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연구정보

Korea Institute of Ocean Science & Technology

조류발전 기술개발 국제동향

  • 조회 : 6937
  • 등록일 : 2016-01-28
조류발전 기술개발 국제동향.pdf 바로보기
조류발전 기술개발 국제동향
 

2015년 말 프랑스 파리에서는 세계 각국의 정상들이 지구온난화방지를 위해 지구역사상 가장 중요한 협약의 하나인 파리 기후변화협약을 체결하였다. 파리 협약의 핵심은 모든 당사국이 스스로 감축 목표를 약속하고 지구의 기온 상승을 상당히 낮게 유지하기로 합의했다는 점이다. 기온 상승을 2℃보다 더 낮게, 1.5℃ 이하로 제한하기 위한 노력을 추구한다는 목표가 설정되었고, 교토의정서와 달리 온실가스 감축 행동이 선진국, 개도국, 극빈국 등 거의 모든 국가(195개 당사국)로 확대되었다. 이에 따라 이번 파리 회의에 참가한 모든 당사국은 스스로 결정한 ‘국가별 자발적 온실가스 감축 방안'(INDC, Intended Nationally Determined Contribution)을 이행하되 5년마다 그 이행 여부를 점검받고, 더 강화된 목표를 5년마다 제출해야 한다. 우리나라는 지난해 6월 제출한 INDC대로 2030년 기준 온실가스배출전망치(BAU, Business As Usual) 대비 37% 감축 목표를 이행해야 한다. 이 목표를 달성하기 위해 우리나라는 신재생에너지 개발에 박차를 가해야 하는 실정이다. 아울러 우리나라는 2011년 기준 세계 6위의 이산화탄소 배출 국가로 단시일 내에 현재 화석연료 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 방법이 준비되어 있지 않은 상황이다. 이에 우리나라의 에너지 사정은 물론, 미래의 지속가능한 발전 위하여 에너지의 효율적 사용과 신 재생에너지 등 에너지원의 다변화를 위한 정책의 뒷받침, 산업구조 개편, 그리고 관련 기술개발이 시급한 시점이다. 이러한 상황에서 신 재생에너지원 중 하나인 해양에너지가 또 다른 가능성을 열어주고 있는데, 우리나라 연안은 세계적인 해양에너지 개발 유망지역으로 서, 남해안에는 지형적인 영향으로 조력발전과 조류발전 적지가 산재하고 있으며, 조력, 조류, 파력 등 총 14,000MW 이상의 해양에너지가 부존하는 것으로 파악되고 있다. 따라서 이를 활용할 경우 상당한 에너지 대체효과가 있을 것으로 기대되며, 적극적 투자를 통해 기술력을 키우고 개발비용을 감소시키는 등 해양에너지 개발에 대한 관심을 더욱 높일 때이다.


■ KIOST 관련 연구사업 소개

한국해양과학기술원에서는 2001년부터 해양수산부 국가연구개발사업인 조류에너지 실용화 기술개발의 일환으로 울돌목 시험조류발전소를 설계, 건설, 실험 및 운영하여 수직축 조류발전 시스템을 적용한 결과 선진국의 기술수준(조류발전 시스템 효율 약 26%, 수차 효율 약 36%)에 도달하였는데, 이를 기술성숙도 측면으로 검토해 보면 기술성숙도 7단계에 도달한 것으로 판단된다. 그러나 조류발전 시스템이 상용화 단계에 도달하려면 GWh 규모의 전력을 생산, 수년 간 검증을 통해 경제성을 확보하여야 하는데, 고가의 조류발전 구조물 및 발전시스템 비용 등으로 인해 원자력, 화력 등 상용 발전원에 비해 경제성이 미흡한 실정이다. 조류발전의 경제성 향상과 조류에너지 부존자원 확대를 위하여 유향, 유속 변화에 능동 대처하고 유속량 강화 제어기법을 통한 효율적이고 적용범위가 넓은 조류발전 시스템을 개발 및 시공과 유지보수가 원활한 지지구조물을 개발함으로써 조류발전의 산업화 기반의 구축, 조류발전 시스템의 효율을 향상시키는 연구와 함께 조류발전을 풍력발전과 연계하는 복합발전 기술 개발 및 에너지 저장 기술을 개발할 필요가 있다.

