해양에너지 개발을 위한 R&D
ㅇ 현재 유럽을 중심으로 조류, 파력 등을 이용한 해양에너지 실용화 연구개발이 매 우 활발하게 수행되고 있음
ㅇ 특히 유럽의 경우 최근 발표된 “해양에너지 로드맵 2050(’10)”을 통하여 달성 가 능한 정량적 목표를 다음과 같이 제시한 바 있음
- 2050년 총 수요전력의 15%인 645TWh를 해양에너지로 대체하며, - 이를 통하여 연간 1억 3,630만톤 CO2를 저감
그림 II-1. 영국의 해양에너지 개발 전망
ㅇ 일본은 “국가에너지 기본계획”에 해양에너지를 포함시킨 바 있고, 특히 후쿠시마
원전 사고 이후 신재생 에너지 개발 분야에 대한 투자를 확대할 전망
ㅇ 파력, 조류와 같은 해양에너지와 함께 해상에 설치되는 풍력발전시설의 경우, 유 럽에서는 2030년까지 설치용량 기준 300GW의 해상풍력 단지가 개발될 것으로 전
망하고 있으며, 해상풍력 비중이 지속적으로 증가하여, 육상풍력에 근접할 것으로 예상됨
ㅇ 한국의 경우 풍부한 해양에너지 자원을 바탕으로 시화호 조력발전소(254MW)가 올해 준공 예정이며, 울돌목 시험조류발전소(1MW급)가 현장실증실험을 종료한 바 있음. 또한 파력 에너지가 풍부한 제주 연근해에 파력발전(500kW급) 실증설비 를 설치하고 있음
그림 II-2. 유럽의 2030년까지의 풍력발전 설치 추정치
해양에너지 개발에 있어서의 문제점
ㅇ 울돌목 시험조류발전소 건설 시 총 건설비 127억원 중 구조물 제작 및 시공 비용 이 92억원으로 총 비용 대비 72%를 차지한 바 있으며, 이와 같은 높은 구조물 시 공비는 다른 해양에너지 개발에 있어서도 경제성을 감소시키는 원인이 되고 있음
그림 II-3. 울돌목 시험조류발전소 시공 및 완성 전경
ㅇ 또한 보다 좋은 품질의 바람 자원을 이용하여 위하여 육지에서 멀리 떨어진 해상에 해상풍력터빈을 설치하고자 연구개발이 활발히 이루어지고 있으나, 이와 같이 육 상에서 멀리 떨어진 곳에 발전소를 건설할 경우, 케이블 설치 등 송전비용이 과다함.
ㅇ 한편 신재생 에너지의 특성상 발전량을 제어하기 어렵고, 따라서 수요가 많을 때 공급함으로써 발생하는 이익을 기대하기 어려움. 또한 풍력과 파력의 경우 불규칙 적인 발전으로 인하여 전력품질이 기존 화력발전 및 원자력발전에 비하여 매우 낮은 단점이 있음
- 아래의 그림은 독일에서의 하루 중 풍력발전에 의한 발전량 사례로, 그림에서 알 수 있는 바와 같이 최대 1,400MW까지 발전이 가능하나 동일한 날짜에 약 1,000MW가 감소하여 400MW만이 발생하기도 하며, 또한 15분의 짧은 시간 내 에 400MW의 전력 변동이 발생함
- 덴마크의 경우 이와 같은 불규칙적인 발전으로 인하여 70% 이상의 전력을 원 가 이하로 주변국에 수출하고 있음
그림 II-4. 불규칙적인 풍력발전의 사례
해양에너지 건설비용 절감 및 효율 향상을 위한 복합발전
ㅇ 해상풍력 발전과 파력발전은 개발 대상 적지가 일치하는 경우가 많으므로, 하나 의 구조물 및 제어 시스템을 통하여 풍력과 파력, 두 에너지원을 동시에 활용할 수 있는 복합발전시스템 개발이 가능하며, 이를 통하여 발전효율 및 경제성 향 상이 가능할 것으로 기대
ㅇ 또한 영국 주변 북해의 경우, 풍력 및 파력 자원이 풍부할 뿐만 아니라 조류 발 전이 가능한 해역이 넓게 분포하고 있어 조류-해상풍력 또는 조류-파력-해상풍 력 등의 복합발전도 가능할 것으로 기대
- 특히 조류-해상풍력 복합발전의 경우 규칙적인 조류발전의 특성이 반영되어, 불 규칙성을 일부 해소할 수 있는 장점이 있음
- 그러나 해상풍력에 비하여 경제성이 낮은 파력발전 또는 조류발전을 복합 개발 하는 경우, 사전에 충분한 경제성 분석이 필요
그림 II-5. 파력-해상풍력 복합발전 실증 사례
해양에너지 발전단지 조성을 위한 체계적인 기술 개발
ㅇ 현재의 개별적인 에너지원에 대한 발전시스템 건설의 경우, 해상공사에 따른 많 은 비용 발생 등으로 인하여 경제성 확보가 어려우며, 또한 연안이나 에너지 소 비 지역과의 거리가 먼 경우 송전선로 구축 등에 많은 비용이 소모
ㅇ 또한 단일 에너지원의 경우 전력생산이 불규칙적인 단점이 있으며, 전력생산을 계획할 수 없음. 따라서 고품질의 전력생산이 어려움.
