해양공학핵심기술 및 첨단장비 개발 기획연구보고서
2018년 12월
BSPE-99697-11868-2
제 출 문
한국해양과학기술원장 귀하
이 보고서를 「해양공학 핵심기술 및 첨단장비 개발 기획연구」과제의 최종보고서로 제 출합니다.
2018. 12.
연구책임자 : 권 오 순 [참여연구원]
이 진 학 송 유 재 박 진 순 백 승 재
윤 길 림 김 민 욱 임 성 훈 장 인 성
오 상 호 오 명 학 신 창 주 원 덕 희
목차
0. 총론 ··· 1
1. 개요 ··· 3
1.1 기획과제 목표 ··· 3
1.2 기획 대상 범위 ··· 3
I. 해양에너지 및 항만‧해양구조물 실용화 기술 개발 ··· 7
1. 서론 ··· 9
1.1 기획방향 ··· 9
1.2 [전략목표 3-1]의 필요성 ··· 9
1.2.1 전략목표 설정 배경 및 필요성 ··· 9
1.2.1.1 국정과제 및 국가 전략목표 달성을 위한 연구개발 지원의 중요성 ··· 9
1.2.1.2 해양에너지 및 항만·해양구조물 설계/유지관리 기술 개발 필요성 ··· 10 1.2.2 [전략목표 3-1] 최종목표 ··· 11 1.3 기획연구의 목표 및 내용 ··· 12
2. 환경 및 역량 분석 ··· 1 3
2.1 정책동향 분석 ··· 132.1.1 주요국 해양수산 R&D 정책 동향 ··· 13 2.1.1.1 미국 ··· 13
2.1.1.2 중국 ··· 13
2.1.1.3 일본 ··· 13
2.1.1.4 유럽 ··· 14 2.1.2 우리나라 R&D 정책동향 ··· 14 2.1.2.1 문재인 정부 국정과제 및 과학기술방향 ··· 14 2.1.2.2 제2차 해양수산발전기본계획(2011~2020) ··· 17 2.1.2.3 해양수산 R&D 중장기계획(`14~`20) ··· 18 2.1.2.4 해양수산 산업화 촉진전략 (2016.06) ··· 20 2.1.2.5 3020 신재생에너지 개발계획 및 해양수산부 2030 해양에너지개발계획 (2017.12.) ··· 21
2.2 국내외 기술동향 분석 ··· 23 2.2.1 해양에너지(해상풍력 및 조류발전) LCOE 분석 ··· 23 2.2.2 침수 및 월파 저감형 가동식 호안 기술 ··· 27 2.2.3 수중구조물 배치 최적화 기술 ··· 31 2.2.4 항만·해양구조물의 유지관리를 위한 수중코팅 기술 ··· 33 2.2.5 해양쓰레기 재활용 복합재료 제조기술 ··· 36 2.3 연구개발사업 추진실적 및 주요 연구분야 ··· 39 2.3.1 기관고유사업 및 국가연구개발사업 추진 실적 ··· 39 2.3.2 본부발전전략 보고서 상의 연구개발과제 수요조사 결과 ··· 42 2.3.3 KIOST 기획사업 반영 ··· 44 2.4 연안개발에너지연구센터 역량 분석 ··· 45
2.4.1. 연구조직 및 연혁 ··· 45 2.4.2 비전 및 연구분야 ··· 46 2.4.3 인력 현황 ··· 47 2.4.4 자산 현황 ··· 48 2.4.5 특허 등록 및 논문 게재 건수 ··· 52 2.4.5.1 특허 출원 및 등록 건수 ··· 52 2.4.5.2 학술발표 및 학술지 논문 게재 건수 ··· 55
3. 연구개발과제 및 추진계획 ··· 5 8
3.1 비전 및 목표 ··· 58 3.2 핵심개발과제 ··· 58 3.2.1 해양구조물 LCOE 분석 및 저감기술 개발 ··· 58 3.2.2 안전한 항만도시 구축을 위한 침수 및 월파 저감형 가동식 호안 기술 ··· 59 3.2.3 구조물 배치 최적화 ··· 60 3.2.4 수중코팅 ··· 61 3.3 사업추진체계 및 전략 ··· 63
3.3.1 사업추진체계 ··· 63 3.3.2 사업추진전략 ··· 65 3.3.2.1 성과계획서 상 목표 달성 ··· 65 3.3.2.2 기존 성과 확대 심화 ··· 66 3.3.2.3 국가 R&D 사업 추진 ··· 66
3.3.2.4 부서 역량 강화 ··· 67 3.4 기술개발 로드맵(TRM) ··· 68
3.4.1 해양에너지(해상풍력, 조류발전) LCOE 분석 및 저감 방안 개발 ··· 68 3.4.2 안전한 항만도시 구축을 위한 침수 및 월파 저감 가동식 호안 개발 ··· 70 3.4.3 해안선 보호를 위한 연안구조물 배치 최적화 방안 창출 ··· 71
3.4.4 구조물의 수중보수를 위한 수중코팅 및 해양쓰레기 재활용 복합재료 제조기술 73
3.5 성과지표 ··· 75
3.5.1 정량적 성과지표 ··· 75 3.5.2 정성적 성과지표 ··· 79
4. 참고문헌 ··· 81
II. 해양 데이터 실시간 확보를 위한 IoT 핵심 원천 기술 개발 ··· 8 5 1. 서론 ··· 87
1.1 사업의 필요성 ··· 87
1.1.1 연구개발 배경 및 필요성 ··· 87 1.1.1.1 해양 무선통신 - 해양 IoT 통신 기술 ··· 87 1.1.1.2 해수배터리 - 해양 IoT 에너지 기술 ··· 88 1.1.1.3 수중위치인식 기반 해양구조물 시공 모니터링 기술 - 해양 측위 및 IoT 융합기술· 88 1.1.2 최종목표 ··· 88
1.2 기획연구의 목표 및 내용 ··· 89
2. 환경 및 역량 분석 ··· 9 0
2.1 환경 분석 ··· 902.1.1 STEeP 분석 ··· 90
2.1.1.1 IoMT 플랫폼·통신 ··· 90
2.1.1.2 해수배터리 ··· 91
2.1.1.3 수중위치인식 기반 수중시공관리 시스템 ··· 92 2.1.2 이슈분석 및 대응 전략 ··· 93 2.1.2.1 IoMT 플랫폼·통신 ··· 93
2.1.2.2 해수배터리 ··· 94
2.1.2.3 수중위치인식기반 수중시공관리 시스템 ··· 94 2.2 국내외 동향 분석 ··· 96
2.2.1 개발 및 활용 현황 ··· 96
2.2.1.1 IoMT 플랫폼·통신 ··· 96
2.2.1.2 해수배터리 ··· 116
2.2.1.3 수중위치인식기반 수중시공관리 시스템 ··· 112 2.2.2 국내외 시장 동향 및 전망 ··· 122
2.2.2.1 IoMT 플랫폼·통신 ··· 122
2.2.2.2 해수배터리 ··· 128
2.2.2.3 수중위치인식기반 수중시공관리 시스템 ··· 103 2.2.3 관련 정책돟양 및 법제도 분석 ··· 142
2.2.3.1 IoMT 플랫폼·통신 ··· 142
2.2.3.2 해수배터리 ··· 143
2.2.3.3 수중위치인식기반 수중시공관리 시스템 ··· 134 2.3 특허 동향 분석 ··· 144
2.3.1 IoMT 플랫폼·통신 특허 동향 분석 ··· 144
2.3.2 해수배터리 특허 동향 분석 ··· 149
2.3.3 수중위치인식기반 수중시공관리 시스템 ··· 125
3. 연구개발과제 및 추진계획 ··· 154
3.1 비전 및 목표 ··· 154
3.2 핵심개발과제 ··· 154
3.2.1 IoMT 플랫폼·통신 기술 개발 ··· 154
3.2.2 해수배터리 시스템 개발 ··· 155
3.2.3 수중위치인식 기반 수중시공관리 시스탬 개발 ··· 165 3.3 사업 추진 계획 ··· 157
3.3.1 IoMT 플랫폼·통신 기술 개발 ··· 157
3.3.1.1 IoMT 플랫폼·통신 기술 개발 ··· 157
3.3.1.2 실행력 확보전략 ··· 157
3.3.1.3 실용화 사업화 방안 ··· 157
3.3.1.4 역할분담 방향 ··· 157
3.3.2 해수배터리 시스템 개발 ··· 158
3.3.2.1 해수배터리 시스템 개발 ··· 158
3.3.2.2 실행력 확보전략 ··· 158
3.3.2.3 실용화 사업화 방안 ··· 158
3.3.2.4 역할 분담 방안 ··· 158
3.3.3 수중 위치인식 기반의 수중시공관리기술 개발 ··· 195 3.3.3.1 수중 위치인식 기반의 수중시공관리기술 개발 ··· 195 3.3.3.2 실행력 확보전략 ··· 159
3.3.3.3 실용화 사업화 방안 ··· 159
3.3.3.4 역할 분담 방안 ··· 159
3.4 기술개발 로드맵(TRM) ··· 106 3.4.1 IoMT 플랫폼·통신 기술 개발 ··· 160
3.4.2 해수배터리 기술 개발 ··· 160
3.4.3 수중 위치인식 기반의 수중시공관리 기술 개발 ··· 106 3.5 소요예산 ··· 161
3.5.1 IoMT 플랫폼·통신 기술 개발 ··· 161
3.5.2 해수 배터리 기술 개발 ··· 162
3.5.3 수중 위치인식 기반 수중시공관리기술개발 ··· 126 3.6 성과지표 ··· 163
3.6.1 IoMT 플랫폼·통신 기술 개발 ··· 163
3.6.2 해수배터리 기술 개발 ··· 164
3.6.3 수중 위치인식 기반의 수중시공관리 기술 개발 ··· 156 3.7 기대효과 및 활용 방안 ··· 166
