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[에코 리포트]녹색미래 바다에서 찾자
2009년 12월 11일 (금) 00:00:00 편집국 waterjournal@hanmail.net

바닷물·바람 운동에너지 이용한
조력·파력·조류·해상풍력 기술개발 활발

생물 생화학적 특성 및 해수 온도·염도차 이용한 해양 녹색기술 연구중
해수 온도차 발전·해상 풍력 발전·해조류 양식 상업화될 가능성 높아


급격한 지구온난화로 혁신적인 녹색기술 개발이 중요해지면서 바다가 주목받고 있다. 에너지 잠재력이 높고, 현재 녹색기술을 보완할 수 있으며, 기업에게 새로운 시장기회가 되기 때문이다. LG경제연구원 성낙환 연구원은 최근 『바다에서 찾는 녹색 기회』라는 보고서를 통해 에너지를 얻기 위한 여러 가지 해양기술이 향후 상호 협력을 통해 시너지를 발생시킬 것이라 전망했다. 보고서 내용을 소개한다.   [편집자 주]

 ‘바다를 지배하는 자가 세계를 지배한다.’ 19세기 미 해군제독인 알프레드 마한이 한 말이다. 국가의 흥망을 해상력과 연관지음으로써 경제 및 군사 측면에서 바다의 중요성을 설파한 명언이다.
비행기의 발명으로 인간이 하늘을 날 수 있게 되면서 바다의 중요성이 퇴색하다가, 최근 다시 자원 및 국제 교역 측면에서 바다가 부상하고 있는 상황이다. 특히 국제사회의 핵심 이슈인 친환경 녹색경제에서 미래 주요 대안의 하나로 바다가 주목받고 있다.
 
바다서 안정된 에너지 생산 가능

그렇다면 여러 정부와 기업들이 바다에 눈을 돌리기 시작하는 이유는 무엇일까? 에너지 잠재력이 높고, 현재 녹색기술을 보완할 수 있으며, 기업에게 새로운 시장기회가 될 수 있기 때문이다. 
먼저 바다에 잠재해 있는 에너지가 막대하다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 바다 에너지의 잠재력은 연간 9만3천TWh로 연간 글로벌 발전량이 1만7천TWh의 5배 이상이다. 태양 에너지 보다는 작지만 인류가 필요로 하는 에너지를 얻기에는 충분한 양이다.

둘째로 현재 녹색기술만 가지고는 장기적으로 이산화탄소를 충분히 감축하지도, 화석연료를 완전히 대체하기도 힘든 상황이기 때문이다. IEA의 최근 보고서에 따르면 친환경 산업의 빠른 성장에도 불구하고, 2030년 이산화탄소 배출은 2005년 대비 약 48% 상승하여 40Gt에 이를 것으로 전망했다. 2030년 전체 전력생산을 살펴보면 석탄은 44%, 신재생에너지는 22%를 차지하여 여전히 석탄이 전력 생산을 주도할 것으로 보인다.

 셋째로 경쟁이 치열한 기존 녹색산업을 벗어나 새로운 사업기회가 될 수 있다. 현재 해양 녹색기술은 정부와 연구소를 중심으로 기술개발이 활발하지만, 뚜렷한 선두 기업이 없고 기술 개발의 여지가 많은 상황이다.

   
▲ 세계 최대인 프랑스 랑스 조력발전소. 1966년에 건설된 이 발전소는 규모가 240MW에 달한다.

따라서 기업 입장에서는 혁신적인 기술개발과 대규모 투자로 초기 산업 진입이 가능하다. 특히 해상 시설과 정박 장치 등이 필요하기 때문에 조선해양산업에도 기회가 될 수 있다.

이처럼 기존 녹색기술을 보완하는 잠재력 높은 친환경 기술로서 해양 녹색기술에 대한 관심이 증가하고 있다. 그렇다면 해양 녹색기술은 미래 녹색경제를 위한 보고가 될 수 있을까? 해양 녹색기술이 앞으로 해결해야 할 과제는 무엇이 있는가? 이에 앞서 해양 녹색기술의 특징과 종류에 대해 살펴보도록 하겠다.
 
해양 녹색기술 관심 높아질 전망
 
해양 녹색기술은 여타 친환경 기술과는 다른 두 가지 특징이 있다. 재생가능한 에너지로서 전기 및 액체 연료를 생산한다는 점은 같지만, 비용이 들지 않는 바다 공간을 사용한다는 것과 비교적 안정된 전력생산이 가능하다는 이점이 있다.

