비화산대 내 워터해머 기반 시추비용을 고려한 지열발전 기술경제성 평가 연구 = A study on the techno-economic evaluation of geothermal power generation considering drilling cost based on water hammer technology in non-volcanic zone

국문 초록 (Abstract)

세계 온실가스 배출량 중 40%를 발전 산업이 차지하고 있고, 이 중 80%가 석탄발전에서 발생하고 있다. 이런 이유로 석탄발전은 정부의 온실가스 배출 억제 정책의 주 대상이 되며, 본격적으로 감축 정책이 수립되고 있다. 반면, 신재생에너지원 발전은 에너지 자립화에 대한 중요성이 강조됨에 따라 지속적인 성장세가 전망되고 있다.
신재생에너지 발전 사업 중 지열발전 분야는 90% 이상의 높은 설비 가동률로 국내 에너지 개발 환경에 적합한 에너지원이 될 가능성이 높다. 현재 지열발전은 아이슬란드, 핀란드, 헝가리, 독일, 필리핀, 인도네시아, 미국 등 국가들을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다. 우리나라에서도 국가적인 차원에서 광주, 나주 및 포항 지역에서 지열 난방 및 발전에 관련된 연구와 실증 프로젝트 등을 진행 중에 있다. 포항지역 지열 발전 프로젝트 경우 검증 절차 중에 지난 포항 강진의 원인이 지열 시추공에 영향이 있다는 언론 보도로 인해 잠시 중단된 상태이나 향후 지속적인 연구의 필요성이 대두되고 있다.
본 연구에서는 지열발전 사업에 적용 가능한 워터해머 시추공법과 회전식 시추공법과의 경제성을 비교 분석하였다. 또한, 우리나라를 포함한 비화산대 국가(지역)에서도 지열발전이 상업성을 가질 수 있는 지에 대해 연구를 수행하였다.
비화산대 지역에서의 지열발전 사업은 시추비용이 전체 프로젝트 사업비중에서 60% 이상을 차지한다. 따라서 시추 비용을 중심으로 지열발전 사업의 경제성 및 이론적인 상관관계를 분석하고, 해외의 적용 사례 등을 파악하였다. 국내 워터해머 시추공법 기반 지열 시추공 비용은 3,500m 1공 기준 25억, 독일 Landau 지역 회전식 시추공법 기반 지열 시추공은 3,000m 1공 기준 53억이며, 워터해머 시추공법은 회전식 시추공법에 비해 더 깊은 심도에도 불구하고 63% 비용 절감을 가져왔다.
단, 본 연구에서는 독일 Landau 지열발전사업 모델과 비슷한 지열온도 조건을 맞추기 위해 등가온도 값을 적용하여 광주 및 나주의 시추심도를 각각 5,202m 및 4,702m까지 설정하였으며, 국내의 경우 저류층의 온도에 기인하여 더 깊은 심도의 시추가 수행되어야 함으로 독일에 비해 약 1.5배 높은 시추비용이 발생하였다. 또한, 발전전력 수익 측면을 분석한 결과, 국내 REC 제도에 따라서 지원받는 지열 발전전력 지원량은 약 176원/kw이며, 독일의 FIT 제도에 따른 발전지원 수익은 325원/kw로 독일이 한국보다 약 2배 높은 지원을 받는 것이 확인되었다.
시추기술에 따른 비화산대 지열발전설비 경제성 분석 결과, 국내 워터해머 시추공법 기반 지열발전사업(평균)의 IRR 및 PP는 15.86% 및 5.21년이며, 독일 내 회전식 시추공법 기반 지열발전사업의 IRR 및 PP는 28.38% 및 3.74년으로 확인되었다. 워터해머 시추공법은 회전식 시추공법보다 시추비용을 크게 절약할 수 있지만, 국내의 경우 워터해머를 적용했음에도 독일에 비해 낮은 저류층 온도 조건과 지원제도로 인해 상대적으로 전체 시추비용은 높게, 발전수익은 낮게 산출되었다.