3.7.1 기대효과 ··· 166
3.7.1.1 IoMT 플랫폼·통신 ··· 166
3.7.1.2 해수배터리 ··· 166
3.7.1.3 수중 위치인식 기반의 수중시공관리 기술 개발 ··· 176 3.7.2 기대효과 ··· 167
3.7.2.1 IoMT 플랫폼·통신 ··· 167
3.7.2.2 해수배터리 ··· 168
3.7.2.3 수중 위치인식 기반의 수중시공관리 기술 개발 ··· 186
4. 참고문헌 ··· 169
그림 목차
그림 I.2.1 문재인 정부 100대 국정과제 ··· 15 그림 I.2.2 해양수산 R&D 방향 ··· 18 그림 I.2.3 해양수산 R&D 중장기계획(14~20) 비전 및 목표 ··· 20 그림 I.2.4 해양수산 산업화 촉진전략 비전 및 목표 ··· 21 그림 I.2.5 2030해양에너지 개발 계획 세부추진전략 ··· 23 그림 I.2.6 해상풍력 CAPEX/OPEX 분석(Statkraft, 2012, BlueWind Engineering, 2016) · 24 그림 I.2.7 해상풍력 LCOE 저감 목표 (DONG Energy, 2013) ··· 24 그림 I.2.8 재킷구조물에 대한 최적화 시나리오 (RAMBOL, 2013) ··· 25 그림 I.2.9 고정식 및 부유식 해상풍력 LCOE 분석 사례(Carbon Trust, 2015) ··· 25 그림 I.2.10 에너지원별 LCOE 분석결과(임덕오, 2017) ··· 27 그림 I.2.11 Maeslan Barrier ··· 28 그림 I.2.12 Mose project의 건설 위치 및 조감도 ··· 28 그림 I.2.13 Osaka Arch Gate의 전경 및 주 게이트 작동 모습 ··· 28 그림 I.2.14 Neo-rise 가동식 호안(일본 히타치조선) ··· 29 그림 I.2.15 월파 대응 수동식 가동식 방벽 ··· 29 그림 I.2.16 연구개발 대상 기술의 특징 ··· 30 그림 I.2.17 가동식 호안 개발 전후의 상태 ··· 30 그림 I.2.18 Reef3D CFD 모델: 3차원 Navier-Stokes 방정식 ··· 31 그림 I.2.19 Reef3D CFD 모델: 2차원 Shallow-water 방정식 ··· 31 그림 I.2.20 Celeris Boussinesq 파랑모델 ··· 32 그림 I.2.21 LES 기법을 적용한 포말대 난류 에너지 연구 사례 (Kim et al., 2016) ··· 32 그림 I.2.22 울산대 CFD/회류수조 연구실 구조물 주변 파랑 CFD 정밀 수치모델 연구 사례 ·· 33 그림 I.2.23 국내외 도료시장의 규모 및 비교 ··· 34 그림 I.2.24 수중구조물의 보수를 위한 수중코팅 시스템의 개념 ··· 36 그림 I.2.25 해양쓰레기 재활용을 위해 필요한 전처리 작업의 개요 ··· 38 그림 I.2.26 폐어망을 재활용한 섬유보강재 제조기술 ··· 38 그림 I.2.27 연안개발‧에너지연구센터의 주요 연구개발사업 추진실적 ··· 41 그림 I.2.28 자켓구조물 전경 ··· 51 그림 I.2.29 초음파식 파향·파고계 ··· 52
그림 I.2.30 수압식 파고계 ··· 52 그림 I.2.31 특허 출원 건수 ··· 54 그림 I.2.32 특허 등록 건수 ··· 55 그림 I.2.33 연도별 논문게재 건수 ··· 56 그림 I.2.34 연도별 학술대회 발표 논문편수 ··· 57 그림 I.3.1 타기관 및 타부서와의 협력 체계 구축 ··· 64 그림 I.3.2 학제간 공동연구 추진체계 ··· 65 그림 I.3.3 연구성과계획서 상의 목표와 기획대상 과제의 목표 ··· 65 그림 I.3.4 연안개발‧에너지연구센터 주요 R&D 사업과의 연속성 ··· 66 그림 I.3.5 국가R&D사업 개발을 위한 기획과제와 연계한 주요사업 추진 ··· 67 그림 I.3.6 부서연구역량 강화 방안 ··· 67
그림 II.1.1 해양 데이터 실시간 확보를 위한 IoT 핵심 원천 기술 개발 ··· 89 그림 II.1.2 기획연구의 목표 및 내용 ··· 89 그림 II.2.1 oneM2M 아키텍처 ··· 97 그림 II.2.2 모비우스 플랫폼 ··· 99 그림 II.2.3 모비우스 기술구성 ··· 99 그림 II.2.4 AllJoyn 소프트웨어 프레임워크 ··· 100 그림 II.2.5 IoTivity 아키텍처 ··· 130 그림 II.2.6 IoTivity 기본 개요 ··· 130 그림 II.2.7 Intel IoT 플랫폼 ··· 140 그림 II.2.8 ITU-T Y.2060 IoT reference model ··· 150 그림 II.2.9 IHO 의 S-100 ··· 106 그림 II.2.10 Ocean of Things ··· 108 그림 II.2.11 Ocean of Things TCP/IP 와 6LoWPAN 프로토콜 스택 ··· 101 그림 II.2.12 전통적인 센서 노드 구조 ··· 111 그림 II.2.13 Radio services of GMDSS 1 ··· 113 그림 II.2.14 한국형 E-Navigation 정의 ··· 141 그림 II.2.15 e-navigation 이행절차 ··· 114 그림 II.2.16 해양 감시용 위성도 ··· 115 그림 II.2.17 MIT OpenWaterPower ··· 116 그림 II.2.18 2020년까지 에너지저장 시스템 시장 전망 ··· 102 그림 II.2.19 대용량 에너지 저장 시스템의 용량 ··· 102
그림 II.2.20 사물 인터넷 연도별 성장 및 디바이스 확장 전망 ··· 122 그림 II.2.21 가트너의 IoT Hype Cycle ··· 123 그림 II.2.22 국내 무선 센서네트워크 시장 규모 및 전망 ··· 142 그림 II.2.23 센서 유형별 시장 전망 ··· 124 그림 II.2.24 글로벌 무선 센서 네트워크 시장 규모 및 전망 ··· 152 그림 II.2.25 글로벌 무선 센서 네트워크 시장의 제공 방식별 규모 및 전망 ··· 152 그림 II.2.26 글로벌 무선 센서 네트워크 시장의 센서 종류별 시장 규모 및 전망 ··· 162 그림 II.2.27 글로벌 무선 센서 네트워크 시장의 연결 종류별 시장 규모 및 전망 ··· 162 그림 II.2.28 글로벌 무선 센서 네트워크 시장의 지역별 시장 규모 및 전망 ··· 172 그림 II.2.29 수중통신망 활용 방안 ··· 128 그림 II.2.30 ESS 시장규모 비교 ··· 129 그림 II.2.31 가상건설 시스템 CPLM 개념도 ··· 103 그림 II.2.32 행복도시 인근 프로젝트의 적용된 BIM ··· 113 그림 II.2.33 청풍대교 BIM 적용 현황 ··· 113 그림 II.2.34 두산건설 Pilot 프로젝트에 적용된 BIM 사례 ··· 123 그림 II.2.35 DMU를 이용한 철근 콘크리트의 시공성 검토 ··· 133 그림 II.2.36 지하철 919공구 공사 관리 통합 시스템 ··· 133 그림 II.2.37 쌍용건설 BIM 공사 관리 통합 시스템 ··· 143 그림 II.2.38 시공 관리 시스템 ··· 134 그림 II.2.39 건원엔지니어링 사업비관리시스템 ··· 153 그림 II.2.40 게리테크놀로지의 디지털프로젝트(베이징올림픽 스타디움) ··· 163 그림 II.2.41 (좌) 북미 vs 유럽의 BIM 사용 비율, (우) 연간 BIM 사용 비율 ··· 17 3 그림 II.2.42 독일 네메첵사의 Allplan Engineering ··· 137 그림 II.2.43 YIT사의 COVE(Cost&Value Engineering) 시스템(ArchiCAD 기반) ··· 183 그림 II.2.44 COSTOS-Nomitech ··· 138 그림 II.2.45 해미래 수중항법 ··· 139 그림 II.2.46 CR6000 수중항법 ··· 139 그림 II.2.47 수중 사석고르기 장비 수중항법 ··· 104 그림 II.2.48 HAIN 수중항법 시스템 ··· 104 그림 II.2.49 ROV&Diver tracker 수중항법 시스템 및 한계 ··· 114 그림 II.2.50 스마트 테더 ··· 141 그림 II.2.51 해양 IoT 통신 기술 - 전체 연도별 특허동향 ··· 144 그림 II.2.52 해양 IoT 통신 기술 - 주요국가별 연도별 특허동향 ··· 154
