해수 온도차 발전 원리 - haesu ondocha baljeon wonli

해수온도차에너지 가용량은 관점에 따라 조금씩 다르지만 1.1조kW에 달하며, 이는 세계 전체에너지 수요의 약 100배에 달하는 것으로 알려지고 있다. 고밀도 해양온도차에너지는 남북위 20도 이내의 적도 및 아열대 해역에 풍부하게 부존하고 있으며, 해양심층수가 있는 곳에서는 다양한 미활용열원을 이용하여 중소규모 분산수요에 실용화할 수 있는 잠재력도 있는 것으로 판단되고 있다. 특히, 저위도 지역 에서는 연중 변동이 거의 없는 일정한 전기 생산 및 공급이 가능한 장점이 있기 때문에 해수온도차에너지에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 우리나라 해수온도차 발전의 개발 현황과 과제를 알아보자.

새롭게 떠오르는, 아주 오래된 해양에너지
해수온도차발전은 비등점이 낮은 암모니아, 프레온 등의 냉매를 표층수에 의해 증발 시키고, 심층수의 냉열원으로 응축시키는 과정에 만들어지는 냉매 증기의 운동에너 지를 이용하여 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 것이다. 이는 화력발전이 석탄이 나 가스로 물을 끓여 증발시키고 복수기로 응축시키는 과정에 생기는 수증기의 유동 속에서 터빈을 회전시켜 발전하는 것과 유사하다.
이러한 해수온도차발전은 새로운 해양에너지처럼 들리지만 아주 오래된 해양에너 지에 속한다. 우리나라에서는 조력발전, 파력발전 및 조류발전에 이어 늦게 시작되 었지만 그 원리는 아주 오래 전인 1881년, 프랑스의 과학자 달손벌(J.d'Arsonval)에 의해 고안되었다. 이후 1973년의 제1차 석유파동을 계기로 본격적인 연구가 이루 어지게 되고, 그 결과로 50~210kW급 해수온도차발전장치 개발과 함께, 미국에서는 400MW급 발전장치의 기본 설계가 이루어지기도 하였다. 그러나 석유 가격이 안정화되면서 관심 밖으로 나갔으나, 최근 지구온난화와 석유가격 상승에 따라 미국과 일본 등에서 다시 해수온도차발전이 화두로 떠오르기 시작하였다.

우리나라의 해수온도차발전 역사
그간 우리나라에서 이뤄진 해수온도차발전에 대한 연구는 인하대학교(1998)와 한국 해양과학기술원(2003)이 해수온도차발전 기초연구와 기반구조물 핵심연구를 수행 한 바 있었지만 발전단계까지 가지 못하고 완료되고 말았다. 그 후 국토해양부의 해 양심층수의 다목적 이용개발(2001~2010) 사업에서 해수온도차에너지를 건물 냉난 방에 적용하는 기초실험을 진행한 것이 전부였다.
그러다가 해수플랜트에 대한 수요 가능성과 우리나라의 해양과학기술의 대응 준비 성을 발판으로 2010년부터 ‘해양심층수의 에너지 이용기술 개발’에 착수하게 되었 다. 이는 해양심층수를 바탕으로 하여 표층수, 지하해수, 대기와의 온도차를 활용하 여 냉난방과 전기 생산을 실현하는 핵심기술 개발을 대상으로 하는 것이다.
현재 한국해양과학기술원이 주관하고, 한국에너지기술연구원 등 13개 산학연 전문 기관이 참여하여 핵심부품 및 장비, 시스템 통합 및 운용에 대한 경제성 제고를 꾀하 고 있다. 효율 15% 향상 및 비용 15% 저감을 통해 경제성 30%를 향상시킨 상용플랜 트 설계기술을 확보하는 것이다. 이를 통해 해외 진출을 위한 40MW 이상의 해수온 도차발전플랜트를 개발하여 국부 창출에 이용하고, 200kW~5MW 온도차발전플랜트 를 개발하여 국내외 신재생에너지 공급율을 높이는 데 활용하고자 한다.
이를 위한 첫 번째 도전은 국내에서 최초로 해수온도차발전을 통해 전기를 생산해보 는 것이었다. 연구개발에 착수한 첫 해에 1MW급 해수온도차발전 플랜트를 설계하 고, 이를 축소한 30W급 실물모형(Mock-up)을 설계하여 2011년 12월에 해수온도차 발전에 대한 공개 시연회를 개최하였다. 그리고 해수온도차발전을 효율적이고, 경 제적으로 실현하기 위한 각 요소기술에 대한 연구개발을 산학연 참여기관들과 함께 다음과 같이 추진하고 있다.

