해수온도차발전 현황 - haesuondochabaljeon hyeonhwang

해수부, 1㎿급 해수온도차 발전기 키리바시 해역 설치 추진

해수온도차 발전

[해양수산부 제공]

(세종=연합뉴스) 이태수 기자 = 우리나라가 해수온도차 발전을 위해 남태평양의 섬나라인 키리바시와 손을 잡는다.

해양수산부는 11일 오전 9시 30분 정부세종청사에서 키리바시 공화국 인프라지속가능에너지부와 '해수온도차 발전 실증 및 기술협력 등을 위한 업무협약'을 맺는다고 10일 밝혔다.

행사에는 김양수 해양수산부 차관과 루아테키 테카이아라 키리바시 공화국 인프라지속가능에너지부 장관 등 주요 관계자가 참석한다.

해수온도차 발전은 바다 표층수와 심층수의 온도 차이를 이용해 전기를 생산하는 발전 방식이다.

상대적으로 고온인 표층수를 통해 작동유체(온도에 따라 상태 변호를 일으켜 동력을 발생시키는 액체와 기체)를 기화시키고, 상대적으로 저온인 심층수로 이를 액화시키는 순환 과정을 반복해 전기를 만든다.

해수부는 "해수온도차 발전은 낮에만 가능한 태양광과는 달리 낮과 밤 모두 발전할 수 있다"며 "키리바시 공화국이 있는 적도 지역은 연중 표층수 온도가 26∼29도로 일정하게 유지돼 일 년 내내 안정적으로 발전할 수 있다"고 소개했다.

관련 기술은 유럽연합(EU), 일본, 미국 등에서 활발하게 이뤄지고 있다.

우리나라는 2013년 말 20㎾ 해수온도차 발전기 시제품을 성공적으로 내놔 세계에서 10㎾ 이상급 발전기 개발에 성공한 네 번째 나라가 됐다. 2016년부터는 1㎿급 발전기 제작을 추진 중이다.

우리나라와 키리바시는 이번 업무협약을 통해 국내에서 개발 중인 1㎿급 해수온도차 발전기를 현지 해역에 설치·운영하고, 기술·인적 교류에 협력할 것을 약속한다.

해수부는 1㎿급 해수온도차 발전기를 제작해 동해에서 내년 8월까지 시험한 후 2021년 키리바시 공화국 해역에 설치해 운영할 계획이다.

해수부는 "안정적 운영이 이뤄지면 현재 디젤 발전 방식에 의존하는 키리바시의 수도 타라와섬 전력 수요의 6분의 1 안팎을 해수온도차 발전기로 공급할 수 있을 것"이라고 내다봤다.

김양수 해수부 차관은 "해수온도차 발전 분야는 우리나라가 선도적으로 시장을 주도할 수 있는 분야"라며 "1㎿급 해수온도차 발전이 성공적으로 이뤄지면 2030년 5∼6조원 규모로 전망되는 세계 관련 시장을 선점할 수 있을 것"이라고 강조했다.

조력발전 11년 차, 조류 발전은 상용화 직전 단계

시화호조력발전소

[안산시 제공]

(부산=연합뉴스) 차근호 기자 = 2050 탄소중립 실현을 위해 화석 연료를 대체하는 친환경 에너지 기술 개발이 중요해지면서 해양 분야에서도 해양에너지 개발을 위한 노력을 하고 있다.

30일 한국해양과학기술원 등에 따르면 해양에너지에는 조력, 조류, 파력, 해수 온도 차 등을 이용한 발전 방법이 있다.

국제에너지기구에서는 해양에너지로 포함하지는 않지만, 해상풍력과 해양 바이오 등도 넓게 보면 여기에 포함될 수 있다.

우리나라의 해양에너지 발전은 현재 어느 단계까지 왔을까?

우선 만조와 간조 사이 조위 차를 이용해 발전하는 조력 발전은 해양에너지 발전 중 가장 먼저 상용화됐다.

국내에서는 경기도 안산에 시화호 조력발전소가 2011년 만들어져 운영되고 있다.

25.4MW급 터빈 10기를 설치해 총 시설용량 254MW급으로, 시설 규모는 세계 최대이다.