그림 II.2.53 해양 IoT 통신 기술 - 세부기술별 특허건수 현황 ··· 164 그림 II.2.54 특허점유율 및 증가율에 따른 포트폴리오 분석 ··· 174 그림 II.2.55 수중통신 - 특허점유율 및 증가율에 따른 포트폴리오 분석 ··· 184 그림 II.2.56 해상통신 - 특허점유율 및 증가율에 따른 포트폴리오 분석 ··· 194 그림 II.2.57 스마트 조명 분야별 미국 특허 건수 ··· 105 그림 II.2.58 출원인별, 스마트 조명 분야별 출원 건수 비교 ··· 115
표 목차
표 0.1.1 연구성과계획서 상의 [전략목표 3]의 세부성과목표 ··· 3 표 I.2.1 5대 추진전략 및 26개 중점과제 ··· 14 표 I.2.2 현 정부의 신재생에너지 공급 목표 ··· 18 표 I.2.3 연구개발과제 수요조사 결과 ··· 39 표 I.2.4 본부 인력현황 ··· 44 표 I.2.5 자산 분류 기준 ··· 46 표 I.2.6 전략적 자산 현황 ··· 46 표 II.2.1 STEeP 분석: IoMT 플랫폼·통신 ··· 86 표 II.2.2 STEeP 분석: 해수배터리 ··· 87 표 II.2.3 STEeP 분석: 수중위치인식기반 수중시공관리 ··· 88 표 II.2.4 이슈 도출: IoMT 플랫폼·통신 ··· 89 표 II.2.5 대응 전략: IoMT 플랫폼·통신 ··· 89 표 II.2.6 이슈 도출: 해수배터리 ··· 90 표 II.2.7 대응 전략: 해수배터리 ··· 90 표 II.2.8 이슈 도출: 수중위치인식기반 수중시공관리 시스템 ··· 90 표 II.2.9 대응 전략: 수중위치인식기반 수중시공관리 시스템 ··· 91 표 II.2.10 oneM2M 표준 규격 ··· 92 표 II.2.11 GMDSS 해역 정의 ··· 108 표 II.2.12 GMDSS 통신 기술 ··· 108 표 II.2.13 e-Navigation 해역 정의 ··· 111 표 II.2.14 일본의 기술개발동향 ··· 113 표 II.2.15 미국의 기술개발동향 ··· 113 표 II.2.16 에너지 저장 시스템 주요 업체별 기술수준 ··· 151 표 II.2.17 Dead reckoning과 aided navigation ··· 117 표 II.2.18 수중위치인식기반 수중시공관리 시스템 관련 특허 ··· 184 표 II.3.1 해양 IoT 플랫폼·통신 기술 개발 과제 주요 연구내용 ··· 105 표 II.3.10 연구개발의 최종성과물(P3) ··· 116 표 II.3.11 목표성능 및 기술수준과 설정근거(P3) ··· 116 표 II.3.12 성과지표 및 목표치 설정(P3) ··· 116
표 II.3.2 해수배터리 시스템 개발 ··· 151 표 II.3.3 수중 위치인식 기반의 수중시공관리기술개발 과제 주요 연구내용 ··· 125 표 II.3.4 연구개발의 최종성과물 ··· 159 표 II.3.5 목표성능 및 기술수준과 설정근거(P1) ··· 195 표 II.3.6 성과지표 및 목표치 설정(P1) ··· 195 표 II.3.7 연구개발의 최종성과물(P1) ··· 106 표 II.3.8 목표성능 및 기술수준과 설정근거(P2) ··· 106 표 II.3.9 성과지표 및 목표치 설정(P2) ··· 106
0. 총론
개요 1
1.1 기획과제 목표
¡ 본 기획과제는 KIOST 창의사업으로 추진하였으며, 기획과제의 목적은 아래와 같음.
- 국가사회적 해양과학 기술 수요 예측 및 대응 연구 지원 Ÿ 주요사업 및 국가 R&D 추진을 위한 신규과제 발굴
1.2 기획 대상 범위
¡ 본 기획과제의 대상 연구주제
- 본 기획과제에서는 우리 연구원의 연구성과계획서(2018.08) 상의 [전략목표 3](아래 표 0.1.1 참조)의 목표를 달성하는 것을 기본 목표로 함.
- [전략목표 3]에는 3개의 성과목표가 있으며, 이 성과목표는 [성과목표 3-1] 해양에너지 및 항만･해양 구조물 기술 개발, [성과목표 3-2] IoT 기반 해양로봇 및 장비 기술 개발, [성과 목표 3-3] 해양위성 시스템 및 핵심활용기술 개발 고도화의 3가지로 구분되어 있음.
- 또한 각 성과목표에는 각각 3개의 세부성과목표를 가지고 있음.
- 이러한 세부성과목표 중 [성과목표 3-1]의 “조류발전 실해역 시험장 구축 및 상용화 기반 구축”, [성과목표 3-2] “수중영상 융합 기술 개발 및 수중 건설로봇 트랙 레코드 확보”
및 “해양장비 시험평가를 위한 시험평가선 구축 및 시험평가 체계 확립”은 국가연구개 발사업으로 추진 중에 있으므로 본 기획에서는 다루지 않음.
- 또한, [성과목표 3-3] 해양위성 시스템 및 핵심활용기술 개발 고도화 역시 기확보된 예산 을 사용하여 추진되고 있으므로 본 기획에서는 다루지 않음.
- 따라서 본 기획과제에서는 향후 주요사업 및 국가 R&D 추진을 위한 신규과제 발굴을 목 표로, 대상 주제는 다음과 같음.
Ÿ 해양에너지 발전단가(LCOE) 분석 및 절감 기술개발 ([성과목표 3-1] 중 두 번째 세부성 과목표)
Ÿ 항만･해양구조물 설계 및 유지관리 기술개발 ([성과목표 3-1] 중 세 번째 세부성과목
표)
Ÿ 해수배터리기반 IoMT(IoMT : Internet of Maritime Things) 플랫폼 테스트베드 개발 ([성 과목표 3-1] 중 첫 번째 세부성과목표)
❙표 0.1.1❙ 연구성과계획서 상의 [전략목표 3]의 세부성과목표
구 분 임기전('15~'17) 임기중('18~'22) 임기후('23~'28) 성과목표 3-1. 매우 도전적인 목표 해양에너지 및 항만･해양 구조물 기술 개발
조류발전 실해역 시험장 건설 및 상용화 기반 구축
조류발전 실해역 시험장 적지선정 및 타당성 조사 단계
조류발전 실해역 시험장 설계 완료 및 시공 기술 개발
조류발전 실해역 시험장 구축 및 운영을 통한 조류발전 산업화 기반 구축
해양에너지 발전단가(LCOE) 분석 및 절감 기술개발
해상풍력발전 LCOE 분석기법 조사･분석
해상풍력발전 LCOE 절감을 위한 지지구조물 핵심 설계/ 시공 기술 개발
해양에너지(풍력, 조류발전) LCOE 절감을 위한 지지구조물 핵심 설계/ 시공/유지관리 기술 개발
항만･해양구조물 설계 및 유지관리 기술개발
최적 코팅제 개발 및 최적 코팅공법의 선정
코팅제, 코팅 장비의 사용 및 시공가이드라인
항만･해양구조물 유지관리에 적용 성과목표 3-2. IoT 기반 해양로봇 및 장비 기술 개발
해수배터리기반 IoMT(IoMT:
Internet of Maritime Things) 플랫폼 테스트베드개발
소형 해수배터리 적층 기술 개발 중
해수배터리기반 IoMT 플랫폼 테스트베드개발
통합해양 빅데이터 플랫폼 실현 수중영상 융합 기술 개발 및
수중 건설로봇 트랙 레코드 확보
수중 트랙형 로봇 기술 확보
수중영상 융합 기술 개발 및 수중건설로봇 트랙 레코드 확보
융합영상 3D 센싱기술이 탑재된 트랙기반
수중건설로봇 실용화 해양장비 시험평가를 위한
시험 평가선 구축 및 시험평가 체계 확립
해양과학조사선박 (이사부호 등) 운영
해양장비 시험평가 전용선박 구축
해양장비 시험평가 및 인증센터 운영
성과목표 3-3. 해양위성 시스템 및 핵심활용기술 개발 고도화 해양위성, 지상시스템 및
산출물 생산 기술 개발
GOCI-II 위성 및 지상시스템 개발 중
GOCI-II 해양위성 시스템 정규 운영 및 정규배포 산출물 개발
GOCI-III 및 초소형위성 개발
다중 원격탐사 플랫폼/센서 통합 활용 기술 개발
다중 플랫폼 기반 통합감시 분석 SW 개발 중
다중 플랫폼 기반 통합감시 분석 SW 개발 완료
다중 플랫폼 기반 통합감시 시스템 기술고도화 및 정규운영 해양위성 운영 및
현안대응지원 시스템 개발
해양위성 운영 및 활용 지수
: 78.54
해양위성 운영 및 활용 지수
: 84
해양위성 운영 및 활용 지수
: 95
¡ 성과목표 3-1과 성과목표 3-2 달성을 위한 기획
- 성과목표 3-1의 경우, (1) 해양에너지(해상풍력 및 조류발전)의 발전단가(LCOE, Levelised Cost of Energy)를 객관적으로 분석하고, 이를 저감하기 위한 기술의 개발 및 (2) 수중코팅 실용화 기술, 가동식 호안 기술 등을 중심으로 항만･해양구조물 설계 및 유지관리 기술의 개발을 위한 기획 연구를 수행하며, 동시에 향후 국가연구개발사업으로의 추진 가능성이 높은 연구주제를 도출하여, 이에 대한 기획을 추가적으로 수행함. 특히 성과목표 3-1의 세 부성과목표는 2018년 주요사업을 일부 수행 중에 있으므로, 이러한 주요사업의 내용을 반 영하고, 동시에 연구성과계획서 상의 목표에 부합하도록 재조정하는 것이 필요함.