해수온도차발전을 위한 필요 요건과 개발 현황
해수온도차 발전방식은 터빈방식과 열전달방식이 있으며, 본 연구개발 사업은 터빈 방식을 대상으로 하고 있다. 이는 비등점이 낮은 작동유체, 친환경 냉매를 이용하는 폐쇄순환식 발전시스템이며, 해수를 작동유체로 하는 개방순환식은 가능성을 타진 하는 정도로 검토해 나가고 있다.
이들 터빈방식의 해수온도차 발전시스템은 크게 발전설비와 탑재구조물로 이루어 진다. 발전설비는 증발기, 응축기, 터빈, 펌프, 발전기, 취수관(라이저)으로 이루어지 며, 탑재구조물은 해양구조물, 계류시스템 등으로 이루어진다. 이들 각각에 대한 요 소기술의 확보와 시스템 통합기술의 향상이 필요하다.
해수온도차 발전방식은 터빈방식과 열전달방식이 있으며, 본 연구개발 사업은 터빈 방식을 대상으로 하고 있다. 이는 비등점이 낮은 작동유체, 친환경 냉매를 이용하는 폐쇄순환식 발전시스템으로, R22(프레온), 암모니아 등이 작동유체로 적용되어 왔다.
우리 연구팀은 발전단가를 내릴 수 있고, 지구온난화지수가 낮은 작동유체를 사용하 기 위해 세계적으로 시도된 바 없는 R32 냉매를 이용한 해수온도차발전을 개발하고 있다. R32는 다른 냉매보다 증기압이 높아서 기술적인 어려움은 있지만 유사한 출력 을 내기 위한 요소 시스템 즉, 터빈, 열교환기, 해양구조물 등을 15~30% 정도 줄일 수 있어서 경제성을 높일 수 있다.
해수온도차발전의 심장부인 터빈발전기는 주로 반경류식과 축류식이 적용되어 왔 으며, 작동유체의 순환조건을 고려하여 이에 적합한 터빈을 선정하고 개발할 필요가 있다. 수백 kW급 이하의 경우에는 내향 반경류식, 스크류식 등이 이용될 수 있고, 상 용플랜트 규모는 축류식이 적합한 것으로 판단된다. 현재 20kW급 파일럿플랜트에 대한 설계를 완료하고, 이에 적합한 반경류식 터빈발전기를 제작해 놓은 상태이다.
이를 바탕으로 올해 여름에 20kW급 해수온도차발전에 도전할 계획이다.
작동유체의 증발과 순환을 일으킬 동력을 해수열로부터 전달받는 열교환기는 내식 성이 좋은 티타늄을 이용한 셀앤튜브식, 플레이트식 등으로 적용되고 있는데, 비싼 티타늄을 대체하기 위한 알루미늄합금, 특수코팅 등의 소재 개발이 이루어지고 있 다. 또한 해수 열교환기는 내식성뿐 아니라 높은 증기압에 견뎌야 하는 내압성도 요 구된다. 이러한 내식성과 내압성을 향상시키기 위한 노력이 미국을 중심으로 이루 어지고 있고, 우리도 스테인리스나 알루미늄을 모재로 특수 코팅을 시도하고 있다.
이를 플레이트식 열교환기에 적용하여 성능평가를 하고 있다.
한편, 해수용 열교환기에서 발생할 수 있는 부식, 스케일링, 생물 부착 등의 문제를 줄이기 위해 선진국들이 검토하고 있는 염소, 오존 처리 등의 방법 대신 환경을 고려 한 기계적 세정 방안을 시도하고 있다.
해수온도차발전은 해양심층수 취수 조건 및 산업 수요 등에 따라 발전플랜트를 육 상이나 해상에 설치하여 이용할 수 있다. 소규모 분산수요에 적합한 육상형은 취수 관으로, 대규모 상용플랜트의 해상형은 라이저로 해수를 취수하여 이용하게 된다.
발전 장치의 열원을 공급하는 라이저(취수관)는 상용플랜트의 경우, 직경이 약 10m 이상이거나 4~5m관의 다발로 필요한데, 현재 1MW 해수온도차발전에 필요한 직경 1.6m급 복합재 라이저를 설계하고, 시제품 제작을 완료한 상태이다.