조력발전소는 해양에너지 분야 유일한 상용 기술이라는 강점은 있지만, 그동안 방조제 건설에 따른 갯벌 감소 등 단점이 있었던 탓에 규모 확장은 이뤄지지 않았다.

현재 정부와 한국수자원공사 등은 갯벌 복원, 해수 소통 수문 설치, 대체 조류 서식지 조성 등 환경 영향을 최소화하면서 조력 발전을 확대하는 방안을 고심하는 것으로 알려졌다.

조류 발전, 파력 발전

[해양수산부 자료 캡처, 재판매 및 DB금지]

조력 발전과 이름이 비슷한 '조류 발전'은 바다의 빠른 조류 흐름을 이용해 발전하는 방식이다.

국내 조류발전은 상용화가 임박한 '초기 준 상용화 단계'에 있고 영국 등 기술선진국에 비해서도 80∼90% 수준의 기술을 보유한 것으로 평가된다.

한국해양과학기술원에서는 2009년부터 울돌목에 시험 조류 발전소를 건설해 1MW급 실증실험을 했고, 현재 시설용량을 80kW로 줄여 운영하고 있다.

최근 전력거래를 위한 사용 전 검사를 마쳐 국내 최초로 해양에너지를 이용해 신재생에너지공급인증서(REC)를 받는 조류 발전소가 됐다.

파도의 힘을 이용한 파력 발전은 선박해양플랜트 연구소(KRISO)가 해수부 과제를 받아 2016년 제주시 용수리 해안에 용수시험파력발전플랜트를 건설한 바 있고, 2021년 11월에는 제주 추자도에 방파제와 연계한 묵리파력발전소를 건설해 현재 전기를 생산하고 있다.

해수온도차발전은 따뜻한 바다 표층수와 차가운 바다 심층수 사이의 온도 차를 이용해 전기를 생산하는 방식이다.

고온의 표층수를 진공펌프로 감압시켜 얻은 증기로 터빈을 돌려 발전하고 차가운 심층수로 증기를 냉각시켜 담수로 회수하는 방식이다.

이 연구도 현재 선박해양플랜트 연구소가 진행하고 있으며 2019년 울산 앞바다에서 실증실험에 성공해 338kW의 최대 발전량을 기록한 것으로 알려졌다.

이진학 한국해양과학기술원 연안 개발 에너지연구센터 책임연구원은 "해양에너지 관련 기술은 이미 상용화되어 있는 해상풍력이나 태양광과 달리 초기 개발단계로 다양한 정책적 지원이 필요하다"면서 "경제성과 친환경성 향상, 기술표준 등을 위해 다양한 노력이 요구되고 있다"고 말했다.

해수온도차에너지 가용량은 관점에 따라 조금씩 다르지만 1.1조kW에 달하며, 이는 세계 전체에너지 수요의 약 100배에 달하는 것으로 알려지고 있다. 고밀도 해양온도차에너지는 남북위 20도 이내의 적도 및 아열대 해역에 풍부하게 부존하고 있으며, 해양심층수가 있는 곳에서는 다양한 미활용열원을 이용하여 중소규모 분산수요에 실용화할 수 있는 잠재력도 있는 것으로 판단되고 있다. 특히, 저위도 지역 에서는 연중 변동이 거의 없는 일정한 전기 생산 및 공급이 가능한 장점이 있기 때문에 해수온도차에너지에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 우리나라 해수온도차 발전의 개발 현황과 과제를 알아보자.

새롭게 떠오르는, 아주 오래된 해양에너지
해수온도차발전은 비등점이 낮은 암모니아, 프레온 등의 냉매를 표층수에 의해 증발 시키고, 심층수의 냉열원으로 응축시키는 과정에 만들어지는 냉매 증기의 운동에너 지를 이용하여 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 것이다. 이는 화력발전이 석탄이 나 가스로 물을 끓여 증발시키고 복수기로 응축시키는 과정에 생기는 수증기의 유동 속에서 터빈을 회전시켜 발전하는 것과 유사하다.
이러한 해수온도차발전은 새로운 해양에너지처럼 들리지만 아주 오래된 해양에너 지에 속한다. 우리나라에서는 조력발전, 파력발전 및 조류발전에 이어 늦게 시작되 었지만 그 원리는 아주 오래 전인 1881년, 프랑스의 과학자 달손벌(J.d'Arsonval)에 의해 고안되었다. 이후 1973년의 제1차 석유파동을 계기로 본격적인 연구가 이루 어지게 되고, 그 결과로 50~210kW급 해수온도차발전장치 개발과 함께, 미국에서는 400MW급 발전장치의 기본 설계가 이루어지기도 하였다. 그러나 석유 가격이 안정화되면서 관심 밖으로 나갔으나, 최근 지구온난화와 석유가격 상승에 따라 미국과 일본 등에서 다시 해수온도차발전이 화두로 떠오르기 시작하였다.

