해양에너지 정의 3면이 바다인 국내에 최적화 된 신재생에너지

우리는 태양, 바람, 땅, 물을 비롯한 자연 그대로의 원천들을 통해 여러가지 에너지를 얻을 수 있다. 물에서 얻을 수 있는 에너지는 수력과 수열에너지만 있을까? 답은 아니다. 그 중에서도 특히 물은 다른 자연 에너원에 비해 활용할 수 있는 에너지의 종류가 조금 더 많다. 지금부터 물에서 얻을 수 있는 에너지들 중 3면이 바다인 국내에서 활용하기에 가장 적합할 수 있는 해양에너지에 대해 알아보고자 한다.

먼저 바다의 기원은 약 45억 년 전으로 거슬러 올라간다. 각종 미행성 충돌로 인해 지구가 탄생됐고 초기의 지구는 마그마로 뒤덮혀 있었다. 지표의 물이 증발하여 수증기가 되고, 수증기가 모여 비가 되어 내리는 순환과정이 오랜기간 지속됐다. 그 결과 대지와 바다가 식었고 오늘날 지구 전체의 71%를 차지하는 바다가 탄생한 것이다.

바다가 가진 위력이 얼마나 대단한 지는 우리 모두가 잘 알고 있다. 안타깝지만 과거 인도양과 일본에서 발생했던 쓰나미만 떠올려봐도 그 파괴력이 엄청나다는 것을 알 수 있다. 하지만 이 엄청난 힘을 반대로 생각해보면 그만큼 사용할 수 있는 에너지의 양이 많다는 것이 된다.

실제로 지구 전체의 바다는 연간 24조 달러의 자산 가치를 가졌다고 평가된다. 그리고 매일 같이 파도가 움직이며 만들어내는 에너지는, 전세계에서 생산하는 연간 에너지 수요의 100배 정도에 달한다고 한다. 따라서 이런 바다가 가진 에너지를 어떻게 활용할 것인지에 대한 연구가 밑바탕이 되어 원천 기술을 확보하게 된다면 우리는 상상을 초월한 대체에너지를 얻을 수 있다고 생각한다.

엄청난 잠재력을 가진 해양에너지에는 어떤 것들이 있는가?

해양에너지는 바닷물을 이용하여 최종적으로 전기를 생산하는데 사용되는 에너지를 뜻한다. 그리고 이 해양에너지는 크게 4가지로 볼 수 있다. 첫째 수열에너지와 혼동할 수 있는 온도차에너지이다. 이것은 수심에 따라 달라지는 온도차를 이용하는 방법이다. 심해의 수온은 4도 이하이며 해수 표면의 온도는 대략 10 ~ 30도 정도이다. 암모니아 같은 물질을 심해의 저온으로 보내면 액체가 상태로 부피가 축소하게 된다. 이 부피가 축소된 액체를 해수 표면의 고온으로 보내면 기체가 되고 팽창하게 되는데 이 때 발생하는 압력으로 터빈을 돌려 전력을 생산하는 것이다.

온도차에너지의 특징은 별도의 저장 장치를 필요로 하지 않는다는 것이며, 낮과 밤의 구별없이 전력생산이 가능하다. 또한 기존화석연료를 전혀 사용하지않기때문에 이산화탄소의 배출이 전혀 없다. 하지만 부식에 영향을 받지 않는 재료로 만들어야 하며 오염에 대한 대비책이 필요하다. 열역학적으로 전력생산 시 2 ~ 3% 정도의 시스템 효율을 보이는데, 더 높은 효율을 얻기 위해서는 최적의 작동유체를 개발해야한다는 과제를 안고있다.

이 발전방식은 1800년대 후반 프랑스에서 최초로 제안됐다. 하지만 당시의 기술적 한계로 인해 빛을 발하지 못했고, 이후 1970년대 미국 하와이에서 실험용으로 설치한 온도차 발전소가 성공을 거두게 되면서 알려지게 됐다. 이 발전방식은 어류 양식 및 해양생물 보호를 위한 환경조성에 큰 도움이 될 것이라고 한다. 그래서 미국뿐만 아니라 일본과 인도 등 선진국에서 적극적으로 연구하고 있다.

