지오레이다 기반 고해상도 지열 탐사 GeoHEAT 프로젝트 소개

초록

본 논문은 지역·저수지·시추공 3단계 공간 스케일을 결합한 통합 지열 탐사 방법론을 제시한다. 지역 규모(~100 km)에서는 LCOE 기반 열가격 지도와 메타모델을 활용해 잠재 부지를 선정하고, 저수지 규모(~10 km)에서는 수동 지진·중력 데이터를 이용해 지하 구조를 정량화한다. 이후 확률론적 지질·지구역학 모델링과 연계해 탐사 시추공 위치를 제안한다. 핵심은 고해상도 지오레이다 탐사프로브를 이용해 투과성 구조를 직접 시각화하는 것으로, 스위스 투르가우 주 적용 사례를 통해 방법론의 실효성을 입증한다.

상세 분석

GeoHEAT는 기존 지열 탐사의 저해상도·고비용 문제를 해결하기 위해 세 가지 공간 스케일을 순차적으로 통합한다. 첫 번째 단계는 지역 규모(~100 km)에서 LCOE(Lifetime Cost of Energy) 열가격 지도를 생성하는데, 이는 지역 기후, 전력망 연결성, 지열 자원 잠재력, 인프라 비용 등을 메타모델링하여 정량화한다. 메타모델은 수천 개의 시뮬레이션 결과를 머신러닝 회귀기로 압축함으로써 빠른 후보지 선별을 가능하게 한다. 두 번째 단계인 저수지 규모(~10 km)에서는 수동형 지진학과 중력 측정을 활용해 지하의 밀도·탄성 파라미터를 역추정한다. 특히 수동 지진은 저주파 대역에서 장시간 누적 데이터를 수집해 저해상도 구조를 파악하고, 중력 데이터는 대규모 부피 변화를 감지해 열저장소의 부피와 형태를 보정한다. 여기서 핵심은 확률론적 지질·지구역학 모델링이다. 베이지안 프레임워크를 적용해 지질 단층, 암석 강도, 투수성 분포를 확률 변수로 설정하고, 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링을 통해 불확실성을 정량화한다. 이를 바탕으로 탐사 시추공 위치를 최적화하는데, 목표 함수는 ‘열 생산량 대비 시추 비용 최소화’와 ‘지질 위험도 최소화’를 동시에 만족하도록 설계되었다. 세 번째 단계는 고해상도 지오레이다(Georadar) 프로브를 이용한 시추공 내부 탐사이다. 기존 지오레이다는 주로 얕은 지표면 탐사에 국한되었으나, GeoHEAT는 고전압·고주파(1–3 GHz) 송수신 모듈과 저온·고압 환경에 적합한 케이싱을 자체 설계·제작하였다. 이 프로브는 시추공 벽면을 따라 연속적으로 전파를 발사해 반사 신호를 실시간으로 3D 이미지화함으로써, 미세한 균열·공극·다공성 층을 밀리미터 수준의 해상도로 식별한다. 특히 투수성 구조와 온도 구배가 겹치는 영역을 전자기 파라미터와 열전도도 모델을 결합해 정량화함으로써, 실제 열전달 효율을 직접 측정할 수 있다. 스위스 투르가우 주 적용 사례에서는 5개의 후보지 중 2곳을 최종 선정했으며, 지오레이다 데이터는 기존 시추 로그와 85 % 이상의 상관성을 보였다. 이 결과는 GeoHEAT가 지역 규모 후보지 선별부터 시추공 내부 고해상도 구조 파악까지 일관된 데이터 흐름을 제공함으로써, 탐사 비용을 평균 30 % 절감하고 성공적인 시추 확률을 20 % 이상 향상시킬 수 있음을 시사한다.