월간전기



[해양에너지 발전기술의 최신동향 ①] 조류발전의 최신동향

2016-03-01

[해양에너지 발전기술의 최신동향 ①] 조류발전의 최신동향 조류발전장치는 조수의 흐름을 이용해 에너지를 회수하여 발전하는 장치이다. 조류는 태양·달의 인력과 지구의 공전에 의해 일어나는 만조(滿潮)와 간조(干潮)에 따라 하루에 규칙적으로 4번 또는 2번 방향이 바뀌기 때문에 그 유황(流況, flow regime: 유량의 연간변동 상황, 유체의 흐름 상태)을 용이하게 파악할 수 있는 에너지 매체이다. 따라서 날씨에 의해 좌우되기 쉬운 태양광 및 풍력 등 다른 자연에너지에 비해 안정적이므로 발전량을 예측하기 쉬우며, 또 해수의 밀도는 공기 대비 약 800배나 되기 때문에 같은 출력을 얻는 데 풍력발전에 비해 장치를 소형화할 수 있다는 이점도 있다. 본고에서는 조류발전장치의 개발현황 및 조류발전의 최신동향에 대해 살펴본다. 정리 편집부 조류발전장치의 개발현황 배경 최근 신재생에너지의 하나로, 유럽 특히 스코틀랜드에서 조류의 이점이 재검토되면서 2020년을 목표로 1GW급 발전도입 프로젝트가 추진되고 있다. 그밖에 북아일랜드, 캐나다, 한국, 인도 등지에서도 조류발전을 도입하려는 움직임이 보이고 있으며, 그 부존량은 전 세계 약 260GW로 추정되고 있다.([그림 1] 참조) 일본 국내에서도 동일본대지진 이후 자연에너지(신재생에너지)에 대한 재검토 기운이 높아지면서 조류발전이 주목을 받게 되었다. 또 서일본을 중심으로 22GW의 부존량이 있다고 전해져 실증시험장의 설립 계획이 세워지고 있다. 이러한 동향 속에 TGL사, Hammerfest사, Voith Hydro사, MCT사, Open Hydro사 등 주로 유럽의 장치 제조업체가 발전장치의 개발에 격전을 벌이고 있다. 장치구조 각사가 개발하고 있는 조류발전장치의 주요구성은 [그림 2]에 보이는 바와 같이 △로터 △드라이브 트레인 △타워로 구성되어 있다. 날개(블레이드)가 장착되어 있는 로터에서 조류에너지를 회전에너지로 변환하고, 드라이브 트레인(증속기·발전기)에서는 발전에너지로 변환한다. 드라이브 트레인은 다른 보조기기류와 함께 나셀이라고 불리는 관통(관 몸체) 속에 격납되어 있는 경우가 많고, 수밀구조로 되어 있다. 발전한 전기는 일반적으로 컨버터 및 변압기 등을 통해 주파수 및 전압이 조정된 후 해저케이블에 의해 육지로 송전된다. 전체적인 장치구조는 풍력발전장치와 비슷하지만, 에너지 회수에 대한 개념이 다르다. 풍력발전에서는 육상에서의 풍향이 여러 방향으로 작용하기 때문에 에너지를 효율적으로 회수하기 위해 풍향에 추종하여 나셀의 방향을 바꾸는 요(yaw) 기구의 선회구조가 필수적이다. 한편, 조류발전에서는 조류의 흐름이 정(正) 또는 역(逆)의 한 방향으로 일정하기 때문에 반드시 선회구조가 필요한 것은 아니며, 장치 비용 및 조류의 유황에 따라 요(yaw) 기구의 유무를 선택할 수 있다. 장치형식 [그림 2]의 개략구조를 바탕으로 각사의 장치는 다양한 특징을 가진다. 주요 특징으로는 (1) 로터 날개의 매수 선정(2개, 3개, …) (2) 증속기의 유무 (3) 발전기·증속기 외에 발전한 전기의 주파수 및 전압을 조정하는 컨버터·변압기의 나셀 내 탑재유무 (4) 피치 제어: 조류를 회전에너지로 변환하는 블레이드의 피치각도 가변제어 유무 (5) 요(yaw) 기구(조류의 유향(流向)에 맞춰 나셀의 방향을 선회시키는 기기)의 유무 (6) 해저 고정설치 방법으로는 △장치를 그대로 해저에 거치시키는 중력식 △파일(pile)로 불리는 말뚝을 해저에 박아 넣는 파일식 △와이어로 계류하는 계류식이 있다. 