가장 중요한 경제성 확보를 위한 노력
해수온도차발전은 가용량이 풍부하고 변동성이 적어 기저부하를 담당할 수 있는 신 재생에너지로 주목을 받고 있다. 이에 대한 종합적인 타당성 평가는 완벽하게 이루 어지지 않은 상황이지만 초기투자비 및 발전단가에 대한 경제성 검토는 다양하게 이 루어져 왔다.
해수온도차발전플랜트의 개발비용은 규모 및 설치 조건에 따라 달라지지만 10~100MW급이 제작, 운영된다면 초기투자비는 8,800,000~13,530,000원/kw, 발전단가는 21,500~31,570원/kwh 정도가 될 것으로 추정되고 있다(IEA-OES). 우리나라가 개발하고 있는 해수온도차발전 시스템은 새로운 냉매를 채용하여 터빈과 열교환기, 해양구조물을 약 15~30% 축소시킴으로써 초기투자비는 7,904,000/kw, 발전단가는 20,000~21,500원/kwh로 낮추는 것을 목표로 하고 있다.
이러한 경제적 해수온도차발전 플랜트를 2020년까지 실용화시키고자 하는 우리의 도전은 계속되고 있다. 이를 통해 적도에서 극지까지 해수온도차 에너지를 기반으 로 한 그린인프라 구축에 우리 해양과학기술, 우리 해수플랜트가 활용될 수 있도록 역량을 모아야 할 것이다.

김현주 한국해양과학기술원 해양심층수연구센터 책임연구원

잠재량 풍부한 청정에너지…1㎿ 해수온도차 발전기 상용화 ‘눈앞’

[한국에너지신문] 신재생에너지 중 해양에너지가 차지하는 비중은 아직 1% 수준으로 미미하다. 그러나 기술 발전은 상용화 가능성을 높이고 있다.

세계적으로 해양에너지는 부존 잠재량이 연간 전력 생산량의 약 4배에 이를 정도로 풍부하며, 고갈 위험이 전혀 없고 환경오염 문제가 상대적으로 적으며 일단 개발되면 운영비가 거의 들지 않는 등 무공해 청정에너지로서 가치가 높다.

조력발전을 제외한 전 세계 해양에너지 연간 설치 규모는 2017년 기준 115㎿로 2025년에는 748㎿까지 증가할 것으로 전망된다. 그중에서도 특히 해수온도차 발전, 파력, 염도차 대비 조류발전의 성장이 급속도로 이루어질 전망이다.

부존 잠재량, 세계 에너지 수요 100배
표층수·심층수 온도차로 24시간 전기 생산
적도·남북회귀선 사이 해양이 가장 적절
발전량 변동 거의 없어 전기 공급 안정적

김양수 해양수산부 차관(오른쪽)과 키리바시 공화국 루아테키 테카이아라 장관이 협약 체결 후 함께 포즈를 취하고 있다.

■ 해수부, 적도 인근 키리바시서 1㎿급 해수온도차 발전 실증 사업

해양에너지 가운데 최근 주목을 받고 있는 것이 해수온도차 발전이다. 국내 해수온도차 발전 부존량은 4000㎿ 정도지만, 전 세계의 부존 잠재량을 합치면 연간 1만TWh에 이른다. 이는 전 세계 에너지 수요의 약 100배에 해당한다. 이에 따라 우리나라는 기술 개발과 더불어 해외 진출에 박차를 가하고 있다.

이러한 움직임의 일환으로 태평양 한가운데 적도 부근에 있는 나라인 키리바시에 우리 기술로 만든 1㎿급 해수온도차 발전기가 설치된다. 정부는 올해 8월까지 동해상에서 실증을 완료하고 2021년에 실제 설치까지 진행하기로 했다.