 먼저 인간이 거주하지 않는 드넓은 바다를 활용할 수 있다. 태양광 발전소는 햇빛을 고루 받기 위해 넓은 공간이 필요하기 때문에, 건물 지붕과 같은 자투리 영역을 활용하거나 토지비용이 저렴한 외곽 지역에 설치돼야 한다.

소음이 심한 풍력 발전소의 경우에는 주거지 주변에 건설하기 어려워 인적이 뜸한 산이나 바닷가에 주로 건설된다. 이처럼 기존 신재생에너지는 입지에 있어서 비용 및 인간의 생활 환경 등에 제약을 받는다. 미래에는 인구 증가로 토지 활용이 더욱 중요해지기 때문에, 드넓은 해양지역을 활용할 수 있는 해양 녹색기술에 대한 관심이 더욱 높아질 전망이다. 

 또한 해양 녹색기술은 전력 및 에너지 생산이 비교적 안정된 편이다. 태양광과 풍력발전의 경우 날씨 변화에 따라 발전량의 변동폭이 크기 때문에 예비 전력으로 사용되거나, 전력 저장 및 스마트 그리드 기술을 필요로 한다.

그러나 해양 녹색기술의 경우 자연현상을 이용하는 것은 같지만, 발전량이 예측 가능하여 전력 수급의 안정성을 높일 수 있다. 천체 운동에 따른 조석현상, 지형 특성에 따라 발생하는 바닷물의 흐름, 일정한 심해 온도, 식물의 생장 등과 같이 예측 가능하고 지속적인 자연 현상을 이용하기 때문이다.

   
▲ 스코틀랜드 Pelamis사의 파력발전 장치인 Pelamis Wave.

 이와 같이 차별화된 장점을 지닌 해양 녹색기술은 △바닷물 또는 바닷바람의 운동에너지와 같은 기계적 특성을 이용한 기술 △바닷물의 온도 및 염도차와 같은 물리적 특성을 이용한 기술 △해조류의 생화학적 특성을 활용한 기술 등 세 가지로 나뉠 수 있다.

각 분야별 세부기술로는 조력, 파력, 조류, 해상풍력(기계적), 해수 온도차, 해수 염도차(물리적), 해조류 양식(생화학적)의 7가지 기술이 있다.
 
조류·해상풍력 이용한 발전 기술

■ 조력발전   조석간만의 차를 이용하여 전력을 생산한다. 바닷가에 둑을 쌓아 밀물 때 들어오는 물을 가두고 썰물 때 방류하여 전기를 생산하는 방식이다. 물의 위치에너지를 이용한다는 점에서 강의 상류에 댐을 건설하는 수력발전과 유사하다.

원리가 간단하여 오래 전부터 프랑스, 캐나다, 러시아, 중국 등지에서 운영되어 왔는데, 프랑스를 제외하고는 소규모 발전에 그치고 있다. 세계 최대인 프랑스 랑스 조력발전소의 경우 규모가 240MW에 달하고 1966년 건설되어 40년 이상 운영되고 있다.
 
■ 파력발전   파도의 운동에너지를 이용하여 전기를 생산한다. 파도가 치는 물위에 빈 통을 띄우면 상하좌우로 끊임없이 움직이는 것을 확인할 수 있다. 이러한 움직임을 기계적인 장치를 사용하여 전기로 전환하는 것이다.

현재 수 많은 방식들이 연구되고 있는데, 대표적으로 2008년 포르투갈 해안에 2.25MW의 파력발전 장치 상용화에 성공한 스코틀랜드의 Pelamis사가 있다. Pelamis Wave는 몇 개의 원통을 연결시킨 다음 파도가 출렁일 때마다 이음매가 상하좌우로 접혔다, 펼쳐지는 힘을 이용하여 전기를 생산하는 방법을 사용하였다. 2009년에는 스코틀랜드와 영국 등 다른 지역으로 확장할 계획이다.
 
■ 조류발전   해저지형 때문에 바다 물살이 거센 곳에서 발전기 터빈을 돌려 전력을 생산한다. 풍력발전과 원리가 유사하지만 물은 공기에 비해 800배 이상 밀도가 높기 때문에, 낮은 속도로 더 많은 전기를 생산할 수 있는 장점이 있다. 대표적으로 영국의 Marine Current(MC) Turbine사는 2008년부터 1.2MW급의 Seagen 조류발전소를 소규모로 시험 운행하고 있다.
 
■ 해상풍력 발전    육지보다 더 강한 바람이 지속적으로 부는 바다에 풍력발전기를 설치하는 것이다. 깊이 30m 이하의 연근해 바다에서 해저지반에 바로 설치하거나, 50m 이상의 깊은 바다에서는 부유 플랫폼을 이용하여 터빈을 고정시킨다. 해상풍력은 덴마크, 영국 등 유럽의 북해지역에서 활발하다.