본 연구를 통해서 우리나라와 같은 비화산대 지역에서도 새로운 시추기술인 워터해머 시추공법을 적용하여 경제성 있는 지열발전 개발 사업의 가능성을 확인하였다. 또한, 워터해머 시추공법은 기존 회전식 시추공법에 비해 시추비용을 2배 이상 절감할 수 있어 해외 기술 수출도 활발히 이루어질 수 있을 것으로 판단된다. 국내 지열발전 사업이 충분한 경제성을 갖추기 위해서는 REC 가중치가 최소 2.0까지 지원되어야 하며, 국제적으로 경쟁력을 갖추기 위해서는 3.0이상까지도 지원이 고려되어야 한다. 본 연구 결과를 바탕으로 향후 국내 지열발전 연구 및 개발 투자 시 유용한 지침이 될 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Power generation accounts for 40% of global GHG(Green House Gas) emissions, 80% of which is generated from coal power generation. For this reason, coal power generation is the main target of the government's policy to curb greenhouse gas emissions, and its reductions are being made in earnest. On the other hand, renewable energy source development is expected to continue to grow as the importance of energy independence is emphasized.
The interest in the development of renewable energy to suppress carbon dioxide emissions has been increased. In particular, geothermal power generation is likely to become an energy source suitable for domestic energy development environment with high facility utilization rate of over 90%. Geothermal power generation has been studied in many countries including Iceland, Finland, Hungary, Germany, the Philippines, Indonesia and the United States. Korea has also conducted research and demonstration projects on geothermal heating and power generation in Gwangju, Naju, and Pohang from the national level. In the case of a geothermal power generation project in the Pohang area, it has been temporarily suspended due to issues in media reports that the cause of the Pohang earthquake was influenced by geothermal boreholes during its investigation, but the need for further research is emerging.
In this study, the economic feasibility of water hammer and mud rotary drilling methods applicable to a geothermal power generation project was analyzed. In addition, the possibility of geothermal power generation in non-volcanic countries including Korea was studied.
In geothermal power generation projects in non-volcanic areas, drilling costs account for more than 60% of the total cost in the project. Therefore, we analyzed the economical and theoretical correlation of a geothermal power generation model in terms of drilling costs, The cost of a geothermal borehole for based on water hammer drilling technology in Korea is about 2.5 billion KRW/hole at the depth of 3,500 meter. The cost of a geothermal borehole based on mud rotary drilling technology in Landau area, Germany is about 5.3 billion KRW/hole at the depth of 3,000 meter. Water hammer technology has resulted in a 63% cost savings despite deeper depths than rotary drilling.
In this study, in order to establish similar conditions to the Landau geothermal power generation model in Germany, it was necessary to set drilling depths of 5,202m and 4,702m respectively in Gwangju and Naju when constructing domestic geothermal power generation models. Under these conditions, domestic drilling costs were about 1.5 times higher than in Germany. As a result of analyzing the revenue side of development progress, the subsidy for power generation supported by the domestic REC system is about 176 KRW/kw, and the subsidy for power generation supported by the German FIT system is 325 KRW/kw. It was confirmed that the German power generation project received about twice as much support as the Korean power generation project.
As a result of the economic analysis for geothermal power plant according to drilling technologies in non-volcanic zone, the IRR and PP of the average value of a domestic geothermal power generation model based on Water Hammer drilling method were 15.86% and 5.21 years. The IRR and PP of a geothermal power generation model based on the rotary drilling method in Germany were 28.38% and 3.74 years. Water hammer drilling method can save drilling cost more than mud rotary drilling method. However, in Korea, despite the application of water hammer, drilling cost is high and development profit is low due to geothermal geological condition and support system which are weaker than Germany.
