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[해양에너지 발전기술의 최신동향 ②] 해류발전의 최신동향

김대근 기자
입력 2016.03.01 00:00

[해양에너지 발전기술의 최신동향 ②]
해류발전의 최신동향

수중부유식 해류발전시스템은 설치해역을 가리지 않는 저비용의 부체계류(浮體繫留) 방식으로, 고효율의 수중터빈 발전장치에 의해 기간전원의 역할을 담당하는 새로운 발전기술이다. 본고는 해양에너지 기술연구개발을 진행 중인 일본 공동연구 컨소시엄이 NEDO로부터 수탁한 프로젝트, 「풍력 등 자연에너지 기술연구개발/해양에너지 기술연구개발/차세대 해양에너지 발전기술 연구개발(수중부유식 해류발전)」의 성과를 바탕으로 정리한 것이다.

정리 편집부

일본의 배타적 경제수역(Exclusive Economic Zone: EEZ)과 영해는 세계 제6위의 규모를 자랑하며, 이 해역에서의 해양신재생에너지 이용은 온실가스 배출 억제 및 에너지 안전 보장의 면에서 적극 추진되고 있다.

해양신재생에너지를 이용한 주된 발전방법으로는 ①연안 및 근해에서 풍력발전을 실시하는 해상풍력발전 ②파도의 상하 움직임에 따른 운동에너지와 위치에너지를 전력으로 변환하는 파력발전 ③해협 등지에서 조수 간만에 의한 흐름이 빨라지는 것을 이용하는 조류발전 ④일정한 방향으로 흐르는 난류 및 한류의 흐름을 이용하는 해류발전 ⑤저위도 해역 표층의 온수를 이용해 끓는점이 낮은 매체를 기화시키고, 그 증기로 터빈을 돌려 발전한 후 심층의 냉수로 증기를 액화시켜 재이용하는 해양온도차발전 ⑥조위차(潮位差)에 의한 위치에너지를 전력으로 변환하는 조석발전 등이 있다.
신에너지·산업기술종합개발기구(이하, NEDO)의 조사결과, 일본의 영해·EEZ에는 방대한 해양신재생에너지가 부존하고 있으며, 그로부터 대량의 전력추출이 예상된다고 보고되고 있다. 한편, 유럽과 미국, 한국, 중국, 오스트레일리아 등지에서도 파력 및 조류를 이용하여 발전하는 대형 디바이스의 개발이 활발해짐에 따라 점차 실용화 단계에 접어들고 있다.이에 따라 2011년도부터의 5개년 프로젝트로서 해양신재생에너지를 이용한 발전 디바이스의 개발을 추진하는 「해양에너지 기술연구 개발」 공모사업이 NEDO에 의해 실시되고 있으며, △파력발전 △조류발전 △해양온도차발전 △해류발전을 대상으로 다양한 형식의 발전 디바이스 개발이 이루어지고 있다.이러한 해양신재생에너지 중에서도 일본의 남안(南岸)을 흐르는 흑조(黑潮, Kuroshio current)([그림 1] 참조) 해류는 연간을 통해 안정적으로 흐르기 때문에 이 거대한 에너지를 이용함으로써 자연에너지를 이용한 청정하고 안정된 전원을 새로 구축할 수 있을 것이라는 기대가 높아지고 있다.

이 해류에너지를 유효하고 경제적으로 이용하기 위해 수중부유식 해류발전시스템([그림 2] 참조)의 요소기술 개발을 목표로 설정하고, 전술의 NEDO 프로젝트의 위탁처로서 ㈜IHI, ㈜도시바, 도쿄대학 신영역창성과학연구과, ㈜미쓰이물산 전략연구소가 공동연구 컨소시엄을 구성하여 연구개발을 실시하고 있다. 본고에서는 그 기술적 특징에 대해 소개한다.

수중부유식 해류발전시스템의 특징

본 시스템은 다음과 같은 우수한 특징을 가지고 있다.

(1) 야간 및 계절에 따른 흐름의 속도·방향 변동이 작은 안정된 해류에너지를 장기 또는 연속적으로 이용 가능하기 때문에 높은 설비이용률로 발전할 수 있고 기반전원으로서 큰 발전 전력량을 기대할 수 있다.

(2) 발전장치를 해저에 계류해 바닷속에 부유시킴으로써([그림 3] 참조) 쿠로시오 해류(黑潮)가 흐르는 수심 200~1000m에 이르는 난바다(원양) 대수심 해역(심해역)의 설치에도 대응 가능하므로 설치가능해역을 넓게 취할 수 있고 다수의 발전장치를 설치하는 대규모 발전팜(farm)의 전개가 가능하다. 이는 육상으로의 송전 비용을 상대적으로 줄이는 데 효과적이다.

