KIGAM 한국지질자원연구원

기후변화가 문제다. 기후변화로 이상기온이 지속되고 있고, 기후변화의 원인인 이산화탄소를 감축하자는 목소리가 거세졌다. 이상기온으로 우리나라는 해마다 가뭄을 겪는다. 수자원 대부분을 지표수에 의존하는 우리나라의 경우, 가뭄이 발생하면 용수 공급에 차질을 빚는다. 가뭄에 대비한 새로운 수자원이 필요하다. 한편 이산화탄소를 배출하지 않는 청정에너지의 개발이 어느 때보다 중요해졌다. 기후변화가 우리 삶에 더욱 가까이 다가오고 있기에 기후변화에 대비하기 위한 노력이 필요하다.

지구로부터 얻는
물과 에너지

지하수&지열에너지

지하에 숨겨진 무궁무진한 자원

땅속에는 지구가 인류에게 주는 선물이 담겨있다. ‘지하수’와 ‘지열’이다. 인류가 마시는 물은 어디에서 구할 수 있을까. 빙하·만년설·호수·하천·지하수 등이 있다. 우리나라의 경우에는 물 90%를 지표수에 전적으로 의존하고 있다. 지구상에 존재하는 물은 바다 염수가 전체의 97.2%를 차지하고 있고, 육지는 전체의 2.8%만 보유하고 있다. 육지의 물 중에서 75%는 빙하이기 때문에, 사람이 손쉽게 사용할 수 있는 호수 또는 하천수는 전체 지구상의 물의 0.01% 이하에 지나지 않는 양이다. 가뭄에 대비할 수 있는 대책 마련이 절실하다. 그렇다면 지표수를 대신할 수 있는 수자원은 없을까. 지하수가 그 해결책이다. 우리가 밟고 있는 땅속에는 호수, 강에서 흐르는 물보다100배 이상 많은 물이 저장되어 있다. 지하수는 세상의 아래에 존재하는 거대한 수체(水體)로, 땅속에 숨겨진 바다인 셈이다. 때문에 지하수는 지표수를 대신할 수자원으로 손꼽히며, 그 중요성이 날로 커지고 있다.
화석연료 사용에 따른 지구온난화, 기후변화로 청정에너지의 중요성도 높아졌다. 특히 지열에너지가 각광받는다. ‘지열(Geothermal)’은 그리스어인 Geo(Earth, 지구)와 Therme(Heat, 열)의 합성어로 즉, ‘지구 내부에서 발생하는 열’을 의미한다. 바로 이 열을 에너지로 바꿔 활용하는 것이 지열에너지다. 지열에너지는 가동할 때 공해가 발생하지 않아 친환경적이다. 다른 청정에너지와 다르게 24시간 가동 할 수 있다. 바람이나 태양이 필요한 풍력에너지, 태양에너지와 다르게 날씨의 영향을 받지 않는다. 그래서 지열에너지는 화석연료를 대체할 수 있는, 인류의 미래 에너지 자원으로 평가받는다. 지하수생태연구센터는 지속하는 가뭄, 청정에너지의 필요성이 제기됨에 따라 지하수·지열에너지를 확보하기 위한 기술 개발을 추진하고 있다. 다양한 연구 분야의 전문가들이 모여, 기후변화에 맞서고 있다.

땅속의 물

수자원을 확보하기 위한 노력에도 불구하고 우리나라는 가뭄 발생이 빈번한 곳이다. 대규모 다목적 댐 건설, 농업용 저수지 및 상수도 시설 보급이 이뤄지면서 수자원 이용량은 1965년 51억ton에서 2007년 255억ton으로 증가했다. 그런데도 물 부족과 가뭄은 지속될 것으로 보인다. 수자원장기종합계획(2011)에 따르면, 2020년에 전국적으로 약 4.3억ton의 물이 부족할 것이라 예상된다. 기후변화 대응 미래수자원전략(2010)에서도 가뭄 발생도가 1977~2006년과 비교해 2061년~2090년에는 약 3.4배 이상 증가할 것으로 예측한다. 수자원을 안정적으로 확보하기 위한 대체 수원을 개발하려는 노력이 필요하다.