ㅇ 이러한 개별 에너지원 발전시스템의 낮은 경제성 및 전력품질 문제를 극복하기 위하여 복합발전 중심의 단지 조성기술 개발이 필요
그림 II-6. 울돌목 조류발전단지 계획 조감도
에너지 저장 및 이용기술개발 배경
ㅇ 다양한 신재생 해양에너지 개발을 위한 연구개발이 진행되고 있으나, 발전 및 에너지 생산 후 소비지역까지 운송하기 위한 요소기술 연구는 미진한 상태임 ㅇ 따라서 심해개발에 따른 장거리 송전 손실을 극복할 수 있는 안정적인 수소 제
조기술, 수소에너지 저장 및 운송기술에 대한 기술개발 요구
ㅇ 해양복합발전 에너지를 직접 해수담수화 활용 에너지원으로 이용함으로써 에너 지 변환에 따른 손실 방지할 수 있으며, 변동성이 심한 해양에너지원을 해수담 수화에 활용하여 효율 증대
그림 II-7. 파력/해상풍력 복합발전 및 해수담수화/수소생산 복합개발 모델
ㅇ 또한 바람, 파도 등 발전량이 일정하지 않은 낮은 전력품질을 개선하기 위하여 압축공기 에너지저장(Compressed Air Energy Storage, CAES) 또는 양수 에너 지저장 (Pumped Hydraulic System, PHS) 등 대규모 에너지 저장 기술에 대한 연구개발이 필요
- 아래의 그림은 발전량이 많을 때 저장해 둔 후, 수요보다 발전량이 작을 때 저 장된 에너지를 이용하여 에너지 수요를 맞추는 에너지 저장에 대한 개념도와 이러한 에너지 저장 시설이 포함된 스마트 그리드를 나타낸 개념도임
그림 II-8. 에너지 저장 이용 개념
그림 II-9. 스마트 그리드와 연계된 에너지 저장 시설
해양에너지 발전단지 조성을 위한 체계적인 기술 개발
ㅇ 해상풍력발전의 경우 개별 터빈과 터빈 사이의 간격이 500~1,000m에 이르는 등 단지화를 할 경우 매우 넓은 해역을 필요로 하게 되며, 이러한 해역을 효율적으 로 활용하는 것이 단지의 경제성 확보에 있어 중요함
ㅇ 해상풍력발전 시스템의 기초구조물을 활용하여 외해가두리(수산자원), 해양관측 시스템(해양예보 및 자료제공), 수상 및 수중전망대(해양관광), 그리고 잠수챔버 (수중활동)의 기능을 지원하는 융합기술개발을 통해 수익창출 가능
- 아래의 그림은 해상풍력 시설을 복합활용한 개념도와 조력 발전소 내의 넓은
해역을 이용하여 해상풍력 및 해양바이오 원료인 미세조류를 양식하는 복합활 용에 관한 개념도임
그림 II-10. 해양에너지 복합활용 시설의 개념도
그림 II-11. 조력발전소 내 해역을 이용한 복합활용
발전단지의 개념도
성능인증 기술개발 배경
ㅇ 최근 많은 조류 터빈, 파력 발전 장치 등이 제안되고 있으나 표준화된 성능 인 증 기관이 부재하여, 신뢰성 있는 성능 인증이 어려운 상태임
ㅇ 따라서 일정한 성능인증을 위한 규정을 정비함으로써 신뢰성 및 경제성 향상을 기할 수 있을 것으로 기대
ㅇ 국내에서도 해양에너지 실용화 센터 건설을 위한 각 지방자치단체의 계획이 있 으므로 이에 대한 종합적 검토 필요
ㅇ 유럽의 경우 EMEC(European Marine Energy Center)을 통해 Full-Scale Grid-Connected Prototype 장비 시험이 가능함
그림 II-12. EMEC Tidal Energy Site
그림 II-13. EMEC Wave Energy Site
해양에너지 개발에 있어서의 문제점 및 주요 해결 방안 요약
ㅇ 지금까지 살펴본 기존 해양에너지 개발과 관련된 연구에서 도출된 주요 문제점 에 대한 해결방안을 아래와 같이 정리할 수 있음