이를 위해 지난달 11일 해양수산부는 정부세종청사에서 키리바시 공화국 인프라지속가능에너지부와 함께 해수온도차 발전 실증 및 기술협력 등을 위한 업무협약을 체결했다. 양국은 우리나라에서 개발 중인 1㎿급 해수온도차 발전기를 키리바시 공화국 해역에 설치·운영하고, 1㎿급 해수온도차 발전기의 실증을 위한 기술 및 인력 교류 등에 협력할 것을 약속했다.

우리나라는 2013년 20㎾급 해수온도차 발전 파일럿 플랜트 제작에 성공했다. 10㎾ 이상 설비로는 미국, 일본, 프랑스에 이어 세계에서 네 번째다. 2014년 200㎾ 해수 고온도차 발전기도 제작했고, 2016년부터 상용화 모델인 1㎿ 발전기 제작을 추진하고 있다. 이미 이 발전기의 상세설계는 프랑스선급의 실용인증(AIP)을 획득했다. 키리바시 해상에 설치되는 발전기도 이 모델이 될 전망이다.

한편 실제로 키리바시 실해역에서 실증해 운영이 이루어지면, 현재 디젤 발전방식에 의존하고 있는 키리바시 수도 타라와섬 전력 수요의 1/6 내외를 1㎿급 해수온도차 발전기를 통해 공급할 수 있을 것으로 보인다.

이외에도 다양한 경제적 효과를 기대해 볼 수 있는 것이 바로 이 시장이다. 1㎿급 해수온도차 발전 실증이 성공적으로 이루어진다면 2030년 약 5~6조원 규모로 전망되는 세계 시장을 선점할 수도 있다. 이를 위해 키리바시뿐만 아니라, 적도 인근 해양을 보유한 다양한 나라 와도 관계를 더욱 돈독하게 다질 예정이다.

  ■ 전력 전환 효율 5% 내외로 낮지만 발전량 변동 거의 없어

20㎾급 해수온도차발전

해수온도차 발전은 바다의 표층수와 심층수의 온도 차이를 이용해 전기를 생산하는 발전 방식이다. 태양광 발전과 달리 낮과 밤 모두 발전할 수 있다는 점이 가장 큰 장점이다. 폐쇄 순환식과 개방 순환식, 혼합 순환식 등으로 방법이 나뉜다. 해수온도차 발전에는 가열과 냉각 등 온도에 따라 상태 변화를 일으켜 동력을 발생시키는 액체나 기체 등의 작동 유체가 필요하다.

폐쇄순환식은 상대적으로 고온(20~30℃)인 표층수로 작동유체를 기화시키고, 상대적으로 저온(1~8℃)인 심층수를 통해 작동유체를 액화시키는 순환 과정을 반복하면서 전기를 생산한다. 전력전환 효율은 5% 정도로 펌프 효율을 포함해 전체 시스템의 효율이 2.5% 내외이지만 상대적으로 설비 단가가 저렴하다.

작동유체로는 대개 암모니아, 프로필렌 등이 사용된다. 냉매 증기가 가지고 있는 운동에너지를 이용해 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 방식이기 때문에, 일반 화력발전이 석탄과 가스 등의 연료를 태워 물을 끓여 수증기로 터빈을 회전시키는 방식과 비슷하다.

개방 순환식은 해수 표층의 온수를 작동유체로 직접 사용한다. 표층 온수는 펌프로 증발기에 유입되고, 증발기는 진공펌프로 압력을 낮추어 온수가 상온에서 끓게 하며, 생성된 증기로 저압 터빈을 구동시켜 전력을 생산한다.

터빈을 통과한 증기는 심층 냉수로 열교환기에서 응축돼 부산물로 담수가 얻어진다. 개방식은 상대적으로 효율이 높아 더 많은 전력을 생산하고 담수를 활용할 수 있는 것이 장점이다. 하지만 설비 단가는 폐쇄식보다 비싸다. 개방식의 전력변환 효율은 약 5.5%, 전체 시스템의 효율은 약 3.0% 정도다.

