http://dx.doi.org/10.5757/vacmac.3.2.11 양창조, 황태규 Development Trends of Tidal Current Energy and Its Test Bed Changjo Yang, T.G. Hoang 서론 Tidal current energy is the most interesting renewable resources that have been less harnessed. Korea has globally outstanding tidal current energy resources and it is highly needed to develop a tidal current energy conversion system. It is reported that the total amount of available tidal current energy is approximately 6GW in Korea. A good tidal site candidate is required a large amount of fast moving water, bathymetry and seabed properties, no conflicts with other users and is close to a load and grid interconnection. In this review, we summarized the results of R&D projects regarding tidal current resources, utilization projects and demonstration test bed. 지구표면적의 71% 를차지하는해양은태양과달로부 터끊임없이열, 운동, 위치에너지의형태로에너지를 공급받으며동일한량을방출하지만대부분은에너지원 으로서직접적으로활용되지못하고있다. 해양에너지는 대기나표층수에저장된열에너지와해류, 파랑, 바람 등의유체흐름형태의에너지로나눌수있는데일반적 으로열에너지에비해유체흐름형태의에너지밀도가 상대적으로높기때문에이를활용하는기술의개발이 활발하게이루어지고있다. 한편, 최근신재생에너지개발의필요성에따라해양 에너지가주목을받고있으며, 태양복사에너지의 23% 를차지하는해양에너지는에너지변환효율이높고에너지밀도가높아서개발시경제성확보가유리한무고갈성청정에너지이다. 또한해양에너지는대규모로개발이가능한무한한재생에너지자원으로서오염문제가없는무공해자원이며미래의유망에너지자원이다. 해양에너지는해양의조수 파도 해류 온도차등을변환시켜전기또는열을생산하는기술로써전기를생산하는방식은조력 파력 조류 온도차발전등이있다. - 조력 (Tidal Barrage) 발전 : 조차가큰하구나만에방조제를설치한후, 외해와조지내의수위차를이용하여전력을생산한다. - 파력 (Wave Energy) 발전 : 입사하는파랑에너지를터빈등의원동기구동력으로변환하여전력을생산하며설치방식에따라크게부유식과고정식으로구분된다. - 조류 (Tidal Current) 발전 : 조수간만차에의해발생하는해수의높은유속을이용하여에너지를생산하는발전으로수평유체흐름을회전운동또는왕복운동으로변환시켜전력을생산한다. - 해양온도차발전 (OTEC, Ocean Thermal Energy Conversion) : 해양표면층의온수 ( 예 : 25 30 ) 와심해 500 1000m정도의냉수 ( 예 : 5 7 ) 와의온도차를이용하여열에너지를기계적에너지로변환시켜발전하는기술이다. 에너지부존량의평가로는파력및온도차발전이많지만에너지원별입지조건이나, 경제성, 기술성, 환경 < 저자약력 > 양창조교수는 2004 년일본큐슈공대에서공학박사학위를받고, 2006 년부터목포해양대학교수로재직중이다. (cjyang@mmu.ac.kr) 황태규연구원은 2005 년한국해양대학교에서공학박사학위를받았으며, 미국테네시대학교, 죠지아텍에서박사후연구원을하였고, 2008 년부터현재한국조선해양기자재연구원에너지기술연구센터센터장로재직중이다. (andrew@komeri.re.kr) 특집 _ 자연에너지변환기술 11
