[일본] 해양온도차 발전 실증시험
표층 해수와 심층 해수의 온도차를 이용하여 발전하는 해양온도차 발전은 발전출력이 안정적이며 발전량의 예측도 용이하다는 특징이 있어 재생가능 에너지로서의 가능성을 가지고 있다.
일본 국내에서는 지금까지 사가대학에서 연구가 진행되었지만, 오키나와에서 장래 대규모 상용화를 위해 2013년 4월에 세계에서 처음으로 실제 해역에서의 실증시험이 시작되었다.
사방이 바다로 둘러싸여 있는 오키나와는 다양한 분야에서 바다의 은혜를 받아 발전해 왔다. 산호군이 발달한 연안의 광대한 해역에는 많은 어폐류가 서식하고, 난바다(the far-off sea)에는 참치류 등의 어장이 형성되어 있다.
또한 옛날에는 류큐왕조 시대부터 중국 및 동남아시아 국가와의 교류를 통해 특색 있는 문화 및 전통을 가졌으며, 독자적인 문화를 만들어냈다.
현재 아름다운 산호군의 바다는 이 지역의 관광자원으로서 빼 놓을 수 없는 존재이며, 오키나와 주민에게 바다는 다양한 자원을 제공해 주는 존재이다. 이러한 풍부한 자원을 가진 바다는 장래 전기에너지를 생산해 낼 가능성을 가지고 있다.
오키나와현 이외의 지자체에서는 수력발전 및 지열발전 등 다양한 1차 에너지원이 존재하기 때문에 2010년 전국 에너지 자급률은 4.8%이다.
한편 2012년 오키나와 에너지 자급률은 0.5%로 에너지 소비의 대부분을 화석연료에 의존하고 있다. 이것은 오키나와에는 큰 하천이 없기 때문에 수력발전이 가능한 지점이 없으며, 소규모 섬이 많다.
따라서 그러한 섬에서 중유에 의한 디젤 발전기관을 전원으로 한 독립된 전력계통을 구성하고 있는 등 지리적, 지형적인 제약이 주요 요인이 된다. 때문에 오키나와현에서는 에너지 자급률 향상 및 화석연료 의존도 저감을 도모하기 위해 청정에너지 도입을 위한 각종 대책을 전개하고 있다.
태양광발전, 풍력발전, 태양열이용, 바이오매스 에너지 등에 관해서는 실용화를 위한 연구개발 및 실증사업 등을 통해 유효성을 검증하고 안정적인 수급시스템의 구축 및 저비용 도입 등을 위한 대응이 추진되고 있다.
또한 해양에너지 연구개발 중 하나로 쿠메지마에 있는 오키나와현 해양심층수연구소에서 해양온도차 발전의 상업화를 위해 기술적인 과제 등을 검증하는 실증사업을 수행하고 있다.
심층해수의 지속적인 종합 이용의 추진을 도모하여 지역의 산업진흥에 기여하는 것을 목적으로 2010년도에 오키나와현 해양심층수연구소가 개소하였다.
농업 및 수산분야에서 심층 해수의 활용에 관한 연구를 실시하고, 연구개발된 기술을 생산자 및 기업 등에 이전하여 새로운 상품 및 기술의 개발과 새로운 분야로의 진출을 촉진함으로써 새로운 산업 창출을 목표로 한다.
이 연구소에는 심층 해수의 취수관이 2개, 표층 해수의 취수관이 1개 설치되어 있으며, 심층 해수는 수심 612미터에서 표층 해수는 수심 15미터에서 취수하고 있다.
1일 최대 취수량은 심층 해수 및 표층 해수 모두 약 1만 3천 톤으로 일본 국내에서 최대 규모이다. 취수한 심층 해수 및 표층 해수는 연구소에서 연구에 활용되거나 주변에 입지하고 있는 사업소에 배수되어 참새우의 종묘 생산, 바다포도 등 해조류의 육상양식 등에 활용되고 있으며, 지역의 산업진흥 및 고용창출에 기여하고 있다.
해양온도차 발전은 태양열로 데워진 표층 해수(약 25도~30도)와 해양을 순환하는 차가운 심층 해수(약 5도~10도)의 온도차를 전력으로 변환하는 재생가능 에너지에 의한 발전이다.
끓는점이 낮은 매체를 표층 해수로 데워 증발시켜 그 증기로 터빈 발전기를 구동하여 발전한다. 그 후 매체는 심층 해수로 냉각시켜 액체로 되돌리고 이것을 다시 표층 해수로 데워 증발시켜 발전하는 것을 반복하는 것이다.
표층 해수와 심층 해수의 온도차가 연간 평균 20도 이상인 것이 이상적으로 일본에서는 아열대 지역인 오키나와 등이 최적지로 알려져 있다.
해양온도차 발전은 1970년대 오일쇼크를 계기로 일본 등에서 연구개발되었지만, 그 후 화석연료의 가격이 하락하였기 때문에 연구개발의 규모가 축소되어 일본 국내에서는 유일하게 사가대학에서 연구가 지속되어 왔다.
최근 지구온난화 및 원유가격의 급등이라는 상황에서 미국 등의 대기업에 의한 개발이 재개되고 있지만, 아직 상용화되지 않았으며, 오키나와에서도 겨울에는 표층 해수의 온도가 내려가기 때문에 기대한 것처럼 발전이 불가능하였다.
이 문제에 대응하기 위해 오키나와현에서는 2013년 4월 최대 출력 50kW의 발전설비, 출력 50kW의 기술 시험용 설비 각 1기로 이루어진 실증시험 설비를 오키나와현 해양심층수연구소 부지 내에 설치하였다.
실증시험 설비는 해양온도차 발전기술 중 가장 대형화, 상용화에 적합한 폐사이클(closed cycle) 방식을 채용하고, 매체로는 염화불화탄소(R134a, 끓는점 26도)를 사용하고 있다.
실증시험에서는 (1) 시뮬레이션에서 얻은 예측치와 실측치의 차이 등의 해석결과를 기본으로 하여 설비를 대형화한 경우의 성능 예측을 실시하기 위해 기후, 해수온의 변화에 따른 발전량 계측을 수행, (2) 안정된 출력을 얻기 위한 기계의 성능 및 기술 향상에 관한 실증시험, (3) 발전비용을 저감시키기 위해 발전에 이용한 후 심층 해수를 수산업, 농업, 공조 등에 이용하는 가능성 검토 등을 수행하고 있다. 실증 운전을 개시한 이래 유용한 데이터를 얻을 수 있었다.
한편 쿠메지마에서는 2011년 3월에 해양심층수 복합이용 기본조사를 실시하였다. 그 보고서에서는 1MW급의 해양온도차 발전과 심층 해수의 복합이용 등의 가능성을 제시하였다. 해양온도차 발전의 대규모 상용화를 위해서는 추가적인 실증시험을 실시할 필요가 있기 때문에 많은 시간이 소요될 것으로 생각되지만, 아열대 지역인 오키나와에 적합한 청정한 해양에너지가 쿠메지마를 출발지로 하여 세계로 전개될 것으로 기대한다.
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