도서지역의 에너지 자립화를 실현할 수 있는 조류발전-ESS 연계형 융‧복합시스템이 개발돼 관심이 증폭되고 있다.
특히, 이 기술은 그동안 신재생에너지의 문제점으로 평가되는 출력의 간헐성을 극복한 기술로, 조류발전-ESS 연계를 통해 도서지역에 안정적이고 지속적인 전력공급 실현에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
100kW급 이상 규모 ‘연계형’ ··· 친환경 전력공급체계 구축 목표
설계부터 운용기술까지 확보 효율적 조류에너지 생산 가능성 확인
38억 원 들여 진도군 해양과학기술원 울돌목조류발전 기지에 구축
최근 정부의 신‧재생에너지 개발 계획에 따라 조류에너지 개발과 보급 확대 필요성이 대두되고 있는 가운데 부존량이 풍부한 조류에너지 개발하기 위한 기술력이 뒷받침 될 경우 정부의 재생에너지 보급 확대 정책 실현은 물론 해양수산 분야의 전략산업 육성에 도움을 줄 것으로 전망되고 있다.
실제로 친환경 에너지 중 바닷물의 흐름을 이용한 조류에너지는 기상 영향을 받지 않는 예측 가능한 에너지로, 효과적이고 안정적으로 전기를 공급할 수 있는 장점을 갖고 있다.
현재 국내 조류발전 설치 가능지역으로는 백령도(1,094MW)를 비롯해 경기만 동·서수도(1,067MW), 천수만(225MW), 울돌목(104MW), 장죽수도(5,533MW), 거차수도 및 맹골수도(3,996MW) 등으로, 총 개발규모는 1만 2,019MW로 산출되고 있다.
한편, 현재 국내에 존재하는 127개의 자가발전도서의 대부분이 화력발전에 의존하고 있고, 발전원가도 높아 친환경적이고, 경제적인 에너지를 공급하는 방안의 일환으로 조류발전의 확대 보급이 이뤄져야 한다는 의견도 대두되고 있다.
이에 한국해양과학기술원에서는 도서지역의 친환경 전력공급체계 구축과 재생에너지 보급 활성화를 목표로 조류발전시스템과 에너지저장장치(ESS)를 연계한 융‧복합시스템 개발 연구를 수행했다.
연구내용
이 연구는 도서지역에 적용 가능한 100kW급 이상 규모의 조류발전-에너지저장장치(ESS) 연계형 융‧복합시스템 구축‧실증을 목표로 하고 있다.
연구팀은 이 같은 목표 실현을 위해 융‧복합시스템 구축 적지 선정 연구부터 융·복합시스템 설계·제작·설치‧시운전과 함께 전력계통연계설비 설계‧구축 연구, 융‧복합시스템 운용과 사후 활용방안 제시 등의 연구에 이르기까지 모든 단계의 연구를 성공적으로 수행했다.
세부적으로 살펴보면, ‘융‧복합시스템 구축을 위한 적지 선정’ 부문에서는 수심 측량과 조석간만의 차이, 조류의 방향과 속도 측정을 위한 현장조사와 함께 지리정보시스템을 기반으로 한 주제도 제작과 분석한 후 일차적으로 적지를 찾아내고 여객선 항로와 공사비용 등을 고려해 최종적으로 설치 지역을 확정했다.
최종 설치 지역으로 선정된 장소는 진도군 군내면 명량대첩로 89 (녹진리 1952-5)와 공유수면이다.
‘융‧복합시스템 설계·제작·설치·시운전’ 부문에서는 100kW급 이상 조류발전-ESS 연계형 융‧복합시스템 1기 개발과 함께 개발된 융‧복합시스템의 계통연계 실적 확보, 기술실시를 진행했다.
‘융‧복합시스템 구축 관련 인·허가 획득’ 부문에서는 공유수면 점용·사용허가 취득, 간이해역이용협의, 발전사업허가 등을 추진했다.
이 같은 연구를 통해 지난 2020년 12월 연구팀은 진도군 명량대첩로 89에 위치한 해양과학기술원 울돌목조류발전 기지에 약 38억 원을 투입, 7.4m×9.6m×30.0m, 126톤 규모의 조류발전-ESS 융‧복합시스템을 구축했다.
이번에 구축한 시스템은 크게 조류발전기, 지지구조물, ESS로 구성된다.
그 중 조류발전을 위한 수차와 수차를 지지하는 구조물, 수차의 수리를 위한 진‧회수장치 설계가 핵심기술이다.
연구팀은 핵심기술의 성공적인 개발을 위해 거센 파도와 강한 바람, 태풍과 같은 도서지역의 악천후 상황을 고려해 설계를 진행하고, KIOST 내 수중로봇복합실증센터에서 다각적인 수리실험을 통해 취득한 데이터를 반영했다.
