삼면이 바다로 둘러싸인 대한민국. 철, 구리 등의 광물자원을 비롯하여 플랑크톤과 같은 생물자원까지, 바다로부터 이용가능한 자원만도 다양하다. 이번 해양학술에서는 바다가 주는 해양에너지원, ‘해양온도차발전’에 대한 원리와 실용에 대해 알아보았다.
해양 온도차 발전(Ocean Thermal Energy Conversion :OTEC)은 표층의 따뜻한 해수와 심해의 차가운 해수사이 온도차를 이용한다. 해수는 표면으로부터 수심 200m의 깊이를 표층수, 600~1000m를 심층수로 구분한다. 이론적으로 1℃의 온도차이로도 발전이 가능하지만 평균 20℃ 정도의 온도차이가 경제성을 갖기 위한 적절수준의 온도로 알려져 있으며 환경문제와 기후 변화에 대처하기 위한 새로운 기술로 부각되고 있다.
해양온도차 발전을 위한 세 가지 방법
해양 온도차 발전은 크게 ▲ 폐사이클(Closed-cycle) ▲ 오픈 사이클(Open-cycle) ▲ 혼합 사이클(Hybrid-cycle)의 세 가지 방식으로 이루어진다. 각각의 발전방식에 대한 특징은 명칭에서 잘 나타난다.
⑴ 밀폐 사이클(Closed-cycle)
밀폐 사이클은 증발기, 터빈, 발전기, 응축기, 작동유체 펌프로 구성되며 발전을 위해 작동유체가 사용된다. 작동유체로는 암모니아, R22, R407C R410A와 같은 유기물의 냉매가 사용되어 진다. ▲ 포화증기곡선 ▲ 열역학적 성질 ▲ 환경적 측면 ▲ 안정성 의 고려로 선정된 작동유체는 표층수에 의해 증발기를 거쳐 기화되며, 기화된 냉매는 터빈을 돌린다.
그 후 응축기를 거쳐 액화가 진행되는데, 이때 작동유체는 상대적으로 차가운 심층수에 의해 상태변화가 일어난다. 이 같은 시스템의 반복을 밀폐 사이클 작동방식이라 한다.
⑵ 개방 사이클(Open-cycle)
개방 사이클은 증발기, 터빈, 발전기, 응축기로 구성되며 해수를 직접 이용한다. 취수배수관에 의해 끌어올려진 해수는 우선 증발기내에서 감압이 이루어진다. 압력은 물질의 상태변화에 영향을 주는데, 이 경우 낮아진 압력은 물이 끓는점(100℃)보다 더 낮은 온도로 기화(액체→기체)가 이루어지게 한다. 따라서 상대적으로 따뜻한 표층수로 부터 제공된 열원은 해수를 수증기로 만들 수 있다. 이렇게 만들어진 수증기는 터빈을 움직이게 하여 발전기를 작동시키며 그 후 터빈을 돌리고 빠져나온 수증기는 응축기를 통해 액화(기체→액체)되어 증류수로 배출된다. 따라서 개방 사이클의 경우 해수의 담수화기능도 추가적으로 발생한다.
⑶ 복합 사이클(Hybrid-cycle)
복합 사이클은 개방 사이클과 밀폐 사이클을 조합한 시스템이다. 기본 구조는 작동유체의 순환으로 터빈이 작동하는 밀폐 사이클이지만, 증발기에 표층수를 직접 사용하지 않는다. 대신 표층수를 수증기로 만들고, 수증기가 작동유체를 데움으로써 순환이 일어난다. 만들어진 수증기는 증류수가 되어 밖으로 배출된다. 따라서 개방사이클이 가진 해수의 담수화기능도 함께 일어나지만 설계가 복잡하다는 단점이 있다.
