 구석기 시대부터 지열을 이용해 왔다.2004년에는 약 70개국이 총 270PJ의 지열 난방을 직접 사용했다.2007년 현재 전 세계에 28GW의 지열 난방 용량이 설치되어 있어 전 세계 1차 에너지 [1]소비량의 0.07%를 충족하고 있습니다.에너지 변환이 필요 없기 때문에 열효율은 높지만 겨울에는 열이 가장 많이 필요하기 때문에 용량 계수는 낮은 경향이 있습니다(약 20%).

지열 에너지는 행성의 최초 형성 이후 지구 내에 유지된 열, 광물의 방사능 붕괴, 그리고 [2]지표면에서 흡수된 태양 에너지에서 비롯된다.대부분의 고온의 지열은 화산 활동이 지구 표면 가까이에서 일어나는 지각판 경계에 가까운 지역에서 채취된다.이러한 지역에서는 응용 프로그램의 목표 온도보다 높은 온도에서 지하수와 지하수를 찾을 수 있습니다.단, 6m(20ft) 미만의 차가운 지면에서도 방해받지 않는 지면 온도는 평균 연간 공기 온도에서[3] 일관되게 유지되며 지상원 열 펌프를 사용하여 추출할 수 있습니다.

적용들

2005년[4] 지열 난방 사용량이 가장 많은 상위 국가
나라 생산.
PJ/년
용량.
GW
용량.
인자
우세한
적용들
중국 45.38 3.69 39% 목욕
스웨덴 43.2 4.2 33% 히트 펌프
미국 31.24 7.82 13% 히트 펌프
터키 24.84 1.5 53% 지역 난방
아이슬란드 24.5 1.84 42% 지역 난방
일본. 10.3 0.82 40% 목욕(온천)
헝가리 7.94 0.69 36% 스파/온실
이탈리아 7.55 0.61 39% 스파/공간 난방
뉴질랜드 7.09 0.31 73% 산업용도
기타 63개 71 6.8
273 28 31% 공간 난방
2015년 John W. Lund에서 채택한 범주별 지열 직접 사용
카테고리 GWh/년
지열 열펌프 90,293
목욕과 수영 33,164
공간 난방 24,508
온실 난방 7,407
양식지 난방 3,322
산업용도 2,904
냉각/눈 녹임 722
농업용 건조 564
다른이들 403
163,287

주택 난방, 온실 난방, 목욕 및 수영, 산업용 등 값싼 지열에는 다양한 응용 분야가 있다.대부분의 애플리케이션은 50°C(122°F)에서 150°C(302°F) 사이의 뜨거운 유체 형태의 지열을 사용합니다.적절한 온도는 용도에 따라 다릅니다.지열을 직접 사용하는 경우 농업 부문의 온도 범위는 25°C(77°F)와 90°C(194°F) 사이이고, 공간 난방은 50°C(122°F)에서 100°C(212°F)[4] 사이이다.히트 파이프는 열을 추출하고 "증폭"하면서 온도 범위를 5°C(41°F)까지 확장합니다.150°C(302°F)를 초과하는 지열은 일반적으로 지열 [6]발전에 사용됩니다.

2004년에는 직접 지열의 절반 이상이 공간 난방에 사용되었고, 1/3은 [1]스파에 사용되었습니다.나머지는 다양한 산업 공정, 담수화, 가정용 온수 및 농업 용도로 사용되었습니다.레이캬비크아쿠레이리시는 눈을 녹이기 위해 도로와 포장도로 아래에 있는 지열 발전소에서 나오는 뜨거운 물을 파이프로 연결한다.지열 담수화 기술이 입증되었다.

지열 시스템은 규모의 경제로부터 이익을 얻는 경향이 있기 때문에, 공간 난방 에너지는 종종 여러 건물, 때로는 전체 지역사회에 분배된다.아이슬란드 [7]레이캬비크,[8] 아이다호 보이시, [9]오리건주 클라마스 폴스와 같은 지역에서 오랫동안 행해진 이 기술은 지역 [10]난방으로 알려져 있습니다.

