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2015. 02. 03. 화요일

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6) 해양에너지

 

현재 지구는 표면의 71%가 바다로 이루어져 있어. 그 안에 담긴 바닷물은 13 6,900만㎦로 지구상의 물의 98% 이상이 바다에 모여 있지. 지표면이 평평하다고 가정하면 지구를 덮은 바닷물의 깊이는 2,440m가 될 거래.


이렇게 많은 물은 그저 고여 있는 것이 아니라 끊임없이 움직여. 바닷물을 움직이게 하는 힘에는 달과 태양의 인력, 그리고 지구가 돌아가며 생기는 원심력이 있어. 또한 태양열도 한몫을 하는데, 위도에 따라 태양열을 받는 정도가 달라 수온의 차이가 발생하여 차가운 물을 아래로 따뜻한 물을 위로 대류하게 해. 이렇게 해서 바다가 가지고 있는 에너지에는 해류 및 조류 에너지, 조력 에너지, 파력 에너지, 해수온도차 에너지, 염도차 에너지 등 다양한 형태의 에너지가 있어.


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해수의 대순환 (출처:위키백과, ‘열염순환’)

파란색 화살표는 심층수의 흐름, 븕은색 화살표는 표층수의 흐름이야.

 

해양에너지는 풍력이나 태양광 에너지에 비해 예측이 용이하며, 안정적인 발전이 가능하다는 장점을 가지고 있어. 하지만 해양에너지를 전기에너지로 바꾸는 일은 그리 간단치 않아. 발전 시설을 바다에 설치해야 하므로 시공은 물론 관리와 보수가 육상보다 어려울 수밖에. 또한 시설물의 전체 또는 일부가 수중에 잠기므로 내식성이 강해야 하고 방수 처리를 철저히 해야 하는 부분도 있어.


여러 가지 해양에너지 중에서 우리나라에서 이용하고 있거나 활용 가능한 에너지인 조력과 조류, 파력, 해수온도차 에너지를 중심으로 살펴보자.


<조력발전>


2011 9월 시화호조력발전소가 가동에 들어감으로써 우리나라에서도 해양에너지의 상업적 이용 시대가 문을 열었어. 시화호 조력발전소는 세계 최대인 254MW의 시설 용량으로 연간 최대 553GWh를 생산할 수 있대.


조력발전은 댐을 만들어 밀물과 썰물(조석)에 의해 나타나는 해수면과 저수지면의 위치에너지 차이를 활용하는 발전 방식이야. 강의 수력발전이 상류에서 흘러내리는 물을 막아 위치에너지를 만든다면, 조력발전은 밀물과 썰물이 댐 안팎의 위치에너지 차이를 만들어 주는 거지.


밀물과 썰물은 하루에 두 차례씩 번갈아 나타나는데, 달과 태양의 인력, 그리고 자전하는 지구의 원심력이 합쳐져 발생해. 태양은 달에 비해 훨씬 크지만 거리가 워낙 멀어 실제로 바닷물에 작용하는 힘은 달의 인력이 태양보다 두 배 정도 크대. 단순하게 말하면 달이 위치하는 쪽으로 바닷물이 몰리고 반대쪽으로는 원심력이 작용해 밀물이 되는 반면, 달과 직각 방향은 썰물이 돼.



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여기에 태양의 위치와 해안선의 모양, 해저의 지형, 수심 등의 영향을 받아 조석의 시간과 정도가 달라져. 우리나라 동해안의 경우 최대 조차가 30cm가 채 안 되지만 서해안은 평균 조차가 8.5m에 이를 정도로 커. 조석간만의 차이가 클수록 조력발전에는 유리한데, 세계적으로 조차가 큰 지역은 우리나라 서해안을 비롯해 프랑스 서해안, 영국과 네덜란드의 북해안, 캐나다 동부해안 등이래.


19세기말 수력발전이 시작된 이후 유사한 원리를 가진 조력발전에 대한 구상도 일찍부터 시도되었어. 우리나라에서는 1920년대부터 이에 대한 의견이 제시되어, 1930년 조선총독부 체신국에서 ‘인천만 조력발전 방안에 대한 조사’를 실시한 뒤 여러 차례에 걸쳐 조사사업이 이루어졌어. 러시아는 1935~1940년 사이에 실시된 전 국토 전력화 사업의 일환으로 1938년 바렌츠해 연안인 키스라야 구바 지방에 조력발전소 건설 계획을 검토하기 시작했고, 중국도 1958년 후보지 500개 소에 대한 조사를 마치고 이론상 110GW의 설치가 가능하다고 보고한 바 있어.


