미래 신산업 주역, 해양에너지를 주목하자

양창조 목포해양대학교 교수

지구 표면적의 71%를 차지하는 해양은 태양과 달로부터 끊임없이 열, 운동, 위치에너지의 형태로 에너지를 공급받으며 동일한 양을 방출하지만 대부분은 에너지원으로서 직접적으로 활용되지 못하고 있다. 해양에너지는 대기나 표층수에 저장된 열에너지와 해류, 파랑, 바람 등의 유체 흐름 형태의 에너지로 나눌 수 있는데 일반적으로 열에너지에 비해 유체 흐름 형태의 에너지 밀도가 상대적으로 높기 때문에 이를 활용하는 기술의 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.

최근 신재생에너지 개발의 필요성에 따라 해양에너지가 주목을 받고 있다. 태양 복사에너지의 23%를 차지하는 해양에너지는 에너지 변환효율이 높고 에너지 밀도가 높아서 개발 시 경제성 확보가 유리한 무고갈성 청정에너지다. 또한 해양에너지는 대규모로 개발이 가능한 무한한 재생에너지 자원으로서 오염문제가 없는 무공해 자원이며 미래의 유망에너지 자원이다.

해양에너지(표1)는 해양의 조수·파도·해류·온도차 등을 변환시켜 전기 또는 열을 생산하는 기술로서 전기를 생산하는 방식은 조력·파력·조류·온도차 발전 등이 있다.

(표 1) 세계 해양에너지 부존량

(그림 1) 1.2kW급 조류발전기(영국)

에너지 부존량의 평가로는 파력 및 온도차 발전이 많지만 에너지원별 입지조건이나 경제성, 기술성, 환경 요소 등을 고려할 때 실제로 가장 활발한 개발이 진행되고 있는 분야는 조류발전이다. 해양에너지는 고갈될 염려가 전혀 없어서 개발 후에는 태양계가 존속하는 한 이용이 가능하고 발전량을 거의 정확하게 예측할 수 있으며 환경오염 문제가 없는 청정에너지라는 장점이 있다.

조류발전 기술동향

조류발전(그림 1)은 조류 유속이 빠른 연안에 설치되며 날씨나 계절적 요인의 영향을 받지 않아 가동률이 높고 발전량 예측의 신뢰성이 보장되는 에너지원이다. 또한 조력 발전과 같이 대규모 토목공사를 수반하는 댐이 필요 없는 구조로 초기 투자비가 적고 해안 환경에 미치는 영향을 최소화 할 수 있는 발전방식이다. 우리나라의 서해안과 남해안은 높은 조수간만의 차로 조류속도가 강한 지역이 많으며 이중 다수는 경제성 있는 조류발전이 가능한 것으로 알려져 있다.

(그림 2) 국내 서남해안 조류자원도와 조류발전소

(a) 서남해안의 조류에너지 분포

(b) 울돌목 조류발전소

우리나라는 세계적으로 보기 드문 조류발전의 적지이며, 국내 연안에는 약 6GW이상의 조류에너지가 부존돼 있는 것으로 추정되고 있다. 특히 우리나라의 서남해안은 조류에너지(그림 2) 여건이 아주 좋은 것으로 평가되고 있고, 부존량도 많아 대체에너지로서의 개발가치가 높다. 특히 울돌목, 장죽수도, 맹골수도, 횡간수도 등 다도해의 빠른 조류 자원 세계적인 조류발전 최적지로 우리나라 해양에너지 자원의 보고다.

조류발전시스템(Tidal Stream Power Plant) 구축을 위한 조류발전기술은 해수유동의 운동에너지 변환을 담당하는 터빈설계기술, 발전시스템의 설치를 담당하는 수중장치설계기술 그리고 최적의 장소를 결정하는 단지조성기술로 구분될 수 있다. 조류발전은 구미 선진국의 경우 이미 기술적으로 실용화가 가능한 단계에 접근하고 있다. 즉 조류터빈, 발전기 및 시공기술과 함께 조류발전 개발 여건은 매우 성숙돼 있다. 다만 지역 특수성을 감안해 경제성 문제를 해결할 수 있는 개발계획의 수립에 초점을 맞추고 있는 상태다.
 
국내의 경우 한국해양과학기술원에서는 2003년 국내 최초로 100kW급 수직형 조류발전장치를 개발해 울돌목에 설치했고, 2009년에는 500kW급 수직형 조류발전장치를 개발해 같은 해역에서 시험운전에 성공하여 현재 가동 중이며, 능동제어형 조류발전 기술도 개발하고 있다.

한편, 가혹한 환경에서 운용되는 해양에너지 발전장치의 신뢰성을 확보하기 위해서는 실해역 실증시험이 필수적으로 요구된다. 각국 정부의 해양에너지 육성 정책의 효과로 신생기업 및 기존 대기업들의 해양에너지분야에 대한 공격적인 투자가 증가하고 있는 추세다. 그러므로 국가의 한정된 R&D 자원을 효과적으로 사용하기 위해서는 범용으로 활용 가능한 공공시험장을 개발해야 한다. 지속적인 유가상승 추세와 우리나라를 비롯한 각국 정부의 적극적인 신재생에너지 분야 지원 환경 아래 해양에너지 발전장치의 연구개발은 급성장할 것으로 예상되지만 상용화에 필수적인 실해역 실증시험이 개발 주체별 독자적으로 추진될 경우 시험해역 확보의 난항을 매 사업마다 겪을 뿐 아니라 막대한 설비 비용이 중복으로 투자될 우려가 있다. 제 2의 조선 산업으로 육성 가능한 해양에너지 산업 활성화에 한정된 R&D 자원을 효율적으로 사용하기 위해서는 범용으로 활용가능한 공공시험장을 개발해야 한다.

향후 전망

조류발전의 국내 동향은 조류터빈의 기술개발 수준이 아직 중소규모 개발단계에 머물러 있으며, 각 해역에 적합한 여러 가지 조류터빈의 개발과 향후 실용화 기술개발 과정이 매우 필요한 실정이다. 또한 선진국 중심의 기술개발 경쟁 및 기술 보호주의는 더욱 더 심화될 전망이어서 우리의 독자적 기술 확보가 시급하다.

조류발전의 국내시장 개척 및 수출산업화를 위해 반드시 확보해야 하는 핵심원천기술인 터빈설계기술 및 조류발전단지 평가기술을 개발해 구축된 요소기술을 바탕으로 향후 산업체 주도형 조류발전장치설계 및 조류발전 단지평가를 위한 핵심기술개발사업으로 추진할 필요가 있다.

한편, 해양에너지 상용화를 위해서는 시스템의 운전 및 정비(O&M) 수행이 육상 시설에 비해 상대적으로 어려운 만큼 발전장치 시스템의 내구성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 또 가혹한 환경에서 운용되는 해양에너지 발전장치의 신뢰성을 확보하기 위해서는 국내에 실해역 실증시험장 구축이 시급히 요구된다.