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[김해창 교수의 에너지전환 이야기] <54>해양에너지의 실태와 과제를 말한다

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  •  |  입력 : 2018-07-30 10:37:20
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해양에너지란 해류나 파도, 조석간만의 차, 염분농도, 해수의 온도차 등 재생가능한 운동에너지를 이용한 발전방식으로 해양발전이라고도 부른다.

고갈될 염려가 전혀 없고, 인류의 에너지 수요를 충족시키고 남을 뿐더러 공해문제가 없는 미래의 이상적인 에너지자원이기도 하다. 특히 우리나라의 서해안은 세계적으로도 조석간만의 차가 크고, 수심이 얕고, 해안선의 굴곡이 심해 조력발전의 입지조건으로 매우 좋다. 동해안의 경우는 수심이 깊고, 연중 파도 발생빈도가 비교적 높아 파력발전의 가능성이 높은 데다 동해로 북상하는 쿠로시오 해류를 이용해 해양온도차발전도 가능하다. 또한 서남해안 울돌목은 조류가 빨라 조류발전을 하기에 좋은 입지조건을 가지고 있다.

이처럼 해양에너지기술 가운데 가장 오래되고 현재 실용화단계에 있는 기술 중의 대표적인 것이 파력발전, 조력발전, 조류발전, 그리고 해양온도차발전이다.

먼저 파력발전부터 살펴보자. 파력발전은 파도에 의해 상하로 움직이는 파랑에너지를 에너지변환장치를 통해 기계적인 회전운동 또는 축방향운동으로 변환시킨 뒤 이를 전기에너지로 변환시키는 것이다.

파력에너지는 면적당 에너지가 태양의 20~30배, 풍력의 5~10배에 이르고 풍력발전과 비교할 때 파도상황 예측이 상대적으로 쉬운 것으로 알려져 있다. 파력발전의 입지조건은 자원량이 풍부한 연안으로 육지에서 30㎞ 미만이면서 수심이 300m 미만의 해상에 항해, 항만 기능에 방해가 되지 않는 곳이어야 한다.

   
파력발전은 항로표지 부표의 전원으로서 실용화된 이래 전 세계에서 수천 개 이상 사용되고 있다. 2008년 9월부터 포르투갈에서 영국제 발전기 3대를 이용해 세계 최초로 2.25㎿(약 1500 가구 전기공급분) 규모로 영업운전을 시작했으며, 우리나라는 2007년 한국해양연구원이 부유식 파력발전장치로 제주해역에서 실해역 성능시험을 실시한 바 있다.

다음으로 조력발전에 대해 알아보자. 조력발전은 밀물 썰물 때 터빈의 회전력을 이용해 발전기를 돌리기에 저낙차 수력발전의 일종이라고 할 수 있다.

력발전은 해양에너지에 의한 발전방식 중 가장 먼저 개발된 발전방식이다. 입지조건으로는 평균조차가 5m 이상이고, 폐쇄된 만의 형태이며, 해저의 지반이 강고하고 에너지 수요처가 근거리에 있을수록 유리하다.

조력발전은 연료가 불필요하고 유해한 배기가스가 없고, 물의 밀도가 충분히 크기 때문에 에너지의 집중이 가능하며, 조석현상을 이용하고 있어 출력의 정확한 예측이 가능하다는 장점이 있다. 수력발전의 낙차가 수십 m인데 비해 조력발전은 낙차가 보통 10m 이하여서 수차발전기의 효율성이 관건이다. 밀물 썰물 때는 터빈의 날개가 반대 방향으로 돌면서 발전한다.
세계적으로 1966년에 너비 700m에 걸쳐 보를 막아 건설한 프랑스의 랑스조력발전소가 정격 출력 240㎿, 연간 발전량은 6억 ㎾h으로 유명한데 2011년 8월 완공된 경기도 안산의 시화호조력발전소가 시설용량이 254㎿로 랑스조력발전소를 능가한다. 준공 이후 시화호조력발전소는 매월 10만 명이 찾는 안산시의 관광명소로 바뀌고 있다.

이어서 조류발전은 해수흐름의 운동에너지를 터빈날개의 회전을 통해 전기 에너지로 변환시켜 발전하는 방식이다. 바다에 해류발전기를 설치하는 것으로 에너지변환효율은 20~45%로 비교적 높다. 해류는 태양열과 편서풍 등의 바람에 의해 생기는 대양 대순환류로 지구의 자전과 지형에 따라 거의 일정한 방향으로 흐르고 있는데 폭 100㎞, 수심 수백 m에 이르는 대규모이다. 조류발전은 댐이 없이 발전에 필요한 수차발전기만을 설치하기 때문에 비용이 적게 들고, 해수유통이 자유로우며 해양환경에 미치는 영향이 적고, 날씨에 좌우되지 않기에 발전원으로 비교적 안정돼 있다고 할 수 있다.