하지만 실제 조력발전소가 건설된 것은 1960년대 말에 이르러서야. 조력발전은 만의 입구를 막는 댐을 건설해야 하므로 초기 시설비용이 막대하고 주변 환경에 끼치는 영향이 크기 때문이었지. 1967년 프랑스 랑스 발전소를 시작으로 1968년 러시아 키스라야 구바 발전소, 1980년 중국 지앙시아 발전소, 1984년 캐나다의 아나폴리스 발전소가 문을 열었어.


이들은 모두 시험발전소로 지어졌는데 키스라야 구바 발전소는 400kW, 지앙시아는 3.2MW, 아나폴리스는 20MW 용량의 소규모 발전소였어. 시화호와 비슷한 규모인 프랑스의 랑스 발전소도 대규모 쇼제 조력발전 계획에 앞서 시험발전용으로 건설되었대.

 

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 프랑스 랑스 조력발전소 (출처:수자원공사)


하지만 세 나라 모두 본격적인 조력발전 건설에는 착수하지 못했어. 랑스의 쇼제는 생말로 북쪽 해안에 조차가 12m이며, 수심이 20m 이내인 호조건을 가진 곳으로, 최대 100GW의 시설용량도 가능하다고 예상했어. 시험발전소격인 랑스 발전소도 높은 가동율을 보여 왔지만, 환경영향 등 복합적인 원인으로 더 이상의 건설이 중단되었지.


러시아는 수차발전기 성능 개선과 극한지 발전소 건설 등을 검토한 뒤 대규모 건설은 포기했어. 캐나다는 스트라플로 터빈의 대형화 등 기술 축적을 바탕으로 본격적인 적용이 기대되었으나 조력발전의 경제성과 환경적인 문제로 대규모 조력발전 개발은 아직 시행되지 않고 있어. 그밖에 영국이나 미국, 인도, 아르헨티나 등에서 타당성 조사나 기본설계를 마치기도 하였으나 건설에는 착수하지 못했고.


그나마 적극적인 곳은 중국이었지. 중국은 지앙시아 발전소를 비롯해 9개의 소규모 조력발전소를 건설했는데, 처음부터 조력발전소를 목적으로 건설된 것은 아니고 간척사업용 제방을 만들면서 조력발전소 계획이 추가된 거야. 그러다 보니 지에쿠오와 빙순 등 5개 조력발전소는 부적합한 입지선정으로 매몰 등이 심해 폐쇄되었고, 타이구 조력발전소는 설계상의 오류로 문을 닫았으며, 현재 지앙시아 조력발전소 만이 가동되고 있대.


우리나라에서 조력발전에 대한 논의가 본격화한 것은 1970년대 초 1차 석유파동이 불어 닥친 뒤였어. 1974년 해양연구소와 한국전력공사에서 타당성 조사사업을 시작하고, 1978년에는 ‘서해안 조력 부존자원 조사’를 통하여 중부 서해안 일대 10개 소의 부존자원량을 확인했어. 1980년대에는 가로림만을 중심으로 서해안의 조력발전에 대한 개략적인 타당성 조사가 수행되었지.


가장 먼저 검토 대상이 된 것은 가로림만 조력발전이었어. 1993년 가로림만 조력발전 타당성 조사 결과, 발전 단일 목적으로 개발할 때에는 비용 대비 편익 비율(B/C) 0.84로 경제성이 부족한 것으로 평가되어 개발이 보류되었어. 그 후 기후변화협약 가입과 이산화탄소배출 감축 요구가 높아짐에 따라 2005년 가로림만 조력발전 정밀타당성 조사 연구 사업이 다시 착수되어, 2007 10 520MW 시설용량을 갖는 조력발전소 계획이 발표되었지. 서부발전()를 주축으로 포스코건설, 대우건설, 롯데건설이 컨소시엄을 구성하여 1조 22억 원을 투자하여 2012년 완공을 목표로 하는 가로림만 조력발전 회사가 설립되었어.


하지만 가로림만을 방조제로 막을 경우 연안습지가 파괴되면서 어업 피해가 막대해질 것이라는 어민들의 반발과 환경파괴를 우려하는 환경단체들의 반대에 부딪혀 아직까지 개발 허가를 받지 못했어. 2012 4월 환경부는 물범 피해에 대한 저감 대책이 없고 환경조사도 제대로 이뤄지지 않았다는 점을 들어 환경영향평가서를 반려했고, 재차 신청한 환경영향평가에 대해서도 2014 10 6일 반려했거든.