특집 자연에너지변환기술 [Table.1] World ocean energy reserves[1] Ocean energy Energy reserves (TWh/year) Tidal barrage 300 Wave 80,000 Tidal current 800 OTEC 10,000 요소등을고려할때실제로가장활발한개발이진행되고있는분야는조류발전이다. 해양에너지는고갈될염려가전혀없어서개발후에는태양계가존속하는한이용이가능하고발전량을거의정확하게예측할수있으며환경오염문제가없는청정에너지라는장점이있다. 그러나해수중에서운용되어야하는발전장치의특성상높은수준의수밀과방식기술이요구되며육상에비해상대적으로높은설치비용도앞으로해결해야할부분으로남아있다. 조류발전기술동향국내에크라이오펌프제조기술이들어오게된데에는조류발전은조류유속이빠른연안에설치되며날씨나계절적요인의영향을받지않아가동률이높고발전량예측의신뢰성이보장되는에너지원이다. 또한조력발전과같이대규모토목공사를수반하는댐이필요없는구조로초기투자비가적고해안환경에미치는영향을최소화할수있는발전방식이다. 우리나라의서해안과남해안은높은조수간만의차로조류속도가강한지역이많으며이중다수는경제성있는조류발전이가능한것으로알려져있다. 우리나라는세계적으로보기드문조류발전의적지이며, 국내연안에는약 6GW이상의조류에너지가부존되어있는것으로추정되고있다 [2]. 특히우리나라의서남해안은조류에너지여건이아주좋은것으로평가되고있고, 부존량도많아대체에너지로서의개발가치가높다. 특히, 진도울돌목, 장죽수도, 맹골수도, 완도횡간수도등다도해의빠른조류자원세계적인조류발전최적지로우리나라해양에너지자원의보고이다. 조류발전시스템 (Tidal Stream Power Plant) 구축을위한조류발전기술은해수유동의운동에너지변환을담당하는터빈설계기술, 발전시스템의설치를담당하는수 [Fig. 1] Tidal current energy density in southern Korea [3] 중장치설계기술, 그리고최적의장소를결정하는단지조성기술로구분될수있다. 조류발전은구미선진국의경우이미기술적으로실용화가가능한단계에접근하고있다. 즉조류터빈, 발전기및시공기술과함께조류발전개발여건은매우성숙되어있다. 다만지역특수성을감안하여경제성문제를해결할수있는개발계획의수립에초점을맞추고있는상태이다. 조류발전장치는수평유체흐름을회전운동이나왕복운동으로변환시켜에너지를생성하며발전장치의회전축에따라수평축 Horizontal Axis Turbine) 과수직축 (Vertical Axis Turbine) 및가동물체형으로구분된다. 이밖에압전소자, 와류효과등을이용한방식도있으나현재조류발전장치개발의대다수는수평축및수직축방식이다. - 수평축방식 [ 그림 2(a)] 은터빈의축과조류방향이평행하여구조적으로간단하고안정적인형식이다. 일반적으로풍력발전에사용하는장치와유사한구조로설계되며, 넓은범위의유속변화에대한효율이높고발전출력이안정적인특징이있다. 반면에조류흐름의방향변화에대응하기위해서는별도의구조가필요하며발전부가수중에설치되기때문에시스템의수밀이필수적으로요구된다는부분이난제로남아있다. - 수직축방식 [ 그림 2(b)] 은터빈의축과조류방향이수직을이루어유향변화에관계없이발전이가능하고낮은유속에서도운전이가능한장점이있다. 반면긴회전축을필요로하는구조상축상단에발생하는모멘트에대한구조강도가확보되어야하며이를위한별도의구조물이요구된다. - 가동물체형 [ 그림 2(c)] 은어류의수중운동과유사한 12 진공이야기 Vacuum Magazine 2016 06 June
(a) Horizontal Axis Turbine, Hammerfest Storm, HS1000 (b) Market Maturity (b) Vertical Axis Turbine, KIOST (b) Technology development maturity [Fig. 3] Tidal devices technologies[3] (c) Stingray, Engineering business [Fig. 2] Types of tidal stream power plant 방식을사용하는것으로수중포일 (Foil) 등에의해유체흐름을왕복운동으로변환하여에너지를생성한다. 세계의조류발전시스템의시장및기술의성숙도를다음에보인다. 영국, 캐나다등의기업들이조류발전분야를선도하고있으며, 특히, GL-Garrad Hassan사는조류발전터빈용으로 GH Tidal Bladed를개발하여기초설계및컨설팅에사용하고있다. 