해수온도차 발전은 일반적으로는 심층수와 표층수의 온도 차이가 17℃ 이상인 경우가 적절하다. 적도와 남북회귀선 사이의 해양이 적절한 것으로 평가된다. 이 때문에 이 해역에 있는 키리바시, 투발루, 나우루, 마셜제도 등의 나라에서 관심이 높다. 키리바시는 아노테 통 전 대통령, 투발루는 에넬레 소포아가 수상 등이 관련 기술 지원을 요청하기도 했다.

이 지역에서는 한 번 설치만 하면 다른 재생에너지원이나 해양에너지원과 달리, 연중 발전량 변동이 거의 없이 일정하게 전기를 생산해 공급할 수 있다. 에너지저장장치와 같은 보조 수단도 필요하지 않다. 또한 해양심층수가 있는 해역에서는 다양한 미활용 열원을 이용해 중소규모 분산수요에 대처할 수 있는 잠재력도 있을 것으로 보인다.

키리바시 역시 적도 바로 위라고 할 수 있는 북위 1도 19분, 동경 172도 59분에 위치해 있다. 연중 표층수 온도도 26~29℃ 정도로 일정하게 유지돼 1년 내내 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 해수온도차 발전의 최적지라고 할 수 있다.

해수온도차 발전 기술개발 및 실용화 연구는 현재 EU, 일본, 미국 등에서 활발하게 이루어지고 있다. 우리나라와 같이 적도에서 먼 곳은 상대적으로 이 차이가 그리 크지 않지만 해안 근처의 온배수를 이용하거나, 해역에 따라 10~15℃ 내외의 온도차가 있는 곳에서 활용할 수 있는 것으로 알려져 있다.

해수온도차를 이용하면 발전소 이외에 냉난방시스템도 만들 수 있다. 해수온도와 대기온도의 차를 이용해 대기온도를 냉각·가열하는 공기히트펌프, 해수를 이용해 냉난방 계통 내에 순환되는 냉온수를 냉각·가열하는 해수열원히트펌프로 구성된다. 냉각시스템에 이용되는 냉동기의 응축기 부분에서 공기열원 대신에 해수열원을 이용해 냉매를 냉각시켜 냉동효과와 시스템 효율을 동시에 높일 수 있다.

■ 19세기 첫 고안…1970년대 석유파동 때 미국이 본격 연구

해수온도차 발전 개념도

이 방식의 발전 시스템 원리는 이미 19세기에 고안됐다. 1881년 프랑스의 과학자 다르송발(J.A.d’Arsonval)이 화력발전의 원리를 바닷물에 적용해보는 과정에서 해수온도차 에너지를 발견했다.

당시에는 별도의 연료가 필요하지 않았기 때문에 매력적인 아이디어로 인정받았다. 하지만 화학적 안정성이 있고, 끓는점이 낮은 냉매를 찾기 어려웠고 깊은 바다까지 이르는 순환계통을 만드는 것이 당시 기술로는 불가능했다.

실제로 본격적인 연구가 이뤄진 것은 1970년대 석유파동이 일어났을 때다. 미국은 록히드마틴 등을 앞세워 이를 본격적으로 연구해 1979년에 하와이 인근 해역에서 50㎾급 해수 온도차 발전소를 건설해 실증실험에 성공했다.

일본도 2년 뒤인 1981년 남태평양 나우루에 120㎾급 해양온도차 발전소를 세웠다. 미국 에너지부는 시험발전소 가동이 성공하자 바로 40㎿급 발전소를 계획했지만, 1990년대 들어 유가가 계속 떨어지자 무산됐다.

한편 우리나라에서는 1998년부터 연구가 시작돼 2013년 20㎾급 해수온도차 발전 시스템을 성공적으로 실증했다. 이외에 해수-미활용열 고온도차 발전도 200㎾급 설비가 2014년부터 강원도 고성의 해양과학기술원 선박해양플랜트연구소에 구비돼 있다.

해양표층수를 대신해 연안 인근의 산업단지와 발전소 등지에서 나오는 온배수를 열원으로 이용하는 방식이다. 해수온도차는 20~30℃의 온도차를 이용하기 때문에 효율이 3% 내외지만, 고온도차 발전은 열수와 해양심층수의 온도차가 70℃ 내외이기 때문에 효율을 7% 정도로 높일 수 있다.

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