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조력에너지
조력에너지(tidal energy)는 조수의 간만을 이용한 수력발전방식을 통해 전력을 생산하는 것이다. 조력발전은 조석의 규칙적인 운동을 이용하여 조석의 위치에너지를 운동에너지로 바꾸어 전기에너지로 전환하는 발전 방법이다. 이것을 통해 얻어진 전기에너지를 조력에너지라 한다. 조력에너지는 조차의 제곱에 비례하므로 만조의 낙차가 큰 장소에 제방을 설치하여, 만조 시 바닷물을 저수지에 저장하였다가 간조 시에 방류하여 발전한다. 조력에너지는 다른 대체에너지원에 비해 에너지 밀도가 높아 대규모의 개발이 가능하고 조석의 주기성으로 인해 발전출력의 예측이 가능하다.
조력에너지 역사
조력에너지 이용의 역사는 중세시대로 거슬러 올라간다. 10세기경, 페르시아만 연안에서 제분용 기기의 동력으로 이용되었고 11세기 영국에서는 조수용 풍차가 운행되었다. 그 후 18세기 들어 서유럽과 캐나다, 미국 등에서 많은 수의 조수용 풍차가 만들어 졌다. 그러나 산업혁명 직후 다량의 전기에너지 생산과 사용이 급증하면서 조수용 풍차는 퇴보하며 사라져갔다.
그 후 1935년 미국 육군 공병대에서 Cobscook만에 65 MW의 조력발전소를 건설하는 프로젝트를 진행했으나 2년 후 자금부족으로 중단되었다. 그 후 1950, 60년대를 거치면서 프랑스의 La Rance 조력발전소가 건설되었고, 70, 80년대에는 미국과 캐나다 정부가Fundy만의 조력발전 가능성을 검토하고 대규모 조사를 지원하여 Annapolis 조력발전소를 건립, 운영하였다. 그 후 1990년대 후반, 부각되는 기후변화 대응에 따라 지형 및 물리적으로 조력발전이 가능한 영국, 노르웨이, 아일랜드, 이탈리아, 스웨덴, 캐나다 그리고 미국 및 우리나라를 중심으로 조력에너지 발전 연구가 활성화되기 시작하였고 현재 많은 나라들이 조력에너지 발전에 힘을 기울이고 있다.
조력에너지의 생성 원리
조수 사이클
조수는 바다에 대해 달과 태양의 중력에 의해 발생하나 달이 지구에 더 가깝기 때문에 달의 인력은 태양의 인력보다 2.2배 더 크며 따라서 달이 조수에 미 치는 영향이 더 크다. 봄과 가을의 분점을 제외하고, 지구회전축은 태양의 겉보기 궤도면과 수직을 이루고 있지 않기 때문에 태양의 인력이 작용하는 범위의 각도는 계속적으로 변화한다. 마찬가지로 달의 인력도 달의 공전주기 동안 계속해서 변화한다. 이러한 이들의 다른 위치의 조합 또는 이들의 상대적인 위치 변화는 주기적으로 조수를 높아지거나 낮아지도록 만든다. 이러한 주기성은 기본적으로 세 개의 사이클에 기인하는데 이 주기들의 발생원인과 특성 등을 Table 1에 표시하였다.
매일 두 번의 밀물과 두 번의 썰물이 있는데 이는 반일주기 때문이다. 즉, Fig. 1에서와 같이 달과 마주하고 있는(또는 달과 가장 가까운) 지구의 표면에서는 달의 인력에 의해, 그리고 그 반대쪽 지구 표면에서는 지구의 원심력에 의해 바다 수위의 상승부(bulge)가 만들어 진다. 이 경우 만조가 된다. 반대로 달과 90°로 위치한 지구의 옆면에서는 가장 낮은 수위를 보이는 소조가 나타난다. 그러므로 지구의 자전기간동안, 즉 하루 두 번의 대조와 두 번의 소조가 나타난다.
또한 14일 주기 때문에 한 달 두 번의 사리와 두번의 조금 현상이 발생한다. 달과 태양의 중력장이 겹쳐지는 즉, 초승달과 보름달일 때, 태양의 중력장은 달의 중력장을 배가시켜 그 결과 조수차가 가장 큰 대조(한사리)가 나타난다. 반면 달이 1/4쯤 차는 상현과 하현, 즉 음력7, 8일과 22, 23일 태양의 중력은 달의 중력을 부분적으로 상쇄시키고 그로 인해 조수차가 가장 작은 소조(조금)가 나타난다. 마지막으로 29.54일 주기로 이는 달이 지구 주위를 타원형의 궤도로 29.54일 동안 공전함으로써 위치 이동에 따라 미세하게 조수에 영향을 미치게 된다. 따라서 세 가지 주기가 매일 달라 조수 패턴이 조금이라도 다르고 이는 18.6년주기로 반복된다. 이와 같은 조수의 변화가 밀물과 썰물 방향의 흐름을 만들어 낸다. 밀물과 썰물의 속도는 0에서 최대까지 다양하며 속도가 0일 때는 썰물과 밀물이 바뀌는 정조시간에 발생하며 최대 속도는 정조시간과 정조시간 중간에 발생한다.