우리나라의 해수온도차발전 역사
그간 우리나라에서 이뤄진 해수온도차발전에 대한 연구는 인하대학교(1998)와 한국 해양과학기술원(2003)이 해수온도차발전 기초연구와 기반구조물 핵심연구를 수행 한 바 있었지만 발전단계까지 가지 못하고 완료되고 말았다. 그 후 국토해양부의 해 양심층수의 다목적 이용개발(2001~2010) 사업에서 해수온도차에너지를 건물 냉난 방에 적용하는 기초실험을 진행한 것이 전부였다.
그러다가 해수플랜트에 대한 수요 가능성과 우리나라의 해양과학기술의 대응 준비 성을 발판으로 2010년부터 ‘해양심층수의 에너지 이용기술 개발’에 착수하게 되었 다. 이는 해양심층수를 바탕으로 하여 표층수, 지하해수, 대기와의 온도차를 활용하 여 냉난방과 전기 생산을 실현하는 핵심기술 개발을 대상으로 하는 것이다.
현재 한국해양과학기술원이 주관하고, 한국에너지기술연구원 등 13개 산학연 전문 기관이 참여하여 핵심부품 및 장비, 시스템 통합 및 운용에 대한 경제성 제고를 꾀하 고 있다. 효율 15% 향상 및 비용 15% 저감을 통해 경제성 30%를 향상시킨 상용플랜 트 설계기술을 확보하는 것이다. 이를 통해 해외 진출을 위한 40MW 이상의 해수온 도차발전플랜트를 개발하여 국부 창출에 이용하고, 200kW~5MW 온도차발전플랜트 를 개발하여 국내외 신재생에너지 공급율을 높이는 데 활용하고자 한다.
이를 위한 첫 번째 도전은 국내에서 최초로 해수온도차발전을 통해 전기를 생산해보 는 것이었다. 연구개발에 착수한 첫 해에 1MW급 해수온도차발전 플랜트를 설계하 고, 이를 축소한 30W급 실물모형(Mock-up)을 설계하여 2011년 12월에 해수온도차 발전에 대한 공개 시연회를 개최하였다. 그리고 해수온도차발전을 효율적이고, 경 제적으로 실현하기 위한 각 요소기술에 대한 연구개발을 산학연 참여기관들과 함께 다음과 같이 추진하고 있다.