유럽 지열 에너지 평의회(EGEC)에 따르면 2016년에 유럽에서만 약 280개의 지열 지역 난방 공장이 약 4.9GWh의 [11]총 용량으로 가동되었다.

추출.

미국 서부의 상당 부분을 포함한 세계의 일부 지역은 비교적 얕은 지열 [12]자원에 의해 지배되고 있다.아이슬란드, 일본의 일부, 그리고 세계의 다른 지열 핫스팟에도 비슷한 상황이 존재한다.이러한 영역에서는 천연 온천에서 물이나 증기를 채취하여 라디에이터나 열교환기에 직접 배관할 수 있습니다.또는 지열 발전소에서 공생하여 공급되는 폐열 또는 깊은 우물에서 뜨거운 대수층으로 유입되는 폐열로 인해 열이 발생할 수 있다.직접 지열 가열은 지열 발전보다 훨씬 효율적이며 까다로운 온도 요구 사항이 적기 때문에 넓은 지리적 범위에서 실행 가능합니다.얕은 지반이 뜨겁지만 건조한 경우 접지 튜브나 지반과의 열 교환기 역할을 하는 다운홀교환기통해 공기 또는 물이 순환될 수 있습니다.

깊은 지열 자원에 의한 압력에 의한 증기 또한 지열 발전으로부터 전기를 생산하는 데 사용된다.아이슬란드 시추 프로젝트는 2,100미터 지점에서 마그마 주머니를 덮쳤다.시멘트로 된 강철 케이스가 마그마에 가까운 바닥에 구멍이 뚫린 구멍에 건설되었다.마그마 증기의 고온과 압력은 36MW의 전기를 발생시키는 데 사용되어 IDP-1은 세계 최초의 마그마 강화 지열 [13]시스템이 되었다.

얕은 땅이 너무 차가워서 직접적으로 편안함을 주기에는 아직 겨울 공기보다 따뜻하다.얕은 지면의 열관성은 여름철 축적된 태양에너지를 그대로 유지하며, 지면의 계절적 온도 변화는 깊이 10m 이하로 완전히 사라진다.이러한 열은 지열 열 펌프를 사용하여 기존 [10]용해로에서 발생하는 것보다 더 효율적으로 추출할 수 있습니다.지열 열 펌프는 기본적으로 전 세계 어디에서나 경제적으로 사용할 수 있습니다.

이론적으로 지열 에너지(일반적으로 냉각)는 도시 수도관 [14]등의 기존 인프라에서 추출할 수 있다.

지상 열원 펌프

고온의 지열 자원이 없는 지역에서는 GSHP(ground-source heat pump)가 공간 난방 및 공간 냉각을 제공할 수 있습니다.냉장고나 에어컨처럼, 이 시스템은 열 펌프를 사용하여 지면에서 건물로 열이 전달되도록 합니다.열은 아무리 차가워도 모든 소스에서 추출할 수 있지만, 소스의 온도가 높을수록 효율이 높아집니다.지상 열원 열 펌프는 열원으로서 얕은 지면 또는 지하수(일반적으로 10–12 °C 또는 50–54 °F에서 시작)를 사용하므로 계절적으로 적당한 [15]온도를 이용할 수 있습니다.반면, 공기 소스 열 펌프는 공기(외기보다 차가운 공기)에서 열을 끌어오기 때문에 더 많은 에너지가 필요합니다.

