Wild Energy를 Mild Energy로 바꾸는 명량의 기적!

- 능동제어형 조류발전 기술개발 사업 현장시연회 개최 -

해양수산부 국가연구개발사업의 일환으로 KIOST가 개발하고 있는 ‘200kW급 능동제어형 조류발전시스템(이하 KS200)’이 자체 설계, 제작, 조립과정과 다양한 시험을 거쳐 드디어 완성되었다. KIOST 해양공학연구본부는 지난 5월 18일 경남 고성군 동해면에 위치한 EK중공업(주) 고성공장에서 새로운 해양에너지산업의 미래를 이끌어 갈 조류발전기의 현장 설치를 앞두고 관련 전문가들을 초청하는 현장 시연회를 개최, 조립이 완료된 모습과 다양한 기능을 선보이는 뜻깊은 자리를 마련했다.

유속·유향 변화에 능동적으로 대처하고
높은 효율성과 적용범위가 넓은 조류발전시스템¹⁾ 개발

조류발전은 조수간만의 차이를 이용하는 조력발전과 달리 바닷속에 설치된 터빈을 돌려 전기를 생산하며, 별도의 댐과 방파제를 설치하지 않아도 되는 친환경 발전시설이다. KIOST는 2001년부터 『조류에너지 실용화 기술 개발』 연구를 통해 국내 최초로 전남 해남군과 진도군 사이의 울돌목²⁾ 울돌목은 정유재란 당시 충무공 이순신 장군이 12척의 배로 330여척 왜선을 무찌르면서 명량대첩을 승리로 이끌었던 역사의 현장으로, 폭은 294m 정도지만 유속이 최대 11노트에 달해 국내 해협 중 가장 물살이 빠른 곳이자, 조류 발전의 최적지로 꼽히고 있는 지역이다. 근방에 수직축 조류발전장치를 설치(2003년 40kW급 1기, 2009년 500kW급 2기)하여 시험 가동한 바 있다. 이후 국책사업으로 추진되고 있는 『능동제어형 조류발전 기술개발 사업』(2011년 11월~2018년 10월)에서는 급변하는 유속·유향에 능동적으로 대처하고 높은 효율성과 적용범위가 넓은 조류발전시스템(유속 2m/s 이상 조건에서 발전출력 200kW, 발전효율 25%, 설비이용률 30% 이상)을 개발하였으며, 7차년도인 현재 성능평가와 표준모델을 제시하기 위한 연구를 진행 중이다. 금번 행사에서 첫 선을 보이는 KS200은 상용화 규모인 1MW급 조류발전시스템 개발의 전 단계로, 기존의 수직축 터빈보다 효율성이 높고 대규모 단지 조성에 적합한 수평축 터빈 방식이 적용되었다.

1)조류로부터 전기에너지 변환에 사용되는 조류발전기와 지지구조물, 해저케이블, 전력변환장치 등 하드웨어와 이를 제어하는 소프트웨어로 구성된다.

2)울돌목은 정유재란 당시 충무공 이순신 장군이 12척의 배로 330여척 왜선을 무찌르면서 명량대첩을 승리로 이끌었던 역사의 현장으로, 폭은 294m 정도지만 유속이 최대 11노트에 달해 국내 해협 중 가장 물살이 빠른 곳이자, 조류 발전의 최적지로 꼽히고 있는 지역이다.

표 1. 『능동제어형 조류발전 기술개발 사업』 연구 로드맵

그림 1. KS200 개념도
그림 2. KS200 제작 도면 및 주요 모듈

향후 개발이 추진될 1MW급 조류발전시스템에 대한 관심과 참여를 유도하기 위해 열린 본 행사에는 해양수산부를 비롯해 한국수력원자력, 한국동서발전 등 한국전력공사 산하 6개 발전회사의 관계자 및 전문가 30여 명이 참석하였으며, 현장 시연에 앞서 고성공장 세미나실에서 KIOST 해양공학연구본부 이광수 책임연구원으로부터 KS200 개발의 구체적인 현황을 보고받았다. 이광수 책임연구원은 본 사업이 3개사(금성이앤씨(총괄 및 시운전), EK중공업(주)(제작 및 조립), 한국해양기술(주)(설치 및 유지보수시험))의 공동주관 하에 진행되었으며, 시스템의 설계/제작/설치와 핵심 부품 조달에 있어 ㈜강남제비스코 등 11개의 국내 업체들이 참여한 것을 알리고 많은 분들의 도움으로 개발 초기 단계부터 Supply-Chain을 구성하여 공동 연구 및 현장 실험을 성공적으로 수행할 수 있었음에 감사를 표했다.