 

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가로림만의 물범과 갯벌에서 조개잡는 어민 (출처: 경향신문)


인근 주민들을 분열시키며 장시간 갈등을 겪어온 가로림만 조력발전소는 지난해 말로 공유수면 매립 기본계획 시한이 만료되어 종결되는 듯했어. 그런데 지난해 12 8일 산자부 진기위원회가 가로림만 조력발전사업자에게 지난해 말까지였던 사업 준비 기간을 2020 2월까지 연장해준 것이 뒤늦게 알려지면서 여전히 갈등의 불씨가 사그라지지 않은 상태야.


인천만과 강화만 조력발전 계획도 난항을 겪고 있어. 영종도와 장봉도, 강화도를 연결하는 방조제를 건설하려는 인천만 조력발전 계획은 2006년 해양특성조사와 개념설계를 실시하고, 개별지형변화 및 환경영향 평가를 수행했어. 한국수력원자력과 GS건설은 3조 9천억 원을 들여 1,320MW 규모의 조력발전소를 건립할 계획이었지. 그러나 2011 6월 중앙연안관리심의회는 서류 미비 등을 이유로 안건으로 상정하지 않았어.


강화도 본섬과 교동도, 서검도, 석모도를 연결하는 방조제를 건설하려는 강화만 조력발전은 2007년 안상수 시장이 이끄는 인천시와 ()한국중부발전, 대우건설이 양해각서를 체결하였어. 2조 1천억 원을 들여 812.8MW의 조력발전소를 짓겠다는 계획이었지. 발표 당시 인천시는 조력발전소 건설로 지역 건설경기의 활성화와 고용창출, 조력발전 테마파크 건설을 통한 관광산업 활성화 등의 효과를 기대한다고 홍보했어. 하지만 송영길 당시 시장의 인천시는 전력생산 등 실익에 비해 갯벌 손실, 수질 오염, 홍수 통제기능 상실 등 손실이 더 크다며 반대 입장을 보였지.


새로운 방조제의 건설에 대한 반발로 신규 조력발전 계획이 지지부진한 가운데 이미 방조제가 건설된 시화호에서 2011년 첫 조력발전소를 가동했어. 하지만 1987년 시화호 방조제 사업이 시작될 때도, 그리고 1994년 총 12.7km의 방조제가 완성되었을 때에도 조력발전소는 사업에 들어 있지 않았었어. 원래 시화호는 수도권 공업용지와 경쟁력 있는 농업용지의 확보, 수도권과 농어촌의 휴식공간 조성을 목적으로 하였으므로 호수는 담수호로 계획되었거든.


그러나 방조제 물막이 공사가 끝나자마자 시화호의 수질은 급격이 악화되었어. 악취가 진동하고 물고기 폐사가 끊이질 않았지. 농업용수로 사용하기는커녕 점점 오염되어가는 수질에 전전긍긍하던 당국은 결국 채 2년을 넘기지 못하고 1996년 오염된 호수의 물을 바다로 방류하기로 결정해. 이후 한국수자원공사는 다각도로 수질 개선 대책을 모색하였으나 방법을 찾지 못하자, 마침내 2001년 담수호를 포기하고 해수호로 전환하기로 했어. 시화호 조력발전소는 시화호가 해수호로 재탄생하면서 가능해진 거야.


1996년 시화호 방류 이후 한국수자원공사는 시화호를 상류·중류·하류로 나누어 하류를 해수호로 만들어 조력발전을 하는 방안을 검토하였으나 1997년 비용 대비 편익 비율이 0.86으로 경제성이 충분치 못하다는 결론을 내렸어. 그러나 2001년 전체 시화호를 해수호로 하는 결정이 내려지면서 조력발전 계획은 다시 탄력을 받았지. 한국수자원공사는 2002년 타당성 조사 후 기본계획을 수립하고 2003년 공사를 발주했어.


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시화호조력발전 개념도 (출처:시화호조력발전소)


시화호 조력발전소는 시설용량 254MW로 단류식 벌브형 터빈 10기를 설치했는데, 밀물이 들어올 때 발전을 하는 만조식(창조식) 발전설비야. 연간 최대 발전량은 553GWh로 총 공사비는 3,916억 원이 투입되었어.