GSHP는 지면에 파묻힌 폐쇄 파이프 루프를 통해 캐리어 유체(일반적으로 물과 부동액의 혼합물)를 순환시킵니다.단일 주택 시스템은 깊이 50–400피트(15–120m)의 보어 구멍이 있는 "수직 루프 필드" 시스템이 될 수 있으며,[16] 광범위한 참호를 위한 적절한 토지가 있는 경우 "수평 루프 필드"가 약 6피트 지하에 설치된다.오일은 지하를 순환하면서 지면의 열을 흡수하고, 그 후 가열된 오일은 히트 펌프를 통과하며, 히트 펌프는 전기를 사용하여 유체로부터 열을 추출합니다.다시 냉각된 오일은 다시 땅으로 보내져 사이클을 계속합니다.열 펌프 장치에 의해 부산물로 생성된 열과 추출된 열은 집을 데우는 데 사용됩니다.에너지 방정식에 지상 난방 루프가 추가된다는 것은 전기로만 난방을 직접 했을 때보다 훨씬 더 많은 열이 건물로 전달될 수 있다는 것을 의미합니다.

열 흐름의 방향을 바꾸면, 동일한 시스템을 사용하여 여름철에 냉각된 물을 집안으로 순환시켜 냉각할 수 있습니다.열은 에어컨처럼 뜨거운 외부 공기로 전달되지 않고 비교적 차가운 지면(또는 지하수)으로 배출됩니다.그 결과, 큰 온도차에 걸쳐 열이 펌핑되어 효율이 높아지고 에너지 사용량이 [15]감소합니다.

이 기술은 모든 지리적 위치에서 지상 전원 난방을 경제적으로 가능하게 합니다.2004년에는 총 용량 15GW의 지상 열원 펌프 약 100만 대가 공간 난방을 위해 88PJ의 열에너지를 추출했다.글로벌 지상 열원 히트 펌프 용량은 [1]매년 10%씩 증가하고 있습니다.

역사

기원전 3세기 진나라에 지어진 온천에서 가장 오래된 수영장.

온천은 적어도 구석기 [17]시대부터 목욕용으로 사용되어 왔다.가장 오래된 온천으로 알려진 것은 기원전 3세기 진나라 때 지어진 중국의 리산있는 돌로 된 수영장으로, 후에 화칭치 궁전이 지어진 바로 그 자리에 있다.지열 에너지는 서기 [18]0년 경 폼페이의 목욕탕과 주택에 채널형 지역 난방을 공급했다.서기 1세기에 로마인들은 영국의 아쿠에 술리스를 정복하고 그곳의 온천을 공중목욕탕과 [19]바닥난방사용했다.이 목욕탕의 입장료는 아마도 지열 발전의 첫 번째 상업적 이용일 것이다.1000년 된 온수 욕조가 아이슬란드에 있는데, 아이슬란드의 최초 정착민 [20]중 한 명이 이 욕조를 지었다.프랑스 쇼드-에그에 있는 세계에서 가장 오래된 지열 지역 난방 시스템은 [4]14세기부터 운영되어 왔다.최초의 산업 착취는 1827년 간헐천 증기를 사용하여 이탈리아 라데렐로의 화산 진흙에서 붕산을 추출하면서 시작되었다.

1892년, 아이다호 보이시에 있는 미국 최초의 지역 난방 시스템은 지열 에너지로 직접 작동되었고, 곧 1900년 오레곤의 클라마스 폭포에서 모방되었다.1926년 보이시의 온실을 데우기 위해 깊은 지열 우물이 사용되었고,[21] 아이슬란드와 투스카니의 온실을 데우기 위해 간헐천이 사용되었습니다.찰리 리브는 1930년에 그의 집에 난방을 하기 위해 첫 번째 다운홀 열교환기를 개발했습니다.간헐천에서 나오는 증기와 뜨거운 물은 1943년 아이슬란드의 집들을 데우기 위해 사용되기 시작했다.

