조력(Tidal Power) 발전, 실용적인 해양에너지

오늘날 실용화되고 있는 해양에너지는 바다의 밀물과 썰물의 차이를 이용하는 조력 발전뿐이라고 볼 수 있다. 세계의 어떤 바다에서도 하루 두 번씩 밀물과 썰물을 만난다. 그런데 이런 조석 현상은 달이나 태양의 인력만으로 생기는 것은 아니다.

이런 기조력은 지구가 공전할 때 생기는 원심력의 차이에 의해서도 발생한다. 인류는 벌써 오래전부터 이런 조류를 이용해 왔다. 예컨대 11세기에 프랑스에서는 조류로 수차를 돌려 생기는 동력을 이용하여 옥수수나 밀을 가루로 빻기도 했다. 중세 유럽에서는 조류로 돌리는 수차를 이용하여 제재소를 가동하고 제분소도 운영했다.

조력 발전, 해양에너지 수위차 이용한 발전

조력 발전이란 조석이 발생하는 하구나 만을 방조제로 막아 해수를 가두고 수차발전기를 설치하여 외해와 조지 내의 해수를 가두고 수차발전기를 설치하여 외해와 조지 내의 수위 차를 이용하여 발전하는 방식으로써 해양에너지의 수위 차를 이용하여 발전하는 방식으로써 해양에너지에 의한 발전방식 중에서 가장 먼저 개발되었다.

현재 개발 가능한 조력자원을 보유한 국가는 세계에서 손꼽을 정도로 한정되어 있기 때문에 이들 국가에서는 조력자원을 미래의 중요한 대안에너지 자원의 하나로 지목하여 이에 대한 조사와 연구를 활발히 진행 중에 있다. 영불 해협과 이웃한 프랑스의 브르따뉴 지방의 ‘랑스’ 하구에는 밀물과 썰물의 차이가 13.5m나 벌어지고 밀물이 들어오고 나갈 때의 조류의 용량이 매초 5천m3나 된다. 프랑스는 1966년 이곳에 일당 최고 24만kW를 발전할 수 있는 조력발전소를 완공했다. 프랑스는 먼저 콘크리트 케이슨으로 랑스강 하구에 댐을 건설하여 우리나라의 팔당댐 보다 약간 적은 용량인 1만8천4백만 입방미터의 물을 담을 수 있는 저수지를 만들었다. 만조 때 이 저수지를 가득 메운 바닷물은 간조 때 낮아진 해면으로 떨어지면서 24개의 터빈 발전기를 돌린다. 바닷물이 저수지로 밀려들어 올 때도 발전기를 돌려 효율을 높일 수 있다. 조력발전의 효율을 결정하는 가장 큰 요소는 저수지의 저수량이다. 따라서 썰물과 밀물의 차와 함께 넓은 저수지가 들어앉을 수 있는 입지조건이 매우 중요하다. 조수간만의 차가 큰 곳은 황해·영국해협·아이리시 해의 연안에 있다.

조력 발전의 원리

조력 발전의 원리는 간단하다. 바닷물이 가장 높이 올라왔을 때, 물을 가두었다가 물이 빠지는 힘을 이용해 발전기를 돌리는 것이다. 수력발전소와 비슷한 원리인데, 차이점은 수력 발전의 낙차는 수십 m인데 비해 조력 발전은 낙차가 보통 10m 이하라는 점이다. 따라서 효율이 좋은 수차발전기를 개발하는 것이 관건이라고 할 수 있다. 밀물 때 수문을 닫아 두었다가 문을 열면 물이 쏟아져 들어오면서 터빈을 돌려 발전하게 된다. 썰물 때는 터빈의 날개가 반대 방향으로 돌면서 다시 발전하게 된다.

조력 발전 세계 현황

현재 가동 중인 조력발전소는 프랑스의 랑스(1967년 완공, 용량 400kW), 러시아의 키슬라야(1968년 완공, 용량 800kW), 캐나다의 아나폴리스(1986년 완공, 용량 2만kW), 중국의 지앙시아(1980년 완공, 용량 3,000kW)

등이다. 현재 캐나다, 중국, 프랑스, 러시아 등에서 조력발전소를 건설해 활용하고 있으며 우리나라를 비롯해 조력 발전이 가능한 지역을 보유하고 있는 미국, 호주, 인도 등의 국가에서도 조사 작업이 한창이다. 80년대 중반에 완성된 캐나다의 아나폴리스 조력발전소는 20kW급 대형발전소다.

프랑스는 랑스 조력발전소에 이어 연간 30억kW 규모의 조력발전소를 계획했으나 아직도 계획선에 머물러 있다. 러시아는 1968년 실험용 조력발전소를 준공했는가 하면 일본은 물결이 센 에히메현 내도 해협에서 조류발전 실험에 성공했다. 중국은 발해에서 북부만에 걸쳐 8기의 조석발전소를 보유하고 있는데 그 용량은 모두 합쳐 6천kW이다. 현재 영불 해협을 비롯하여 남북 아메리카, 중국, 러시아 그리고 우리나라 서해의 인천만, 아산만, 가로림만, 천수만 등을 포함하여 세계 도처에는 조석의 차가 크게 벌어지는 곳이 많다. 이런 곳을 이용하여 조력 발전을 한다면 수력 발전의 4배가 넘는 10억kW의 전력을 생산할 수 있다. 그러나 아직은 막대한 건설비때문에 주춤한 상태이지만 21세기 중반경에 화석연료 자원이 바닥이 나면 조력 발전은 다시 각광을 받게 될 것으로 전망된다.

조력 발전 우리나라 현황

우리나라 경기만 일대는 세계적으로 드문 조력 발전의 최적지로 부상한 곳이다. 1932년 일제강점기 때부터 발전소 설계도를 작성한 기록이 있을 정도이며 1986년 영국의 공식 조사 결과에 따르면 가로림만에 조력발전소를 지을 경우 시설용량이 40MW, 연간 발전량은 836GWH까지 가능한 것으로 판명되기도 했다.

국내에서는 현재 시험조력발전소 건설에 관한 조사사업을 추진 중에 있는데 앞으로 연구 개발되어야 할 주요 대상은 깊은 수심에서의 연안구조물 설계와 시공기술, 조력발전소 수심에서의 연안 구조물 설계와 시공기술, 조력발전소의 주요부분인 수차발전기의 설계제작기술, 발전계통기술, 발전시스템의 자동제어기술, 해수에 의한 소재의 부식방지기술 등이다.

우리나라에서의 조력 발전 건설은 서해안에 부존하는 천혜의 조력에너지를 개발함으로써 지역경제의 균형발전을 도모할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

조력 발전 장·단점

장점

- 조력 발전은 발전을 하는 지점이 결정되면 그 지점에 있어서 조위(潮位)의 변화를 예측할 수 있다.

- 청정에너지이다.

단점

- 얻어지는 유효낙차가 적고, 또한 조위의 변화가 연간을 통하여 균일하지 않으며 조위가 일정한 시간대에서는 발전할 수 없다는 문제점이 있다.

- 간만의 차가 심해야 하므로 지역적으로 한정된 장소에만 적용할 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.