또한 IEC TC114에기반한표준화된터빈이나이에대한체계적이고효율적인설계기법을 위한다양한추가적연구개발이진행중이다. 해양에너지개발선진국들은국가적인차원의대규모투자를통해해양에너지산업을육성하려는로드맵을마련하고있음. 특히각국정부의해양에너지육성정책의효과로신생기업및지멘스 (Siemens) 와안드리츠하이드로 (ANDRITZ HYDRO) 와같은기존대기업들의해양에너지분야에대한공격적인투자가증가하고있는추세이다. 아래그림은 2세대조류발전용터빈과구조물을보인다. 국내기술동향및수준 - 한국중부발전과목포해양대는 2006~2007년간전라남도완도횡간수로에서조류발전단지개발을위한타당성조사를수행했다. 최초계획은 2009년까지 1차로 Lunar Energy사의 1MW 급덕트형수평 특집 _ 자연에너지변환기술 13
특집 자연에너지변환기술 (a) Marine Current Turbine Co.[4] (b)hammerfest Co.[5] [Fig. 4] 2 nd generation of turbine and structure 축터빈 1기를설치하고, 2015년까지 300MW급발전단지를조성을계획하였다. - 한국남동발전은 8,000억원을투자하여 2018년까지 200MW 급조류발전단지를개발할계획이다. 2009~2010년간옹진군덕적도인근해역에대해조류발전단지의타당성조사를수행한결과비용편익 (B/C) 비율 1.2로경제성이있는것으로확인되었다. 해당사업에는인천광역시와옹진군, 한국남동발전, 포스코건설, 인하대가참여하고있고 50MW급발전단지 4개를조성하는것을목표로하고있다. 그러나단지조성해역중일부가생태경관보존지역으로지정된상태이고발전단지와육상전력망간거리도 30~50km 로다소먼편이라송전로를구성하는데어려움이있다는의견도나오고있다. 최초의사업계 획은 2013년 6월에착공하여 2018년 12월에완공하는것이었으나현재는착공시기가 2015년으로늦춰진상태이다. - 이밖에도한국남동발전은 2016년까지포스코건설과함께 1조원을투자하여전라남도신안군에 260MW 급조류발전단지를개발할계획으로현재타당성조사를수행중이다. - 한국동서발전은포스코건설, 레네테크, 독일의 Voith Hydro사등과공동으로장죽수도와맹골수도에서각각 150MW, 250MW 급조류발전단지를개발할계획으로타당성조사를수행중이다. 2018년까지 1조 5천억원이투입될예정이며발전장치제작사인레네테크는 Voith Hydro사와공동으로 2010 년장죽수도에서 110kW 급수평축조류발전장치의시제품운전에성공했다. - 국내최대의중공업사인현대중공업은 2010년, 500kW급조류발전장치를자체적으로개발하여 2011년 6월, 전라남도울돌목에서시운전에성공했다. 장치개발완료후테스트해역을확보하는데 1 년가량의시간이지연되었으며현재는 2014년까지 MW급단지용조류발전장치개발을목표로남부발전, 남동발전등과컨소시엄을구성해상업화에필요한구조물설계와계통연계기술을연구중에있다. - 한국해양과학기술원은 2003년국내최초로 100kW 급수직형헬리컬조류발전장치를개발하여울돌목에설치했고, 2009년에는 500kW급수직형헬리컬조류발전장치를개발하여같은해역에서시험운전에성공하고, 현재는능동제어형조류발전기술을개발하고있다. 한편, 조류자원실용화를위하여조류에너지원에대한자료수집등의현황분석과수치모델링등을통하여조류에너지분포도를조사하고이용가능한발전량을산정, 조류발전장치로부터발생하는후류의영향평가등의간섭기술의분석을통하여계통연계과관련된효과적인최적의조류발전단지구성기술을개발에대한연구기술이최근부각되고있다. 조류에너지실해역실증시험장가혹한환경에서운용되는해양에너지발전장치의신뢰성을확보하기위해서는실해역실증시험이필수적으 14 진공이야기 Vacuum Magazine 2016 06 June