지하수생태연구센터는 국내 유일 지하수 전문 연구기관이다. 지하수를 수자원으로 개발하기 위한 다양한 노력을 펼치고 있다. 특히 ‘지하수 인공함양 기술’을 손꼽을 수 있다.
우리나라는 연중 강수량이 일정하지 않다. 여름에는 비가 많이 오지만, 봄·가을·겨울에는 그렇지 않은 편이다. 지하수 인공함양 기술은 바로 이러한 자연의 원리를 이용한다. 비가 오면 물 대부분은 바다와 강으로 흘러간다. 일부는 땅속으로 스며들어가는데 이를 ‘함양’이라 한다. 인공함양 기술은 빗물이나 지표수를 인위적으로 땅속에 저장하는 기술이다. 하지만 모든 지형에 동일한 조건으로 지하수를 인공함양할 수 없다. 지역마다 지형 조건이 달라, 다르게 적용하는 기술이 필요하다. 제주도에서는 저류지와 연계한 불포화대 관정 주입 기술을, 대규모 충적대수층이 분포한 하천주변에서는 관정 주입 방식의 인공함양이 필요하다. 한편, 지하수를 개발하면서 파생하는 문제점도 함께 고민해야 한다. 수위 하강, 수량 고갈, 지반 침하 등이다.
지하수생태연구센터는 지하수를 개발하는 일뿐만 아니라, 지하수를 합리적으로 개발하고 활용할 수 있는 체계적인 방안을 강구하는 데도 앞장서고 있다. 싱크홀, 지반 침하 등 국민의 안전을 위협하는 위해 요소를 해결하기 위해 꾸준한 기술 개발도 이어나갈 예정이다.

땅속의 에너지

한편 지하수생태연구센터에서는 지구 내부에서 에너지를 개발하는 일도 수행하고 있다. ‘지열에너지’다. 우리나라는 에너지 대부분을 수입에 의존하고 있다. 한 예로 석유다. 소비에너지의 35.2%를 차지하고 있을 만큼 석유 소비량이 많지만, 약 87.9%을 수입에 의존한다. 에너지 자립도를 높이기 위해서라도 지열에너지를 연구하고 개발하는 일이 필요하다.
지열에너지는 온도 범위에 따라 150℃ 미만의 ‘저온성 지열에너지(Low temperature geothermal energy)’, 150℃ 이상의 ‘고온성 지열에너지(High temperature geothermal energy)’로 구분한다. 저온성 지열에너지는 에너지 변환 과정 없이 열 자체를 직접 이용할 수 있다. 수천 년 전부터 인류가 활용해 온 ‘온천’이 바로 이런 경우다. 최근에는 건물의 냉난방에 지열에너지를 활용한다. 일반적으로 지하 100m~200m 깊이에서는 지중 온도가 연중 14~15℃로 일정하다. 연중 일정한 지중 온도와 대기와의 온도 차를 활용한다. 겨울에는 뜨거운 지열을 바깥으로 추출하고, 여름에는 더운 대기 열기를 지중으로 방출하는 원리다. 냉난방 시스템을 포함한 지열에너지의 수요가 기하급수적으로 늘어남에 따라 KIGAM은 우리나라 지열에너지 잠재량 평가 및 분포도, 심부 지열수 개발을 위한 탐사 및 시추 기술 확보, 고온고압 열물성 측정 기술개발, 저온 및 고온 지열에너지 개발을 위한 수치모델링 기술 개발, 지열 냉난방 시스템 향상에 필요한 지하 정보 활용 기술 제공, 열물성을 포함한 지열 자료 DB 구축, 정책 수립을 위한 기본 자료 제공 등 지열에너지가 발전하도록 힘써오고 있다.
한편 고온성 지열에너지는 다른 형태의 에너지원으로 변환해 사용한다. ‘전기’다. ‘지열발전 시스템’을 통해 고온의 지열에너지를 전기로 변환할 수 있다. 하지만 지열발전은 개발 공간이 매우 한정적이다. 높은 온도의 유체가 존재하는 판 경계부, 화산지대 등지에서 이뤄져야 한다. 이러한 한계를 극복한 기술이 ‘EGS(Enhanced Geothermal System)’다. 유체가 존재하지 않아도 지중 온도가 높은 곳이라면 지열발전이 가능하다. KIGAM에서는 지온구배가 상대적으로 높은 포항에서 EGS 지열발전 프로젝트에 참여하고 있으며, 이와 함께 다양한 기술 개발에도 박차를 가하고 있다.
물과 에너지는 인류의 삶에 있어 꼭 필요한 요소다. 생명을 유지하도록 돕는 물과 기술의 발전을 이루는 에너지. 그렇기에 지하수생태연구센터의 역할이 더욱 중요해질 수밖에 없다. 국내에서 유일하게 지하수 연구를 위해 똘똘 뭉친 어벤저스인 만큼, 그들의 연구를 통해 국민의 행복한 삶이 지속되길 바라본다.