시화호에 이어 두 번째로 예상되는 조력발전소는 새만금이었어. 2006 4월 최종 물막이 공사를 완료한 새만금은 현재 2020년까지 수질을 3등급으로 개선하여 담수화를 추진한다는 것이 새만금개발청의 계획이야. 2009년 한국수자원공사는 새만금도 해수호로 전환하여 조력발전소를 건설하는 계획을 추진했었어. 총사업비 3,551억 원을 들여 시화호급의 조력발전소를 건설하기 위해 국토해양부, 농어촌공사 등과 협의에 들어갔었지. 하지만 당초 농업용지로 개발하려던 것을 다기능 융복합 기지를 건설한다며 농업용지와 비농업용지의 비율을 3:7로 역전시켰지만 호수는 걍 담수호로 추진하겠대.


문제는 막대한 예산이 투입되고 있음에도 불구하고 수질이 개선되지 않고 있다는 점이야. 물막이 공사 이전에 2급수이던 새만금 내측의 수질이 3~4급수로 떨어지고 여름이면 적조가 발생하여 물이 커피색으로 변한대. 드러난 갯벌의 생태계가 파괴되어 오가며 들르던 도요새는 70% 이상 감소했고 새만금 외측도 환경 피해가 발생하여 어획량도 줄었대. 결국 새만금에 조력발전소가 들어설 것인가는 현재 계획대로 수질을 개선하여 담수화에 성공하는가 아니면 수질이 악화돼 시화호의 전철을 밟는가에 달렸지.


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(출처: 시민환경연구소)

 

이렇듯 조력발전소는 발전 과정에서는 재생가능한 에너지임에도 건설 과정에서 주변 환경에 큰 변화를 가져와 논란의 대상이 되어 왔어. 게다가 근본적으로 오직 발전만을 목적으로 거액의 공사비를 들여 방조제를 건설하는 것은 해안습지 생태계의 파괴와 어업 피해 등의 손실을 감안할 때 경제성이 떨어진다는 것이 지금까지 타당성 조사의 결과야. 이런 상황에서 조력발전을 위해 방조제를 건설하는 건 에너지 생산보다는 토목공사 자체가 목적이라고 봐야 해.


에너지 생산 측면에서는 조력발전보다 환경에 대한 영향이 적은 조류발전과 파력발전에 투자 우선순위를 두어야 해. 한국에너지기술연구원에 따르면 현재의 기술로 활용할 수 있는 연안 해역의 자원 부존량이 조류는 1,000MW, 파력은 6,500MW에 이른대. 하지만 우리나라에서 조류와 파력에너지는 아직 시험 단계에 머물러 있어. 또한 산업적 측면에서도 조류와 파력발전은 바다가 있는 나라는 어디든지 진출할 수 있지만, 조력발전은 조차가 큰 몇몇 지역으로 시장이 제한돼. 따라서 해양에너지에 대한 투자는 조류와 파력발전을 우선으로 하고, 이 두 에너지를 충분히 활용한 뒤에 조력발전을 논의하는 것이 순서야.


<조류발전>


바닷물의 일정한 흐름을 해류라고 해. 통에 담겨 있는 물은 외부에서 힘을 가하지 않아도 열에너지를 흡수하면 대류가 일어나. 바다라는 거대한 물통에 담겨 있는 바닷물도 매일 태양의 열에너지를 받아. 적도 부근의 해수는 더 많은 열을 받아 온도가 높고, 고위도 지역으로 갈수록 적은 열을 받아 수온이 낮지. 크게 보면 온도가 낮은 남극과 북극의 표층수는 가라앉고 적도부근의 고온의 표층수가 극지방으로 흘러가는 흐름이 생겨.


그런데 표층수의 흐름에는 바람도 한 몫을 해. 적도 부근의 무역풍, 중위도의 편서풍과 같이 지속적으로 부는 바람이 표층수의 흐름에 영향을 미쳐. 또한 지구의 자전에 의해 생기는 코리올리 효과에 의해 유체의 흐름이 휘게 되는데, 북반구에서는 오른쪽으로 남반구에서는 왼쪽으로 휜대. 이렇게 해서 북태평양의 해류는 적도를 따라 서쪽으로 흘러 동아시아 대륙과 일본열도를 따라 북동쪽으로 이동하고 북아메리카 서안을 따라 적도 쪽으로 내려오는 환류를 형성해. 남태평양은 시계 반대 방향으로 도는 환류가 나타나고.


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해류 (출처: 실감나는바다세상, ‘바다의 운동’)

 

한편 달과 태양의 인력에 의해 일어나는 조석도 해수의 흐름에 영향을 끼쳐. 하루에 두 차례씩 밀물과 썰물에 의해 바닷물의 흐름이 바뀌어 나타나는 현상을 조류라고 해. 연안의 바닷물은 지형의 특성과 함께 해류와 조류의 혼합에 의해 주기성을 갖는 일정한 흐름을 형성하게 돼.


