파력(wave force) 및 해양온도차 발전

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파력(wave force) 발전 파력에너지(波力, wave energy)를 이용한 발전 기술 연구는 파력 자원이 풍부한 일본, 영국, 노르웨이 등에서 활발하게 추진되고 있다. 파력 발전은 심한 출력 변동과 대규모 발전 플랜트를 해상에 계류시키는데 기술적인 어려움이 있으나 2000년대 초에는 상용 발전이 가능할 것으로 전망되고 있다. 일본은 Kaimei에 240 ㎾급의 해안 고정식 파력 발전 장치를 설치하여 시험 가동하고 있으며, 해양 과학 기술 센터 주관으로 540 ㎾급의 부유식 파력 발전소 건설을 진행하고 있다. 영국도 벨파스트의 Queen's 대학에 75 ㎾급 파력 발전 장치를 설치하여 가동중이고, 덴마크는 34 ㎾급 발전소에 대한 실증 실험을 진행하고 있으며 노르웨이도 500 ㎾급 발전소를 건설하고 있다. 국내에서는 아직 파력 에너지의 개발에 관한 구체적인 연구가 시도된 바 없으나, 파랑이 심하다고 알려진 일부 해역을 대상으로 타당성 검토를 선행시킬 필요성은 높다고 말할 수 있다.       해양온도차발전(ocean thermal energy conversion)   개 요 수심에 따른 바닷물의 온도차를 이용한 발전 방식이다. 열대해역에서 해면의 해수 온도는 20 ℃를 넘으나 해면으로 부터 500∼1000 m 정도 깊이의 심해에서는 4 ℃에서 거의 변하지 않는다. 이런 표층수와 심층수의 온도차로부터 프레온과 같은 저온 비등 매체(냉매)를 이용하여 발전하는 기술을 해양 온도차 발전, 줄여서 보통 OTEC이라 부른다. 1948년에 '해양에너지개발공단'이 조직되어 서아프리카 상아해안에 세계 최초로 해양온도차발전소가 건설되었다. 장 점 - 에너지공급원이 무한하다. - 이산화탄소(CO2)와 같은 유해물질을 발생시키지 않는 청정 자연에너지이다. - 주·야 구별 없이 전력생산이 가능한 안정적 에너지원으로, 특별한 저장 시설이 필요없으며 계절적인 변동을 사전에 감안해 계획적인 발전이 가능한 우수한 자원이다. 단 점 - 발전설비를 바닷물의 부식성에 영향을 받지 않는 재료로 만들어야 한다. - 생물 때문에 생기는 오염을 막기 위한 대책을 필요로 한다. - 실제 OTEC 발전을 통한 전력 생산시 열역학 시스템의 총 효율은 2.5∼3.0% 정도이다. OTEC 발전 시스템에서는 그 무엇보다도 적당한 작동유체를 개발하고 이를 향상된 열역학 사이클에 적용하여 그 성능을 측정하고 특성을 연구하는 일이 절대적으로 필요하다. - 기존 화석연료를 전혀 소비하지 않는다. 원 리 열대 부근의 바다는 태양열로 데워진 해수면과 수심 600∼700m의 바닷물 사이에 20℃ 이상 온도차가 있다. 가열된 바닷물을 파이프라인으로 끌어 증기를 만드는 장치에 보내면 뜨거운 바닷물이, 끓는점이 낮은 암모니아나 프레온을 증기로 만들고, 이 증기의 힘으로 터빈을 돌려 발전한다. 터빈을 돌리고 난 증기는 심해의 찬 바닷물로 냉각해서 다시 유체로 만들어 계속 사용한다. OTEC 발전 시스템의 원리는 일반 발전소의 가동 원리와 같다. 바다 표면층의 더운물과 심층 냉수간 온도차를 이용해 비등액이 낮은 액체를 증발 냉각시킨 뒤 그 압력차를 이용해 발전하는 것으로 즉, 고온의 열원에서 저온의 열원으로 열이 흘러 들어가 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 방법이다. Cycle system은 표면온수를 사용하여 오존층을 파괴하지 않는 암모니아나 프로필렌 같은 작동유체를 증발시켜 turbine generator를 구동시키는 방법이다. 바다 표면의 온수는 작동유체 시스템에 유입되어 열교환기를 통하여 열전달이 일어나며 이 때 비등을 통해 작동 증기가 생성된다. 이 생성된 증기가 터빈을 회전시켜 전력을 생산하는 시스템이다. 