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해양 온도차 발전
해양 온도차 발전(thermal difference generation)은 수심의 온도 차이를 이용한 발전 방식이다. 열대지방의 경우 해수면의 온도가 섭씨 20도씨가 넘지만 해수면에서 500~1,000미터 정도의 심해에서는 온도가 영상 4도씨로 거의 변하지 않는다. 이러한 표층수와 심층수의 온도차를 이용하여, 프레온과 같은 저온 비등 냉매를 이용하여 발전하게 된다.
개요
해양 온도차 발전은 바닷물의 수심에 따른 온도의 차이를 이용하여 발전하는 전력 생산 방법이다. 해수(바닷물)의 낮은 수심의 물(표층수)과 깊은 수심의 물(심층수)의 온도차를 이용하여 표층수의 열로 액체(암모니아 등)를 기체로 만들고 이 기체의 압력으로 터빈을 돌려 발전하며, 심층수로 기체를 다시 액화시키는 방법을 이용한다. 표층수의 온도는 10°C~30°C이며 심층수 온도는 4°C 이하이다. 해양 온도차 발전은 이처럼 해수면의 온수와 심해 냉수의 20도 이상의 온도차를 이용하는 것이다. 태양에 의해서 가열된 높은 온도의 표층수를 파이프라인으로 증화기에 흡인하여 진공펌프로 감압한다. 물은 기압이 낮아지면 그만큼 낮은 온도에서 비등하여 증발한다. 이 증기로 저압터빈을 돌려서 발전한다. 일을 한 증기를 약 400m 심층에서 취한 8℃의 차가운 바닷물로 냉각하여 일의 능률을 올린다. 냉각한 증기는 담수로서 회수한다.
프랑스 아비잔에서는 7,000kW 전력과 부산물로서 1일 약 1만 4,000톤(t)의 담수를 얻는다. 온도차 발전의 연구는 프랑스가 가장 앞서고 있다. 서아프리카 상아해안에 세계 최초의 온도차 발전소를 완성했다. 프랑스 외에 미국 ·이스라엘 등도 온도차 발전 개발을 하고 있다.
온도차를 암모니아나 프론 등의 작업유체로 이환하여 발전 터빈을 돌리는 구상이 있다. 또 20~30℃의 해수로부터 100℃의 열탕을 질산을 써서 효율화할 수 있는 방법도 모색되고 있으며 이론효율이 비교적 높다는 평가를 받고 있다.[1]
원리
온도차 발전의 원리는 온도차 에너지를 이용한 것이다. 바다는 태양과 가까운 표층부터 데워지고, 그 열이 점차 아래로 전해지기 때문에 표면으로부터 100m~1,000m 정도의 구간에서 온도가 급격히 저하되어 1,000m 이하에서는 4-6℃ 정도가 된다. 태평양과 인도양의 수심 1,000m와 표층수간의 연 평균 온도 차이를 보면 적도 지역을 중심으로 20℃ 이상의 온도차가 있다. 이처럼 바다 표면 쪽과 바다 깊은 곳의 온도차에 의해 생기는 열에너지가 온도차 에너지이다. 이런 온도차 열에너지를 이용해 표층의 온수를 증발시킨 후 심층의 냉각수로 응축시켜 그 압력차로 터빈을 돌려 발전하는 것이 해양 온도차 발전이다.
온도차 발전이 들어설 수 있는 조건은 표층수와 심층수와의 온도차가 큰 해안이어야 한다. 서아프리카의 상아해안처럼 적도에 가깝고 바람이 강하지 않으며 물결이 잔잔한 곳이어야 한다. 또 심층의 차가운 해수가 필요하므로 해안에 깊은 해중절벽과 같은 지형이 있어야 한다.[1]
장단점
해양 온도차 발전은 대기를 오염시키지 않을 뿐만 아니라 방사성의 폐기물도 나오지 않는다. 연료의 수송을 필요로 하지 않고, 해수는 무한히 있으므로 원료부족이 없는 친환경 재생에너지이다. 또 발전소 건설을 위해 특별한 용지가 필요하지 않고 고온이 되는 부분이 없는 만큼 기기 장치에 특수한 금속재료를 사용할 필요가 없다. 조석이나 파랑 등의 해상요소에 별로 영향을 받지 않고 전력을 생산할 수가 있다. 발전과 동시에 해수를 청수로 바꾸는 것이므로, 막대한 양의 담수를 얻게 되며, 그 밖에 부산물로는 식염 마그네슘, 요오드(옥소) 등의 해수 중 자원을 얻는 효과도 있다.