 

기술성숙도 정의 설명
1 원리 발견 원리를 발견하고 기술 개념과 응용 방식을 정의함
*자료 조사, 개념 구현 계획 연구
규모 가이드: 1:25 - 1:100 (작은 규모)
2 개념 정의
3 초기 설계 실험적 해석적 분석을 통한 초기 설계
규모 가이드: 1:25 - 1:100 (작은 규모)
4 개념 검증 실험 수행 및 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 핵심 요소기술 검증
규모 가이드: 1:10 - 1:25 (중간규모)
5 서브시스템 검증 핵심 요소기술과 서브시스템(터빈, 지지구조물)의 실해역 유사 환경에서 검증
규모 가이드: 1:2 - 1:5 (큰 규모)
6 시스템 검증 시스템이나 서브시스템의 실해역 혹은 실해역 유사 환경에서의 검증
*실증 시 기술 검증 가능성 증대 및 리스크 감쇠 연구에 해당
규모 가이드: 1:2 - 1:5 (큰 규모)
7 실증 실해역 환경에서 초기 시제품 검증
*기초, 계류 설계 검증
규모 가이드: 1:1 - 1:3 (큰 규모)
8 준상용화 극한조건(태풍 등)을 포함한 실해역 환경에서 최종 시제품 검증.
*GWh 규모의 전력생산과 최소 1년 이상의 운용 조건 충족
규모 가이드: 1:1 - 1:2 (준상용화 검증용)
9 상용화 실해역 조건에서 시스템이 수년간 검증이 되고 대량생산 기술이 준비되었을 때의 상용발전을 위한 설치
*단지 규모의 과제들이 있는 경우
규모 가이드: 1:1 (실규모)

 

<표 1. 해양에너지 시스템 기술 성숙도(Ocean energy: State of the art, SI Ocean, 2012)>

더불어 KIOST에서는 해양수산부 국가연구개발사업인 “능동제어형 조류발전 기술개발 (2011~2018)” 연구를 수행 중에 있으며, 현재까지 수직축, 수평축 및 진동식 수차의 설계, 수치, 수리 및 현장 실험 등을 통하여 효율이 높고 경제적인 시스템으로 수평축 조류발전 시스템을 선정하였다. 이에 200kW급 수평축 조류발전 시스템(KS200)의 설계를 완료, 제작 및 설치공사를 발주하여 2016년 9월 설치를 목표로 공사가 진행 중에 있으며, 소규모 현장실험을 위하여 울돌목 시험조류발전소를 개조하여 조류발전 소규모 실증실험장을 구축하였다.

<그림 1. 수평축, 수직축 및 진동식 조류발전 수차 형상>

<그림 1. 수평축, 수직축 및 진동식 조류발전 수차 형상>

 

 

<그림 2. 울돌목 축소모형 실해역 실험장 및 KS200>

<그림 2. 울돌목 축소모형 실해역 실험장 및 KS200>

 

KS200 설치 이후, 현장실증 실험을 통해 수평축 조류발전 시스템의 기술성숙도를 7단계로 향상시킬 예정이며, 향후 지속적인 운용 및 유지보수를 통해 기술성숙도 9단계에 도달할 예정이다. 한편, 한국해양과학기술원 주요사업인 조류발전시스템 성능향상 기술개발 연구는 수직축 수차의 효율을 향상시키는 방안의 일환으로 dual 시스템에 대한 연구와 함께 조류발전 배치최적화 및 구조물 안전성 향상과 관련된 연구 및 2015년 조류에너지 융복합 발전기술개발 연구에 착수하여 조류발전의 경제성을 향상시키는 방안의 일환으로 조류-해상풍력 복합발전기술 연구와 조류-양수발전 융합기술 연구를 수행 중에 있다.


