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[신재생에너지 기획②] 바다로부터 얻는 청정에너지, 조력․조류와 파력

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2014년 07월 28일 10:00 프린트하기

아톰스토리에서는 신재생에너지의 최신 흐름을 알아보고 ‘에너지안보’ 관점에서 국내 자력생산이 가능한 신재생에너지원을 살펴보기 위해 [신재생에너지] 기획을 마련했습니다. 총 10편으로 구성된 이번 기획을 통해 에너지원의 다변화 가능성을 알아봅니다.

 

 

시화조력발전소 조감도

 

 

우리는 에너지를 둘러싼 딜레마가 전 세계를 위협하는 사회에 살고 있다. 인류가 사용하는 1차 에너지원인 화석연료의 40%가 석유인데, 석유는 고작 41년간 채광가능하며 천연가스는 62년, 석탄은 230년에 불과하다(세계에너지 통계). 또한 2007년 노벨평화상을 수상한 IPCC 제4차 보고서에서는 현재 기후변화 원인을 인간활동(산업활동 및 에너지이용 시스템)에 의한 이산화탄소 증가로 정의해, 각국은 이산화탄소의 배출을 감축해야 하는 현실에 직면해 있다.

 

화석연료 자원이 매장되지 않은 우리나라는 총 97%의 에너지를 수입에 의존하고 있으며 전체 에너지의 75%가 원자력과 석탄에 의해 생산되고 있다. 그렇다면 앞으로 우리나라는 어떻게 에너지안보를 확보해야 할까? 현재 신재생에너지 개발을 위한 지속적인 노력과 정책지원이 시행되고 있는데, 3면이 바다인 지리적 이점으로 인해 해양에너지가 매우 유용한 에너지원이 될 수 있다.

 

조석차를 이용하는 조력․조류발전

 

해양에너지는 ‘재생에너지’로, 에너지원에 따라 조류의 흐름을 이용하는 조력·조류발전, 파력발전 및 온도차 발전 등으로 구분된다. 이 글에서는 지형적 입지조건에 따라 대규모 개발이 가능한 조력·조류발전과 해양플랜트기술을 기반으로 하는 파력발전에 대해 다루고자 한다.

 

우선 조력·조류발전은 조석차로 인한 해수의 흐름을 이용해 발전하는 방식이다. 조석은 달, 태양의 인력으로 인해 해수면이 주기적으로 높아졌다 낮아졌다 하는 현상을 말한다. 조력발전은 강한 조석이 발생하는 큰 하구 또는 만에 방조제를 설치하고 바닷물이 가장 높이 올라오는 만조 때 물을 가두었다가 간조 때 물을 배출하며 그 힘을 이용해 발전기를 돌리는 것이다. 즉 수위차를 이용한 발전방식으로 수력발전과 원리가 비슷하다. 조력발전은 발전량 측면에서는 조석간만의 차가 클수록 유리하고, 건설비 측면에서는 설치되는 댐의 길이가 짧을수록 유리하다.

 

 

[그림1] 울돌목 시험용 조류발전소. 사진 출처 : 한국해양과학기술원.

 

조류발전은 강한 조류가 발생하는 해역의 수로에 조류발전용 수차를 설치해 조류의 운동에너지를 전기에너지로 변환해 발전하는 방식으로, 수차의 형태에 따라 수직축 또는 수평축으로 구분된다. 조류발전은 조력발전과 달리 방조제를 지을 필요 없이 발전에 필요한 수차발전기만 설치하면 된다. 따라서 조력발전소보다 건설비용이 적게 든다. 반면 조류의 흐름이 빠른 지역에만 적용할 수 있으며, 발전을 적절히 조절할 수 있는 조력발전에 비해 자연적인 흐름의 세기에 따라 발전량이 좌우된다는 단점이 있다. 하지만 해수 유통이 자유롭고 해양 환경에 미치는 영향이 거의 없어 조력발전보다 환경친화적인 발전으로 간주된다.

 

우리나라의 서해안과 남해안은 굴곡이 심한 리아스식 해안으로, 크고 작은 만이 발달해 있고 조위차(연속적인 간조와 만조의 차)가 커서 세계적인 조력·조류발전 적지이다. 조력발전 주요 후보지로는 강화만, 인천만, 가로림만 및 시화호 등이 있으며 조류발전 적지로는 울돌목, 장죽수도, 맹골수도 등이 있다.

 

조력발전은 해양에너지 중 가장 먼저 상용화됐으며 조류발전은 상용화 단계에 도달해 있다. 우리나라는 현재 세계최대 규모의 상용발전소인 시화조력발전소를 운영하고 있다. 2011년 상용발전을 시작한 시화조력발전은 원래 시화만에 농·공업용지 및 휴식공간을 조성할 목적으로 시화방조제를 구축해 담수호를 조성할 계획이었다. 그러나 수질문제로 담수호 계획을 포기하고 해수호로 유지하기로 한 이후 수질개선을 목적으로 추진됐다. 시설용량은 254MW급의 세계최대 조력발전소로 연간 55만2,700MWh의 발전이 가능하다. 조류발전소로는 우리나라의 최적지인 울돌목에 시험조류발전소를 건설해 상용화를 위한 기술력을 확보한 상태다.