이용 가능 자원 및 한계
이와 같은 조수의 변화는, 다량의 에너지를 지구에 제공한다. 그러나 이 에너지 중 일부는 소실되는데, 파도에 의해 또한, 바닷물과 해안의 얕은 곳 밑바닥과 수면 사이에서 마찰로 인해 소실된다. 역사적으로 조력에너지의 가장 큰 감소는 해안의 얕은 바다, 즉 천해 바닥과 해수의 마찰에 때문이라고 생각되어져 왔다. 그러나 공해에서도 해저 지형에 의해 조수에너지가 분산되어 수중의 파도 형태로 손실된다는 증거 또한 오랫동안 주장되어 왔다. 하지만 이러한 추정 값은 측정하는 방법에 따라 매우 달라 정확하게 결론내리기 어렵다. Ray와 Egbert는 약 6년에 걸쳐 인공위성으로 얻은 자료를 연구하면서 조력에너지에 관한 논문을 발표했는데 2000년 6월 네이처에 발표된 그들의 논문 따르면 조력에너지의 총 손실 중 25-30% 정도인 약 1조 W가 심해에서 사라지고 나머지는 천해에서 사라진다. 그러므로 천해에서 사라지는 대략 70-75%에 이르는 3조 W가 전 지구가 조수를 통해 얻을 수 있는 이론적인 최대 조력에너지 값이라 볼 수 있다. 이와 같은 이론적 조수에너지 중에 실제로 이용 가능한 조수 자원의 총량은 여러 가지로부터 계산되어지겠지만 가장 기본적인 요소는 해수 깊이에 따른 평균 전력밀도와 해협의 평균 횡단면적을 곱하여 얻어지는 총 연 평균 조수 에너지이다. 이 값을 최대로 얻기 위해서는 조수 흐름과 조차가 최대인 장소를 선택해야 하는데 가장 큰 조수는 해안을 따라 나타나며, 해안선 지형에 영향을 받는다. 전 세계를 통틀어 조수범위가 매우 큰 경우는 대부분이 삼각형으로 되어 있어 물이 모아지는 효과(funnelling effect)가 있는 만이나 강구지역이며 이러한 장소에서는 또한 연속방정식에 의해 강한 조류가 발생한다. 또한 만의 길이가 조수파(tidal wave) 길이의 두 배가 되는 지역에서는 수력공명(hydraulic resonance) 현상이 나타나게 되며 이런 현상은 조수의 진폭을 배가시켜 조수에 의해 보다 높은 파도가 일어나게 한다. 이런 곳의 대표적인 장소가 바로 세계에서 조수범위가 가장 큰 곳인 캐나다의 Fundy만이며 우리나라의 서해연안도 이러한 장소이다.이러한 장소에 잠재하는 이론적 총 조수에너지 중에 실제 추출하여 이용 가능한 에너지양은 그 한계를 정하고 있다. 이러한 한계를 정한 가장 큰 이유는 환경적인 영향을 최소화하기 위한 것으로 한 해 평균 추출 가능한 전력의 양은 총 이론적 에너지양의 15%로 제한하는 것이 좋다고 알려져 있다. Bryden과 Melville에 따르면 15%를 추출하면 조수에 의한 조류속도가 평균 4%정도 감소되며 이 정도 수준의 변화는 수역의 순환과정에 중대한 변화가 초래되지 않는다고 주장하고 있다. 다시 말해서 4% 조류속도의 감소가 해수 내 영양소 혹은 산소를 느리게 운반하고, 난류 및 해수 혼합의 감소와 같은 중대한 환경적 영향을 초래하는지에 대해 명확한 정량적 정성적 분석이 아직 보고되고 있지는 않지만 이 정도의 유속 감소는 해수 내 부분적인 복원력이 제공됨으로써 어느정도 회복된다고 주장하고 있다. 하지만 이런 한계값이 모든 조력발전 가능 지역에 적용되는 것은 아니며 추출비율은 특정한 해협의 기하학적 모양과 조류양식에 따라 결정될 수 있다. 그럼에도 불구하고 조류의 흐름은 대기의 흐름과는 달리 해저와 해수 표면사이의 유한한 공간속을 흐르며 그 깊이는 보통 100 m 이하이다. 그러므로 조력에너지는 공간적으로 제한되어 있어, 과도한 양의 에너지 추출은 그 지점의 자연 순환과정을 감소시켜 환경적 문제를 야기 시킬 수 있다.
조력발전 방식
조력발전은 달과 물의 힘으로 만드는 무한 청정에너지이다. 조력발전은 크게 한 방향 발전인 단류식과 양방향 발전인 복류식으로 구분되며, 발전 시기가 밀물 또는 썰물이냐에 따라 다시 창조식과 낙조식으로 구분된다.
시화호조력발전소
우리나라 시화호조력발전소의 발전 방식은 단류식 창조 발전으로 밀물 때 바닷물을 시화호로 유입하며 발전을 하고, 유입된 바닷물은 썰물 때 수문으로 배수하는 방식을 택하고 있으며, 시설용량 254MW로 국내 최초이자 세계에서 가장 큰 규모의 조력발전소이다. 시화호는 시흥을 끼고 있는 경기만 갯벌에 물막이 공사, 매립공사를 해서 만들어진 인공호수인데요! 12.7km의 방조제에 2004년부터 2011년까지 7년 동안 발전소를 건설했으며 2011년 8월부터 전력 생산을 시작하였다. 시화호조력발전소는 수차부와 수문부로 이루어져 있다. 수차부는 수차발전기가 설치되어 밀물 때 발전을 담당하며, 수문부는 수문을 열어 시화호의 물을 바다로 배수하고 있다.
우리나라뿐만 아니라 조력발전소를 통해 에너지를 생산하고 있는 나라는 많다. 프랑스의 랑스조력발전소, 캐나다의 안나폴리스 로얄 발전소, 중국 장샤 조력발전소, 러시아 키슬라야 구바 조력발전소 등이 있다. 이렇게 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 해양에너지의 개발이 점차 확대되고 있다.
참고자료
- 조력에너지 기술 현황 및 경제성 분석 - https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=JAKO201007337641074&oCn=JAKO201007337641074&dbt=JAKO&journal=NJOU00291147
- 〈조력 에너지〉, 《사이언스올》
같이 보기