- 성과목표 3-2의 경우, 해양 다차원 공간(수중, 수상, 해상)에 분포한 해양 어플리케이션의 초연결성 보장 및 데이터 실시간 확보를 위한 해양 IoT (Internet of Maritime Things;
IoMT) 핵심 원천요소 기술 (통신, 측위 및 IoT 융합 서비스, 에너지) 개발을 위한 기획 연 구를 수행함
¡ 따라서 [성과목표 3-1]과 [성과목표 3-2]의 세부성과목표 및 기획의 방향이 서로 다르기 때문에, 이러한 특성을 반영하여 본 보고서에서는 [성과목표 3-1]의 달성을 위한 주요사 업 기획 내용을 I편에서 [성과목표 3-2]의 달성을 위한 주요사업 기획 내용을 II편에서 정 리함.
I. 해양에너지 및 항만‧해양구조물 실용화
기술 개발
서론 1
1.1 기획방향
¡ 우리 연구원 연구성과계획서 상의 [전략목표 3-1] 해양에너지 및 항만해양구조물 기술개 발의 추진을 위한 기획의 방향은 다음과 같이 설정함.
- 전략목표 달성이 가능한 기획
Ÿ [전략목표 3-1] 달성을 위한 기획 과제 수행 - 부서 연구목표 달성을 위한 기획
Ÿ 연안개발에너지연구센터의 업무분장을 고려한 기획 - 부서 연구역량 강화를 위한 기획
Ÿ 시설, 인력, 연구비 등 부서 연구역량 강화를 위한 기획 - 국가연구개발사업 추진을 위한 기획
Ÿ 정부 R&D 추진방향을 고려하여 향후 사업화가 가능한 아이템 발굴 Ÿ 해당 사업 추진 시 필요한 핵심요소기술 확보를 위한 기획
1.2 [전략목표 3-1]의 필요성
1.2.1 전략목표 설정 배경 및 필요성
1.2.1.1 국정과제 및 국가 전략목표 달성을 위한 연구개발 지원의 중요성
¡ 해양에너지 및 해상풍력 산업 촉진을 위한 발전단가 절감 및 융복합 발전 중요성
- 해양수산부는 『제1차 해양수산과학기술 육성 기본계획』을 통해 해양에너지 조기 상용화 를 추진하여, 해양에너지 보급 확대와 글로벌 시장진출을 통한 신산업 육성의 정책목표를 수립.
- 또한, 『2030 해양에너지 개발 계획』을 통해 청정에너지 공급 및 해양에너지플랜트 시장 활성화를 추진.
- 『재생에너지 3020 이행계획』을 통해 풍력을 포함한 신재생에너지의 중요성을 강조.
¡ 월파 저감 및 해안선 보호를 위한 연안구조물 설계/유지관리 기술 개발
- 연안구조물 설계/유지관리 기술은 해양안전 및 지속가능한 국토환경 조성과 관련된 기술 로 이들 기술은 다음과 같이 100대 국정과제 이행을 위하여 중요한 기술임.
- 국민안전과 생명을 지키는 안심사회 구현을 위한 “전략55: 안전사고 예방 및 재난 안전관 리의 국가 책임체제 구축” 및 난개발에 따른 연안구조물의 문제점 분석 및 대응방안 확 보의 중요성을 강조한 “전략59: 지속가능한 국토환경 조성”과 관련 있는 기술임.
- 또한, 2018년 해양수산부는 연구개발 6대 중점투자 방향 중 하나로 “첨단기술 활용을 통 한 해양안전관리체계 혁신”을 선정하여 해양안전 분야 R&D 중요성을 강조한 바 있으며, - 제3차 연안정비 기본계획(2020-2029) 수립을 통해 능동적인 침식방지 시설을 통한 친수공
간 조성 등 보다 실용적인 연구의 중요성을 강조한 바 있음.
1.2.1.2 해양에너지 및 항만·해양구조물 설계/유지관리 기술 개발 필요성
¡ 해상풍력발전 산업 촉진을 위한 발전단가(LCOE) 분석 및 절감기술 개발의 필요성
- 국내 에너지기본계획, 전력수급기본계획, 신재생에너지기본계획 등의 국가 에너지 계획에 서 활용되는 경제지표 및 전제조건을 반영한 해상풍력발전 발전단가(LCOE) 분석 및 국내 도입·확장을 위한 LCOE 절감기술 개발이 필요
- 특히 해상풍력 지지구조물은 해상풍력발전단지 건설 시 총 비용의 40%까지 차지하는 핵심 구조물로 LCOE 절감을 위한 지지구조물 최적화 기술 개발 필요
- 우리나라 근해의 해양환경과 해저지반 특성을 고려한 해상풍력 지지구조물 형식의 선정과 설치방법 기술 개발 필요
¡ 해양에너지 조기 상용화를 위한 융복합 발전 기술 개발의 필요성
- 국내 풍부하게 존재하고 있는 다양한 해양에너지 자원을 효율적으로 개발하기 위하여 해 역별 해양특성을 고려한 기술개발이 필요하며, 서남해안의 경우 조류 및 바람 자원이 풍부 하여 조류+풍력 복합발전에 매우 유리
- 해양에너지의 낮은 경제성 문제를 해결하기 위하여 조류-해상풍력 복합발전 등 관련 기술 개발 필요
¡ 침수 및 월파 저감을 위한 호안 설계기술 개발 필요성
- 기후변화의 영향으로 초대형 태풍 발생 가능성이 지속적으로 증가하고 있고, 동시에 연안 및 항만도시의 개발 및 확장으로 연안재해 발생 시 광범위한 피해 우려.
- 현재 국내 실정은 사후복구 위주의 정책이 중심을 이루고 있으며, 선제적인 재난 대응책은 미흡한 실정.
- 따라서 연안 및 항만도시의 인명 및 시설물 재해를 사전에 방지할 수 있는 핵심 기술 개 발 및 체계적인 대응체계 확보가 필요.
¡ 해안선 보호를 위한 연안구조물 배치 최적화 기술 필요성
- 해안침식은 한 지역의 해안구조물이 주변 다른 지역의 침식에 영향을 미칠 수 있으므로 해안구조물의 배치 및 역할에 대한 정밀한 사전 연구가 필요
- 기존의 점단위의 침식방지 기술은 구조물에 의한 피해(2차 침식 또는 구조물 붕괴)를 유발 할 수 있으므로, 이러한 피해를 최소화 할 수 있는 연안구조물 배치 최적화 기술 개발 필 요.
¡ 항만·해양구조물의 유지관리를 위한 수중코팅 및 복합재료 기술 개발 필요성
- 항만·해양구조물의 노후화에 따라 유지관리 비용이 지속적으로 증가하고 있으나, 이를 해 결할 수 있는 수명연장 및 유지관리, 보수보강 기술은 매우 부족한 실정.
- 유지관리 비용절감을 위하여 가장 기본적인 유지관리 방안의 하나인 수중코팅 실용화 기 술 및 해양쓰레기를 재활용한 항만구조물 건설용 복합재료 핵심기술 개발 필요.
