Nikkei Ecology_2017.12 기술프론티어 (p52~54)

해양 에너지 발전
해류나 파도를 이용, 실증실험

CO₂를 배출하지 않는 해양 에너지 발전에 이목이 집중되고 있다. 연구 개발을 거쳐 실제 해역에서의 실증이 시작되었다. 가고시마현의 태평양 해역, 야쿠시마(屋久島)의 남서쪽으로 12개의 섬들이 늘어서 있는 도카라열도. 열도의 현관에 해당하는 구치노시마(口之島)의 앞바다에서 올 8월에 ‘구로시오’ 해류의 흐름을 활용한 ‘해류발전’의 실증 실험이 실시되었다.

-- 국내의 잠재 규모는 원자력발전 1기 분 --
구로시오 해류는 세계에서도 유수의 유속과 유량을 자랑하는 해류다. 이 해류의 에너지를 발전에 활용한다. IHI와 신에너지산업기술총합개발기구(NEDO)가 기술 개발하여 실증기를 완성시켰다. 실증기 이름은 ‘카이류(해류)’. 큰 노란색의 뼈대에 유리섬유강화플라스틱(GFRP)으로 만든 프로펠러를 2개 장착하였다. 뼈대는 폭과 길이가 각 약 20m, 프로펠러의 직경은 11m다. 해저에 설치한 추에 뼈대를 케이블로 연결하여 고정시키고, 해면에서 30~50m의 깊이에서 부유시킨다.

바다 속에서 구로시오 해류의 흐름에 영향을 받아 프로펠러가 회전하면, 뼈대에 내장된 터빈이 회전하면서 발전한다. 프로펠러 하나에 50kW의 발전기를 장착해 둔다. 카이류 1개의 총 발전 용량은 100kW. 카이류를 구치노시마 앞바다에 정류(停留)시킨 실증에서 최대 30kW의 출력을 확인하였다.

정류 시, 구로시오의 유속은 2노트(초속 약 1m)다. 카이류를 터그보트로 끌어 3노트(초속 약 1.5m)의 유속을 재현한 시험에서는 최대 출력인 100kW의 출력을 확인하였다. “실제 해역에서 실시한 국내 첫 실증이며, 자랑할 만한 성과를 얻을 수 있었다”라고, IHI 기술개발본부총합개발센터의 나가야(長屋) 부장은 말한다.

구로시오 해류는 계절에 따른 유속이나 방향의 변동이 적고 안정적이다. 그 때문에 같은 재생가능에너지인 태양광발전이나 풍력발전과 비교하면 해류발전은 주야나 계절에 따른 출력 변동이 적다. 일년 내내 안정적으로 큰 발전량을 기대할 수 있다. 발전 설비의 설비 이익률은 약 60% 이상이다. 태양광의 약 15%, 풍력의 약 20~30%와 비교하여 높은 효율을 기대할 수 있다.

NEDO가 2010년에 시산한 일본 주변의 해양 에너지의 부존량(賦存量)은 2억 500만kW다. 해저에 기기를 설치하거나 도입하는데 적합한 유속을 고려하면 130만kW 정도의 도입이 현실적이라고 한다. 원자력발전소의 1~2기 분량에 상당한다. 연간 발전 가능한 용량이며, 일본 전체 전력 수요의 약 1%를 충당한다고 한다. 약 1%라는 수치는 일본 전체로 보면 작지만, 본토에서 전력을 제공하기 어려운 섬에서 CO₂를 배출하지 않고 발전하여 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 ‘베이스로드 전원’의 역할 등을 기대할 수 있다.

IHI는 일단은 섬에서의 도입을 상정하고 2020년 이후의 실용화를 목표한다. 정부는 실용화 시의 1kWh당 발전 비용을 40엔으로 설정하고 있고, 이 가격까지 낮춘다는 계획이다. 섬의 전력은 주로 디젤 발전을 사용하고 있다. 중유 등의 연료를 본토에서 배로 운반하고 있으며 연료 가격도 수송비도 싸지 않다. 40엔은 섬에서 사용하고 있는 기존의 전력 비용과 경쟁할 수 있는 가격이다.

출력도 크게 한다. 프로펠러의 날개를 크게 하면 출력을 확대할 수 있다. 2020년대 초에 단기(單機)로 2,000kW의 규모를 목표로 한다. Wind Farm(풍력발전소)과 같이 바다 속에 수십~수백 기를 나란히 설치하여 전체적으로 출력을 확대하는 방법도 생각할 수 있다.

IHI는 앞으로 장시간 운전에 대한 실증을 통해 운용비 등의 확인을 추진할 생각이다. 단기 출력의 향상과 여러 대를 설치한 발전시스템의 경우와 설비나 설치공사, 보수, 운용 등의 비용이 어떻게 변하는지도 실증한다. 본격적인 실용에 앞서 비용 대비 효과가 높은 스케일 업을 추구한다.

“미래에는 전체 발전시스템에서 1kWh당 20엔 이하의 비용을 목표한다”라고 나가야 부장은 말한다. 구로시오 해류와 마찬가지로 유속이 빠르고 유량이 많은 해류에는 북대서양의 멕시코만 해류나 남인도 해류 등이 있다. 장기적으로는 해류 에너지 기술의 수출도 기대할 수 있을 것 같다.