조류발전은 이런 해수의 흐름을 로터나 터빈을 이용해 회전력으로 바꾸어 전력을 생산하는 거야. 현재는 조류속이 초속 2m 이상이면 경제성이 있는 것으로 판단해. 우리나라의 서해안은 조류속이 높으므로 이를 이용한 조류발전에 적합한 지역이야. 지형적인 특징으로 해류속이 높은 남해안의 경우는 해류발전이라고 부르는 것이 맞겠지만, 연안의 경우 조류와 복합적으로 발생하는데다 발전원리가 같고 설비가 유사하므로 통상 조류발전이라고 해.


조류발전은 물의 흐름을 이용하므로 수력발전의 경험과 기술도 반영되지만, 유체의 흐름을 이용하므로 설비에서는 풍력발전과 유사한 면이 많아. 그런데 물의 흐름은 공기의 흐름보다 에너지 밀도가 훨씬 크므로 로터의 날개가 작아도 돼. , 조류발전 설비는 작은 풍력발전 설비가 유속이 빠른 물속에 들어가 있다고 보면 돼.


조류발전과 다음에 논의할 파력발전에 가장 적극적인 나라는 사방이 바다인 섬나라 영국이야. 1990년대 초부터 조류발전 연구를 활발히 해온 영국은 2000년대 들어 본격적으로 실해역에 시험발전소를 설치하는 단계에 들어섰어. 이 분야 선두업체인 MCT(Marine Current Turbines)사는 2003년 영국 남서부의 린마우스 지역 포랜드 포인트 해양에 300kW급 시험발전 시스템을 설치하는 시플로우 계획과 2008년 북아일랜드의 스트랭포드 해협에 600kW 로터 2개를 설치하는 시젠 계획을 성공적으로 완수했어. MCT사의 조류발전기는 두 개의 날개를 갖는 수평축 형식으로 고정식 모노파일에 의해 로터를 수면 위로 이동시킬 수 있어. MCT사는 이를 바탕으로 영국 내 확대 설치는 물로 알제리 웰시 섬과 캐나다 동부의 노바스코티아 지역에 조류발전 단지를 건설하는 사업을 진행하고 있어.

 

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영국 MCT사 조류발전기. 발전기는 위에, 로터는 오르락 내리락.

 

영국의 EB사는 2002년 가오리 터빈 형태의 조류발전 실험에 성공했어. 마치 가오리가 지느러미를 상하로 움직여 추진력을 얻는 것과 같이 페달의 상하운동을 이용하는 방식이야. SMD하이드로비전사는 부유식 조류발전을 시도했는데, 계류체인으로 고정시킨 부유식 로터는 조류의 입사 방향 변화에 자체적으로 대응하여 발전 효율을 높일 수 있어. 또한 루나에너지사는 에너지 효율을 높이는 덕트형 조류발전장치를 개발하여 2007년 현장 실험을 마쳤는데, 2008년에는 1MW급 발전기를 전남 완도지역에 설치하기 위해 한국중부발전() 및 전라남도와 양해각서를 체결했어.


캐나다의 블루에너지캐나다사는 수직축 형태의 데이비스 터빈을 자체 개발하여 필리핀과 멕시코 등지에 시험 발전 설비를 수출했어. 미국도 1995년 수직축 형태인 헬리컬 터빈을 개발하였고, 일본 역시 수직축 형태인 다리우스 터빈을 도입하여 기술을 축적하고 있고.


우리나라는 2000년부터 2010년까지 한국해양연구원 주도로 ‘해양에너지 실용화 기술 개발’사업을 수행하여 기초조사를 마쳤어. 한국해양연구원은 2003년 미국 골로브사로부터 수직축 터빈인 헬리컬 수차의 기술을 제공받아 100kW급 시험설비를 전남 진도의 울돌목에 설치했어. 이를 통해 헬리컬 수차의 국산화에 성공한 해양연구원은 2005년부터 울돌목에 1MW의 시험발전소를 건설하여 2009년 완공했지. 에너지관리공단은 인하대 및 오션스페이스와 산학공동 연구를 통해 부유식 조류발전 시스템을 개발하고, 25kW의 시제품을 2008년 삼천포화력발전소와 하동발전소의 방수로에 설치하여 실험을 완료했어.


