중국의 2,500m CO₂ 지열 루프는 어떻게 작동하며, 전력 생산까지 가능할까

중국 허난성 정저우에서 2026년 5월 19일 가동을 시작한 중국화능의 초임계 이산화탄소(CO₂) 폐쇄형 지열 프로젝트는 발전소가 아니라 난방 실증 사업이다. 약 2,500m 깊이의 밀폐된 관정으로 CO₂를 순환시켜 주변 암석의 열을 회수한 뒤, 지상에서 별도의 난방수 회로로 열을 옮긴다. 613

이 프로젝트의 핵심은 지하수를 생산하지 않고도 지열을 이용할 수 있는지 시험했다는 점이다. 그러나 현재 성과를 저렴한 24시간 전력 생산이 이미 가능하다는 증거로 해석해서는 안 된다. 지금 단계에서 확인된 것은 실용적인 난방 적용의 초기 운영 성과다.

정저우 시스템은 어떻게 작동하나

정저우 관정은 동축형 폐쇄 루프 구조다. 상대적으로 차갑고 압력이 높은 CO₂가 한쪽 유로를 따라 지하로 내려가고, 데워진 CO₂가 다른 유로를 통해 지상으로 올라온다. 지하에서는 주변 지층의 열이 관정 구조물을 거쳐 순환 중인 CO₂로 전달된다. 지상에 도착한 CO₂는 그 열을 지역난방용 물에 넘긴 뒤 다시 순환한다. CO₂는 지층과 섞이지 않고 폐쇄된 회로 안에 머문다. 6713

이는 자연적으로 뜨거운 지하수를 끌어올리는 전통적인 열수형 지열 발전과 다르다. 기존 방식은 투수성이 있는 지하 저류층에서 뜨거운 물을 생산한 뒤 보통 다시 지하로 주입해야 한다. 반면 폐쇄형 시스템은 지하수 흐름이 충분하지 않더라도 암석에 저장된 열을 이용할 수 있다.

왜 지하수 대신 CO₂를 사용할까

이 프로젝트는 열을 옮기는 매개체로 초임계 CO₂를 사용한다. 초임계 유체는 특정 압력과 온도 이상에서 기체와 액체의 중간 성질을 보인다. CO₂의 경우 기체처럼 이동성이 높으면서도 액체에 가까운 밀도를 가질 수 있어, 깊은 관정에서 비교적 작은 흐름 저항으로 순환하고 열을 전달하는 데 유리하다는 것이 설계상의 근거다. 613

열사이펀 효과도 기대할 수 있다. CO₂가 지하에서 데워져 상승하면 차갑게 내려가는 유체보다 밀도가 낮아진다. 이 밀도 차이가 순환을 일부 자연스럽게 돕기 때문에 필요한 펌핑 동력을 줄일 수 있다. 다만 지상 설비가 필요 없어진다는 뜻은 아니며, 운영비가 반드시 낮아진다고 보장하는 것도 아니다.

폐쇄형 CO₂ 회로가 내세우는 잠재적 장점은 다음과 같다.

• 지하수를 뽑거나 다시 주입할 필요가 없다.
• 작동 유체가 주변 지층과 분리된다.
• 뜨거운 염수 생산 과정에서 발생할 수 있는 스케일과 광물 처리 문제를 일부 피할 수 있다.
• 자연적인 저류층 투수성이 낮더라도 뜨거운 암석이 있는 지역으로 지열 난방의 적용 범위를 넓힐 수 있다. 613

다만 이는 시스템 차원의 장점이지 상업적 성능을 보증하는 조건은 아니다. 암석과 관정 벽을 통과해 열이 실제 수요를 충족할 만큼 빠르게 이동해야 한다.