단점으로는 수증기의 압력이 높아야 막대한 양의 증기압을 얻을 수 있으므로, 터빈을 비롯한 여러 가지 장치가 대형화되어야 한다. 설치비가 많이 소요되어 경제적 비용이 문제다. 해수를 끌어들이는 파이프를 해수 중에서 파도나 해류로부터 파괴되지 않도록 견고한 재료를 써야 하며, 열절연이 필요해 비용이 많이 든다. 해안 근처에서는 표층과 심층간에 일년을 통해 볼 때, 큰 온도차가 있으나 폭풍우가 심할 때에는 온도차가 적어지며 설비의 손실을 볼 수가 있다. 해수 중에는 기체가 용존되어 있으므로 수증기 발생기 내의 압력을 내리면 기체가 발생하여 압력을 올리는 역할을 하게 되므로, 발전 능력을 저하시킨다. 현재까지 발전효율은 2~3%에 그치고 있다. 많은 양의 해수를 표층과 심층으로부터 끌어 올려야 하기 때문에 큰 동력이 필요하며 복수기로부터 차가워진 해수를 해양으로 유출시키면 부근 해양의 온도가 변하게 되어, 최초에 생각했던 온도차가 확보되기 힘든 단점도 있다.[1]
연구 현황
기존의 해양 온도차 발전은 연료비가 들지 않으며 재생 가능한 청정 에너지원이라는 점에서 큰 장점이 있어 적도 인근 지역에서 연구개발이 이루어졌다. 한국의 경우 한여름을 제외하면 실질적으로 사용이 불가능하다. 이를 해결하고자 나온 것이 한국전력연구원에서 32°C 이상의 화력발전 배기중기를 직접 활용하여 연중 10°C의 해양 저층수를 이용하는 해양 복합 온도차 발전(Combined-OTEC) 사이클을 제안하였다.
한국에서는 1999년 인하대학교에서 연구를 시작하여, 2013년 해양연구원의 50kW급 설비 시험 수행, 해양과학기술원의 MW급 설비 제작 실증 연구가 진행되었다. 또한 전력연구원에서 제안한 '해양 복합 온도차 발전'은 정부지원 과제로 수행되어 2015년 영동화력발전소에서 10kW 테스트를 진행하고 현재 200kW 실증설비를 구축하고 있다. 한국 이외에도 영국, 프랑스, 네덜란드 등의 많은 나라들이 정부출연기관을 중심으로 실증 및 MW급 발전소 건설을 연구, 검토, 계획하고 있다.
세계적으로 해수를 이용한 온도차 발전 방식은 아직까지 MW급의 상용 대용량 설비가 개발되지 않았으며, 활발한 연구 활동이 진행되고 있는 한국, 미국, 일본 중에서 최초로 상용화에 성공한 곳이 업계를 주도할 것으로 내다본다. 한국의 경우 다른 나라에 비해 해수 온도차 발전을 이용하기에 불리한 자연환경을 가지고 있지만, 해양 복합 온도차 발전을 이용한다면 새로운 형태의 신재생에너지의 생산이 가능하다.[2]
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 박장수 기자, 〈해양 온도차 발전(thermal difference generation)〉, 《에너지단열경제》, 2020-02-02
- ↑ KARRY, 〈바닷물의 온도차로 전기를? 해양온도차발전기술!〉, 《네이버 블로그》, 2020-02-27
참고자료
- 박장수 기자, 〈해양 온도차 발전(thermal difference generation)〉, 《에너지단열경제》, 2020-02-02
같이 보기
