물살이 에너지를 만든다

세계는 지금 기후변화로 상징되는 ‘환경’ 위기와 고유가로 대표되는 ‘자원’ 위기를 동시에 직면하고 있다.

특히 에너지 자원에 있어 과도한 화석 에너지의 소비는 막대한 이산화탄소의 배출을 불러왔고 이런 이산화탄소의 배출은 지구 온난화 및 각종 생태계의 교란, 인류의 생존 위협과 같은 문제를 발생시켰다. 이 때문에 세계는 교토의정서와 같은 협약을 통해 탄소가스의 배출을 규제하려는 노력을 하고 있으며 이런 규제가 본격적으로 이루어지게 되면 우리나라와 같이 에너지 수입 및 에너지의 소비가 많은 나라는 매우 큰 부담을 안을 수밖에 없는 상황이다.

이에 우리나라는 ‘저탄소 녹색 성장’이라는 비전을 통해 친환경적이면서도 효율적인 녹색 산업에 대한 투자와 연구를 진행하고 있으며 에너지를 만들어내는 발전 분야에도 이러한 움직임이 활발하다.

특히 한국동서발전(주)과 해양연구원이 공동으로 건설 중인 울돌목 시험조류발전소는 녹색 산업의 좋은 예로 볼 수 있다. 조류 발전은 바닷물이 흐르는 힘을 통해 전기를 발전해 내는 발전 방식으로 기존 해수를 이용한 파력발전이나 조력발전에 비해 더 진보한 발전 방식이다. 조류발전은 발전을 위한 조건이 까다롭기 때문에 세계적으로 본격적인 상용화 단계에 접어들진 않았지만 영국이나 미국, 캐나다, 노르웨이 등에서 많은 연구가 이루어지는 중이다.

그렇다면 파력발전과 조력발전, 조류발전은 해수의 어떤 성질을 이용해 발전하는 방식이며 그 특징은 무엇일까? 파력발전은 파도의 상하, 수평운동에너지를 이용해 전기를 만들어내는 방식으로 원통형으로 생긴 발전 장비를 바다에 반쯤 담기도록 설치한 다음 파도가 드나들 때 생기는 공기 압력으로 터빈을 돌리는 방식이다. 하지만 파력발전은 에너지 밀도가 떨어지고 많은 수의 발전 장비를 설치해야 하기 때문에 실용성이 매우 떨어지는 단점이 있다.

조력발전은 조수간만의 차가 큰 만에 댐을 설치해 바닷물을 가뒀다가 물이 빠지는 힘을 이용해 발전하는 방식이다. 조수간만의 차가 큰 우리나라에 유리한 발전방식으로 현재 우리나라에 건설 중인 시화호 발전소가 이런 방식이다. 하지만 바닷물을 막아 댐을 설치해야 하기 때문에 해양 생태계에 막대한 피해를 줄 수 있으므로 친환경적이지 않다.

조류발전은 바닷물의 흐름이 빠른 곳에 회전하는 수차(水車)를 설치해 전기를 생산하는 방식으로 그 원리는 바람을 이용한 풍력발전과 유사하다. 하지만 풍력발전의 경우 바람이 불지 않는 경우 발전을 할 수 없는 반면 해수의 경우 계속 바닷물이 흐르기 때문에 1년 365일 내내 안정적인 발전이 가능하다. 그뿐만 아니라 조력발전과 달리 댐의 설치나 선박의 통행을 막는 대규모의 구조물 설치가 필요 없기 때문에 친 환경적 청정에너지 시스템이다.

울돌목 시험조류 발전설비는 전라남도 진도와 해남을 가로지르는 진도대교 밑의 해협인 울돌목에 설치 중이다. 울돌목은 ‘바다가 우는 길목’이라는 뜻으로 바닷물 소리가 빠른 물살로 인해 바다가 우는 듯한 소리가 난다 하여 붙여진 이름이다.

조류발전의 입지적 조건 중 첫 번째는 물론 빠른 유속이지만 빠른 유속의 지속시간, 발전소를 건설하기 위한 공간적 조건, 즉 수심과 수로폭 등도 매우 중요하다. 울돌목은 평균수심이 약 20m이고 평균 폭이 약 500m이며 유속은 최대 6.5m/s(13노트)로 보통 바다에 비해 3배 이상 빠른 유속을 가지고 있다. 이는 세계적으로도 5번째 안에 드는 빠른 물살이어서 조류발전 건설을 위한 최적의 장소로 평가받고 있다.

울돌목 시험조류 발전설비는 올해 5월 14일 준공을 목표로 진행 중이며 발전용량은 500kw 발전기 2개로 구성되어 총 1,000kw급 규모다. 울돌목 시험조류 발전설비를 위해 2004년부터 2005년까지 한국해양연구원에서는 20kw급 수차에 대한 실험을 사전 수행하여 울돌목 조류 발전시설에 대한 수차의 효율 및 성능실험 결과를 분석하였으며 이후 이 결과 데이터를 기반으로 실제로 사용할 발전시설구조물(JACKET)을 제작하였다. JACKET은 길이가 36m, 폭이 16m, 높이는 28m의 대형 철골구조물로 약 10층 아파트 한 동 정도의 크기로 총 무게는 약 1,350톤이다. 이렇게 제작된 JACKET은 해저지반 속으로 약 8m를 굴착하여 고정시키는 공정이 진행되었고 데크 위에는 발전기와 크레인이 설치되어 있다.

실험조류 발전설비의 운용 및 연구를 통해 한국동서발전(주)은 2013년까지 약 9만kw급 상용조류발전소를 건설할 계획을 가지고 있다. 이는 연간 1억 2,300만kw의 전기를 생산하여 매년 약 200억 원, 원유 20만 배럴의 에너지 수입 대체효과와 연간 7만 7,000톤의 이산화탄소 저감 효과를 가져올 수 있을 것으로 보고 있다.

이와 함께 진도 주변의 해역인 장죽수도와 맹골수도에도 각각 10~20만kw와 20~30만kw급 조류 발전소 건설계획을 추진하고 있으며 계획대로 발전소기 지어진다면 조류발전 분야에서 세계 최고수준의 기술력과 상용화 능력을 보유할 것으로 예상된다.

며칠 전 지구의 날에 버락 오바마 미국 대통령이 조력, 풍력 등의 대체에너지 개발에 힘쓰겠다고 말한 바 있다. 대체에너지의 개발은 우리에게 부족한 에너지를 충당할 수 있을 뿐만 아니라 이산화탄소의 발생을 줄여 환경 문제도 해결이 가능하다. 환경을 보호하면서 동시에 성장을 도모할 수 있는 대체에너지 개발은 다른 어떤 산업보다도 우리가 적극적으로 추진해야 할 미래형 성장산업인 것이다.

- 글 : 양길식 과학칼럼니스트

- 출처: 한국과학기술정보연구원(KISTI) ‘과학향기’

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