둘째 파도의 힘을 이용한 파력에너지이다. 일반적으로 바다에 가면 볼 수 있는 현상을 이용한 것이다. 파도는 쉴새없이 육지로 밀려오는데 이때 물 입자는 전후운동을 하지만 수면은 상하운동을 반복하게된다. 파력에너지의 경우 발전원리에 따라 가동물체형, 진동수주형, 월파형으로 분류된다. 가동물체형은 바다에 물체를 띄우고 수면의 변화에 따라 변하는 물체의 움직임을 이용해 전력을 생산하는 방식이다. 진동수주형은 파도의 상하운동으로 인해 파력발전소 내부 공기가 압축 및 팽창을 하면서 터빈을 돌리고, 그 결과 전력을 생산하는 방식을 일컫는다. 월파형은 파도가 칠 때 일정한 높이에서 물을 가뒀다가 떨어뜨릴 때 위치에너지를 이용하는 방식이다.

파력에너지의 가장 큰 특징은 실용적이라는 것이다. 소규모로 개발이 가능하며 방파제 역할을 할 수 있기때문이다. 비록 초기비용이 많이 들어가긴 하지만 한 번 지어놓으면 반영구적으로 사용이 가능하다. 국내 해안의 구조상 큰 파도가 지속되지 않는다는 단점을 가지고 있다.

파력에너지에 대한 세계적인 관심이 증폭된 계기는 1차 석유파동 때문인데, 고갈될 것 같지 않던 자원의 고갈위험과 환경오염에 대한 인식이 생겨나면서 대체에너지를 찾기 시작한 것이다. 이후 일본, 영국, 덴마크에서 파력 발전소 및 장치를 설치해 시험하고 있으며 노르웨이도 500kW급 발전소를 건설 중에 있다. 국내에는 2016년 제주도 용수리에 준공된 500kW급 시험용 파력발전소가 있다. 이 발전소는 용수리 120가구가 연간 사용할 수 있는 전력을 생산하여 제공하고 있다.

셋째 조력에너지는 조석에너지라고도 하는데 해수의 상하운동을 말한다. 즉 밀물과 썰물의 에너지를 활용하는 것인데, 밀물을 가두었다가 썰물에 내보냄으로써 터빈을 돌려 전기를 생산하는데 사용된다. 초기비용이 많이 든다는 단점이 있지만 화석연료 고갈에 대한 대비책으로 경쟁력이 있다고 보는 에너지 중에 하나이다.

조력발전소로는 프랑스가 유명하지만, 2008년부터 전력생산을 시작한 국내 시화호 조력발전소가 세계에서 가장 크다. 시화호 조력발전소가 있는 서해는 간만의 차가 9m에 달하기때문에 국내에서 조력발전을 하기에 최적의 입지인 셈이다. 하루에 두 번 총 254MWh의 전력을 생산한다.

마지막으로 조류에너지가 있다. 밀물과 썰물의 에너지를 활용한다는 점에서 조력에너지와 비슷해보이지만 조류에너지는 말 그대로 해수의 빠른 물살을 뜻한다. 계절의 영향을 받지 않는다는 장점을 가지고 있지만 빠른 물살로 인해 발전 장비 건설에 기술적인 어려움이 있다.

대한민국 역대 영화 중에 1700만 관객을 동원하며 박스오피스 1위를 차지하고 있는 명량이라는 영화를 알 것이다. 한국의 위인인 이순신 장군의 명량해전을 담은 영화이다. 명량해전은 진도와 해남 사이에 있는 울돌목이라는 곳에서 일본 수군의 대함대를 상대로 완승을 거둔 장소로 국내에서 유속이 가장 빠른 곳이다.

조류발전의 효율성을 따져보면 유속이 초당 2m는 되어야 경제성이 있다고 할 수 있는데 울돌목의 평균 유속은 초당 5.5m나 된다. 그래서 여기에 시험적으로 조류발전소를 설치하기도 했다. 주변의 400가구 정도가 연간 사용할 수 있는 규모인 1000kW급으로 시범 운영을 끝마쳤는데 유속이 빠름에도 불구하고 경제성이 낮다는 이유로 한 때 철거위기에 놓이기도 했었다.

발전방식에 따른 입지조건

온도차에너지 발전의 입지조건은 표층수와 심층수 사이의 온도차가 연중 17도 이상인 기간이 많아야 한다. 파력에너지 발전은 육지에서 약 30km 떨어진 거리에 수심은 300m 미만의 해상이어야 한다. 조력 발전의 경우 평균적으로 간만의 차가 3m 이상이어야 하며, 해저의 지반이 견고해야한다. 구조는 막혀있는 만의 형상을 띄어야하고 생산된 전력을 사용하려는 곳이 가까워야 한다. 끝으로 조류 발전은 유속이 2m/s 이상인 곳이어야 하며, 조류의 흐름이 분명히 나타나는 곳이어야만 한다.