그 다음 turbine을 나온 증기는 해저로부터 끌어올린 심층 냉수에 의하여 응축기에서 응축액으로 바뀌며 다시 재순환 된다. 이 시스템은 간단하여 전력 생산만을 위하여 가장 실용적인 방법으로 알려져 있다. 이 때 전력전환 효율은 약 5%이며, 터빈 효율, 펌프 효율 등을 포함한 전체 시스템 효율은 약 2.5%정도 이고 plant 설비 단가가 저렴하기 때문에 화석연료 시스템과 경쟁력이 있다고 할 수 있다. Open-loop cycle system은 해양표면 온수를 작동 유체로 직접 사용하는 방법이다. 표면 온수는 펌프로 증발기에 유입되고, 증발기는 진공펌프로 압력을 낮추어 온수가 상온에서 비등하게 하며, 생성된 증기로 저압터빈을 구동시켜 전력을 생산하게 된다. 이어 터빈을 나온 증기는 심해에서 펌프로 퍼 올려진 냉수로 열교환기에서 응축되어 부산물로 담수를 얻게 한다. 이러한 직접접촉 열교환 방식은 그 효율이 높아 더 많은 전력을 생산하는 장점이 있다. 이 시스템은 현재 선진국에서 테스트 중이며 전력 변환 효율은 약 5.5%이고 전체 시스템의 효율은 약 3.0% 정도로 plant의 단가는 폐회로 시스템보다 약간 비싸나, 도서 지방이나 선진국형에 적합할 것이다. 혼합형 hybrid cycle은 폐회로(closed-loop)와 개회로(open-loop) 시스템의 장점을 결합한 것으로 열원을 최대로 사용하도록 설계하여 전력과 담수를 동시에 얻게 하는 방법이다. 유입된 표면온수로 일차적으로 전력을 폐회로 싸이클에서 생산하며 여기서 나오는 온수를 이차적으로 개회로 싸이클에 보내어 직접 접촉식 증발기를 통과하게 하고 다시 응축기로 보내는 2단계 시스템을 사용 하므로써 충분한 담수를 동시에 안정적으로 생산할 수 있게 한다. 아직은 이론적 단계에 있지만 두 시스템의 장점을 조합하였기 때문에 미래의 시스템으로 기대되며, 효율은 개회로 시스템과 거의 같을 것으로 보고되고 있다. 해양 온도차 발전 세계 현황 미국은 '80년대 초에 이미 160 ㎾급의 해양 온도차 발전에 대한 실증 실험을 마친바 있으며, 하와이에는 50 ㎾급의 상용 발전소가 가동중이고(Mini OTEC) 10만 ㎾급의 대규모 발전소가 건설되고 있다. 하와이 주변해역에 해양온도차 발전소를 건설해 운영중인 미국은 2000년부터 해양온도차 발전을 통해 일부 연안지역에 전력을 공급할 계획이다. 일본은 일찍부터 Sun-Shine 계획의 일부로 해양 온도차 발전 기술의 개발을 추진하여 Tokushima에 50 ㎾급, Saga대학에 75 ㎾급, Toyama에 3.5 ㎾급, 국제 협력 사업으로 Nauru 섬에 100 ㎾급 시범 발전소를 건설하여 가동하고 있으며, 1000㎾급에 대한 실증 실험을 수행하고 있으며 동남아국가에 관련기술을 수출까지 하고 있다. 프랑스는 남태평양의 타히티 섬에 5000 ㎾급 해양 온도차 발전소 건설을 계획하고 있고, 북구의 핀란드도 스페인과 공동으로 저온도차 OTEC 시스템을 이용한 해수 담수화 장치 개발을 추진하고 있으며, 자마이카에 MW급 발전소 건설을 추진중이다. 네덜란드도 '80년대 후반부터 개발에 착수하여 인도네시아의 발리 섬에 250㎾급 발전소 건설을 추진중이며, 영국은 10㎿급 해상 발전소 건설 사업을 추진하고 있다. 해양 온도차 발전 우리나라 현황 우리나라의 경우도 동해 남부 해역에는 표층수와 심층수 사이에 상당한 온도차가 존재한다고 알려져 있어 해양 온도차 발전 기술의 개발에 관한 전향적인 검토가 필요하다. 그러나 계절적인 편차가 심하여 개발 착수에는 신중한 접근이 요구된다. 국내에서는 아직껏 해양 온도차 발전 기술의 개발이 본격적으로 추진된바는 없으나 외국의 예에서 보듯이 우리의 경제적, 사회적 활동 무대를 넓히기 위한 국제 협력 사업의 하나로 추진하는 것도 고려할 필요가 있다

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