Through this study, it was confirmed that it is possible to develop economical geothermal power generation through the application of new drilling technology called water hammer drilling method in non-volcanic area like Korea. However, in order for domestic geothermal power generation projects to have sufficient economic efficiency, it is necessary to keep the REC weight to at least 2.0, and to increase the international competitiveness to 3.0 or more. Based on this, it can be considered that the results of this study can be useful guidelines for future research and development investment in domestic geothermal power generation.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 목 차 ⅰ
• 표 목 차 ⅳ
• 그 림 목 차 ⅶ
• 국 문 초 록 ⅺ
• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 심부 시추 개요 3
• 1.2.1 심부지열 시추공 특징 3
• 1.2.2 시추 공법 종류 및 특징 6
• 1.3 지열발전 개요 18
• 1.3.1 국내 지열 특성 및 해외 지열발전 현황 19
• 1.3.2 지열에너지 개발 방법 25
• 1.3.3 지열에너지 발전 방식 28
• 1.4 국내외 연구동향 31
• 1.5 연구수행 방법 및 절차 37
• 제2장 이론적 배경 39
• 2.1 현금흐름 할인법 39
• 2.1.1 순현재가치법 39
• 2.1.2 내부수익률법 41
• 2.2 투자회수율법 42
• 2.3 회수기간법 43
• 2.4 전력판매 수익 산출법 44
• 2.4.1 REC 제도 기준 44
• 2.4.2 FIT 지원제도 기준 45
• 제3장 비화산대 심부지열 시추 사례 분석 46
• 3.1 워터해머 시추 공법의 비교 분석(D&B vs. Wassara) 46
• 3.2 워터해머 기술 기반 비화산대 심부지열 시추 실험 1(국내 광주) 50
• 3.3 워터해머 기술 기반 비화산대 심부지열 시추 실험 2(국내 나주) 65
• 3.4 회전식 기술 기반 비화산대 심부지열 시추 사례(독일) 74
• 제4장 지열 발전 경제성 평가 영향인자 79
• 4.1 신재생에너지 지원 제도 79
• 4.1.1 국내 신재생에너지 지원 제도 79
• 4.1.2 유럽 국가별 신재생에너지 지원 제도 82
• 4.2 시추작업 주요 요소 시간 92
• 4.3 시추공법별 지열발전 시추공 시추비용 98
• 4.3.1 회전식 공법 시추비용 98
• 4.3.2 워터해머 공법 시추비용 104
• 4.3.3 회전식 및 워터해머 공법 시추비용 비교 108
• 4.4 신재생에너지 발전 투자비용 111
• 4.4.1 지열발전 단가 111
• 4.4.2 태양광발전 단가 114
• 4.4.3 풍력발전 단가 115
• 제5장 비화산대 지열발전사업 경제성 분석 116
• 5.1 지열발전 경제성 분석 방법론 116
• 5.2 화산대 및 비화산대 심부지열 발전사업 경제성 비교 117
• 5.3 비화산대 지열발전 시추비용 분석 122
• 5.4 지열발전 사업 순수익 분석 125
• 5.4.1 국내 지열발전 사업 순수익 분석 125
• 5.4.2 독일 지열발전 사업 순수익 분석 128
• 5.4.3 국내외 발전지원 제도에 따른 경제성 분석 131
• 5.5 비화산대 지열발전사업 경제성 평가 모델 민감도 분석 134
• 5.5.1 시추기술에 따른 비화산대 지열발전사업 민감도 분석 134
• 5.5.2 시추비용에 따른 비화산대 지열발전사업 민감도 분석 142
• 5.5.3 시추심도에 따른 비화산대 지열발전사업 민감도 분석 144
• 5.6 기타 신재생에너지 발전사업 경제성 분석 146
• 5.6.1 기타 신재생에너지 발전사업 순수익 분석 146
• 5.6.2 지열발전 및 기타 신재생에너지 발전사업 경제성 비교 분석 148
• 제6장 결 론 152
• 참고 문헌 155
• 영문 초록 160

참고문헌 (Reference)

1 강 은철, 장기창, 임효재, 이의준, 이영수, 윤형기, 우정선, 백영진, 박준택, 박성룡, 나호상, 김민성, 김금수, 권정태, "한국형 지열발전 시스템의 기술개발 타당성 연구", ” 지식경제부 신재생에너지기술개발사업 연구보고서, 2009