세계 최초의 상업용 조류발전소는 용시젠(SeaGen)사가 2007년 아일랜드 북부해안에 설치한 1.2㎿급 조류발전소이다. 영국은 북부의 펜트랜드해협에 수중터빈을 설치해 1단계로 2015~2016년까지 86㎿ 터빈을 해저에 설치하고 2단계로 2020년까지 400㎿로 확장할 설치할 계획이라고 한다. 우리나라는 현대건설이 2008년 전라남도 진도 울돌목(명량해협)에 1㎿급 시험조류발전소를 설치해 시험운영한 바 있다. 우리나라의 경우 서남해의 맹골수도, 장죽수도, 울돌목, 대방수도 및 남해대교 등이 조류발전하기에 적합한 지역으로 알려져 있다.

   
끝으로 해수온도차발전이다. 해수온도차발전은 바닷물 표면과 심해 사이의 수심에 따른 바닷물의 온도차를 이용해 열기관을 작동시켜 전기를 얻는 방법이다. 적도 부근의 열대해역에서 바닷물 표면온도가 26℃이고 같은 곳의 500~1000m 깊이의 심해에서는 4℃로 일정해 평균 22℃의 온도차가 난다. 이와 같은 표층수와 심층수의 온도차를 이용해 암모니아나 프레온과 같은 저온 비등냉매로 증기를 만들고, 이 증기로 터빈을 돌려 전력을 얻고 터빈을 돌리고 난 증기는 심해의 찬 바닷물로 냉각해 다시 작동유체를 활용하는 방식으로 계속 발전할 수 있다. 온도차발전은 연중 표층수와 심층수의 온도차가 15℃ 이상으로 온도차가 크고, 어업과 선박에 방해되지 않는 해안으로 바람이 강하지 않고 잔잔한 곳이 적합하다.

2001년 인도 NIOT가 세계 최대 규모인 1㎿짜리 설비를 바지선을 이용해 제작해 해수온도차발전 실증연구를 진행한 바 있다. 작동유체는 암모니아이다. 우리나라는 2014년 미국, 일본, 프랑스에 이어 세계 4번째로 20㎾급 해수온도차발전 파일럿 플랜트 제작에 성공했고 또 200㎾ 해수 고온도차 발전기를 제작했으며, 현재 1㎿ 해수온도차발전 상세설계가 프랑스 선급(BV)의 실용인증(AIP)을 획득한 상태라고 한다.

이처럼 해양에너지는 청정에너지이고, 자원이 무한하지만, 실제 에너지로 전환할 때는 여러 가지 어려운 점이 많다.

우선 파력발전의 장점은 소규모 개발이 가능하고, 방파제로 활용할 수 있어 실용성이 크며, 한번 설치해 놓으면 반영구적으로 사용할 수 있고, 공해를 유발하지 않는 반면 심한 출력변동과 대규모 발전플랜트를 해상에 계류시키는 데 기술적인 어려움이 있는 것이 단점이다. 현재의 기술수준으로는 초기 제작비가 많이 들며, 발전단가가 화력발전의 2배에 이른다는 것이다.

조력발전은 강어귀를 횡단하는 도로를 개발하거나 철교를 건설해 교통망을 개선할 때 활용할 수 있는 장점이 있으나 다음과 같은 단점을 갖고 있다. 첫째, 바다에 인접한 강어귀에 조류댐을 건설하면 강 유역에 조류 수위 변화와 강 유역의 퇴적과 탁도에도 현저한 영향을 미칠 우려가 있다. 조류 수위가 올라감에 따라 해안선 침수가 우려되며, 지역 수산물 유통에도 영향을 줄 수 있다는 것이다. 둘째, 생태학적 변화를 초래한다는 것이다. 강어귀에 서식하는 동물을 비롯해 해양생태계에 영향을 줄 우려가 크다. 셋째, 조개 등의 부착 제거 및 장비의 염해 대책 등 유지 관리비가 많이 드는 한편 수명이 5~10년으로 짧기 때문에 비용 대비 성능이 나쁜 것이 문제다. 어업권 및 항로 등의 다양한 제약에서 설치 장소가 제한이 따른다.

   
조류발전의 경우 친환경발전방식으로 장점이 많지만 단점으로는 발전지점을 선정하는 데 어려움이 많고, 자연적인 조류 흐름의 세기에 따라 발전량이 좌우된다는 것이다.

해수온도차발전은 장점으로 에너지 공급원이 무한하고, 온실가스를 발생시키지 않으며, 해상의 여건에 별로 영향을 받지 않고 안정적으로 전력생산이 가능한데다 발전과 동시에 응축과정에서 막대한 양의 담수를 얻고 부산물로 식염 마그네슘, 요오드 등을 얻을 수 있다는 것이다. 그러나 단점으로 막대한 양의 증기압을 얻으려면 터빈을 비롯한 여러 가지 장치의 대형화가 필요해 설치비용이 많이 든다. 또한 발전설비에 바닷물의 부식에 강한 재료를 써야하고, 생물 때문에 발생하는 오염을 막기 위한 대책이 필요하며, 복수기로부터 따뜻해진 해수를 해양으로 유출시키면 인근 해양이 변하게 돼 최초 기대했던 온도차를 확보하기 어려운 면도 있다는 것이다. 해수온도차발전은 현재로는 낮은 효율, 고가의 설비비용이어서 다른 재생에너지와 비교해서도 경쟁력에서 뒤떨어지기에 이러한 것을 기술력으로 얼마나 극복할 것인지가 과제라 할 수 있다. 김해창 경성대 환경공학과 교수

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