   
▲ 수심에 따른 해상풍력 건설방식의 변화.

연근해 풍력발전의 경우 2002년 덴마크 Horns Rev에 Vattenfall사가 160MW 규모의 세계 최대 해상풍력단지를 운영 중에 있다. 부유식 해상풍력은 노르웨이 Statoil Hydro사의 Hywind 프로젝트가 대표적인데, 현재 수심 220m인 지역에 2.3MW의 풍력발전기를 실험하고 있다.
 
■ 해수 온도차 발전(OTEC)    심해와 표층의 바다물 온도차를 이용하여 전력 또는 에너지를 생산한다. 심해의 바닷물은 지역에 상관없이 항상 5℃정도로 일정하게 유지되기 때문에 실온인 표층수 온도와 차이가 난다. 이를 이용하여 끓는점이 낮은 암모니아를 기화시켜 발전기 터빈을 돌리거나 냉난방 장치에 활용하는 것이다([그림 1] 참조). 

  1979년 미 해군이 하와이에서 50kW의 소규모 해수 온도차 발전 실험에 성공한 이후, 인도 및 일본 지역에서도 소규모로 테스트가 진행되어 왔다. 2009년 미국은 하와이에 2013년까지 10MW 규모의 파일럿 플랜트를 건설하기로 발표했다. 

   
▲ [그림 1] 해수 온도차 발전원리

   
▲ [그림 2] 해수 염도차 발전원리

■ 해수 염도차 발전   해수와 담수가 만날 때 발생하는 압력을 이용하여 전기를 생산한다. 해수와 담수 사이에 멤브레인 필터를 놓으면 삼투압 현상으로 담수가 해수로 이동하게 되는데, 이 때의 압력을 이용하여 전력을 생산하는 방식이다([그림 2] 참조).

발생하는 압력은 약 24기압으로 강물이 약 100m 높이에서 떨어지는 힘에 상응할 정도로 크다. 노르웨이의 Statkraft는 2015년까지 해수 염도차 상용화 발전소를 건설할 예정이다. 
 
■ 해조류 양식   해조류는 옥수수, 사탕수수 등 1세대 바이오연료의 문제점을 극복할 수 있다. 1세대 바이오연료는 이산화탄소 감축 효용이 작고 곡물가격을 상승시키기 때문에, 비식용작물인 목질계 섬유소를 이용한 2세대 바이오연료와 물 속에서 재배되는 조류(藻類)를 활용한 3세대 바이오연료의 연구가 활발히 진행 중이다.
 
특히 우뭇가사리와 같은 해조류는 바이오 에탄올 생산 시 수율이 최대 45%까지 가능하여 20∼25%인 2세대 바이오연료보다 뛰어난 장점이 있다. 또한 생산속도가 빠르고 넓은 재배지역을 필요로 하지 않는다.

현재 유럽, 미국, 일본 등 정부들이 앞장서서 연구가 진행 중에 있는데, 미국은 2009년 3세대 바이오연료에 대한 로드맵을 발표하고 5천만 달러를 투자할 예정이다.

인프라 부족·기술적 난제 존재
 
이처럼 차별화된 장점과 수많은 기술 방식에도 불구하고 대부분의 해양 녹색기술은 초기 단계에 머물러 있다. 전력 연계를 위해서 바다에 송전시설을 추가적으로 건설해야 하고, 설립 지역에 제약이 있으며, 험난한 바다 환경을 극복해야 하기 때문이다. 

 먼저 바다에서 생산한 전기를 육지로 끌어오기 위한 시설이 필요하다. 거리가 멀 뿐만 아니라 기술 수준이 높은 초고압의 해저케이블을 사용해야 하는 어려움이 있다.
 
일례로 영국의 Wave Hub 프로젝트가 있다. 2010년부터 총 4천200만 유로를 투자하여 Cornwall 북쪽 해안에서 16km 떨어진 곳에 20MW의 파력발전소를 건설할 예정이다. 발전시설과 함께 생산된 전력을 끌어오는 방법으로 50m 깊이의 바다에 33kV의 고압 해저케이블을 건설하는 방대한 공사를 진행하고 있다([그림 3] 참조).

   
▲ [그림 3] 영국의 Wave Hub 프로젝트

 둘째로 지역 선택에 제한이 있다. 조력발전은 조석간만의 차가 크고 저수 면적이 넓을수록 더 많은 에너지를 얻을 수 있는데, 경제성을 확보하기 위해서는 평균조차가 적어도 4.5m 이상이어야 한다.