기대효과
그렇다면 해양 온도차 발전의 실용화는 어떠한 효과를 창출할까? 2009년 기준 세계 9위의 전력소비량을 보이는 우리나라는 전력생산을 위한 대부분의 자원을 해외 수입에 의존하고 있다. 따라서 해양 온도차 발전의 실용화는 자원수입의 비용감소라는 경제적 효과를 달성할 수 있다. 다음으로 개방 사이클과 혼합 사이클을 이용한 발전방식의 결과 증류수가 생성된다.
이 같은 해수의 담수화 작용은 관개용수 및 음용수로 발전이 이루어지는 주변지역에 용수 공급이 가능하다. 또한 플랑크톤과 미네랄 등이 풍부한 심층수의 활용은 신 어장 형성을 비롯한 식품, 의약품 등의 고부가가치 산업의 이용도 가능하다.
세계는 지금
1881년 프랑스의 달손벌(J.D’Arsonval)에 의해 처음 고안된 해양 온도차 발전은 1973년 제1차 에너지 쇼크를 계기로 일본과 미국에서 본격적인 연구가 진행되었다. 지금까지 최대 210kW급의 실증실험을 성공하였고, 1MW급에 대한 시도가 있었다.
▲ 일본
일본은 수십 kW급 실증연구에서 세계 최고 수준에 있다. 74년 OTEC를 중심으로 한 대체에너지 개발 연구팀을 조직하였으며 사가대학의 1kW급 실험용 플랜트 제작 성공을 시작으로 동경전력 120kW급, 규슈전력 50kW급의 해양온도차 발전이 진행되었다.
▲ 미국
미국의 경우 93년 오픈 사이클 방식을 통해 213kW 발전을 성공하였다. 그 후 하와이(NELHA)를 중심으로 하와이 주정부와 미국 에너지성, 민간기금의 투자가 진행되었다. 2030년까지 365MW이상의 해양온도차 발전을 계획하고 있다.
▲ 인도
일본과의 공동 연구를 기반으로 인도 국립 해양기술 연구소(NIOT)는 5MW규모의 상용플랜트 실용화를 목적으로 하고 있다. 2007년 1,000톤/일 담수 생산에 성공하여 2001년 OTEC를 준공하여 시험 가동 하였지만 2004년 심층수 배관파손으로 중단되었다. 그러나 인도의 경우 현재 담수화와 연계한 연구는 활발히 진행 중이다.
우리나라의 현 상황
일반적으로 우리나라 해안의 표층수온은 계절에 따라 변화하지만, 동해 연근해역 심층에는 연중 1℃ 이하의 온도를 유지하는 동해 고유수가 상존하여 존재한다. 이에 표층 온수와 심층 냉수간의 온도차를 이용하면 해양온도차 발전이 가능하다는 예측이다.
1999년 서인천 복합화력 발전소 내에 20kW급 OTEC 파일럿플랜트를 설계했지만 현재는 가동이 중단된 상태이다. 또한 한전은 2014년 강릉 영동화력발전소에 10kW급 `해양 복합 온도차 발전(C-OTEC)' 파일럿플랜트 설치를 완료하고 시운전 중이다. 실증과정을 거쳐 동해안 발전설비에 적용한다면 연간 1,300억원의 경제적 효과를 얻을 것으로 추산된다.
하지만 실용화를 위한 몇 가지 제약이 존재한다. 우리대학 김유택(해사대학․기관시스템공학부) 교수는 “우리나라의 경우 적도지역보다 좋지 않은 표층수의 온도조건이 아쉽지만, 기초연구 진행을 통해 외국사례와 비교 후 대형화 플랜트 진출을 이루어야 한다”고 말했다. 또한 “터빈과 열교환기, 취수관의 안정성개발에 대한 연구도 중요하다”고 덧붙였다.
※ 파일럿 플랜트 :공업적인 공장보다 규모가 작고 실험실 규모보다 큰 공장
기존 발전소의 환경비용과 입지난, 청정에너지 개발의 필요성 증대 등 기존 에너지의 활용이 가진 문제 해결을 위한 각국의 노력이 활발하다. ‘신재생 에너지 개발’이라는 과제아래 ‘해양 온도차 발전(OTEC)’의 역할을 기대해 본다.