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울돌목 조류발전소 (출처:에너지관리공단 신·재생에너지센터, ‘해양’)

 

연구개발 사업이 성과를 내면서 인천시는 2009 4 ()포스코건설, 인하대, 한국남동발전()과 조류발전단지 건립을 위한 공동개발사업 양해각서를 체결해. 이 사업은 조류가 강한 덕적도 인근에 총 사업비 8천억 원을 들여 조류발전기 200기를 설치하여 총 발전용량 200MW의 조류발전단지를 건설하는 게 목표야. 전라남도는 2008년 한국중부발전과 완도 횡간수도 인근에 1MW급 조류발전기 300대를 설치하려는 계획을 위한 양해각서를 체결했어. 한편 ㈜레네테크는 독일 포이트하이드로 사와 기술 협력으로 진도 장죽수도에 2011 5 110kW 조류발전기를 설치해 가동에 들어갔는데, 2012 9월 전남도, 한국전력 등과 이 곳에 200MW급 조류발전단지 건설을 위한 양해각서를 체결했어.


그러나 의욕을 가지고 추진했던 조류발전 개발 계획은 난관에 봉착했어. 2011년 동서발전()은 울돌목 조류발전소가 경제성이 없다는 이유로 시설의 인수를 거부해. 재생가능에너지에 의한 발전 지원 정책인 현재의 의무할당제(RPS)에서 조류발전에 대한 가중치가 주어지지 않아 손실을 보전할 방법이 없다는 거야. 조류발전소 건설 당시 일대에 청정에너지 테마공원을 건설하려던 진도군청은 조류발전소가 인근 경관을 해친다는 이유를 들어 철거를 요구하기도 했어. 세계적으로 앞선 기술임에도 불구하고 현재의 경제성을 이유로 기술이 사장될 위기에 처한 거지. 운영비가 없어 설비를 철거하려던 해양연구원은 실험 자료 수집을 위해 일단은 조류발전설비를 유지하기로 했대.


경상남도와 한국남동발전, 오션스페이스 등이 2006년부터 추진한 대방수도 조류발전소 건립계획은 주민들의 반발로 무산되었어. 부유식 조류발전 설비를 개발하여 삼천포화력발전소 방수로에서 시험을 마친 이들은 대방수도에 100kW급의 실해역 시험을 거쳐 500kW급의 본격 조류발전소를 건립할 계획이었어. 그러나 2008년 말부터 세 차례의 주민 공청회를 개최하여 사업 설명을 하고 어민들의 의견을 청취한 결과 어장의 피해에 대한 우려와 설치 지역이 주요 항로라는 인근 조선소의 반발에 부딪혀 2009년 말에 계획을 취소해. 오션스페이스와 남동발전은 추후 여수 등 다른 설치 장소를 물색하였으나 아직까지 건설계획이 표류하고 있지.


조류발전의 실해역 설치 운영에 성공한 나라는 영국과 우리나라뿐이야. 1980년대 초반 덴마크의 베리타스사가 제작한 풍력발전은 화석 연료에 의한 발전에 비해 발전 비용이 높았어. 당시 덴마크 정부의 풍력발전 계통연계와 지원 정책이 없었다면 오늘날 세계 시장을 지배하는 베리타스사는 존재하지 않았을 거야. 우리나라의 조류발전 기술이 덴마크의 풍력발전처럼 세계를 이끌지, 훗날 영국의 기술과 장비를 들여오는 신세가 될지는 우리의 손에 달려 있어.


<파력발전>


바닷가에 가면 하얀 물거품을 일으키며 끊임없이 밀려왔다 밀려가는 파도를 볼 수 있어. 바람에 의해 발생하는 파도는 먼 바다로 갈수록 더 커지지. 태풍과 같이 심한 바람이 불 때는 10미터가 넘는 파도가 치기도 해. 조력발전이나 조류발전이 바닷물의 일정한 흐름을 이용하는 거라면, 파력발전은 이러한 파도의 운동 및 위치에너지를 이용하여 터빈을 돌리거나 기계장치의 운동으로 변환하여 전기를 생산하는 기술이야.


파력에너지는 외해로 나갈수록 커지며 적도 부근보다는 고위도 지역이 더 커. 우리나라는 대양의 주변에 노출된 것이 아니라 일본열도에 둘러싸인 형태이기 때문에 파력에너지가 그리 풍부한 편은 아니야. 평균적으로 15kW/m 이상인 곳에서는 파력에너지가 경제성을 갖는다고 하는데 우리나라는 연평균 파력 에너지 밀도는 2~12kW/m. 우리나라에서 파고가 가장 높은 지역은 제주도 남서쪽과 울릉도 동쪽으로 파력발전이 가능한 것으로 알려졌어.