1.2.2 [전략목표 3-1] 최종목표
¡ 해양에너지 및 해상풍력 발전단가 분석 및 저감방안 개발 - 국내 실정을 반영한 해상풍력발전 LCOE 분석 핵심기술 개발
- 서남해 해상풍력발전 시범단지 LCOE 저감을 위한 지지구조 형식 제안 - 1MW급 조류발전시스템 및 10MW급 조류발전단지 LCOE 분석
- 해양에너지 발전단가 저감을 위한 조류-해상풍력 복합발전시스템 적지 선정 및 기본 계획 수립(Design Basis, 구조해석, 경제성 검토 등 포함)
¡ 월파 저감 및 해안선 보호를 위한 연안구조물 설계/유지관리 기술 개발 - 세계적 수준의 월파 저감 호안구조물 설계 기술 확립
- 해안선 보호를 위한 연안구조물 배치 최적화 방안 창출
- 수중환경에서의 구조물 유지관리를 위한 수중코팅 실용화 기술 개발
1.3 기획연구의 목표 및 내용
¡ 해양에너지 및 항만⋅해양구조물 실용화 기술 기획연구 - 환경분석
- 연구개발 최종목표 및 최종성과물 제시 - 연구개발 추진계획 수립
- 연구개발 타당성 분석
- 연구개발 결과의 활용방안 및 기대효과 도출 - 도출과제의 연구개발 제안요구서 작성
환경 및 역량 분석 2
2.1 정책동향 분석
2.1.1 주요국 해양수산 R&D 정책 동향
2.1.1.1 미국
¡ 오바마 정부는 통합해양정책(`13.04) 및 국립과학재단 등의 R&D 프로그램을 통해 해양통 신, 관측, 에너지 및 바이오 등 광범위한 분야로 투자 강화
- 단거리용 항법시스템(Short Range Aids to Navigation) 개발에 약 10.2억 달러 투자(`15년) 및 해양관측망 구축⋅운영에 5.5억 달러 투자(`14년)
- (국립과학재단(National Science Foundation, NSF)) INFEWS 프로그램을 통하여 식품, 에너 지, 수자원 시스템 간의 효과적 관리 지원을 목표로 하는 연구에 6,200만 달러 투자(`16.02) - (에너지부(Department of Energy, DOE)) 파력, 조력, 해수온도차발전 등 해양에너지에 대
한 연구개발 촉진 및 수자원 발전 프로그램 시행(`15년)
2.1.1.2 중국
¡ 해상 실크로드맵(`15.04) 및 블루실리콘밸리 발전계획(`15.01) 등을 통하여 해양과학기술 발전을 통한 해양산업 발전 전략 마련
- “해양과학기술 2050로드맵(`10)” 수립 후 제12차 해양과학기술발전계획(`12) 등에 따라 분야별 R&D 계획 제시
¡ 중국은 푸젠성의 해양첨단산업과 R&D를 전략적으로 지원, `20년까지 중국을 선도하는 강 력한 해양경제의 성(省)으로 육성할 계획
- R&D를 포함한 총 158개의 중점 프로젝트에 `14년 상반기에만 약 141.5억 위안을 투자하 여, 첨단선박, 해양생물 유래 의약⋅기능성 소재, 해수담수화 등을 중점 육성
2.1.1.3 일본
¡ 제2차 해양기본계획(`13) 및 해양산업 육성 종합대책(`13)을 통해 해양산업 육성을 위한 해양과학기술 고도화 추진
- (해양에너지) 실해역 실증연구 등을 통해 해양에너지 발전비용을 `17년까지 현재의 전기소 매가격보다 저렴한 수준(20엔/kWh)으로 절감 추진
- 해양연구개발기구(JAMSTEC)의 선박 시뮬레이터 개발 등에 255억엔 지원(`13년)
- 전략적 혁신창조프로그램(SIP, `15년 예산은 500억엔)을 통하여 혁신적 기술개발을 목표로 창조형 R&D 추진
- 차세대 해양자원 조사기술과 차세대 농림수산업 창조 기술 투자예산은 각간 61.6억엔, 36.2억엔으로 전체 중 약 20%를 차지(`14년 기준)
2.1.1.4 유럽
¡ 청색성장을 위한 R&D 전략(`15)을 수립하여, 청색경재(Blue Economy) 관련 핵심기술 개 발과 산업육성 전략 수립
¡ 5개 청색성장 분야: 해양생명, 수산양식, 해양관광, 해양에너지, 해양광물자원
¡ MARINET 프로젝트 등을 통해 해양에너지 실용화를 촉진하고, 전통과학기술과 ICT 기술 등의 융⋅복합을 통한 혁신기술 개발도 추진
- MARINET(Marine Renewalbe Infrastructure Network):11개 EU 회원국 및 전세계 45개 해양 연구소에 대한 인프라 공동활용 및 연구성과 공유⋅개발
- 지능형 해양고속 항해장치 개발에 2,430만 유로 투자(EU 공동), 무인시스템 및 수중통신 등에 2억 파운드 투자(영국 국방과학연구소)
2.1.2 우리나라 R&D 정책동향
2.1.2.1 문재인 정부 국정과제 및 과학기술방향
¡ 문재인 정부 100대 국정과제
❙그림 I.2.1❙ 문재인 정부 100대 국정과제
¡ [전략목표 3-1]과 관련성이 높은 문재인정부 100대 국정과제 - “더불어 잘사는 경제” 관련 국정과제
Ÿ 37. 친환경 미래 에너지 발굴 육성
- 목표 : 에너지 신산업 선도국가 도약 및 저탄소ㆍ고효율구조로 전환
- 해당내용 : 친환경ㆍ스마트 에너지 인프라 구축, IoE 기반 신비즈니스 창출, `20년까지 공공기 관에 ESS 설치 의무화 및 지능형 계량 시스템 전국 설치 완료
- “내삶을 책임지는 국가” 관련 국정과제
Ÿ 55. 안전사고 예방 및 재난 안전관리의 국가책임체제 구축
- 목표 : 교통사고, 승강기 사고, 지진, 화재 등 각종 재난과 안전사고로부터 국민생명 보호 강화 추진
- 해당내용 : 태풍해일 및 고파로부터 항만도시 재해 저감 Ÿ 60. 탈원전 정책으로 안전하고 깨끗한 에너지로 전환
- 목표 : 탈원전 로드맵 수립을 통해 단계적으로 원전제로시대로 이행
- 해당내용 : 분산형 전원(신재생, 집단에너지, 자가발전)의 인허가, 연료 구매, 요금 설정 등 전 과정에 대한 체계적인 지원 강화
Ÿ 61. 신기후체제에 대한 견실한 이행체계 구축
- 목표 : 기후변화 리스크를 예측ㆍ관리하고 피해를 최소화하는 안전사회 구현 - 해당내용 : 사회 전반의 기후변화 적응 역량 평가ㆍ점검체계 구축
Ÿ 62. 해양영도 수호와 해양안전 강화
- 목표 : 연안여객 준공영제 확립과 현대화, 기항지 시설 확충ㆍ개선 추진
- 해당내용 : `18년부터 독도ㆍ울릉도 연계관리를 강화하고, 지역별 거점항만에 해경선 접안시설 및 경비시설 확충(`22년까지 3개 해양과학기지 영토거점화와 영해기점 영구시설물 22개소 설치) / `18년부터 연안여객 준공영제 확대ㆍ시행, `22년까지 연안여객선 40척 현대화 및 소규모 항ㆍ 포구 접안시설 개선
- “고르게 발전하는 지역” 관련 국정과제
Ÿ 79. 도시경쟁력 강화 및 삶의 질 개선을 위한 도시재생뉴딜 추진 - 목표 : 전국적 도시재생뉴딜 사업 추진을 공공중심으로 지원
- 해당내용 : 구도심과 노후주거지 등을 포함하여 정비가 시급히 필요한 곳부터 우선적으로 선정 하여 지역특성에 맞게 지원(지자체와의 협의를 통해 항만도시 도시재생 뉴딜 정책 수립)
2.1.2.2 제2차 해양수산발전기본계획(2011~2020)
¡ 해양수산발전기본계획의 5대 추진전략 및 26개 중점과제는 다음 표와 같음.
- [전략목표 3-1]과 관련성이 높은 과제는 1-3. 통합적인 연안‧해양 공간관리 기반 구축, 1-4.
연안지역 기후변화 적응‧복구 체제 구축, 2-1. 미래 해양자원 개발, 4-6. 항만의 지방이관에 따른 항만개발관리 시스템 구축, 5-1. 국제 환경변화에 대응한 해양영토 관리능력 강화 등 이 있음.
5대 추진 전략 중점과제
1. 건강하고 안전한 해양 이 용․관리 실현
1-1. 해양오염원의 통합적 관리체제 정착 1-2. 해양생태계 서비스 질적 제고 방안 마련 1-3. 통합적인 연안․해양 공간관리 기반 구축 1-4. 연안지역 기후변화 적응․복구 체제 구축 1-5. 해상안전관리체제의 선진화 및 첨단화 1-6. 해상안전분야 국제화
2. 신성장동력 창출을 위한 해양과학기술 개발
2-1. 미래 해양자원 개발
2-2. 해양산업의 핵심기술 개발
2-3. 녹색성장을 위한 해양환경 보전․탐사 핵심기술 개발 2-4. 해양과학의 기술개발 역량 강화
3. 미래형 고품격 해양문화․
관광의 육성
3-1. 다양한 해양레저 활동 발굴 및 육성 3-2. 해양관광자원의 보전과 이용 3-3. 해양관광 공간의 조성과 정비
3-4. 해양관광정책의 통합적 추진체계 구축 3-5. 해양문화 콘텐츠의 다양화
4. 동아시아 경제 부상에 따 른 해운․항만 산업의 선진 화
4-1. 세계 해운시장 주도 및 국제협력 강화 4-2. 경쟁력 있는 해운․항만 물류기업 육성 4-3. 녹색 해운․항만의 실현
4-4. 세계 초일류 허브항만 구축
4-5. 친환경 레저도시형 부가가치 항만 개발
4-6. 항만의 지방이관에 따른 항만개발관리 시스템 구축 4-7. 항만운영의 효율화
4-8. 해사인력 양성 5. 해양 관할권 강화 및 글로
벌 해양영토 확보
5-1. 국제 환경변화에 대응한 해양영토 관리능력 강화 5-2. 해양영토 개척을 통한 글로벌 해양경영 강화 5-3. 남북한 해양협력 강화를 위한 기반 조성
❙표 I.2.1❙ 5대 추진전략 및 26개 중점과제
2.1.2.3 해양수산 R&D 중장기계획(`14~`20)
¡ 해양수산 R&D 방향은 다음과 같이 메가트렌드를 분석하고, 해양수산 분야 트렌드를 예 측한 후 설정한 바 있음.