해수 온도차 발전인 OTEC(Ocean Thermal Energy Conversion)도 전력 생산을 위해서는 심해와 표층수의 온도차가 20℃ 이상이어야 하기 때문에, 열대지역을 제외하고는 힘들다. 마찬가지로 해조류 양식은 넓은 경작지를 필요로 하지는 않지만, 해수 온도 및 영양소 등이 밑받침 되야 한다. 이처럼 지역은 넓지만 현재로서는 바다 녹색기술을 활용할 수 있는 곳은 한정되어 있다.

마지막으로 육지와는 다른 바다 환경에 적응하기 힘들기 때문이다. 해상풍력 발전의 경우 수심이 깊어질수록 해저지반에 풍력발전기를 설치하는 것도 어렵고 비용도 크게 늘어난다.  

특히 부유식 해상풍력은 더욱 심한데, 밸러스트, 강철 구조물, 닻줄과 같은 부유장치가 전체비용의 절반 이상을 차지하는 상황이다. 조류발전도 물속에서 작동하기 때문에 해수에 의한 금속 부식 및 유체 공동현상 등으로 전기 생산에 어려움을 겪고 있어 바다환경 극복을 위한 기술 개발이 필요한 상황이다.
 
상용화·시장잠재력 기술별로 차이
 
정부 및 기업의 투자가 지속된다면 해양 녹색기술의 조기 상업화도 가능할 전망이다. 시장조사기관에 따르면 조력, 조류, 파력 등을 포괄하는 해양전력 발전시장 규모는 5년 후 연간 5억 달러가 넘을 것으로 예측되고 있다.

해상풍력도 2020년에는 시장규모가 55GW에 달할 전망이다. 유럽이 운송 연료의 10%를 바이오연료로 대체하려는 목표에 발맞추어, 3세대 바이오연료인 해조류도 2020년 상업화가 가능할 것으로 예상된다.

 그러나 해양 녹색기술의 성장은 개발 지역별, 상용화 시기별, 시장 잠재력 별로 차이가 크다. 기술 성숙도로 보면 이미 운영 중인 조력발전, 연해 해상풍력과 소규모 상업화에 성공한 파력발전이 가장 앞서 있다.

   
▲ 2008년 영국에서 제안한 해양 에너지 아일랜드(energy island) 조감도.

그리고 조류발전에 뒤이어 OTEC, 염도차, 부유식 해상풍력 발전 그 다음으로 해조류 양식이 2010년 이후 상업화될 가능성이 높다. 지역별로는 지형 및 환경에 영향을 덜 받는 해상풍력, 해조류, 파력발전이 유리하다.

OTEC의 경우 표층수의 온도가 높은 지역에서는 전력 생산을 하고, 낮은 지역에서는 냉난방에 이용하는 등 지역별로 적합한 적용방법을 모색할 필요가 있다. 시장 잠재력을 보면 해조류, 해상풍력, 파력 등이 유망하다.

유럽 정부의 장기 운송연료 사용계획에 따른다면 수천억 달러의 연료시장이 바이오연료에 조성될 것이기 때문이다. 또한 해상풍력 시장도 육상풍력만큼 성장이 예상된다. 일례로 영국은 2020년까지 해상풍력을 육상풍력의 2배 이상 확대할 계획이다. 파력발전의 경우 이미 기술 상업화가 이루어지고 에너지 잠재력도 조력, 조류, 온도차, 염도차 등 다른 바다 에너지보다 커 관련 시장의 확대가 예상된다([표 2] 참조).
 
해양 녹색기술, 서로 보완하며 발전

이처럼 미래의 해양 녹색기술은 한 기술이 시장을 선점하거나 주도하지는 않을 것이다. 오히려 각자의 영역에서 부족한 부분을 서로 보완하는 형식이 될 가능성이 크다. 2008년 영국에서 제안된 해양 에너지 아일랜드(energy island) 모델을 예로 들 수 있다.

열대 지방에서 대각선 길이가 600m인 육각형 해양 구조물에 OTEC 발전기를 중심으로 풍력, 파력, 식량생산 등의 시설을 모두 결합하여 에너지 발전 모듈을 만드는 것이다. 생산한 전기는 섬의 중앙에서 물을 전기분해하여 수소를 생산한다.

하나의 에너지 아일랜드는 250MW 규모로 24시간 전력생산이 가능하다. 이와 같은 혁신적 아이디어를 통해 해양 녹색기술간 시너지 효과를 얻을 수 있다. 하나의 기술뿐 아니라 여러 해양 녹색기술 및 혁신적 에너지 기술의 결합을 통해 나타나는 기회에 주목할 필요가 있다. 

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