사진 1. 고성공장 세미나실에서 진행된 KS200 개발 현황 보고
사진 2. KS200 개발 현황을 보고하는 KIOST 해양공학연구본부 이광수 책임연구원

20kW급 축소모형 실증시험 영상 소개 및
조류발전기의 블레이드와 러더 구동을 통한 유속·유향 제어 방법 시연
입상작품 약 20여 점 및 독도연구 관련 자료 전시

현황 보고가 끝나자 참석자들은 곧바로 조류발전기가 조립·전시된 공장 1층 현장으로 이동했다. 시연회 진행을 맡은 KIOST 해양공학연구본부 수중건설로봇사업단의 김지훈 박사는 2016년에 20kW급 축소모형(1/5 스케일 실증모델)을 이용해 실해역에서 진행된 실증시험 영상을 소개하며 터빈 내부에 26종의 센서가 내장되었고, 상태 모니터링 시스템(Condition Monitoring System, 이하 CMS)³⁾ 조류발전기 내부의 각종 센서를 이용하여, 현 상태의 상황을 정량적으로 계측하는 소프트웨어 시스템 을 통해 터빈의 진동과 기울기, 출력값 등을 예측할 수 있다고 설명했다. 또한 조류발전기의 비상상황 대응 체계도 소개되었는데, KS200은 전원 및 데이터 케이블의 통신 단선 시 자동적으로 작동을 멈추고(auto-parking), 설계 유속 4.4m/s 이상에서 피치 모터가 고장 날 경우 고용량으로 설계된 동력전달축 비상정지 브레이크가 블레이드를 파단, 블레이드 외 전체 시스템을 보호하도록 설계되었다고 전했다.

3)조류발전기 내부의 각종 센서를 이용하여, 현 상태의 상황을 정량적으로 계측하는 소프트웨어 시스템

사진 3,4. 20kW급 실증모델(1/5 스케일 모델)을 이용한 실해역 발전효율 실증시험 영상을 소개하는
KIOST 해양공학연구본부 수중건설로봇사업단의 김지훈 박사(좌)와 참석자들의 참관 모습(우)

곧이어 조류발전기의 블레이드 구동을 통한 유속 제어 방법과 러더 구동을 통한 유향제어 방법이 시연되었다. 육상 중량 81ton, 수중 중량 23ton의 규모로 설치될 KS200은 메타포(Metaphor)디자인 기법을 이용하여 상어의 날렵함을 은유적으로 설계에 반영한 것인데, 방향타(Rudder) 제어의 경우 생체모방 기법을 이용하여 상어의 꼬리치기에 의한 반력으로 회전하는 방식을 모사한 것이다. 직경 12m, 정격 속도 16rpm의 블레이드가 시계방향으로 회전하자 급변하는 유속을 가정, 독립된 각각의 블레이드에 연결되어 있는 전기 서보모터에 의해 블레이드 피치(축 회전)를 조정하고 유향이 바뀔 경우에는 후면 러더가 능동적으로 제어되는 모습을 확인할 수 있었다. 이는 조류의 거친 흐름을 순화시키고 최적의 효율로 발전할 수 있는 능동제어의 핵심기술로, 참석자들은 계단을 올라가 보다 가까이서 블레이드와 러더의 구동 모습을 관찰하기도 했다.

사진 5,6. 블레이드 및 러더 구동 시연을 참관하는 모습

KS200의 설계부터 제작, 설치의 전 과정
& 다양한 모형실험과 성능평가 결과 소개

행사장 한편에는 조류발전 지지구조물 설계부터 제작, 설치의 전 과정과 실증실험 결과, 제원과 설치 예정지의 정보를 소개하는 판넬이 전시되었다. 특히 2016년 현대건설(주)이 지지구조물인 원형케이슨과 설치전용 바지선인 명량호를 제작하고 수중에 시험설치를 완료한 과정을 사진으로 볼 수 있었는데, 시공 당시 명량호에는 지지구조물을 정확한 위치에 안전하게 설치할 수 있도록 크레인 2대와 여러 가지 보강 장치가 탑재되어 경사도와 좌표 확인 결과 상당히 좋은 위치에 안정적으로 시공되었음이 확인되었다고 한다. 또한 KS200의 다양한 모형실험과 성능평가 결과로는 앞서 소개한 20kW급 실해역 실증시험에서 발전효율 35.2%를 기록, 다이나모(부하) 시험에서도 동력전달 효율 89.5%라는 성공적인 결과를 도출했다. 이 밖에도 블레이드의 설계 하중을 단계적으로 높여가며 구조안정성과 적합성 판정을 받은 블레이드 강도 시험, 각 나셀 별로 센서 및 액츄에이터를 장착하여 개별적으로 수행한 단위모듈 테스트 결과 등도 상세히 소개되었다.