-- 파도의 상하 움직임으로 터빈 발전 --
발전에 사용할 수 있는 것은 해류만이 아니다. 파도의 움직임을 활용하는 ‘파력발전’은 일본 근해에서 출력 약 540만kW의 도입이 가능하다고 한다. 이는 일본의 연간 전력 수요의 약 2%를 충당할 수 있는 규모라고 한다.
교량이나 연안 구조물의 설계∙건설을 담당하는 MM BRIDGE는 2015년에 NEDO와 공동으로 야마가타현의 사카타항에서 파력발전을 실증하였다.

사카타항의 방파제에 발전 설비를 설치하였다. 설비의 공기실은 덕트와 같은 모양으로 안쪽은 속이 텅 비어 있다. 공기실의 하단은 해면에 잠겨 있다. 덕트 안에서 해면이 파도로 인해 상하로 움직이면, 덕트 안의 공기가 압축되어 피스톤과 같이 움직인다. 압축공기의 에너지가 터빈을 회전시켜 발전하는 구조다.

파력에너지를 공기에너지로 변환하고, 공기에너지를 전기로 변환하는 ‘2단 구조’로 발전한다. 파력의 단위 면적당 에너지 크기를 나타내는 에너지 밀도는 풍력의 5~10배다. 이 설비의 경우, 터빈을 회전시키는 공기에너지의 강도는 시속 약 40m의 태풍에 필적한다고 한다.

파도는 기후나 계절의 영향을 받아 크기나 진폭이 변하기 쉽다. 그래서 파도의 상태에 변화가 있어도 공기에너지로 효율적으로 변환할 수 있도록 해면에 잠긴 덕트의 입구 부근의 구조를 개량하였다. 완만하고 작은 파도라도 효율적으로 전기로 변환할 수 있는 터빈도 채용하였다.

실증기의 최대 출력은 15kW이며, 사카타항에서의 9개월에 걸친 실증에서는 최대 13kW의 출력을 확인하였다. 규모는 작지만 앞으로 장시간 운전과 규모 확대를 위해 개발을 계속할 계획이다. “실증 결과를 바탕으로 사업화 시의 발전 단가를 계산하면, 1kWh당 40엔을 밑도는 전력 비용이 가능하다”라고 엠엠 브릿지 생산∙기술부의 기하라(木原) 부장은 말한다. 정부가 설정한 파력발전의 비용 목표를 달성할 수 있을 것 같다.

-- 발전 비용은 석탄화력 수준 --
벤처 기업인 Wave Energy Technology(도쿄)는 파력발전 시스템을 독자적으로 개발하고 있다. 올해 5월, 고베시와 고베대학의 협력으로 고베항에서 실증을 하였다. 이를 통해 “실용화에 대한 전망이 섰다”라고 웨이브 에너지의 다무라(田村) 이사는 말한다.

해면에 알루미늄제 원통(Float=부표)을 띄워 놓고, 파도의 상하 움직임을 기어에 전달, 기어의 움직임을 회전 운동으로 바꿔 발전기를 움직이는 구조다. 발전의 핵심이 되는 특수한 기어박스는 웨이브 에너지가 국내에서 특허를 취득하였다. 5월의 실증 실험에서는 높이 13.9m, 플로트의 직경이 1.2m, 10kW의 발전기를 탑재한 실증기를 고베항에 띄웠다. “상정했었던 출력을 확인하였다”라고 다무라 이사는 말한다.

웨이브 에너지는 앞으로 직경을 10배로 늘리고, 플로트 수를 늘린 출력 1,200kW의 실용기를 건설할 생각이다. 실용기의 발전 비용은 정부 비용의 목표를 크게 밑도는 1 kW당 5~7엔이 될 것으로 전망한다. 연료비가 싼 석탄화력발전이나 운용 시에 연료비가 불필요한 풍력발전, 원자력발전보다 싼 가격이다.

웨이브 에너지는 1,200kW형 외에 5,000kW형이나 수만 kW형의 설비도 건설 가능하다고 보고 있다. 앞으로 지자체 등에 대해 해양 에너지를 활용한 지산지소(地産地消) 전력의 활용을 적극 홍보해 나갈 생각이다.

-- 실용화에 정부 차원의 노력 필요 --
조수 간만의 움직임을 활용하는 ‘조류발전’도 있다. 올 10월, 소수력발전 장치를 개발하는 Kyowa Engineering Consultants 등이 NEDO와 공동으로 나가사키현에서 실증을 하였다. 일본 주변에서 예상되는 현실적인 도입 가능량은 약 190만kW이며, 일본의 연간 전력 수요의 약 0.7%에 상당하는 연간 발전량을 기대할 수 있는 규모라고 한다.

해양 에너지를 전력 공급의 일각을 담당할 수준까지 활용하기 위해서는 개발이나 사업자 육성을 위한 정부의 체계 강화가 필요하다. 일본에서는 1980년대 파력을 중심으로 실증이 추진되었지만, 2000년대에 정부 차원에서 연구개발이 축소되었다. 그 사이에 영국 등 유럽에서는 실용에 가까운 대규모 실증이 해역에서 이루어지는 수준까지 이르렀다. 일본은 뒤처지게 되었다.

NEDO는 2011년도부터 5년간, 총 50억 엔의 예산으로 해양 에너지 발전의 실증 연구와 요소 기술 개발 사업에 착수한다. 2014년에 정부가 발표한 에너지기본계획에는 파력이나 조력 등의 해양 에너지의 연구 개발을 ‘중점적으로 추진한다’라고 명기되어 있다. 그러나 명확한 도입 목표치 등은 없다. 앞으로는 정부가 기술 개발 로드맵을 책정하는 등 지원이나 실증 등의 사업을 가속화할 필요가 있다.

  -- 끝 --