파도의 힘을 전기로 만들기 위해서는 우선 파도의 움직임을 일정한 기계적 운동으로 바꾸어야 해. 그리고 이 기계적 운동을 공기의 흐름으로 바꾸거나, 유압피스톤과 유압모터의 조합을 통해 회전운동으로 바꾸어 발전기를 돌려.


앞의 1차 변환 방법에 따라 파력발전기를 나눌 수 있는데, 첫 번째는 바닷가에 밀려오는 파도의 힘을 이용하는 진동수주형이 있어. 바닷가의 바위는 주기적으로 밀려오는 파도의 힘을 받아. 바위는 자기 몸을 부스러뜨리며 자리를 지키지만 만약 파도에 부딪혀 밀리는 구조라면 어떨까? 파도의 진퇴에 따라 계속해서 왕복운동을 하게 돼. 마치 내연기관의 피스톤처럼.


진동수주형은 이렇게 얻어진 기계적 에너지를 공기의 흐름으로 바꾸어 공기터빈을 돌려 발전해. 실해역 경험이 가장 오래된 진동수주형은 영국의 림펫, 포르투갈의 피코 플랜트, 호주의 에너제텍 플랜트 등이 있으며, 우리나라는 해양시스템안전연구소에서 개발한 500kW급 실증발전소가 2011년 제주 해역에 설치되었어.

 

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두 번째는 파도가 치면서 넘치는 물을 모아 물의 흐름을 만드는 월류형이야. 파도의 진행 방향에 사면을 두어 수면보다 높은 곳에 물을 모은 뒤, 저수지의 하부에 설치한 수차터빈을 돌려 발전하는 방식이지. 월류형의 에너지 변환효율은 진동수주형만 못하지만 물의 위치에너지로 변환하여 활용하므로 발전 장치는 간편한 편이야. 덴마크의 웨이브드래곤은 실증이 진행 중인 부유식 플랜트로 상용 모델의 단위 발전용량은 최대 4MW에 달해.


에너지 변환효율이 높고 최근 가장 활발하게 연구되고 있는 것은 가동물체형이야. 가동물체형은 수면의 움직임에 따라 민감하게 반응하도록 고안된 여러 형태의 기구를 사용하여 파도에 의한 물체의 움직임을 전기에너지로 변환하는 방식이지.


부유식 항로표지등의 하부는 아래쪽이 열린 통과 같아. 이 통 안의 수면은 외부의 수면과 같고 파도의 움직임에 따라 상하로 움직여. 그리고 수면의 움직임에 따라 통안의 공간 크기가 변하고 공기의 흐름이 발생하는데, 이 공기의 흐름이 터빈을 돌려 전기를 생산하고 축전기에 저장된 전기는 야간에 항로표지등을 밝혀.


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영국 펠라미스웨이브파워사의 가동물체형 파력발전기


이밖에도 가동물체형은 계류장치에 연결된 부체의 회전운동 또는 캠형 부체의 연성운동, 여러 개가 연결된 부체의 상대운동에서 에너지를 획득하는 등 다양한 형태가 연구되고 있어. 영국의 펠라미스는 부유식으로 파도를 따라 움직이는 실린더형 구조물의 관절부에 위치한 유압장치를 이용하여 파력에너지를 흡수해. 착저식인 영국의 오이스터는 해저면에 위치한 바닥 구조물과 경첩으로 연결된 연직구조물이 파도에 따라 진자운동을 하고 이 때 유압장치를 이용하여 운동에너지를 기계에너지로 변환하여 발전하는 방식이야. 고정식과 부유식의 혼합형인 아르키메데스 웨이브 스윙은 고정되어 있는 내부 실린더와 파도의 상하운동에너지를 흡수하는 외부 실린더의 상대운동을 이용하여 발전해.


<해양온도차 발전과 열에너지의 이용>


햇볕을 받아 데워진 바다의 표층수는 대류에 의해 아래쪽으로 열에너지를 전달하는데 100미터 이하로 내려가면 온도가 급격히 저하되어 1,000미터 이하에서는 4~6℃ 정도로 일정해. 태평양과 인도양의 적도 부근 표층수와 수심 1,000미터의 연 평균 온도차는 약 20℃이야.