이 무렵 켈빈 경은 이미 1852년에 펌프를 발명했고,[22] 하인리히 졸리는 1912년에 열 펌프를 땅에서 열을 끌어내기 위해 사용하는 아이디어를 특허 취득했다.그러나 지열 열 펌프가 성공적으로 구현된 것은 1940년대 후반이 되어서였다.가장 이른 사람은 아마도 로버트 C일 것이다.웨버가 직접 만든 2.2kW 직거래 시스템이지만, 그의 [22]발명의 정확한 일정에 대해서는 소식통이 동의하지 않습니다.J. Donald Kroeker는 코먼웰스 빌딩(오리건주 포트랜드)을 난방하기 위한 최초의 상업용 지열 펌프를 설계하여 [23][24]1946년에 시연했습니다.오하이오 주립 대학의 칼 닐슨 교수는 [25]1948년 자신의 집에서 최초의 주거용 오픈 루프 버전을 만들었습니다.이 기술은 1973년 석유 파동의 결과로 스웨덴에서 인기를 끌었고, 그 이후 세계적으로 서서히 받아들여지고 있다.1979년 폴리부틸렌 파이프의 개발로 히트 펌프의 [23]경제성이 크게 향상되었습니다.2004년 현재 전 세계에는 12GW의 [26]열용량을 제공하는 100만대 이상의 지열 열펌프가 설치되어 있습니다.매년 미국에서는 약 8만대,[26] 스웨덴에서는 약 27,000대가 설치된다.

경제학

지열 드릴링 머신

지열 에너지는 천연자원의 보존을 장려하는 재생 가능 에너지의 한 종류이다.미국 환경보호국에 따르면, 지역 교환 시스템은 기존 [27]시스템에 비해 주택 소유자의 난방 비용을 30-70%, 냉방 비용을 20-50% 절감합니다.또한 지역 교환 시스템은 유지보수가 훨씬 덜 필요하기 때문에 비용을 절약합니다.신뢰성이 높을 뿐만 아니라 수십 년 동안 사용할 수 있도록 제작되었습니다.

캔자스시티 전력 및 조명과 같은 일부 전력회사는 지열 고객을 위해 특별하고 낮은 겨울 요금을 제공하여 훨씬 [15]더 많은 비용을 절감합니다.

지열 시추 위험

지열 시추 피해로 추정되는 역사적인 스타우펜 임 브라이스가우 시청 균열

지열 난방 프로젝트에서는 지하에 참호나 드릴홀을 뚫는다.모든 지하 작업과 마찬가지로, 그 지역의 지질학이 제대로 이해되지 않으면 프로젝트도 문제를 일으킬 수 있습니다.

2007년 봄에는 지열 시추 작업을 수행하여 Staufen im Breisgau 시청에 지열을 공급했습니다.처음에 [28]침하라고 불리는 몇 밀리미터의 과정을 거쳐, 도심은 점차 상승하기[29] 시작했고, 시청을 포함한 수많은 역사적인 주택들에 영향을 끼쳤다.시추된 다공성 무수층은 고압 지하수를 무수물과 접촉시켜 팽창하기 시작했다는 가설이 있다.현재 상승 과정의 끝이 [30][31][32]보이지 않는다.변경 전후의 TerraSAR-X 레이더 위성의 데이터는 상황의 국지적 특성을 확인했다.

이러한 상승의 원인으로 무수산염 팽창이라고 불리는 지구 화학적 과정이 확인되었다.이는 무기질 무수산염(무수 황산칼슘)을 석고(황산칼슘)로 변환한 것입니다.이 변환의 전제조건은 무수물이 물과 접촉하고, 물과 물은 그 결정구조에 [33]저장되는 것이다.잠재적 위험의 다른 원천이 있다. 즉, 동굴의 확대 또는 안정성 조건 악화, 지하수 자원의 품질 또는 양 저하, 산사태가 발생하기 쉬운 지역의 경우 악화되는 특정 위험, 암석 기계적 특성 악화, 토양 및 수질 오염(예: 부동 첨가제 또는 오염 물질로 인한)시추 재료).[34]현장 고유의 지질학, 수문 지질학 및 환경 지식을 바탕으로 정의된 설계는 이러한 모든 잠재적 위험을 방지한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크