또 바닷속에 있기 때문에 파랑의 영향을 받지 않고, 안정된 수심에서 운용이 가능하며 선박의 항행에도 지장을 초래하지 않는다. 또한 계류의 간편성으로 설치가 용이하기 때문에 비용절감에도 기여하고 있다.

(3) 상호 역회전하는 수중터빈을 연결함으로써 터빈의 회전에 따른 회전 토크를 상쇄시킬 수 있고, 해중에서 안정된 자세를 유지하여 효율적인 발전이 가능하다.

(4) 보수정비 시에는 터빈의 방향과 부력을 조정하여 필요에 따라 해상으로의 부상이 가능하기 때문에 유지보수 및 수리가 용이하다.

이러한 특징을 살려 본 공모사업의 설정목표인 발전단가 20엔/kWh를 달성할 수 있는 발전시스템의 실현을 지향하고 있다.

이하에 본 발전시스템의 실현을 위한 요소기술에 대해 설명한다.

터빈의 개발

쿠로시오 해류의 흐름은 빠른 개소라도 평균 유속이 약 1.5m/s로, 이러한 비교적 느린 유속에서 큰 전력을 생산하려면 구경이 크고 가능한 한 고속으로 회전하는 수중터빈의 개발이 필요하다. 본 시스템에서는 대형풍력발전과 같은 수평축 양력형 터빈을 이용하여 대형화를 통한 발전비용의 저감이 이루어지도록 정격출력 1MW의 대형터빈을 상정했으며 그 직경은 약 40m에 달한다.

터빈이 발전을 개시하는 낮은 유속부터 최대유속까지의 폭넓은 운전상태에서 발전효율이 높은 수중터빈을 개발하기 위해서는 터빈날개(turbine blade)가 발생하는 토크 및 반력 등의 유체성능을 정확하게 파악할 필요가 있기 때문에 CFD(Computational fluid dynamics, 수치유체역학)에 의한 해석([그림 4] 참조) 및 모형날개를 이용한 수조시험([그림 5] 참조)에 의해 검증을 실시하고 있다.

또 직경 약 40m에 달하는 수중터빈날개를 실현하기 위해서는 날개에 작용하는 하중을 고정밀도로 추정하여 그에 견딜 수 있는 구조 및 재료를 선정하는 작업이 중요하다. 현재, 변동하중의 설정 및 피로강도(疲勞强度, fatigue strength)를 평가하여 해수부식 환경하에서의 내구성을 확보한 저비용 고신뢰성 대형날개의 구조 및 제조 프로세스 기술의 개발, 그리고 설계기준의 작성을 실시하고 있다.

발전기의 개발

해류발전시스템은 수면 아래 약 50m 지점에 발전기를 설치하는 것을 상정하고 있다. 발전단가를 낮추기 위해서는 유지보수의 횟수를 줄여 운전비용을 저감할 필요가 있는데, 풍력발전시스템에서의 터빈과 발전기 사이에 증속기어를 넣는 방식에서는 정기적인 유지보수 작업이 필요하며, 또 윤활유에 의한 해양오염의 우려도 있기 때문에 해류발전시스템에서는 다이렉트 드라이브 방식의 영구자석 발전기의 개발을 추진하고 있다.

그러나 해류의 유속이 느려 정격회전수가 일반적인 풍력발전기의 약 절반 정도이기 때문에 발전기의 대형화 및 중량의 증가가 과제가 된다. 또 발전기의 고효율화를 실현하기 위해서는 저속회전의 영구자석식 발전기에서 전기적 손실의 대부분을 차지하는 고정자 코일의 동손 저감이 필요하지만, 고정자 코일의 단면적을 증가시켜 동손을 저감시키면 고정자 철심의 자속밀도가 높아져 철손이 증가하므로 손실의 저감이 쉽지 않다는 문제도 있다. 이러한 과제를 해결하는 데 있어 전자계 해석을 이용함으로써 △회전자 직경과 철심축 길이 등의 기본 치수 △자극수 △ 고정자 슬롯수 △고정자 코일 치수 등을 최적화하여 발전기의 소형화 및 효율향상을 달성했다.([그림 6] 참조)

발전기의 소형화에 있어서는 회전자의 자극수를 늘려 1극당 자속량을 감소시켰다. 이에 따라 고정자 철심의 배면을 통과하는 자속량도 저감되어 철심 외경의 축소가 가능해졌다.

한편, 발전기의 고효율화는 자극수의 증가에 대응하여 고정자 슬롯수가 [자극수×고정자 코일 상수]의 정수배(整數倍)가 되지 않는 분수(分數) 슬롯 방식을 채용하고, 또한 고정자 철심의 이(齒) 부분 1개에 1개의 코일을 감는 집중권 코일을 채용함으로써 1코일당 구리 단면적을 증가, 고정자 코일의 동손을 저감시킴으로써 달성했다.