■ 국제동향

국외의 조류발전 기술개발은 영국을 중심으로 미국, 캐나다, 노르웨이, 네덜란드, 호주 등에서 활발하게 수행하고 있는데, 영국의 EMEC 실증센터와 캐나다의 FORCE 실증센터에서 다양한 종류의 조류발전 시스템과 계통연계 실험을 수행하고 있다. 주요 조류발전 시스템으로는 Marine Current Turbines(MCT)의 SeaGen, Tidal Generation Ltd(Alstom에서 인수)의 수평축 조류발전 시스템, Andritz Hydro-Hammerfest (Germany-Norway)의 HS1000, Scotrenewables Tidal Power Ltd(UK)의 SR250, Kawasaki 중공업의 수평축 조류발전 시스템, Atlantis Resources Corporation(UK)의 AR1000 및 Alstom사의 Oceade 등이 있으며, 이들 시스템이 상용화에 가장 근접한 것으로 알려져 있으며, 이들 조류발전시스템 중 대부분은 기술성숙도 8단계에 도달하여 상용화를 앞두고 있다. 조류, 파력, 해수온도차 및 염도차 등의 해양에너지 중에서 조류발전 기술의 성숙도가 가장 높은 것으로 알려져 있다(IHS, 2010).

 

<그림 3. SeaGen-S, HS1000 및 Oceade 시스템>

<그림 3. SeaGen-S, HS1000 및 Oceade 시스템>

 

2012년 이후 Siemens AG, DCNS SA, Andriz Hydro 등의 거대 기업에서 정부 신 재생에너지 정책 및 조류발전 시장의 성장성 등을 고려하여 기술개발 분야에 직접적인 투자를 시작하였고, 조류발전 전문회사에 대한 인수합병을 진행하였고, 실증단지 개발도 활발히 추진되고 있는 상황이다. MeyGen 프로젝트의 1단계 사업으로 2015년 영국 스코틀랜드의 MeyGen 지역에 1.5MW Andritz Hydro 시스템 3기와 1.5MW Atlantis 시스템 1기의 6MW급 실증단지 건설을 시작하였고, 스코틀랜드 Sound of Islay (10MW), 스코틀랜드 Kyle Rhea (10MW), 프랑스 자르 블라카드 (5.6MW) 실증 단지 건설도 예정되어 있는 실정이다. MeyGen 프로젝트의 최종 목표는 2025년까지 398MW의 시스템 해상 설치 및 운용하는 것이다. 한편, SI Ocean(2014)에 따르면 조류, 파력 및 해상풍력 발전을 결합한 복합발전소 건설 및 운영 시 발전시설 설치, 운영 및 유지 등에서 약 40% 이상의 시너지 효과가 발생하여 큰 폭의 비용 절감효과가 나타나 해양에너지의 경제성 향상에 기여할 것으로 예상하고 있다.

 

<그림 4. 조류에너지 발전단가 시나리오 (Marine Renewable Canada, 2013)>

<그림 4. 조류에너지 발전단가 시나리오 (Marine Renewable Canada, 2013)>

 


■ 결론 및 정책 제언

세계 각국은 지구온난화 방지와 에너지 자원 확보를 위해 해양에너지를 포함한 신재생에너지 개발에 매진하고 있으며, 해양에너지 개발을 효과적으로 추진하기 위해 영국에서는 ROCs(Renewable Obligation Certification) 제도를 활용하여 조류발전에 타 에너지원 대비 높은 가중치를 부여하고 있는 실정이다. 영국의 사례와 같이 우리나라에서도 조류발전 활성화를 위해 지속적인 연구개발과 함께 적정 REC 가중치 부여 등의 제도적 지원이 필요하다. 또한, 조류발전 실용화를 위한 발전시스템 기술개발과 함께 정밀한 자원량 조사기술, 적지선정/ 환경영향 평가기술, 단지배치 기술, 운영 및 유지보수기술 등의 원천 및 요소기술 개발을 적극 추진하고, 연구개발과제로 구축되었거나 향후 구축될 실증설비에 대한 지속적인 운영 및 유지보수 기술 축적과 개선을 통해 현재의 기술성숙도를 향상시킬 필요가 있다. 아울러 다양한 형태의 조류발전 실험을 수행할 수 있는 실증연구센터를 설치하고, 본격적인 상용플랜트 건설에 대비하여 발전단지 설계 및 운영기술 확보를 위한 조류발전 실증단지 구축 및 조류발전의 경제성 향상을 위한 복합발전 연구와 에너지 저장기술에 대한 연구도 지속적으로 추진되어야 할 것이다.

 

| 연안개발연구센터 박진순 책임연구원

2016-01-28 

 

 

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최종수정일 :
2021-02-17