해양온도차 발전은 표층수와 심층수의 이 온도차를 이용해. 온도차가 15℃ 이상 되는 기간이 일정기간 지속되는 곳에서는 해양온도차 발전을 할 수 있는데, 그 방식은 지열에너지의 이용 방식과 유사해. 끓는점이 약 20℃인 용매를 이용하여 표층수를 지날 때는 기화되어 터빈을 돌리고, 심층수를 지나며 열을 내주고 액화되는 순환 과정을 거쳐.


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해양온도차 발전의 개념이 고안된 것은 1881년 프랑스에서였지만, 본격적인 개발이 이루어진 것은 1973 1차 석유파동 이후 미국과 일본에서야. 미국은 1979년 하와이 천연에너지연구소에서 50kW의 해수온도차 발전 시험에 착수해. 1984년에는 해수를 직접 활용하는 개방형 발전 시스템을 개발하여, 1993년 하와이 키홀포인트에 210kW의 개방형 해양온도차발전 시설을 설치해.


일본은 1974년 시작된 선샤인 계획의 일부로 해양온도차 기술 개발을 추진하여 1982년 도쿠시마에 50kW, 1985년 이마리에 75kW, 토야마에 3.5kW급의 육상형 폐순환식 실증 발전소를 설치하고, 1981년에는 국제협력사업으로 남태평양 나우루 섬에 100kW급의 시범 발전소를 건립하여 초등학교에 전기를 공급했어.


해양온도차 발전은 발전과 더불어 담수 취득 또는 냉난방 등 복합적 활용을 통해 경제성을 높일 수 있지. 개방형이나 혼합형을 사용할 경우 2MW의 발전 시설에서 하루에 4,300㎥의 담수를 생산할 수 있고, 사용한 5℃의 냉해수는 양식에 활용되어 열대지역의 수산물 다양성을 늘리고, 품질 개량에 응용할 수도 있대. 또한 농축한 심층수나 담수한 심층수를 이용하여 여러 가지 식품과 청량음료 및 화장품 제조에 사용할 수 있고.


해양온도차 이용의 복합적 활용에서 가장 주목할 부분은 건물의 냉난방이야. 1995년 이후 지속적인 연구를 해온 일본은 현재 후쿠오카 및 오사카 지역에 해수온도차 냉난방 시스템을 설치하여 활용하고 있어. 규슈의 모모치 해안 지역에 설치된 시스템은 공기히트펌프와 터보냉동기, 해수히트펌프 등으로 이루어져 지역냉난방을 공급해.


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일본 후쿠오카의 해수 집단냉난방 구역

 

우리나라의 해양온도차 발전에 대한 연구는 미미한 편이야. 2000년 인하대학교와 제주대학교, 한국해양연구원이 공동으로 20kW급 시험 발전기로 실증 연구를 시행한 것이 유일해. 해수온도차를 이용한 냉난방 기술에 관한 연구는 2008년 강원도 삼척에 실증 설비를 설치한 바 있으며, 2009년에는 한국해양대학교 내에 본격적인 해수온도차 냉난방 시스템을 설치하여 운영하고 있어한편 2012년에는 표층수 대신 원자력발전소의 온배수를 이용할 경우 해양온도차 발전의 효율이 높아져 최고 181MW의 용량 확대가 가능하다는 연구 결과가 발표되기도 했지.


그밖에 해양에너지로는 염도차 발전이 있어. 강 하구에서 바닷물과 민물의 염도차를 이용해 발전을 하는 방식인데, 압력지연삼투 발전과 역전기투석 발전 두 가지가 있어.


바닷물과 강물이 사이에 얇은 막을 두어 물만 통과하게 하면 강물에서 바닷물 쪽으로 물이 흘러 양쪽의 농도가 같아지려는 삼투압 현상이 나타나. 이 때 바닷물과 강물 사이에 생기는 압력의 차는 약 240미터 높이의 수력발전소 댐에서 떨어지는 낙차의 힘과 같대. 이걸 이용하여 터빈을 돌리는 방식이 압력지연삼투 발전이야. 역전기투석 발전은 소금(염화나트륨)의 이온을 분리하면서 전기를 생산하는 방식이래.


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 (출처: YTN)


염도차 발전이 최근에 관심을 끌게 된 것은 사해처럼 농도가 높은 바닷물은 보통 바닷물보다 6배의 전력을 생산할 수 있다는 점이야. 심야에 남는 전력을 이용하여 해수담수화 시스템으로 고농도의 바닷물을 확보하고 피크 시간대인 낮에 발전을 하면 또 하나의 양수발전소가 되는 셈이지.








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편집 : 딴지일보 홀짝

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