재생이 아닌 '신에너지'가 뜬다

연료전지, 석탄액화, 수소, MHD, 태양연못 등 기술과 시장 확대 예상

지난 7월호 신재생에너지 특집 1탄에 이어 이번 호엔 신에너지에 대한 내용을 알아본다. 신에너지는 소수력, 연료전지, 석탄의 액화, 가스화 등 연료를 의미한다. 우리나라는 미래에 사용될 신재생에너지로 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 11개 분야를 지정했다. 재생에너지는 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 등 8개 분야이고 신에너지는 연료전지, 석탄액화․가스화, 수소에너지 등 3개 분야다. 여기에 MHD 발전, 태양연못 등 에너지 분야를 한국에너지기술연구원의 자료를 통해 집중 조명해 본다.

이승재 편집장 sjlee@engnews.co.kr

소수력(Small Hydro Power)발전, 높은 에너지 밀도 보유

소수력(small Hydro Power)은 엄밀하게 정의를 내리기는 어려우나, 우리나라의 경우 설비용량이 10,000kW 이하인 수력발전을 말한다.

소수력 발전은 공해가 없는 청정에너지로서 국내에는 1,500MW 정도의 부존량이 확인되어 있으며 다른 대체 에너지원에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 개발 가치가 큰 부존자원으로 평가되어 구미(歐美) 선진국을 중심으로 기술 개발과 개발 지원 사업이 경쟁적으로 활발하게 진행되고 있다.

소수력 자원의 적극적인 개발은 에너지원의 개발 차원뿐 아니라 경제․사회적으로 전력 수요 급증 시의 부하 평준화 효과 및 석유 수입 대체, 민간 주도의 반영구적 공익사업으로서 환경친화적인 에너지원의 개발을 통한 지역 개발의 촉진과 이로 인한 경제적 파급 효과의 극대화, 관련 기술의 수출 산업화 등의 부수적인 효과를 거둘 수 있다고 평가되고 있다.

구미(歐美) 선진국과 중국 등지에서는 일찍부터 소수력 개발의 사회․경제적 중요성을 인식하고 수문학적 자료를 비롯한 기초 통계 자료의 확보와 기술 개발 및 보급에 힘을 기울여 다음의 표에서 확인할 수 있는 것처럼 소수력 발전은 에너지원으로서뿐 아니라 주요 산업으로 자리를 잡아가고 있다.

소수력 발전 강국들은 토목 공사비를 절감하기 위한 방안으로 관개용 등 기존의 댐을 활용한 소용량 발전 시스템의 상용화와 사이폰식 저낙차(低落差) 시스템의 개발을 추진하고 있으며 발전용 댐 건설 기술의 개량과 댐 설계 및 운용의 최적화 기술의 개발에도 투자를 아끼지 않고 있으며 수차를 비롯한 다양한 소수력 발전 설비의 표준화를 추진하여 큰 성과를 거두고 있다.

우리나라에서는 '1982년 소수력개발 활성화 방안'이 공표되면서부터 소수력 자원의 개발이 본격적으로 추진되기 시작하였다. 국내의 소수력 자원은 약 1,500,000kW 정도가 개발이 가능한 것으로 평가되고 있으며 2007년 6월 말 현재 53개소에 65,222kW 용량의 소수력발전소가 가동되고 있다. 정부는 소수력 발전의 보급 확대를 위해 발전된 전력에 대한 매입 단가 보장, 장기 저리의 시설자금 융자 등의 보급확대 정책을 펴고 있다.

우리나라 소수력자원의 조사를 통하여 도출된 결과에 의하면 대부분의 소수력 발전 입지가 자연낙차가 크지 않다는 것을 알 수 있으며 자연낙차가 큰 소수력 발전입지는 매우 제한되어 있기 때문에 낙차가 작은 저낙차 소수력발전소의 건설에 노력을 기울일 필요가 있다.

또한 이와 병행하여 저낙차이면서도 고낙차(高落差) 소수력발전소에 비하여 경제성 면에서 뒤지지 않는 저낙차용 수차의 개발이 시급한 실정이다.

국내에서 가동되고 있는 소수력 발전소의 평균 설비용량은 약 1,200kW 정도이고 대부분이 낙차가 큰 곳에 위치해 있다. 그러나 낙차가 큰 입지가 줄어들고 있어 앞으로는 저낙차 소수력 자원을 효과적으로 개발할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 아울러 물 관련 기존 시설물의 미활용 소수력자원을 최대로 활용하는 방안도 검토되어야 할 것이다.