정저우 프로젝트가 실제로 보여준 성과

공개된 보도에 따르면 프로젝트에 유입되는 CO₂의 온도는 약 8℃, 지상으로 돌아오는 온도는 약 22℃다. 물을 이용한 열 회수 방식과 비교하면 열 회수 능력은 약 20% 높아지고, 단위 난방 에너지 사용량은 약 10% 줄어든 것으로 보고됐다. 겨울철에는 1만 8,000㎡가 넘는 주거 공간에 중앙난방을 공급하도록 설계됐다. 3613

이는 유용한 난방 성과지만 전력 생산량을 의미하지는 않는다. 보고된 귀환 온도는 난방 규모에 해당하며, 제공된 근거만으로는 이 프로젝트가 전기를 생산한다고 확인할 수 없다.

용어에도 주의가 필요하다. ‘초임계 CO₂’는 시스템 내부에서 사용되는 유체의 개념과 압력·온도 상태를 가리킨다. 공개된 운영 요약만으로는 지하 각 지점의 압력과 온도 프로필 전체를 확인할 수 없다. 다른 2차 보도에서는 서로 다른 입·출구 온도가 제시되기도 했으므로, 널리 반복된 ‘8℃에서 22℃’라는 수치는 완전한 열역학적 설명이라기보다 보고된 운전 수치로 보는 편이 안전하다. 34

24시간 안정적인 전력도 생산할 수 있을까

지열은 바람이나 일사량처럼 날씨와 낮밤에 따라 변동하지 않고 지속적으로 존재한다. 따라서 충분히 뜨거운 암석에 도달하고 많은 유량을 확보할 수 있다면, 폐쇄형 시스템도 이론적으로 안정적인 열과 전력을 공급할 수 있다.

하지만 정저우 프로젝트는 아직 그 결과를 보여주지 않았다. 전기를 만들려면 더 큰 유효 열유량과 발전 사이클에 적합한 온도가 필요하다. 현재 프로젝트의 역할은 주거 난방이므로, 이미 24시간 지열 발전을 확립했다고 말하는 것은 근거를 넘어선다.

경제성은 더 큰 변수다. 모델링 연구는 폐쇄형 시스템이 열 공급에서는 경쟁력 있는 비용을 달성할 가능성이 있지만, 전력 생산 비용을 경쟁력 있게 만들려면 시추 비용을 크게 낮춰야 한다고 분석했다. 또 다른 연구에서는 저류층 온도가 180℃인 조건에서도 다중 수평정 30개와 초당 75kg의 생산 유량을 가정한 시뮬레이션 시스템이 수명주기 비용을 회수하지 못할 수 있다고 분석했다.

더 깊은 U자형 관정이 주목받는 이유

동축형 관정은 열을 교환하는 지하 표면적이 비교적 제한적이다. 이에 비해 더 깊은 U자형 또는 U-루프 설계는 뜨거운 암석을 관통하는 긴 수평 구간을 두 개의 수직 구간 사이에 연결해 열교환 면적을 늘리려 한다. 지하에서 암석과 접촉하는 경로가 길어지면 순환 유체로 전달되는 열의 양도 커질 수 있다.

이 구조는 단일 관정 시스템의 핵심 한계, 즉 충분한 암석 접촉 면적과 온도, 유량을 장기간 확보해야 한다는 문제를 겨냥한다. 그러나 방향성 시추의 복잡성, 완공 위험, 초기 투자비도 함께 커진다. 제공된 근거만으로는 중국의 특정 U자형 프로젝트에 대한 정확한 깊이, 성능, 건설 현황 또는 비용을 확인할 수 없다. 따라서 이는 검증된 상업 해법이라기보다 개발 방향으로 이해하는 것이 적절하다.

기술과 경제성의 벽

문제는 단순히 뜨거운 암석을 찾는 데 있지 않다. 생산한 열이나 전력이 시추와 설비에 들어간 비용을 회수할 수 있을 만큼, 내구성 있고 출력이 높은 지하 열교환기를 만들어야 한다.

주요 과제는 다음과 같다.