 

 

[그림2] 조력발전의 원리

 

파도의 상하 운동에너지를 이용하는 파력발전

 

파력발전은 파랑의 운동에너지와 위치에너지를 기계적 에너지로 1차 변환하고, 기계적 에너지를 전기에너지로 2차 변환하는 발전방식이다. 1차 에너지변환장치(converter) 종류에 따라 진동수주형(수주를 이용한 공기왕복유동으로 변환), 가동물체형(직접기계구동), 월파형(저수를 통한 낙차로 변환)으로 나눌 수 있다. 구조물 형식에 따라서는 고정식과 부유식으로 분류할 수 있으며, 1차 에너지변환장치와의 조합을 통해 고정식 진동수주형 파력발전, 부유식 진동수주형 파력발전 등의 다양한 형태가 가능하다.

 

파력에너지는 특정한 입지조건을 갖춰야 하는 조력·조류와 달리 모든 해역에 광범위하게 분포하기 때문에 조력·조류보다 에너지 부존량이 매우 크다. 전 세계적으로 파력에너지의 가용 잠재량은 2,000TWh/year인데 이는 전 세계 전력 소모량의 10% 해당하는 발전량이다. 이를 개발하기 위해 파랑에너지원의 밀도가 높은 유럽을 중심으로 기술개발이 활발히 이루어지고 있다.

 

 

[그림3] 방파제연계형 복합파력발전단지 개념도. 사진 출처 : 한국해양과학기술원

 

우리나라의 경우 연안역과 외해역 모두를 포함하는 파력에너지 가용 잠재량이 10.3GW이고 광력 파랑에너지 밀도는 계절별, 해역별로 차이가 크지만 일반적으로 겨울철의 파랑에너지 밀도가 상대적으로 높다. 특히 제주 서서남 근해와 독도 등의 도서지역, 수심이 깊은 외해역에서 상대적으로 파랑에너지 밀도(10~16kW/m)가 높게 나타난다.

 

파력발전 기술은 현재 상용화까지 도달하지는 못했지만 2015년경에는 본격적으로 상용화가 시작될 전망이다. 우리나라에서도 진동수주형 용수 시험파력발전소 건설 등의 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

점차 확대되는 해양에너지 개발

 

에너지를 둘러싼 환경 변화로 인해 해양에너지 개발은 점차 확대될 전망이다. 조력발전은 이미 상용발전 건설에 필요한 기술력이 확보돼 있으며 발전예측성이 뛰어나고 대규모 개발이 가능해 경제·산업적 측면에서 효과가 매우 크다. 파력에 비해 발전단가가 낮아 경제성도 확보하고 있다.

 

그럼에도 불구하고 시화조력발전 이후로 신규 조력발전소 건설은 후보지 타당성 조사에서 답보 상태에 머물러 있다. 환경 보존이 새로운 패러다임으로 대두되고 있는 현 시점에서 방파제 축조가 해양 환경에 막대한 영향을 줄 것이라는 담론이 지배적이기 때문이다.

 

파력발전의 기술개발 측면을 살펴보면, 지금까지는 접근성이 용이한 연안역에 적용 가능한 연구개발이 지배적이었다. 그러나 연안 이용에 대한 사회적 수용성, 그리고 심해역 적용 기술력을 확보하면서 연구개발 방향이 점차 심해역으로 확대되고 있다. 심해역은 파랑에너지밀도가 연안역에 비해 상대적으로 높아 발전효율이 높다. 하지만 송전을 위한 해저케이블 비용과 건설 비용을 고려하면 경제성이 낮아질 수밖에 없다.

 

한편 파력발전은 해상풍력발전과 적지가 일치하기 때문에 파력-해상풍력 연계형 발전시스템 기술개발로 경제성 확보가 가능하다. 특히 유럽을 중심으로 심해역 해상풍력 개발이 급격히 확대될 것으로 전망되기 때문에 복합발전기술개발에 대한 세계적 경쟁 우위를 점유하기 위한 기술개발 경쟁이 가속화되고 있다. 이와 연계한 에너지 저장기술 개발도 동시에 고려되고 있다.

 

현재 국내 정부는 신재생에너지의무공급제도(RPS)를 도입하면서 신재생발전공급인증서(REC)에 대한 에너지원별 가중치를 달리 적용해 신재생에너지 보급 확대를 유도하고 있다. 하지만 조류발전과 파력발전은 REC 제도에 포함돼 있지 않다. 하지만 2015년경에는 본격적으로 상용화가 될 것이라 전망되므로 합리적 REC 제도 편입 등의 정부의 의지에 따라 국내에서의 개발 활성화가 가능할 것으로 예상된다.

 

[글쓴이] 홍기용 한국해양과학기술원 선박해양플랜트연구소 선임연구부장

 

 

※출처 : 아톰스토리 '에너지자료'(http://atomstory.or.kr/p/38423/)

아톰스토리(http://atomstory.or.kr/)에서 원자력, 에너지와 관련된 더 많은 자료를 볼 수 있습니다.

 


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