서울시 맞춤형 소수력발전기술 개발 나서

낙차가 크지는 않지만 유량이 풍부한 서울지역 상황에 맞는 국산 소수력발전기술이 개발될 전망이다.

서울시는 물재생센터와 아리수정수센터 등 낙차가 크지 않으나 유량이 풍부한 서울의 지형특성에 맞는 서울형 소수력발전설비 기술개발에 나선다.

소수력발전은 물의 낙차를 이용해 수차발전기를 회전시켜 전기를 생산하는 원리로 일반적으로 낙차가 2m 이상 되어야 상용발전이 가능한 것으로 알려졌다. 하지만 서울시는 올해부터 '서울형 녹색기술 육성을 위한 R&D지원사업'의 일환으로 2m 미만의 저낙차 조건에도 적용 가능한 고효율 수력발전설비 개발에 착수한다.

이에 따라 시는 고효율 수력발전설비 개발을 위한 사업자 모집 공고를 지난 8월 24일까지 신청받았다.

저낙차 소수력 기술개발은 서울시가 운영하고 있는 물재생센터와 아리수정수센터를 비롯해 서울소재 하천의 소수력 에너지까지 친환경에너지로 재탄생시키겠다는 의지를 담고 있다.

시는 이번 기술개발을 통해 4개 물재생센터 중 발전입지 여건이 가장 좋은 난지물재생센터에 우선으로 소수력발전시설을 설치하고 단계적으로 이를 확대한다는 계획이다.

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파력(Wave Force)

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 카이마이(Kaimei)에 240kW급의 해안 고정식 파력 발전 장치를 설치하여 시험 가동하고 있으며 해양 과학 기술 센터 주관으로 540kW급의 부유식 파력 발전소 건설을 진행하고 있다. 영국도 벨파스트의 퀸스(Queen's) 대학에 75kW급 파력 발전 장치를 설치하여 가동 중이고 덴마크는 34kW급 발전소에 대한 실증 실험을 진행하고 있으며 노르웨이도 500kW급 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.

해양에너지! ‘블루오션’으로 뜬다   

조류·조력·파력·해수 온도차·해양식물 및 바이오 통한 에너지 개발 

해양에너지, 정확하게 말하면서 바닷물의 흐름을 이용한 발전방식이다. 대표적인 것이 조류발전과 조력발전, 파력발전 등이다. 조류발전은 물살이 빠른 곳에 터빈을 설치해 전기를 생산하는 것을 말하며, 조력발전은 조석간만의 차로 발생하는 해수의 이동을 이용한다. 파력발전은 파도의 상하운동으로 발생하는 에너지를 이용해 터빈을 돌려 발전을 하는 것을 말한다.

여기에 파도의 힘을 이용한 파력발전, 해수 온도차를 이용한 해수 온도차 발전 그리고 에너지로 활용할 수 있는 해양생물 등이 해양에너지 ‘패밀리’다

파도의 힘을 이용한 해양 에너지 

해외 조사기관들은 풍력이나 태양 에너지원보다도 해양 에너지원인 파력과 조력산업의 경우가 훨씬 안정적이라고 분석했다. 하지만 조력발전은 해저 지반이 견고해야 하며 파력 발전, 온도차 발전은 선박 항해에 방해가 되지 않아야 하는 등 입지 조건이 까다로운 단점이 있다.

국내의 해양에너지 개발은 현재 조수간만을 이용한 조력발전방식이 중심이 되어 추진되고 있다. 시화호와 강화도, 인천 등지에 시범단지가 추진되고 있다. 

지난해 세계최대 규모의 가로림조력발전소가 사업허가를 받았다. 올해 초 착공에 들어갈 이 발전소는 환경영향평가 협의 완료와 전원개발실시계획 반영 등을 거쳐 건설에 들어갈 예정이다.

가로림만은 조수간만의 차(7~9m)가 커 국내외에서 최고의 조력발전소 입지로 꼽히고 있으며 가로림조력발전은 1조22억을 투입해 서산시 대산읍 오지리와 태안군 이원면 내리에 걸친 가로림만에 2km의 해수유통 방조제를 축조한 뒤 520MW 규모의 발전소를 건설할 계획이다. 2014년 발전소가 완공되면 연간 950GWh 전력생산과 2014년까지 우리나라 신재생에너지 목표 설비용량의 30%를 차지하게 된다.

인천만 조력발전 건설사업도 2017년 완공을 목표로 진행 중이다. 공사비 3조9,000억원이 투입되는 이 사업은 올해 하반기부터 착공에 들어간다. 2017년 6월 준공되면 연간 24억1,000만kWh의 전기를 생산하게 된다. 이를 통해 연간 354만배럴 원유수입 대체효과와 101만ｔ의 이산화탄소를 저감할 수 있고, 인천시 가정용 전력 소모량의 60%를 감당할 수 있게 된다.