(a) EMEC(UK) (b) FORCE(Canada) [Fig. 5] Test bed of tidal power plant 로요구된다. 조류발전을비롯한해양에너지의개발에는해양환경에서운용되어야하는장치의특성상높은부식성과가혹한물리적환경에대한내구성이필요하며해수중에위치하는장치의경우추가로고도의수밀성이요구된다. 이에더해발전장치시스템을설치하고운영하는방법이나유지 / 보수에관한노하우를획득하는것도해양에너지분야가성장하는데반드시필요한부분이다. 특히해양에너지상용화시에는시스템의유지 / 보수수행이육상시설에비해상대적으로어려운만큼이를최소화할수있는신뢰성을확보하는것이필수적이다. 시스템의신뢰성을높이기위해서는실제운용환경과동일한조건에서충분한기간을거친검증이필요하기에해외에서는다수의해양에너지실해역실증시험장이운 용되고있다. 영국, 미국, 캐나다등해양에너지개발선진국들은국가적인차원의대규모투자를통해해양에너지산업을육성하려는로드맵을마련하고있다. - 영국은해양에너지관련산업으로의투자유인및실증사업활성화를위해 2011년신재생에너지공급의무화 (Renewable Portfolio Standard) 제도에따른해양에너지의공급인증가중치를높였다. 또한 2020 년까지 700MW 규모의해양에너지발전시설을확보할계획이다. 이계획에부합하기위해서는현재기업들이수행하고있는실증사업을 5년내에상업적생산규모로확대해야하므로실증실험장에대한수요는폭발적으로증가할것이다. - 미국의해양신재생에너지연합 (Ocean Renewable Energy Coalition) 은해양에너지개발이산업화에이르기까지 3단계의실증과정을거쳐야하며 2030 년까지 15GW 규모의해양에너지발전시설이조성될것으로예상하고있다. 이를위한실증사업의확보를위해정부, 기업, 학계간긴밀한협업이이루어지고있는중이다. - 캐나다해양신재생에너지그룹 (Ocean Renewable Energy Group) 은해양에너지발전시설을 2016년까지 75 MW, 2020년까지 250 MW, 2030년까지 2GW 규모로확대하여연간 20억달러의수입을창출한다는계획을수립했다. 이를위한국가차원의사업육성을통해 2020년까지세계해양신재생에너지개발사업의 30%, 2030년까지 50% 를차지한다는목표를세우고있다. 각국정부의해양에너지육성정책의효과로신생기업및기존대기업들의해양에너지분야에대한공격적인투자가증가하고있는추세이다. 그러므로국가의한정된 R&D 자원을효과적으로사용하기위해서는범용으로활용가능한공공시험장을개발해야한다. 지속적인유가상승추세와우리나라를비롯한각국정부의적극적인신재생에너지분야지원환경아래해양에너지발전장치의연구개발은급성장할것으로예상되지만상용화에필수적인실해역실증시험이개발주체별독자적으로추진될경우시험해역확보의난항을매사업마다겪을뿐아니라막대한설비비용이중복으로투자될우려가있다. 제 2의조선산업으로육성가능한해양에너지산업활성화에한정된 R&D 자원을효율적으로사용하기 특집 _ 자연에너지변환기술 15
특집 자연에너지변환기술 위해서는범용으로활용가능한공공시험장을개발해야한다. 요약및전망조류발전의국내동향은조류터빈의기술개발수준이아직중소규모개발단계에머물러있으며, 각해역에적합한여러가지조류터빈의개발과향후실용화기술개발과정이매우필요한실정이다. 또한선진국중심의기술개발경쟁및기술보호주의는더욱더심화될전망이어서우리의독자적기술확보가시급하다. 조류발전의국내시장개척및수출산업화를위하여반드시확보해야하는핵심원천기술인터빈설계기술및조류발전단지평가기술을개발하여구축된요소기술을바탕으로향후산업체주도형조류발전장치설계및조류발전단지평가를위한핵심기술개발사업으로추진할필요가있다. 한편, 해양에너지상용화를위해서는시스템의 O&M 수행이육상시설에비해상대적으로어려운만큼발전 장치시스템의내구성을확보하는것이매우중요하며, 또한가혹한환경에서운용되는해양에너지발전장치의 신뢰성을확보하기위해서는국내에실해역실증시험장 구축이시급히요구된다. References [1] IEA-OES, Policy Report, International Energy Agency, (2006). [2] 이광수, et. al., 해양에너지실용화기술개발 (Ⅰ): 조력조류에너지, 해양수산부 (2001). [3] Global ocean energy markets and strategies :2010-2030, IHS Emerging energy research, (2010). [4] http://www.marineturbines.com [5] http://www.hammerfeststrom.com [6] http://www.emec.org.uk [7] http://www.fundyforce.ca 16 진공이야기 Vacuum Magazine 2016 06 June