A scenario-based framework for characterising subsurface uncertainties in shallow mine thermal flow systems

영국 도시들의 지하 깊은 곳에는 버려진 탄광의 거대하고 고요한 미로가 펼쳐져 있습니다. 한 세기 넘게 이 터널들은 산업의 동맥 역할을 했으나, 오늘날에는 지하수가 침수되어 숨겨진 지하 바다를 형성하고 있습니다. 과학자들은 오랫동안 이 물이 지구 내부로부터 자연적으로 가열된 열을 머금고 있으며, 이 물을 지표면으로 끌어올리는 것이 주택과 건물을 데우는 깨끗하고 저탄소적인 방법이 될 수 있다는 사실을 알고 있었습니다. '광산수 지열 에너지(mine-water geothermal energy)'라고 알려진 이 개념은 우리의 난방 시스템을 탈탄소화할 수 있는 유망한 경로를 제시합니다. 그러나 이 침수된 폐허를 신뢰할 수 있는 발전소로 바꾸는 일은 불확실성으로 가득 차 있습니다. 지하 세계는 균일한 스펀지가 아닙니다. 그것은 개방된 터널, 붕괴된 잔해, 그리고 단단한 암석이 뒤섞인 혼돈스러운 조합이며, 모두 시야에서 가려져 있습니다. 이러한 공간들이 어떻게 연결되어 있는지 정확히 알지 못하면, 엔지니어들은 물이 우물 사이를 원활하게 흐를지, 아니면 열이 유용하게 쓰이기도 전에 너무 빨리 사라져 버릴지를 예측할 수 없습니다.

헤리엇-와트 대학교(Heriot-Watt University)와 델프트 공과대학교(Delft University of Technology)의 연구팀은 글래스고에 있는 침수된 광산의 정교한 '디지털 트윈'을 구축함으로써 이 문제를 해결했습니다. 그들은 심부 모니터링 스테이션의 실제 데이터를 사용하여, 다양한 지하 형태와 재료가 물과 열의 흐름에 어떤 영향을 미치는지 테스트하기 위한 가상 모델을 만들었습니다. 그들의 연구는 이러한 시스템에 대해 놀라운 진실을 밝혀냈습니다. 즉, 지중에 저장된 총 열량보다 물이 실제로 이동할 수 있는 특정 경로가 훨씬 더 중요하다는 것입니다. 시뮬레이션 결과, 주입정(injection well)과 생산정(production well) 사이의 터널이 직접 연결되어 있지 않으면, 주변에 이론적으로 얼마나 많은 열이 가용하든 상관없이 시스템은 빠르게 실패한다는 것을 발견했습니다. 또한 그들은 광산을 둘러싼 암석이 중요한 역할을 한다는 점도 발견했는데, 이는 광산 내부의 터널이 물을 자유롭게 이동시키기에 너무 막혀 있을 때만 시스템을 재충전할 수 있는 '열 배터리' 역할을 할 수 있기 때문입니다.

연구진은 먼저 지질 기록과 글래스고 UK 지오에너지 관측소(Glasgow UK Geoentry Observatory)의 시추공 데이터를 활용하여 지하의 상세한 3차원 지도를 제작했습니다. 그들은 지하에 무엇이 있는지에 대해 단 하나의 추측에 의존하지 않았습니다. 대신, 광산의 역사를 나타내는 서로 다른 여러 가지 가능한 현실의 앙상블(ensemble)을 구축했습니다. 어떤 모델은 장애물이 거의 없는 넓고 개방된 터널을 특징으로 했고, 다른 모델은 석탄 벽의 일부나 백필(backfill)이라고 불리는 잔해 및 폐석으로 채워진 넓은 구역을 포함했습니다. 그들은 가상 광산 내에서 물과 열의 움직임을 12년 동안 시뮬레이션하며, 찬물이 주입되고 따뜻한 물이 뽑혀 나감에 따라 온도가 어떻게 변하는지 관찰했습니다.

결과는 이러한 시스템을 설계하는 데 있어 근본적인 긴장 관계를 부각했습니다. 물을 광산 속으로 펌프질할 수 있는 능력인 '전달 능력(deliverability)'은 두 우물 사이에 넓고 개방된 경로가 있느냐에 달려 있습니다. 터널이 더 개방되어 있을수록 물을 이동시키기가 더 쉽고, 이를 위해 필요한 에너지도 적게 듭니다. 하지만 이러한 높은 유량에는 대가가 따릅니다. 경로가 넓고 개방되어 있으면, 시스템에 주입된 찬물이 생산정으로 곧장 달려가 '열적 단락(thermal short circuit)' 현상을 일으킵니다. 이는 불과 몇 년 만에 발생하며, 광산에 저장된 열이 완전히 사용되기도 전에 물의 온도를 난방에 필요한 수준 이하로 떨어뜨립니다. 반대로, 경로가 장벽이나 잔해에 의해 막혀 있으면 물은 더 길고 구불구불한 경로를 택하도록 강제됩니다. 이는 흐름을 늦추어 펌프질을 어렵게 만들지만, 찬물의 도착을 늦춤으로써 시스템이 유용한 열을 훨씬 더 오랫동안 생산할 수 있게 합니다.