인천만 조력발전소 사업은 인천광역시 강화도 남부와 옹진군 장봉도, 용유도, 삼목도 및 영종도로 둘러싸인 해역 157.45km2에 설비용량 132만kW급으로 건설하게 된다. 인천만 조력발전은 방조제 길이만 18.3km로, 3만kW급 발전기 44기를 설치하는 대규모 사업이다.

한국해양연구원의 타당성 조사결과에 따르면 공사기간에 8조3,800억원의 주변지역 경제적 생산유발 효과와 6만4,000명의 고용효과가 발생할 것으로 분석되고 있다. 

조류 및 파력발전의 특징은 타 에너지원과 달리 언제든지 터빈을 돌릴 수 있다는 점이다. 조력발전이 조수간만을 기다려야 하는데 반해 조류와 파력은 언제나 움직이고 있는 해수의 흐름으로 터빈을 돌린다는 개념을 가지고 있다. 

우리나라 남해 전라도 인근의 도서 지역은 지형적으로 빠른 유속이 나타나는 곳이 많다. 해수의 속도가 2미터이상인 발전에 양호한 지역이 남해 지역에 상당히 많다. 대표적인 곳이 전남 해남군과 진도를 가로지르는 울돌목 해협. 

문제는 조류발전이 초창기이며 기술적인 면에서 춘추전국시대라 불릴 만큼 기술표준이 난립해 있다는 점에 있다. 조류발전 분야에서 새로운 기술이 하루가 멀다 하고 나오고 있는 상황. 

국내의 경우 활성화 전 임에도 발전기 블레이드 및 컨버터 분야에서는 개발역량이 충분하다는 것이 전문가들의 평가다. 관련 부품 및 설비개발을 위해 해외기업들이 꾸준하게 국내기업과 접촉하고 있다고 한다.

조류발전에 관심을 보이고 있는 대표적인 국내기업은 오션스페이스, 에코오션, 현대건설 등이며 국가과제로 현대건설 컨소시엄이 지난해부터 조류발전을 연구하기 시작했다.

국내 해양에너지의 기술개발은 ‘대체에너지개발 및 이용·보급 촉진법’에 따라 '88년부터 기본계획을 수립하여 기술개발을 수행하고 있다. 해양특성 평가를 위해 다양한 현장조사, 자료분석, 수치모델, 및 수리모형 실험기술 개발 보유하고 있다. 첨단 IT기술과 다양한 센서를 이용하여 차세대 종합해양특성 조사 시스템을 수립 중이다. 조력·조류력·파력 개발을 위한 기초조사와 요소기술을 개발하여 우리나라 주변해역의 조력, 조류력, 파력 에너지 분포를 해석하고 변동특성을 분석하였으며, 현재 조력·조류력에 대한 핵심 요소기술의 실용화 연구 수행 중이다. 

조류발전 시금석, 울돌목조류발전소

전라남도 진도군 군내면 울돌목에 건설된 발전소로, 조류(潮流)를 이용하여 전력을 생산하는 신재생에너지 발전시설이다. 정식 명칭은 울돌목 시험조류발전소이다. 울돌목은 정유재란 때 이순신 장군이 13척의 배로 왜선 133척을 대적하여 31척을 침몰시키는 등 대승을 거둔 명량해협(鳴梁海峽)을 가리킨다. 이곳은 너비가 294m에 최고 유속 11노트로 조류(潮流)를 이용한 발전소를 건설하는 데 최적지로 꼽혀왔다. 조류발전은 빠른 물살의 힘으로 바람개비처럼 생긴 수차(水車)를 돌려 전기를 생산하는 방식인데, 댐 없이 자연 여건을 온전히 이용하는 새로운 유형의 에너지 상용화시설로서 전 세계에서 노르웨이와 영국 등 유럽 몇 나라만 시험 발전하고 있는 단계이다.

울돌목 조류발전소는 1992년 체결된 유엔기후변화협약에 따른 온실가스 감축의무에 대응하고, 친환경 해양에너지 개발기술을 실용화하기 위하여 2005년 4월 착공되었으나 조류가 워낙 빠른 데 따른 고난이도의 해상공사로 인하여 어려움을 겪은 끝에 4년 만인 2009년 5월 14일 준공되었다. 수차로는 수직축 헬리컬 터빈을 설치하고, 발전 구조물은 상부 하우스를 포함하여 가로 16m, 세로 36m, 높이 48m에 총중량 1,000t 규모로 세계 최대급이다.