- 이러한 해양수산 R&D 방향 중 [전략목표 3-1]과 관련있는 방향으로는 해양청정에너지, 해 양안전고도화 등이 있음.
❙그림 I.2.2❙ 해양수산 R&D 방향
¡ 한편, 해양수산 R&D 비전 및 목표는 다음 그림과 같으며, 이 가운데 “전략 2. 창조형 해양수산 산업 육성”과 “전략 3. 국민행복 해양공간 창조”가 본 기획에서 다루고자 하 는 내용을 포함하고 있음.
❙그림 I.2.3❙ 해양수산 R&D 중장기계획(14~20) 비전 및 목표
¡ 전략 2: 창조형 해양수산 산업 육성
- 해양자원 및 해양에너지 개발 활성화: 해양 자원에너지 개발을 통한 국가전략자원 및 에너 지의 안정적 공급원 확보
Ÿ 신재생에너지 중 해양에너지 생산 비중 확대: (`13) 0.9% → (`17) 3.3% → (`20) 5.2%
¡ 전략 3: 국민행복 해양공간 창조
- 연안재해 저감 및 해양교통 안전 확보 : 연안재해 대응역량 강화 및 해양교통안전체계 확 립
Ÿ 해양사고 발생건수 저감 : (`13) 639건 → (`17) 30% 저감 → (`20) 50% 저감
- 친수공간 및 해양문화 콘텐츠 창출 : 친수공간 조성 및 해양문화 콘텐츠 발굴 등을 통한 해양공간 이용 확대
2.1.2.4 해양수산 산업화 촉진전략 (2016.06)
¡ 해양수산 산업화 촉진전략의 비전과 목표는 다음 그림과 같으며, 이 중 [전략목표 3-1]과 관련성이 높은 중점과제로는 7대 핵심산업 중 “해양청정에너지 조기 상용화”가 있음.
❙그림 I.2.4❙ 해양수산 산업화 촉진전략 비전 및 목표
¡ 해양청정에너지 조기 상용화
- 조류․파력 등 상용화에 가까운 기술분야 집중 투자(실해역 실험장 조성․실증) 및 실제 전력
거래를 위한 제도개선으로 조기상용화 추진
2.1.2.5 3020 신재생에너지 개발계획 및 해양수산부 2030 해양에너지개발계획 (2017.12.)
¡ 문재인 정부의 3020 신재생에너지 개발계획
- 현 정부는 2030년까지 전력생산비율 20%를 재생에너지로 대체하는 『3020 신재생에너지 개발계획』을 발표함
Ÿ 탈원전 정책을 시작으로 친환경에너지 정책을 확대하고, 안전하고 효율적인 에너지 개발 및 이 용에 정책적 방향을 제시하고 있음
Ÿ 2017년 현재 20GW 규모의 신재생에너지 시설을 2030년까지 인프라는 약 76GW 규모로 확대 조 성 목표
Ÿ 향후 약 56GW 규모의 신재생에너지 인프라 추가 조성 필요 Ÿ 현 정부의 신재생에너지 공급 목표는 다음 표와 같음
년도
구분 2018 2020 2022 2026 2030
총발전량(GWh) 555,280 588,352 609,822 637,953 664,109 신재생에너지 발전량(GWh) 34,866 45,991 58,759 89,738 132,955
신재생에너지 시설규모(GW) 20 26 34 51 76
비중(%) 6.3% 7.8% 9.6% 14.1% 20.0%
❙표 I.2.2❙ 현 정부의 신재생에너지 공급 목표
¡ 해양수산부 『2030 해양에너지 개발계획』
- 해양수산부(2017)에서는 『2030 해양에너지개발계획』에 대한 세부추진전략을 수립하였음 ([그림 I.2.4] 및 [그림 I.2.5] 참조)
Ÿ 전략 1: 해양에너지 R&D 확대 및 실증체계 구축:
해양에너지 조기 상용화와 해외시장 진출 중심의 핵심기술 개발 R&D를 적극 추진하고, 산업화 촉진을 위한 실증체계 구축
Ÿ 전략 2: 대규모 해양에너지 발전단지 조성:
2030년까지 “해양에너지 발전 인프라”를 1GW 규모로 확대하고, 15조원 규모의 국내외 시장
창출 도모, 50만 가구에 대한 전력 공급 Ÿ 전략 3: 글로벌 시장 진출 및 국내 보급 확대:
약 15조원 규모의 해양에너지 플랜트 글로벌 시장을 창출하고, 50만가구에 대한 해양에너지 전 력 상시 공급 체계 구축
Ÿ 전략 4: 해양에너지 인증체계 구축 및 정책지원강화:
해양에너지 인증체계를 구축하고, 효율적인 지원 확대를 위해 다양한 제도 개선 및 “해양에너 지 상용화 지원 추진단” 구성·운영
❙그림 I.2.4❙ 2030 해양에너지 개발 계획 세부추진전략
- 해양수산부(2015)는 ‘2025년 해양에너지 강국 도약‘을 목표로 해양에너지 중장기 개발계 획(‘15~’25)을 수립하고, 세부 추진과제인 해양에너지 상용화를 위한 비즈니스 R&D 및 실증체계 구축/해양에너지 인증체계 구축 등 국가 에너지 확보 목표를 제시함
Ÿ 해양에너지 보급 확산 및 글로벌 경쟁력 확보란 비전을 제시
Ÿ 2025년까지 신재생에너지 중 1.6%를 해양에너지로 공급할 목표를 수립하며 세계수준 대비 95%
의 기술력 확보 및 글로벌 강소기업 육성을 목표로 함
❙그림 I.2.5❙ 2030해양에너지 개발 계획 세부추진전략
2.2 국내외 기술동향 분석
2.2.1 해양에너지(해상풍력 및 조류발전) LCOE 분석
¡ 국외 동향
- 유럽을 중심으로 해상풍력 LCOE 분석 및 LCOE 저감을 위하여 해상풍력단지의 표준화 및 각 지지구조별 최적화에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있음.
- Statkraft에서는 LCOE 분석의 기본자료가 되는 CAPEX 및 OPEX를 각 항목별로 분석하여 다음과 같은 결과를 제시함(Statkraft, 2012; BlueWind Engineering, 2016).
- CAPEX가 전체 비용의 2/3 정도를 차지하며, 특히 지지구조물 및 설치비용이 CAPEX의 40% 가까이 차지함. 따라서 LCOE 저감을 위해서는 CAPEX를 줄여야 하며, 지지구조물과 설치에 있어 혁신적인 기술 개발이 필요함을 알 수 있음.
❙그림 I.2.6❙ 해상풍력 CAPEX/OPEX 분석(Statkraft, 2012, BlueWind Engineering, 2016)>
- 유럽의 대표적인 운영사인 DONG Energy에서는 2012년 현재 160Euro /MWh인 해상풍력의 LCOE를 2020년까지 100Euro/MWh로 줄이기 위하여 터빈, 기초, 계통연계, 운송, O&M 등 분야별 기술혁신을 강조함(Dong Energy, 2013).
❙그림 I.2.7❙ 해상풍력 LCOE 저감 목표 (DONG Energy, 2013)
- 한편, RAMBOL에서는 LCOE 저감을 위하여 CAPEX의 25% 이상을 차지하고 있는 기초구조 물 최적화를 위하여 대표적인 기초구조물 형식인 모노파일과 재킷을 대상으로 최적화 관 련 연구를 수행한 바 있음 (RAMBOL 2013).
❙그림 I.2.8❙ 재킷구조물에 대한 최적화 시나리오 (RAMBOL, 2013)
- 한편, 영국의 Carbon Trust에서는 고정식과 부유식 해상풍력에 대한 LCOE 분석연구를 진 행한 바 있으며, 또한 기존 Oil&Gas 산업에서 비용절감 사례를 근거로 고정식과 부유식 해상풍력에 대한 LCOE 절감에 관한 가이드를 제시함(Carbon Trust, 2015).
❙그림 I.2.9❙ 고정식 및 부유식 해상풍력 LCOE 분석 사례(Carbon Trust, 2015)
¡ 국내 동향
- 국내에서는 산업통상자원부에서 해상풍력 분야별 비용 구성을 분석한 바 있으나, 국외와 같이 CAPEX, OPEX 등으로 분류하지 않음. 산업통상자원부에서 발표한 2015년과 2035년 자료에 따르면 지지구조물이 전체 비용에서 차지하는 비중이 각각 17%, 22%로 매우 중요 함을 알 수 있음.