특히, ‘수차 설계’ 연구에서는 도서지역의 수심과 유속 특성을 반영, 유지보수가 용이한 수직축 조류발전 터빈 시스템을 적용했다. 이 시스템은 구조가 단순하고, 조류의 방향에 관계없이 발전이 가능한 것은 물론 낮은 수심에서도 원활히 발전할 수 있는 장점을 갖고 있다.
조류발전기를 지탱하고 보호하는 ‘지지구조물 설계’ 부문에서는 블레이드의 회전 출력과 발전기와 수차의 무게, 조류와 파도의 힘을 고려해 안전한 디자인과 크기로 설계를 진행했다.
‘진‧회수 장치 설계’ 부문에서는 지지구조물 상부에 줄을 감아올리는 호이스트를 설치, 수차에 문제가 발생할 경우 물 밖으로 끌어 올려 보수를 진행할 수 있는 효율적인 구조로 설계했다.
한편, 조류를 활용해 만들어진 전기는 조류발전기와 연계된 에너지 저장장치인 ESS로 전달된다.
전력변환장치를 비롯해 에너지 관리장치, 배터리 관리 장치, 배터리 등으로 구성되는 ESS는 500kWh의 전력을 보관할 수 있다.
ESS시스템을 이용하면 전기에너지 사용량이 적을 때는 저장하고 필요할 때 보급, 에너지 이용 효율이 향상되고 전력공급 안정화를 이룰 수 있다.
특히, ESS시스템에 저장해둔 전기를 냉‧난방 수요가 급증하는 최고 수요시점에 공급할 경우 전력 부하를 조절할 수 있어 발전설비에 대한 과잉 투자를 막아주고, 돌발적인 정전 시에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 장점을 갖고 있다.
성과
연구팀은 100kW 이상 규모의 조류발전-ESS 융‧복합시스템의 설계부터 제작, 설치, 시운전 및 운용기술까지 확보하는 성과를 도출했다.
또한, 듀얼-하이브리드 조류발전 기술 개발을 통해 효율적인 조류에너지 생산 가능성도 확인하는 성과도 거뒀다.
특정, 듀얼-하이브리드 조류발전장치는 유속강화장치 없이 터빈의 배치 형상에 따라 유속강화장치의 특성을 보여 획기적인 조류발전 기술로 평가받고 있다.
또한, 100kW급 이상 조류발전-ESS 연계형 융‧복합시스템 1세트를 확보, 조류발전 기반 도서지역 친환경 전력공급체계 구축과 재생에너지 보급 기반을 마련했다는 평가를 받고 있다.
현재 연구팀은 이 같은 성과들을 기반으로 도서지역 친환경 전력공급 체계 구축과 재생에너지 보급 활성화를 위한 상용화와 산업화를 추진하고 있다.
인 / 터 / 뷰
1개월 간 11,684kWh 생산
약 38가구 전력 사용 ‘사용’
한국해양과학기술원 박진순 책임연구원은 “이번 연구에서 조류발전시스템의 효율 최적화를 위해 2축 수차의 간격에 따른 조류발전 효율 변화 연구에 집중하며 세계 최초로 도서지역에 적용 가능한 100kW급 조류발전과 ESS가 융‧복합된 시스템 설계부터 제작, 설치하는 성과를 거뒀다”고 밝혔다.
이어 “특히, 지난해 6월 한 달 간 운영을 통해 약 38가구가 사용할 수 있는 1만 1,684kWh 규모의 무공해 전력 생산에 성공하며 도서지역에 조류발전을 통한 전력공급의 가능성을 확인했다”고 말했다.
이 기술은 조류발전-ESS 분야의 산업화 촉진은 물론 향후 도서지역의 친환경 전력공급 체계 구축과 재생에너지 보급 활성화에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
서남해안 25곳 대상 시스템 보급 협의 추진
박 박사는 향후 계획에 대해 “현재 국내 서남해안에 위치한 도서 중 자체적으로 전기를 생산하는 자가발전 도서는 127개소”라며, “이 중 조류에너지 개발이 가능한 도서는 25개소로 파악되고 있는 만큼 향후 25개 도서를 대상으로 조류발전-ESS 융복합시스템 보급을 위해 관계기관과 협의를 추진할 예정”이라고 밝혔다.
이어 “또한, 인도네시아 등과 같이 많은 도서가 존재하는 국가와 조류에너지가 풍부한 국가에 공적개발원조 사업에 기반 한 조류발전-ESS 융·복합시스템 보급 사업도 추진할 계획”이라고 설명했다.
끝으로 박 박사는 “이 같은 보급 사업과 산업화는 조류발전-ESS 융·복합시스템 기술을 이전받은 중소기업 2곳과 함께 추진할 계획”이라고 덧붙였다.