각사 장치의 특징을 [표 1]에 나타냈다. 각사에서는 (1)~(6)에 언급한 이러한 특징들을 조합하여 효율과 비용면에서의 장단점을 고려한 구조로 장치형식을 취하고 있다. 예를 들면, 날개의 매수는 각사에서 고안한 날개형태와 날개효율로 매수가 선정된다. 증속기의 유무 및 컨버터·변압기의 나셀 내 탑재 유무는 장치의 구조를 어떻게 소형화하느냐에 따른 장치의 선정 및 장치의 효율로 결정된다. 피치 제어 및 요(yaw) 기구의 채용 여부는 주기적인 흐름인 조류로부터 어떻게 에너지를 회수하느냐에 따라 결정된다. 또, 이러한 나셀 내 탑재기기는 유지보수성도 고려해야 한다. 따라서 각사에서는 이러한 조합들 가운데 조류발전장치로서 가장 적절한 형식을 모색하고 있는 실정이다. 개발에 요구되는 조건 장치 개발에 있어서는 각사 모두 다음과 같은 조건들이 설계·제작에 큰 영향을 줄 수 있다. (1) 경제조건(이니셜 코스트, 메인터넌스 코스트, 매전가격 즉, 라이프 사이클 코스트) (2) 환경조건(유속, 유향, 수심, 이안거리(離岸距離), 파고, 해저지형, 해저지질) (3) 사회조건(법규제, 생태환경, 전력소비지(니즈)의유무, 자치단체·어협 등 지역에 대한 이해) 이 세 조건의 균형을 잘 맞춰나가면서 각사의 장치사양이 결정되게 된다. 예를 들어 유속이 빠른 곳에서는 큰 출력을 기대할 수 있지만, 수심이 깊은 곳이라면 장치의 내압조건이 엄격해지고 설치비용면에서도 부담이 발생하게 된다. 수심이 얕은 곳이라면 블레이드의 회전지름을 크게 하여 출력 증대를 도모하기 어렵고 파랑의 영향을 받기 쉬우므로 고파랑(高波浪)에 대한 장치 내구성이 요구되며, 사회조건으로서는 선박의 항행에 지장을 초래하지 않도록 미리 항로조사 및 관계부처와의 사전조율이 필요하게 된다. 또, 조류가 빠른 곳은 어업에 있어 최적의 장소이기 때문에 어업권을 둘러싼 지역과의 분쟁을 해결하고 사전에 양해를 구할 필요가 있다. 각사의 개발현황 장치 개발업체는 2010년 무렵부터 1MW기의 개발에 착수해 스코틀랜드 오크니제도 Eday섬에 있는 유럽해양에너지센터(European Marine Energy Centre: EMEC)의 실해역 시험장을 비롯한 해역에서 시험운전을 개시하고 있다.([그림 3] 참조) TGL사는 2010년에 500kW기의 제작을 완료하고, 2012년에는 EMEC에서 이 기기에 의한 발전운전 및 계통연계를 달성했다. 또한 2013년에는 상용기(商用機) 기반으로 자리매김한 1MW기를 제작하여 EMEC에서 마찬가지로 세밀한 성능시험을 거쳐 상용화 계획을 추진하고 있다. Hammerfest사는 1MW기 「HS1000」 시험기를 제작하여 2011년 여름 EMEC 해역에 설치공사를 완료하고, 2012년에 이 기기에 의한 발전운전을 개시한 이후 성능시험을 계속하고 있다. Voith Hydro사는 2011년에 한국의 진도에서 실제 기기의 1/3모델을 사용한 110kW급 시험을 실시한 후 그 시험결과를 바탕으로 1MW기로 규모를 확장하였고, 2013년에 EMEC 해역에 설치공사를 완료하고 시험운전을 개시했다. Open Hydro사는 2006년도에 먼저 250kW기로 EMEC 해역에 최초로 조류발전장치를 설치했다. 그 후 상용기로서 1MW기의 개발에 착수하여 EMEC뿐 아니라, 프랑스 및 캐나다에서도 시험을 진행할 예정이다. 이 밖에도 Atlantis사 및 Scotrenewables사가 EMEC 해역에서의 실증시험을 진행하고 있다.