해수온도차발전을 위한 필요 요건과 개발 현황
해수온도차 발전방식은 터빈방식과 열전달방식이 있으며, 본 연구개발 사업은 터빈 방식을 대상으로 하고 있다. 이는 비등점이 낮은 작동유체, 친환경 냉매를 이용하는 폐쇄순환식 발전시스템이며, 해수를 작동유체로 하는 개방순환식은 가능성을 타진 하는 정도로 검토해 나가고 있다.
이들 터빈방식의 해수온도차 발전시스템은 크게 발전설비와 탑재구조물로 이루어 진다. 발전설비는 증발기, 응축기, 터빈, 펌프, 발전기, 취수관(라이저)으로 이루어지 며, 탑재구조물은 해양구조물, 계류시스템 등으로 이루어진다. 이들 각각에 대한 요 소기술의 확보와 시스템 통합기술의 향상이 필요하다.
해수온도차 발전방식은 터빈방식과 열전달방식이 있으며, 본 연구개발 사업은 터빈 방식을 대상으로 하고 있다. 이는 비등점이 낮은 작동유체, 친환경 냉매를 이용하는 폐쇄순환식 발전시스템으로, R22(프레온), 암모니아 등이 작동유체로 적용되어 왔다.
우리 연구팀은 발전단가를 내릴 수 있고, 지구온난화지수가 낮은 작동유체를 사용하 기 위해 세계적으로 시도된 바 없는 R32 냉매를 이용한 해수온도차발전을 개발하고 있다. R32는 다른 냉매보다 증기압이 높아서 기술적인 어려움은 있지만 유사한 출력 을 내기 위한 요소 시스템 즉, 터빈, 열교환기, 해양구조물 등을 15~30% 정도 줄일 수 있어서 경제성을 높일 수 있다.
해수온도차발전의 심장부인 터빈발전기는 주로 반경류식과 축류식이 적용되어 왔 으며, 작동유체의 순환조건을 고려하여 이에 적합한 터빈을 선정하고 개발할 필요가 있다. 수백 kW급 이하의 경우에는 내향 반경류식, 스크류식 등이 이용될 수 있고, 상 용플랜트 규모는 축류식이 적합한 것으로 판단된다. 현재 20kW급 파일럿플랜트에 대한 설계를 완료하고, 이에 적합한 반경류식 터빈발전기를 제작해 놓은 상태이다.
이를 바탕으로 올해 여름에 20kW급 해수온도차발전에 도전할 계획이다.
작동유체의 증발과 순환을 일으킬 동력을 해수열로부터 전달받는 열교환기는 내식 성이 좋은 티타늄을 이용한 셀앤튜브식, 플레이트식 등으로 적용되고 있는데, 비싼 티타늄을 대체하기 위한 알루미늄합금, 특수코팅 등의 소재 개발이 이루어지고 있 다. 또한 해수 열교환기는 내식성뿐 아니라 높은 증기압에 견뎌야 하는 내압성도 요 구된다. 이러한 내식성과 내압성을 향상시키기 위한 노력이 미국을 중심으로 이루 어지고 있고, 우리도 스테인리스나 알루미늄을 모재로 특수 코팅을 시도하고 있다.
이를 플레이트식 열교환기에 적용하여 성능평가를 하고 있다.
한편, 해수용 열교환기에서 발생할 수 있는 부식, 스케일링, 생물 부착 등의 문제를 줄이기 위해 선진국들이 검토하고 있는 염소, 오존 처리 등의 방법 대신 환경을 고려 한 기계적 세정 방안을 시도하고 있다.
해수온도차발전은 해양심층수 취수 조건 및 산업 수요 등에 따라 발전플랜트를 육 상이나 해상에 설치하여 이용할 수 있다. 소규모 분산수요에 적합한 육상형은 취수 관으로, 대규모 상용플랜트의 해상형은 라이저로 해수를 취수하여 이용하게 된다.
발전 장치의 열원을 공급하는 라이저(취수관)는 상용플랜트의 경우, 직경이 약 10m 이상이거나 4~5m관의 다발로 필요한데, 현재 1MW 해수온도차발전에 필요한 직경 1.6m급 복합재 라이저를 설계하고, 시제품 제작을 완료한 상태이다.

가장 중요한 경제성 확보를 위한 노력
해수온도차발전은 가용량이 풍부하고 변동성이 적어 기저부하를 담당할 수 있는 신 재생에너지로 주목을 받고 있다. 이에 대한 종합적인 타당성 평가는 완벽하게 이루 어지지 않은 상황이지만 초기투자비 및 발전단가에 대한 경제성 검토는 다양하게 이 루어져 왔다.
해수온도차발전플랜트의 개발비용은 규모 및 설치 조건에 따라 달라지지만 10~100MW급이 제작, 운영된다면 초기투자비는 8,800,000~13,530,000원/kw, 발전단가는 21,500~31,570원/kwh 정도가 될 것으로 추정되고 있다(IEA-OES). 우리나라가 개발하고 있는 해수온도차발전 시스템은 새로운 냉매를 채용하여 터빈과 열교환기, 해양구조물을 약 15~30% 축소시킴으로써 초기투자비는 7,904,000/kw, 발전단가는 20,000~21,500원/kwh로 낮추는 것을 목표로 하고 있다.
이러한 경제적 해수온도차발전 플랜트를 2020년까지 실용화시키고자 하는 우리의 도전은 계속되고 있다. 이를 통해 적도에서 극지까지 해수온도차 에너지를 기반으 로 한 그린인프라 구축에 우리 해양과학기술, 우리 해수플랜트가 활용될 수 있도록 역량을 모아야 할 것이다.

김현주 한국해양과학기술원 해양심층수연구센터 책임연구원