해양 온도차 발전(OTEC : Ocean Thermal Energy Conversion)
현재 인류는 산업 발전으로 인한 여러 가지 환경공해로 인해 큰 어려움을 겪고 있다. 특히 화석연료를 태울 때 필연적으로 발생하는 이산화탄소로 인한 지구 온난화 현상은 인류의 생존 자체를 위협하는 심각한 환경문제로 인식되고 있고, 이를 완화하기 위해 온 세계가 환경회의 등을 개최하며 필사적인 노력을 기울이고 있다. 따라서 지금은 "청정 에너지 및 청정 환경"(Clean Energy and Clean Environment) 유지라는 대명제 하에서 에너지 변환 및 그 사용에 대한 관심이 그 어느 때보다도 더 높은 실정이다.
따라서 무공해, 저비용 발전 시스템으로 연구되어온 기술 중 하나가 해양 에너지 변환(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC) 기술이다. 이 기술은 표면 해수와 심해 해수의 온도차를 이용하여 전력을 생산하는 기술로 OTEC 발전 시스템의 원리는 일반 발전소의 가동 원리와 같다. 즉, 고온의 열원에서 저온의 열원으로 열이 흘러 들어가 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 방법이다.
Fig. 2 OTEC system
Fig. 3 OTEC system에서 얻을 수 있는 여러 효과들
기존의 발전소는 재생이 불가능한 화석 연료를 사용하여 수백 도의 온도차이를 발생시켜 플랜트를 가동하는 반면에 OTEC 발전소는 20℃ 내외의 온도차를 이용하여 플랜트를 가동하는 방법으로 기존 화석연료를 전혀 소비하지 않는다는 장점이 있다. 또한 실제로 태양 에너지를 이용하는 여러 가지 계획 중에서 24시간 내내 출력을 낼 수 있는 것은 해양 열동력을 이용하는 OTEC 밖에 없다. OTEC 발전소는 무한한 해양 에너지를 사용하기 때문에 별도의 에너지 저장 시스템이 필요 없어서 그 시스템이 간단해진다.
OTEC 발전에서 필요로 하는 것은 단지 심해수와 표면수의 온도차로서, 국내의 바다 환경에 얼마든지 적용할 수 있으며, Fig. 4에 OTEC system 설치가 가능한 지역을 나타냈다. 또한 궁극적으로 100MW급의 플랜트를 설치하기 위해서는 조선 기술이 뒷받침되어야 하는데, 국내의 조선 기술은 이미 세계적인 수준이므로 이 또한 문제가 되지 않는다. 따라서 발전소를 탑재한 선박을 건조하여 전세계에 수출하게 되면 그로 인한 부가가치가 크게 증대될 것이다.
Fig. 4 OTEC system을 설치가능한 지역
현재 개발 중에 있는 OTEC 발전 기술은 기본적으로 3가지 종류가 있다. 먼저 closed-loop cycle system은 표면온수를 사용하여 오존층을 파괴하지 않는 암모니아나 프로필렌 같은 작동유체를 증발시켜 turbine generator를 구동시키는 방법이다. 바다 표면의 온수는 작동유체 시스템에 유입되어 열교환기를 통하여 열전달이 일어나며 이 때 비등을 통해 작동 증기가 생성된다. 이 생성된 증기가 터빈을 회전시켜 전력을 생산하는 시스템이다. 그 다음 turbine을 나온 증기는 해저로부터 퍼올린 심층 냉수에 의하여 응축기에서 응축액으로 바뀌며 다시 재순환된다. 이 시스템은 간단하여 전력 생산만을 위하여 가장 실용적인 방법으로 알려져 있다. 이 때 전력전환 효율은 약 5%이며, 터빈 효율, 펌프 효율 등을 포함한 전체 시스템 효율은 약 2.5%정도 이고 plant 설비 단가가 저렴하기 때문에 화석연료 시스템과 경쟁력이 있다고 할 수 있다.
Fig. 5 Closed-loop cycle of OTEC system
Open-loop cycle system은 해양표면 온수를 작동 유체로 직접 사용하는 방법이다. 표면 온수는 펌프로 증발기에 유입되고, 증발기는 진공펌프로 압력을 낮추어 온수가 상온에서 비등하게 하며, 생성된 증기로 저압터빈을 구동시켜 전력을 생산하게 된다. 이어 터빈을 나온 증기는 심해에서 펌프로 퍼올려진 냉수로 열교환기에서 응축되어 부산물로 담수를 얻게 한다. 이러한 직접접촉 열교환 방식은 그 효율이 높아 더 많은 전력을 생산하는 장점이 있다. 이 시스템은 현재 선진국에서 터스트 중이며 전력 변환 효율은 약 5.5%이고 전체 시스템의 효율은 약 3.0% 정도로 plant의 단가는 폐회로 시스템보다 약간 비싸나, 도서 지방이나 선진국형에 적합할 것이다.
Fig. 6 Open-loop cycle of OTEC system
마지막으로 혼합형 hybrid cycle은 폐회로와 개회로 시스템의 장점을 결합한 것으로 열원을 최대로 사용하도록 설계하여 전력과 담수를 동시에 얻게 하는 방법이다. 유입된 표면온수로 일차적으로 전력을 폐회로 싸이클에서 생산하며 여기서 나오는 온수를 이차적으로 개회로 싸이클에 보내어 직접 접촉식 증발기를 통과하게 하고 다시 응축기로 보내는 2단계 시스템을 사용하므로써 충분한 담수를 동시에 안정적으로 생산할 수 있게 한다. 아직은 이론적 단계에 있지만 두 시스템의 장점을 조합하였기 때문에 미래의 시스템으로 기대되며, 효율은 개회로 시스템과 거의 같을 것으로 보고되고 있다.
Fig. 7 Hybrid-cycle of OTEC system
그러나 OTEC 발전 시스템이 장점만을 갖고 있는 것은 아니다. 실제로 매우 작은 온도차에 의하여 동력을 생산하기 때문에 총 동력효율은 Carnot 사이클의 절반 정도이며, 펌프력 손실, 열교환 효율, 터빈 효율 등을 감안할 때 실제 OTEC 발전을 통한 전력 생산시 열역학 시스템의 총효율은 2.5∼3.0% 정도이다. 이러한 이유로 인해 OTEC 발전 시스템에서는 그 무엇보다도 적당한 작동유체를 개발하고 이를 향상된 열역학 사이클에 적용하여 그 성능을 측정하고 특성을 연구하는 일이 절대적으로 필요하다. 또한 OTEC 발전 시스템의 여러 부품 중 총 동력 효율에 가장 큰 영향을 미치는 부품이 저압터빈이므로, 특히 저압터빈의 효율을 개선하는 것이 매우 중요하다.
본 연구실에서는 Fig. 8과 같이 실험용 1kW급 OTEC system을 제작하였고, 현재 최적 열역학 사이클(open-loop, closed-loop 포함) 개발과 혼합형 하이브리드 사이클 개발 및 평가 중에 있다. 여기에서 얻어진 simulation data와 실험 data들을 토대로 20kW급 플랜트를 설계하고 있으며, 서인천 화력발전소에 설치될 예정이다.
Fig. 8 1kW OTEC system