송변전시스템의 개발
해류발전시스템에서는 나셀 내에서 발전한 전력을 계류삭을 따라 설치한 전력케이블을 통해 해저(200~1000m)로 보낸 후 육상으로 송전한다. 송전거리가 긴 경우는 변전소에서 전압을 높임으로써 고효율로 전력을 송전할 수 있지만, 해상풍력과 같이 바다 위에 변전소를 설치하면 케이블을 타고 해저에서 해상으로 왕복하는 과정에서 송전손실이 발생해 송전효율이 떨어지게 된다. 그래서 해류발전시스템에서는 변전소를 해저에 설치하는 해저변전소의 개발을 진행 중에 있다. 해저에 변전소를 설치함으로써 해저에서 해상으로의 송전손실이 발생하지 않고, 또한 해상에 변전소를 설치하기 위한 플랫폼 건설도 불필요하기 때문에 총 건설비용을 절감할 수 있다.

그러나 해저변전소는 높은 수압하에 설치되어 유지보수를 자주 실시할 수 없기 때문에 육상에 설치하는 송변전 기기와는 구조가 크게 달라진다. 해저설치형 변압기를 구상할 경우, 팬 정지로 인한 냉각 불량 등의 리스크를 줄이기 위해 자연순환형 냉각방식의 채용이 요구되는데 케이스(몸체) 안팎에 냉각 핀을 채용함으로써 소정의 유온(油溫, oil temperature)으로 유지하는 냉각성능을 확보해 자연순환형 냉각방식의 성립성(실현가능성)을 확인하고 있다.([그림 7] 참조) 또 비교적 용이하게 고수압(高水壓)에 대응하기 위해 절연유와 해수 간의 압력을 균등화하는 균압장치를 설치하고, 균압장치의 용적변화에 따라 압력변화에 추종하도록 함으로써 변압기를 육상설치형과 유사한 본체 케이스로 구성할 수 있었다. 향후 △균압장치 △해중 케이블과 탱크 간을 연결하는 수중커넥터 △해저설치형 개폐기 등의 검토를 진행할 예정이다.

부체·계류시스템의 개발

수중부유식 해류발전시스템은 쿠로시오 해류가 흐르는 대수심 해역에서도 설치가 가능하도록 해저에서 계류삭을 풀고 그 앞에 터빈발전장치를 장착하여 마치 바닷속에서 연(鳶)과 같은 모양으로 부유시켜 운용하는 것을 특징으로 한다.

본 시스템의 운용 시에는 <해면 → 수중 잠행(潛行) → 부유·발전 → 정지 → 부상(浮上)>이라는 상태변화가 발생하는데 어떤 상태에서도 안전성은 확보되어야 한다. 그러기 위해서는 부체 안전성에 미치는 영향을 고려한 △탑재기기의 최적 배치 및 모양 선정 △터빈날개의 양력(揚力) 등 하류방향에의 유체력(流體力) △계류삭의 장력과 부력을 포함한 균형제어가 매우 중요하다.

이러한 요소가 부체의 운동에 미치는 영향을 평가하기 위해 △부체운동 시뮬레이션 및 모형수조시험([그림 8] 참조)을 실시하여 심도(深度) 및 자세안정성(姿勢安定性)의 확보를 위한 제어성 검토 △소용돌이가 해역을 통과할 시의 부체 안정성에 대한 영향평가 △고장발생 시 및 비상시 안전성 확보 등의 검토를 실시하고 있다. 또한, 수심의 변화에 대응 가능한 내압구조 및 큰 장력에 견디는 고강도 계류삭, 해저에 설치하는 앵커(닻)에 있어서도 본 시스템에 적합한 기술을 선정하고 있다.

해류의 특성파악과 사업성 평가 실시

본 시스템 개발의 초기단계에서는 해류발전에 의한 사업 실현가능성을 고려하여 기술개발을 실시하고 있다. 해류발전의 사업성은 에너지원이 되는 해류 흐름의 특성에 크게 좌우되기 때문에 해류 흐름의 파악이 무엇보다 중요하다. 흐름의 특성파악은 해류의 수치예측 및 ADCP(초음파 도플러 유속계) 등을 이용한 해류 실측에 의해 실시하고 있다. 이러한 정보를 바탕으로 발전량과 부체 안정성을 추정하고, 이를 토대로 장치의 설계사양 및 비용을 시산함으로써 사업성 평가를 실시한다. 본 개발사업에서는 이 수중부유식 해류발전시스템의 특징을 활용하여 대규모 발전팜([그림 9] 참조)을 전개함으로써 목표발전단가를 충분히 달성할 수 있을 것으로 시산하고 있다.