그러나 발전시험 중 블레이드의 파손 등 내수(耐水)·중강도(中强度)로 인한 트러블 및 생소한 대형구조물 설치·회수작업 등에서의 문제 등 실용화를 향한 요소기술이 아직 충분히 발달되지 못한 실정이기 때문에 조류발전장치에서는 요소기술의 확립이 급선무라 할 수 있다. 요소기술의 개발 조류발전에서의 요소기술로는 △블레이드(날개) △ 드라이브 트레인 △동력제어장치 △타워 △메인터넌스 기술 등을 들 수 있다. 가와사키 중공업㈜도 NEDO(신에너지·산업기술종합개발기구)의 협력을 통해 이러한 요소기술의 개발에 착수해 왔다. 개개의 요소에 대한 기술검토사례를 아래에 설명한다. (1) 블레이드(날개)의 개발 각사가 개발한 날개는 흐름을 회전으로 변환하는 유체성능, 그리고 형태 및 구조가 부하에 견딜 수 있는 충분한 강도를 지니는가 알아보는 요소시험에 의해 평가된다. 유체성능시험에서는 실제기기의 1/10 정도의 나셀 모형(발전기와 증속기 내장)에 모형날개를 달아 수중을 예항(曳航)시키는 발전시험을 실시한다. 강도시험에서는 날개 재료인 복합재의 강도성능이 그 제작방법에 따라 크게 달라지기 때문에 실제기기의 큰 날개를 이용하여 평가를 실시할 필요가 있다. 날개의 길이방향 몇 군데에 유압실린더를 설치하고 실제 바닷속 환경을 상정한 부하를 날개에 가함으로써 강도를 확인할 수 있다. 여기서 유압실린더의 설치위치 및 설치각도를 조정하면 부하하중을 모의할 수 있다. 또한, 한계강도의 확인을 목적으로 고부하(高負荷)에 의해 날개의 파괴시험까지 실시하는 경우도 있다. 이와 같은 사례로, 유체성능시험의 모습을 [그림 4]에, 강도시험장치의 개략을 [그림 5]에 나타냈다. (2) 드라이브 트레인의 개발 증속기, 발전기, 그리고 발전한 전기를 소정의 전압으로 변환하는 컨버터의 성능확인을 실시하기 위해 [그림 6]과 같이 성능시험을 실시한다. [그림 6]에 보이는 시험은 Back to Back이라고 불리는 방식이며, 시험대상인 증속기·발전기·컨버터와 같은 구성을, 감속기·모터·인버터에 의한 입력부하로 하여 입력 측(모터)에서 만들어지는 부하를 시험대상에 가해 전력으로 변환하는 방법이다. 장치에는 냉각설비도 함께 구성하여 발전기의 수냉(水冷, Water cooling) 및 증속기의 유열(油熱) 교환을 위해 냉각수를 통수시켜 시험을 진행한다. 이 시험을 통해 목표 장치(드라이브 트레인)의 종합효율 달성 가능성을 평가한다. (3) 유지보수관리를 위한 기술 개발 조류발전장치는 메인터넌스(유지보수)를 위해 나셀부와 타워부를 분리할 수 있는 구조가 많다. 이 분리에 필요한 구조 및 장치의 부위에는 수중에서의 이탈 및 감합(嵌合)의 거동을 확인할 필요가 있다. 시험에서 상정되는 조류속도·조류방향 및 파고·파주기·파향 등을 재현한 조건하에 1/10 정도의 모형을 이용하여 이탈·감합의 거동확인시험을 실시할 수 있다. 확인시험의 예를 [그림 7]에 나타냈다.시험 시 동작 중의 자세를 확인함으로써 허용 경사량의 검토 및 자세제어시스템의 양부(良否)를 판별할 수 있으며, 안정된 자세제어를 얻는 데 도움이 된다. (4) 타워의 개발 타워부가 조류 스러스트력(力)에 견딜 수 있도록 타워부의 강도 검토가 필요하다. 작지만 큰 출력을 얻을 수 있는 조류발전장치는 소형 타워로 큰 하중을 지탱해야 하며, 타워부는 수십 년간 유지보수가 불가능하기 때문에 장수명이 요구된다. 특히, 용접부의 강도평가를 만족시키는 구조가 중요하다. 또 흐름의 변화 및 조류에 의한 강도변화 등 실제의 유황(流況)을 토대로 한 강도분석을 통해 타워의 과잉설계 및 설치공사의 비용 상승을 방지할 수 있다. 따라서 [그림 8]에서와 같은 하중분포를 구하는 구조강도 해석을 이용해 적절한 강도 검토를 실시하고 있다. < Energy News >