그림 II-14. 해양에너지 개발 문제점 및 해결 방안
해양에너지 실증연구센터 개요 및 필요성2)
ㅇ 지식경제부와 국토해양부에서는 풍력발전, 조력발전, 조류발전 및 파력발전의 해양에너지 기기 개발에 대한 R&D가 지속적으로 추진되어 왔으나, 발전 기기 의 인증 및 실해역 실증 실험이 미비하여 개발 업체들의 상용화 및 시장 진입 이 어려운 실정임
ㅇ 육상 풍력의 경우는 풍력발전 터빈 등의 기기 개발과 실증화가 충분히 이루어 졌으나, 해상 풍력용 5MW급 풍력 터빈의 실해역 실증을 통한 인증과 해상 설 치시의 상부 타워와 하부 구조물을 포함한 전체 구조물의 통합 설계 기술의 국 산화가 시급
2) ‘조류에너지 실용화 기술 개발 (국토해양부, 2010)’ 외 해양에너지 개발 연구 결과물(시설물)을 활용한 해양에너
지 실증연구 센터 설립 추진(안) 등에서 발췌․정리함.
ㅇ 해양에너지 실증연구센터는 영국 스코틀랜드의 EMEC(European Marine Energy Center)처럼 그동안 정부 R&D를 통해 개발된 해상풍력, 조류 및 파력발전 장치 들의 실해역 실험을 통합적으로 수행하여, 발전 장치의 성능 검증과 인증을 통 해 해양에너지 관련 산업의 조기 활성화와 국내 및 해외 시장 진출 및 선점을 통한 국가 경제의 녹색성장을 견인하는데 그 목적이 있음
ㅇ 우리나라의 경우 삼면이 바다이고, 각 해역이 특성이 다르며 우리나라의 풍부한 해양에너지 자원을 개발하기 위한 실해역 실험 연구 단지의 제공과 전문 연구 인프라의 제공은 관련 업체의 해양에너지 개발 사업도 가속화시킬 수 있기 때 문에 발전회사들의 신재생에너지 공급 의무 할당제도 (RPS - Renewable Portfolio Standard) 충족에도 크게 기여
ㅇ 국내의 경우 해양에너지에 관한 연구개발은 파력, 조류 및 조력, 온도차 발전 등으로 진행되고 있으며, 이를 실용화하기 위한 연구개발 및 실증센터가 남해, 동해 등에 조성되고 있음
ㅇ 해양온도차발전 및 해수냉난방이용 연구개발에 대한 실용화 센터는 국토해양부 연구개발사업으로 수행하고 있는 해양연구원의 해양심층수연구센터에 구축되고 있으며, 해수 담수화 및 수소 연구도 가능한 연구 인프라 구축
해양에너지 실증연구센터의 과업 및 목표
ㅇ 해양에너지 실증 연구센터는 해상풍력, 조류 및 파력 발전의 기기 및 구조물 성 능 인증을 위한 실해역 실험부지(Test-Bed)를 제공
ㅇ 또한 다양한 하부구조물 (Mono Pile, Jacket, 잔교식 돌핀, GBS등)을 함께 설치 하여, 해상풍력, 조류 및 파력발전 터빈 제조업체가 실해역 인증을 필요로 하는 경우, 상부 풍력 터빈 구조물이나 조류/파력 터빈을 설치한 후 터빈 기기 성능 평가와 함께 구조물 안정성 평가
ㅇ 해양에너지 실증연구센터는 이러한 테스트베드 제공과 함께 장기운영을 위한 모니터링 시스템을 구축하고, 또한 계측 데이터 분석을 위한 배후 연구단지 및 전문 연구 인력을 제공
ㅇ 또한, 설치된 기기들의 장기간 모니터링을 통하여 획득한 데이터를 분석하여 우 리나라 실정에 맞는 해상풍력 설계 기준의 제정과 시공 및 유지관리 기술을 개 발하여, 제품의 성능 제고와 관련 업체의 설계, 시공 및 유지관리 기술을 확보 ㅇ 대규모 단지 개발을 위한 기기간 간섭 효과에 대한 연구도 진행하여, 최적 단지
배치 기술 및 경제적인 단지 개발 기술을 획득