- 한편, 성진기 등(2013)은 해상풍력발전의 에너지단가 절감과 관련하여 단지개발 시나리오, 그리고 각 분야별 기술혁신 속도에 따른 에너지단가 절감과 관련한 연구를 수행한 바 있 음.
Ÿ 이 연구에 따르면 해상풍력 지지구조물 설계, 소재, 제작 분야에서 2030년까지 6~13% 절감이 가 능할 것으로 전망한 바 있으며, 전체적으로 기술혁신 시나리오에 따라 2030년 에너지단가를 88.8~119.26원/kWh로 예측.
Ÿ 지지구조물 분야에서는 신개념 구조시스템, 최적설계, 제작표준화 등에서의 기술혁신이 가능할 것으로 전망.
- 또한 여러 기초형식의 장단점에 대한 조사 분석 결과는 제시되어 있으나, 경제성 평가 등 을 위한 상세한 분석은 설치해역 조건 등에 따라 크게 영향을 받을 수 있기 때문에 상세 하게 분석하지는 않음.
- 최근 에너지경제연구원(임덕오, 2017)에서는 문재인 정부에서 논란이 되고 있는 탈원전 등 과 관련하여 여러 에너지원에 대한 LCOE를 분석한 바 있음. 그러나 여러 에너지원에 대 한 LCOE 분석을 수행하였기 때문에 각 분야에 대한 추가적인 분석이 필요한 상황임.
Ÿ 이 연구에 따르면 국내 원자력발전의 LCOE가 가장 낮게 평가되었는데, 이는 국내 원자력발전 상황이 외국과 크게 다른 환경에 기인하는 것으로 분석함.
Ÿ 또한 해상풍력은 국외보다 매우 높게 분석되었는데, 이 역시 우리나라의 인허가 등 비기술적 요 인에 의한 것으로 이러한 문제를 해결할 경우 외국과 유사한 수준의 LCOE가 될 것으로 예측 됨.
❙그림 I.2.10❙ 에너지원별 LCOE 분석결과(임덕오, 2017)
2.2.2 침수 및 월파 저감형 가동식 호안 기술
¡ 해상설치형 폭풍해일 방어 가동식 호안
- 해상설치형 폭풍해일 방어 가동식 호안으로 네덜란드 Delta Works, 이탈리아 Mese Project 등이 있음.
- 네덜란드 Delta Works는 Delta Works는 1953년 대규모 폭풍해일 내습 직후에 시작되어 1997년까지 네덜란드 남서쪽 연안에 걸쳐서 시행된 대규모 종합 방재 대책으로서, 네덜란 드 주요 도시에 연결되는 연안 및 수로에 폭풍해일 차단시스템을 비롯하여 다수의 댐, 방 조제, 수문 등을 건설하였음.
Ÿ Delta Works를 통해 건설된 방재 구조물 중 가장 최근인 1997년에 완공된 두 개의 가동식 장벽 Hartel Barrier와 Maeslant Barrier는 네덜란드 연안방재 기술의 결정체라고 할 수 있으며, 폭풍 해일 차단시스템 설계 시 반드시 참고해야 할 핵심 구조물임
❙그림 I.2.11❙ Maeslan Barrier ❙그림 I.2.12❙ Mose project의 건설 위치 및 조감도
- 이탈리아 Mose project는 이탈리아 베니스 시를 폭풍해일로부터 보호하기 위해 추진 중인 종합 연안방재 사업임.
Ÿ Mose project에서 가장 핵심적인 사업은 세 곳의 베니스 만 입구에 폭 20m인 78개의 가동식 flap 게이트를 설치하는 공사로서 막대한 사업비 (약 3조 5천억원) 및 환경적인 영향에 대한 우 려로 논란 속에 막바지 공사가 진행되고 있음
- 일본에서는 1960~70년대에 중․소규모의 다양한 폭풍해일 차단시스템이 건설되었으며, 네덜 란드, 영국, 이탈리아와 같은 대규모 시설물은 시공된 바 없음
❙그림 I.2.13❙ Osaka Arch Gate의 전경 및 주 게이트 작동 모습
- (소결) 해상설치형은 주로 만의 입구나 강의 하구등에 설치하여 폭풍해일이나 지진해일에 대응하는 기술로서 2016년 태풍 차바 때와 같이 호안을 타고 넘는 연안지역의 월파 및 침 수에 대응하기에는 어렵고 건설비가 비싸다는 단점이 있음.
Ÿ 침수 피해가 우려되는 호안에 설치하여 대응할 수 있는 기술 필요
¡ 육상설치형 가동식 호안
- 육상설치형 가동식 호안으로는 일본 Neo-Rise,
- 일본의 Neo-Rise는 지진 및 폭풍해일 발생 시 자동으로 기립하여 침수 등에 대응함.
Ÿ 자동으로 기립하기 때문에 추가적 동력이 필요하지 않음.
Ÿ 호안을 설치하기 위해서는 기립식 벽이 존재해야 하기 때문에 Gate 형태로 설치됨.
❙그림 I.2.14❙ Neo-rise 가동식 호안(일본 히타치조선)
Ÿ 벽으로 둘러싸인 출입구, 또는 건물 입구 등에 적용하기 유리한 구조 (주거지 주변 또는 관광지 등 개방된 넓은 지역에 연속적으로 설치하는데는 한계가 있음)
- 우리 연구원에서 개발 중인 월파 대응 가동식 호안은 근본적으로 침수보다는 월파로 인한 피해를 저감하기 위해 제안된 가동식 호안시스템 형식임.
Ÿ 평상시에는 관광형 데크로 사용하다가 이상시에 윈치를 이용하여 삼각형 형태로 기립하여 월파 에 효과적으로 대응할 수 있음.
❙그림 I.2.15❙ 월파 대응 수동식 가동식 방벽
- 침수와 월파가 동반하는 지역에 적용하기에 한계가 있으며, 윈치와 같은 동력을 이용하여 작업자가 수동으로 기립하기 때문에 긴급적인 상황 발생 시 대응의 한계점이 있음.
¡ 가동식 호안 특허 기술 조사
❙그림 I.2.16❙ 연구개발 대상 기술의 특징
❙그림 I.2.17❙ 가동식 호안 개발 전후의 상태
2.2.3 수중구조물 배치 최적화 기술
¡ 국외동향
- 해외에서도 기존의 파랑모델들이 가지고 있는 회절현상 구현의 낮은 정확성에 관한 문제 가 제기되어 왔으며 이를 개선하기 위한 연구가 수행되어져 왔음.
- 그 중에서 노르웨이의 Reef3d 같은 모델은 Navier-Stokes 방정식을 직접 푸는 CFD 모델로 서 구조물 주변 정밀모델링의 경우 정확도가 향상 되었으나 파랑의 전파를 계산하기 위해 서는 아직 shallow-water 방정식을 사용하여 회절현상의 구현에 최적화 되지는 않음 (https://reef3d.wordpress.com/).
❙그림 I.2.18❙ Reef3D CFD 모델: 3차원 Navier-Stokes 방정식
❙그림 I.2.19❙ Reef3D CFD 모델: 2차원 Shallow-water 방정식
- 최근에 Boussinesq 파랑모델을 GPU 기반으로 변형하여 계산 속도를 향상시킨 연구결과가 발표됨 (Tavakkol & Lynett, 2017).
❙그림 I.2.20❙ Celeris Boussinesq 파랑모델
- 그러나 이런 연구들은 현재 파랑모델에 국한되어 향후 연안 지형변동모델로 연계될 필요 가 있음.
- 또한 정밀 CFD 모델 분야도 최근 LES 기법을 적용하여 쇄파대 및 포말대 시뮬레이션의 정확성을 높인 연구결과가 발표됨 (Kim et al., 2016)
❙그림 I.2.21❙ LES 기법을 적용한 포말대 난류 에너지 연구 사례 (Kim et al., 2016)
¡ 국내동향
- 국내에서도 최근에 Finite Volume Method를 사용한 3차원 CFD 정밀모델이 개발 되고 있 으나 연안역 수치모델링에 적용되기에는 아직 계산 시간이 많이 걸리는 등의 문제점이 있
음 (Lee et al., 2018).
❙그림 I.2.22❙ 울산대 CFD/회류수조 연구실 구조물 주변 파랑 CFD 정밀 수치모델 연구 사례
2.2.4 항만·해양구조물의 유지관리를 위한 수중코팅 기술
¡ 국외동향
- 국내 사정과 동일하게 미국과 노르웨이, 그리고 일본에서는 수중코팅을 위한 재료개발 및 응용을 위한 연구는 활발한 편이나 표면처리 및 분사시스템 등의 응용기술에 관한 연구는 거의 없는 실정임.
- 2011년, 미국 아이다호국립공학환경연구소 (Idaho National Engineering and Environmental Laboratory)에서는 수중코팅 재료개발에 더해 코팅의 방향 및 재료의 성분이 내식성 및 내 마모성에 미치는 영향의 조사를 위한 연구를 수행한 바 있음.