사진 7. 시연회장에 설치된 사업 관련 전시 판넬
사진 8. 능동제어형 조류발전용 전력변환장치 전시 모습

그림 3. 지지구조물 제작 과정
그림 4. 지지구조물 시공 과정

능동제어를 위한 핵심 소프트웨어 SCADA
많은 시행착오 거쳐 자체적으로 설계/제작, 세계적인 기술력 확보

조류발전시스템에서 가장 주목해야 할 것은 능동제어를 위한 핵심 소프트웨어이자 두되의 역할을 하고 있는 통합 감시제어시스템(Supervisory Control And Acquisition, 이하 SCADA)⁴⁾ 프로그램과 기반 모듈, 센서를 바탕으로 조류발전기를 감시/제어/운영하는 소프트웨어 시스템 이다. 이는 각종 모듈에 탑재된 센서 기반의 CMS뿐만 아니라, 향후 KS200의 실해역 설치 시 블레이드 직경의 2배 이상 간격으로 함께 설치되는 층별(낙조용/창조용) 조류관측장비(ADCP)와도 연계되어 유속·유향의 변화에 따라 실시간으로 발전시스템의 제어와 발전효율의 측정？검증이 가능하도록 개발되었다. KIOST 해양공학연구본부 이광수 책임연구원은 “SCADA는 실제 상황과 동일하게 구성된 능동제어 시나리오를 반복적으로 적용, 많은 시간과 시행착오의 과정을 거쳐 수정？보완해 각 시스템 간의 연계 완성도를 높였다.”며, “세계적으로 공개된 바 없는 조류발전시스템 관련 기술을 국내 최초로 우리 시스템(KS200)에 맞게 자체적으로 설계？제작해 세계 어디에도 뒤지지 않는 기술력을 확보한 점이 매우 자랑스럽다.”고 소감을 밝혔다. 또한 참여사들과 함께 개발한 부품을 적용하고 시스템의 유지와 보수에 관한 신뢰성있는 노하우도 획득한 만큼, 향후 조류발전시스템의 설치와 운용에 있어 획기적인 비용 절감이 예상된다고 말했다. KS200은 조류가 순해지는 7~8월 소조기에 해상크레인에 적재, 울돌목으로 이송해 현장 설치를 시작할 예정이다.

4)프로그램과 기반 모듈, 센서를 바탕으로 조류발전기를 감시？제어？운영하는 소프트웨어 시스템

사진 9, 10. 통합 감시제어시스템(SCADA) 소개 모습(좌)과 모니터링 영상(우)

그림 5. SCADA와 연동될 층별 조류관측장비(ADCP)의 실해역 설치 위치도
사진 11. KS200의 설치 예정지인 전남 진도군과 해남군 사이의 울돌목(명량해협)

프로그램과 기반 모듈, 센서를 바탕으로 조류발전기를 감시·제어·운영하는 소프트웨어 시스템

사진 12. KIOST 해양공학연구본부 연안개발·에너지연구센터 박진순 센터장

그림 6. 조류발전 실해역 시험장 구축 조감도

200㎾급 발전시설 1기가 불러올
대한민국 해양에너지 분야의 거대한 변화 기대

조류의 방향과 속도에 따라 터빈이 스스로 방향을 바꾸도록 업그레이드한 이 실증 프로젝트가 시공·운용에 성공한다면 국내 고효율 조류발전 기술의 획기적 도약과 조기 상용화는 물론, 표준화 모델의 해외 수출을 통한 국부창출에도 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 더불어 조류발전소 인근을 문화, 교육, 관광 등 사회문화적 측면과 연계 개발하는 시도를 통해 다양한 측면에서의 간접적인 편익도 기대할 수 있다. KIOST는 본 사업과 병행하여 2017년 4월부터 2021년 말까지 진행되는 『조류발전 실해역 시험장 구축』 사업을 통해 4.5MW급 조류발전 실해역 시험장 및 부품 성능시험설비를 구축하고 국제공인시험기관 인정 획득과 기술표준화 기반 구축에 적극 노력해 나갈 예정이다. 이순신 장군이 12척의 배로 이뤄낸 명량의 기적처럼 작은 200㎾급 발전시설 1기가 불러올 대한민국 해양에너지 분야의 거대한 변화를 기대해 본다.