아마도 가장 눈에 띄는 발견은 연구진이 광산 내의 전체 빈 공간의 부피는 일정하게 유지하면서 그 공간이 어떻게 연결되어 있는지를 변경했을 때 나타났습니다. 한 시나리오에서 그들은 터널들이 서로 크게 고립되어 있어 물이 주요 저장 구역을 우회해야 하는 광산을 만들었습니다. 비록 지중에 저장된 총 열량이 잘 연결된 광산과 동일했음에도 불구하고, 연결성이 낮은 시스템은 유용한 열을 20배나 더 빨리 잃었습니다. 이러한 단절된 시나리오에서는 열 생산 수명이 3년 이상에서 불과 몇 주로 급감한 반면, 물을 펌프질하는 능력은 거의 변하지 않았습니다. 이는 지중에 열이 존재한다는 사실만으로는 충분하지 않으며, 열이 반드시 물이 실제로 도달할 수 있는 광산의 특정 부분에 있어야 함을 입증합니다.

연구진은 또한 광산 터널을 둘러싼 암석의 역할도 조사했습니다. 어떤 모델에서 암석은 물이 침투할 수 없는 꽉 막힌 장벽으로 취급되었습니다. 다른 모델에서는 암석이 '누수성(leaky)'을 가져 물이 광산 터널로 스며들거나 빠져나갈 수 있다고 간주되었습니다. 광산 터널 자체가 막혀 있거나 연결이 불량할 때, 이 누수성 암석은 중요한 자원이 되었습니다. 물이 주변 암석으로 스며들어 지구 자체의 거대한 열 질량으로부터 열을 끌어오는 것입니다. 이 과정은 자연적인 재충전 역할을 하여 시스템의 수명을 크게 연장했습니다. 가장 많이 막힌 시나리오에서, 이러한 지질학적 재충전은 시스템이 열을 생산할 수 있는 시간을 두 배로 늘려주었습니다. 그러나 광산 터널이 이미 넓게 열려 있다면, 물은 터널이라는 쉬운 경로를 선호하기 때문에 주변 암석은 큰 효과를 발휘하지 못했습니다.

연구진은 또한 광산에 흔히 남겨지는 잔해와 폐석인 백필(backfill)의 영향도 살펴보았습니다. 그들은 백필의 특성, 예를 들어 다공성이나 투수성이 물의 흐름 경로에 직접 위치하지 않는 한 시스템 성능에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했습니다. 만약 백필이 옆쪽에 위치한다면 물은 단순히 그 주변을 흘러가므로, 그 구성 성분은 시스템에 아무런 영향을 주지 않았습니다. 백필이 두 우물 사이의 주요 경로를 가로막을 때에만 그것은 중요한 장애물이 되어 흐름을 줄이고 열 회수를 변화시켰습니다. 이는 장애물의 화학적 또는 물리적 구성보다 위치가 훨씬 더 중요하다는 것을 시사합니다.

이러한 결과는 엔지니어들이 전통적으로 광산의 지열 잠재력을 평가하는 방식을 뒤흔듭니다. 단순히 지중에 저장된 물과 열의 총량을 계산하기보다는, 주입 지점과 생산 지점 사이의 구체적인 연결성을 매핑하는 것이 우선순위가 되어야 한다고 이 연구는 제안합니다. 가장 결정적인 요소는 '휩 볼륨(swept volume)', 즉 순환하는 물이 실제로 접촉하는 광산의 특정 부분입니다. 만약 물이 열에 도달할 수 없다면, 그 열은 사실상 손실된 것입니다. 연구는 성공적인 프로젝트를 위해서는 적절한 균형이 필요함을 나타냅니다. 즉, 물이 흐를 수 있을 만큼의 연결성을 확보하면서도, 찬물이 곧장 통과해 버리는 것을 방지할 수 있는 충분한 복잡성이나 장벽을 갖추어야 합니다.

또한 이 작업은 이러한 프로젝트에서 불확실성의 중요성을 강조합니다. 버려진 광산의 지하 구조는 종종 문서화가 제대로 되어 있지 않기 때문에, 단 하나의 모델에 의존하는 것은 위험합니다. 다양한 시나리오를 테스트하는 연구진의 접근 방식은 가능한 결과의 범위를 이해하는 더 안전한 방법을 제공합니다. 이는 서류상으로는 유망해 보이는 광산이라도 예상대로 터널이 연결되어 있지 않다면 실제로는 실패할 수 있음을 보여줍니다. 반대로, 막혀 있는 것처럼 보이는 광산이라도 주변 암석이 필요한 열적 재충전을 제공할 수 있다면 여전히 실행 가능할 수 있습니다.

궁극적으로 이 연구는 오래된 광산을 새로운 에너지원으로 바꾸는 방법에 대해 더 명확한 그림을 제공합니다. 연구의 초점을 가용 가능한 총 열량에서 열을 포착할 수 있는 특정 경로로 옮깁니다. 터널의 기하학적 구조와 주변 암석의 성질이 성능을 제어하는 주요 요인임을 이해함으로써, 엔지니어들은 더 나은 시스템을 설계할 수 있습니다. 그들은 연결된 흐름 경로를 극대화하면서도 자연적인 장벽을 이용해 시스템의 수명을 연장할 수 있는 우물 위치를 선택할 수 있습니다. 이 연구는 광산수 지열 에너지의 잠재력이 상당하지만, 이를 실현하기 위해서는 우리 발밑의 숨겨지고 복잡한 세계에 대한 깊은 이해가 필요함을 확인시켜 줍니다.