• 깊은 시추와 방향성·다중 수평 구간 시공 비용
• 충분한 지하 열교환 면적 확보
• 고온·고압 환경에서 관정과 밀봉부의 장기 건전성 유지
• 부식, 열손실, CO₂ 거동 관리
• 하강 유로와 상승 유로 사이의 열적 단락 방지
• 극한의 심부 암석 환경에서 작동할 시추 장비, 비트, 다운홀 도구, 소재 개발

네이처 리뷰는 일부 환경에서 단일 다중 수평정 세트의 비용이 약 5,000만~1억 달러에 이를 수 있으며, 수익성은 출력과 지역 수요에 좌우된다고 지적한다. 또한 폐쇄형 시스템은 자연적으로 흐르는 지열 저류층의 대류보다 느린 주변 암석의 전도에 크게 의존한다는 근본적인 성능 제약도 설명한다.

이 때문에 발전보다 지역난방이 먼저 상업화될 가능성이 있다. 중온 열은 인근 건물에 직접 판매할 수 있지만, 발전소는 더 뜨거운 자원과 더 큰 유량, 별도의 고가 변환 설비를 필요로 하기 때문이다.

독일 에이버 프로젝트가 보여준 것

독일 바이에른주 게레츠리트의 에이버(Eavor) 프로젝트는 중요한 비교 사례다. 이 프로젝트는 2025년 12월 4일 밀폐형 다중 수평 폐쇄 루프 지열 시스템에서 생산한 전력을 독일 전력망에 공급하기 시작했다. 이런 방식으로 전력을 생산한 최초의 상업 프로젝트로 보고됐다.

전체 설계 출력은 전기 약 8.2MW, 열 약 64MW로 알려져 있다. 자연적으로 생산성이 높은 뜨거운 지하수 저류층에 의존하지 않고, 긴 지하 관정으로 구성된 루프에서 열을 회수하는 방식이다. 다만 2026년 3월 기준으로 계획된 네 개 루프 가운데 첫 번째 루프만 운영 중이었다. 따라서 게레츠리트는 기술적 가능성을 보여주는 중요한 사례인 동시에, 전체 건설과 경제성은 여전히 검증해야 하는 프로젝트다. 17

정저우와 게레츠리트는 같은 큰 아이디어가 서로 다른 단계에 있음을 보여준다. 정저우는 밀폐된 CO₂ 순환으로 실용적인 지열 난방을 구현했다. 게레츠리트는 다중 수평 폐쇄 루프가 전력망에 전기를 공급할 수 있음을 보여줬다. 그러나 두 사례 모두 심부 폐쇄형 지열이 저렴하고 어디서나 적용 가능하며 기존 발전을 대체할 준비가 됐다는 사실까지 입증한 것은 아니다.

결론: ‘열은 가능성, 전력은 아직 과제’

중국 정저우 프로젝트는 중국어로 ‘취열불취수(取热不取水)’, 즉 물을 끌어올리지 않고 열만 얻는다는 개념을 실제 난방 설비로 시험한 사례에 가깝다. 2,500m 동축정, 밀폐된 CO₂ 회로, 약 20%의 열 회수 능력 향상, 1만 8,000㎡가 넘는 난방 공급 규모는 이 기술이 주목받는 이유를 보여준다. 613

폐쇄형 지열은 자연적으로 흐르는 지하수와 열 회수를 분리함으로써, 더 많은 지역에서 지열을 활용할 가능성을 열 수 있다. 하지만 24시간 전력 생산으로 가는 길에는 더 깊고 넓은 열교환기, 신뢰성 높은 고온 시추, 장기간의 열 성능, 훨씬 낮은 자본비용이라는 난제가 남아 있다.

현재 근거가 뒷받침하는 결론은 ‘상업적 돌파구가 이미 입증됐다’가 아니라 ‘가능성을 보여주는 초기 실증이 시작됐다’는 쪽에 가깝다.