- 현재 노르웨이 SINTEF 코팅 연구실(Coating Laboratory) 에서는 해양구조물을 위한 코팅기 술개발과 부식방지를 위해 다양한 연구를 수행 하고 있음.
- 일본 와세다대학교 스가 타케오 연구팀은 수중 CO2 고정에 기반하여 친수성, 방오 코팅 재료 및 기술을 개발, 관련 특허를 보유하고 있는 상태임.
- 수중코팅 관련 국외 논문도 재료에 관한 연구가 주를 이루고 있으며, 시스템 개발에 관한 논문은 2000년부터 2017년까지 총 63편의 논문이 게재됨.
- 국가별 논문 게재 편수는 미국이 수중코팅 관련 72편으로 가장 많았고, 우리나라는 수중코 팅 관련 10편의 논문을 게재함.
- 국외 특허는 수중코팅시스템 및 장치 개발이 총 65건이었고, 일본이 32건으로 가장 많은 특허를 공개함.
- 국내외 도료시장 및 구조물의 표면처리에 사용이 가능한 기능성 코팅 소재 시장은 현재 지속적으로 성장하는 추세에 있음
❙그림 I.2.23❙ 국내외 도료시장의 규모 및 비교
¡ 국내동향
- 현재까지 국내에서 수중코팅 원천기술에 대한 과제는 수행된 바 없음.
Ÿ “세라믹메탈재를 적용한 수중콘크리트 구조물의 보수·보강공법 개발 (2004년, 건설교통 부 출연, 한국건설교통기술평가원 위탁시행)”, “콘크리트 구조물 보호용 첨단 코팅 재료 개발 및 실용화 연구 (2007년, 건설교통부 출연, 한국건설교통기술평가원 위탁시행)” 등과 같은 재료개 발에 초점을 맞춘 과제들만 수행됨.
Ÿ 해양환경에 노출된 콘크리트구조물의 보수를 시행하는 경우, 코팅재료에 최적화된 표면처리 및
분사공법이 중요한다고 판단되며, 개발된 코팅재료의 실용화를 위해서 추가적인 원천기술개발이 필요함.
- 수중유지보수 관련 국내 연구사업은 2003년 이후로 총 18건으로 수중 로봇을 이용한 유 지보수 사업이 10건 이었고, 수중 도료 관련 사업은 2건임.
- 2009년 우리원에서 “수중작업능력 고도화를 위한 다기능 지능형 수중 로봇 개발 기획 연구” 과제를 수행함으로써 수중로봇을 활용한 유지보수 작업의 필요성을 인지.
- 에너지 분야의 확대로 2014년부터 2017년까지 “해상풍력 구조물의 설계수명 확보를 위 한 최적 부식 관리기술 개발”의 과제가 수행됨.
- 원전시설 내부의 유지보수를 위해 “원자력 내방사선 로봇 개발”, “원자로 내부구조물 지지볼트 검사 및 정비기술 개발”과 같은 수중유지보수 관련 과제가 수행됨.
- “수중 항만시설물 점검용 ROV 장비 기술 개발”, “항만시설물 진단 기법 분석”, “항 만 시설물 점검용 핵심플랫폼 개발”, “선체 수중검사 자동화를 위한 자율 무인시스템 개 발” 과 같은 수중 검사 관련 과제가 수행됨.
- 수중코팅 관련 국내 논문은 수중에서 경화 가능한 코팅제에 관한 주제의 연구가 진행 되었으나, 소형 콘크리트 시편을 제작하여 표면코팅을 실시하고, 해양환경을 모의한 실험 실 수조에 담아 시간경과에 따른 코팅의 부착성능을 확인한 결과만을 보고하고 있어 실용 성과는 거리가 있음.
- 코팅제의 수중손실률을 최소화 하기위한 수중코팅 장비의 개발이 필요한 실정임
❙그림 I.2.24❙ 수중구조물의 보수를 위한 수중코팅 시스템의 개념
2.2.5 해양쓰레기 재활용 복합재료 제조기술
¡ 국내/외 기술동향
- EU에서는 해양쓰레기의 재활용을 위해 Northern Periphery and Arctic Programme과 Circular Ocean 프로젝트를 수행
- 상기 프로젝트의 목표는 지속 가능한 지역사회 형성을 돕는 것이며, 목표 달성을 위해 해 양쓰레기의 혁신적인 재활용 방안을 연구할 뿐만 아니라 북극 지역의 폐어망과 폐로프를 재활용하여 상품화하는 기업들을 지원함
- 미국은 2008년부터 ‘Fishing For Energy’ 프로젝트를 진행 중이며, 폐어망을 수거한 뒤 수거한 폐어망으로부터 금속 및 에너지를 생산하여 연안 지역주민에 공급함
- 이 프로젝트는 금속 재활용 기업(Schnitzer Steel Industries)과 지속가능한 폐기물 및 에너 지 솔루션 기업(Covanta)과 협력하여 폐어망을 수거한 뒤, 폐어망에 있는 금속 자재를 수
거하여 재활용하고 나머지 재료는 지역 에너지로 변환함
- 미국의 비영리단체 ‘Million Waves’는 해안가 폐플라스틱을 재활용해 3D 프린팅 재료로 만든 뒤 의료용 보철과 인공 팔, 손을 제작
- 인공 보철의 경우, 제품 원가는 45달러로 5,000달러인 기존 제품에 비해 매우 저렴하므로 경제적임
- 현재도 제품의 다양화를 위해 의료 전문가와 협력하여 휠체어제품 개발을 추진 중임 - 일본의 경우, 폐스티로폼 부표를 재활용한 보일러를 개발하여 어촌에서 해양쓰레기의 자원
순환을 실현하기 위한 연구를 하고 있음
- 또한, 2012년부터 폐스티로폼 부표를 펠릿으로 가공한 후, 보일러 연료로 사용하는 기술 개발과 현장 적용 실험을 추진 중임
- 증기 생산 보일러는 일본 가고시마현 나가시마초에서 해조류(김)를 자숙하는 용도로 활용 되며 보급을 위한 현장 실험과 기술 보완을 추진 중임
- 2018년 온수 보일러에 대한 현장 적용 시험을 나가사키현 대마도에서 실시했으며, 보일러 온수를 활용한 족탕 시설을 운영해 지역 주민 건강과 관광 자원으로 활용한다는 계획임 - 국외의 경우들에 비하여 아직까지 국내는 해양쓰레기 자원화 기술이 매우 부족한 실정이
며 해양쓰레기의 주된 재활용 방법은 플라스틱 칩(원자재) 생산임
- 최근 플라스틱(신자재) 가격의 하락으로 인한 재생 플라스틱 칩 판로가 좁아짐에 따라 해 양쓰레기 대부분을 해외(동남아)로 수출하고 있어 국내 해양쓰레기 재활용률이 더욱 감소 하고 있는 추세임
- 재활용 기술력 확보를 통한 재활용 분야 다각화 및 재활용 산업 촉진이 필요함
❙그림 I.2.25❙ 해양쓰레기 재활용을 위해 필요한 전처리 작업의 개요
❙그림 I.2.26❙ 폐어망을 재활용한 섬유보강재 제조기술
2.3 연구개발사업 추진실적 및 주요 연구분야
2.3.1 기관고유사업 및 국가연구개발사업 추진 실적
¡ 연안개발‧에너지연구센터에서 지난 2011년 이후 수행한 기관고유사업은 다음과 같음.
- 해중터널 실용화를 위한 핵심기술 개발 Ÿ (목표)
Ÿ (기간) 2011.1.1.~2013.12.31 - 연안침식저감 원천기술 개발
Ÿ (목표) 동해안 사빈-사구시스템 거동 역학구조를 규명하여 지형변화 예측역량을 향상하고, 사구‧
호안 전면의 완충후빈폭 및 인공사구 설계기술을 개발함으로써 한반도 연안의 지속가능한 발전 을 위한 원천기술을 확보함
Ÿ (기간) 2015.1.1.~2017.12.31
- 안전한 항만도시를 위한 가동식 호안 기술개발*
Ÿ (목표) 안전한 항만도시 구축을 위한 침수 대응 호안 개발 및 항만도시 침수 및 월파 대응을 위 한 자동 기립식 호안 기술 확보
Ÿ (기간) 2018.1.1.~2018.12.31 - 수중코팅 원천기술 개발*
Ÿ (목표) 수중 콘크리트 구조물의 보수를 위한 코팅재료 및 실용화기술개발 Ÿ (기간) 2018.1.1.~2018.12.31
- 조력발전 시스템 성능 향상기술
Ÿ (목표) 조력에너지 이용 극대화를 위한 조력발전 시스템 향상기술 및 진동 및 소음 중심의 친환 경성 평가기술 개발
Ÿ (기간) 2010.1.1.~2012.12.31
- 조류발전 시스템 성능향상기술 개발
Ÿ (목표) 조류에너지 이용 극대화를 위한 조류발전 시스템 성능향상 기술개발 Ÿ (기간) 2013.1.1.~2015.12.31
- 조류발전 융복합 발전기술 개발
Ÿ (목표) 해양에너지 신산업 창출을 위한 해상풍력-조류 복합발전 모델개발 및 조류양수발전 융합 핵심기술개발
