[일본] 해양입국의 파열발전 실력
일본은 국토면적이 세계62위이면서 해안의 길이는 세계 6위이다. 해양에너지의 확보를 위해 유리한 면이 있다. 연구개발 및 실용화에서는 다른 국가와 비교하여 어떤 위치에 있을까. 파도의 힘을 직접 이용하는 파력발전에 대해 일본 국내와 해외의 상황을 정리하였다.
파도에 의한 바다의 힘을 직접 사용하여 발전하는 것이 파력발전이다. 해양에서 생산할 수 있는 에너지 중 가장 초기에 실험장치가 만들어진 것이 파력이다. 다른 재생가능 에너지와 비교한 파력발전의 이점은 출력의 변동이 비교적 적고 24시간 365일 가동이 가능하다는 점이다. 단위면적 당 에너지밀도가 높다는 것, 고도의 반도체 기술 및 희소금속을 사용한 재료가 불필요하다는 것이다.
이와 같이 생각하면 파력발전은 매력적이며, 실현이 간단할 것처럼 보인다. 발전기를 움직이기 위한 파도는 항상 해안을 향해 온다. 그러나 겉보기와 실제는 다르다. 단점도 있다. 입지, 비용, 운용 모두 문제가 있으며, 여러 가지 트레이드 오프(trade off) 관계에 있다.
그러나 대량의 에너지를 확보하려 연안 가까이에서는 효과가 좋지 않다. 파도 에너지는 바다의 깊이(해안에서의 거리)에 따라 급속히 증가한다. 나중에 소개할 오스트레일리아 Carnegie Wave Energy의 조사에서는 물결이 칠 때에는 거의 에너지를 확보할 수 없다. 수심 100m 지점에서는 파도의 에너지가 폭 1m당 30~59kW이고 수심이 1,000m를 넘어, 연안에서 500km정도 떨어지면 90kW까지 높아진다. 연안부는 시스템을 저비용으로 구축할 수 있으며, 운용비용도 낮으나, 에너지밀도에 어려움이 있다. 장치를 대형화하여 설치대수를 늘리게 된다. 외양은 에너지밀도가 높으나 구축비용, 운용비용 모두 높아진다.
파력발전은 일본에 국한되지 않고 세계적으로 실증연구 단계에 있다. 특히 유럽제국이 열심이다. 일본 내각부에 의한 유럽의 해양에너지 실증필드의 주요 일람을 보면, 모든 실증 필드가 파력을 포함하고 있다는 것을 알 수 있다. 일본 국내에서는 6개의 실증 필드 중 1개소만 파력을 대상으로 하고 있는 것과는 대조적이다.
그 중에서도 실용화에 가까운 것은 영국 스코틀랜드의 기업 Pelamis Wave Power의 장치 “Pelamis”일 것이다. Pelamis의 이름은 등이 검은 바다뱀(Pelamis platura)에서 유래한다. 2기의 “Pelamis P2” 파력발전장치는 오크니제도 매인랜드섬의 근해 2km에 설치되어 있으며, 2014년 6월에 계통에의 접속시간이 1만 시간을 넘었다. 장치의 최대출력은 0.75MW(×2), 실증사이트에서는 30분 평균치로 0.28MW의 출력을 얻었다. 1만 시간의 전력판매량은 200MWh이다.
Pelamis P2는 4개의 원통형 실린더를 “힌지”로 일직선으로 연결한 형태를 하고 있다. 길이 180m, 직경 4m, 1,350톤의 상당히 큰 장치이다. 맨 끝에 돛이 있어 전체가 해상 위에 떠 있다. 파도를 받으면 실린더끼리의 각도가 바뀌어 힌지가 구부러진다. 이것을 유압으로 바꾸어 발전기를 회전시키는 구조이다. 이러한 구조를 채용했기 때문에 여러 가지 강도의 파도에 대응할 수 있으며, 수심 50m 이상의 실증사이트의 조건 하에서도 연간 90% 시간을 가동할 수 있으며, 100년에 1번의 큰 파도에도 견딜 수 있다고 한다. Pelamis는 배에 느슨하게 연결된 상태에서도 동작한다. 바다에 떠있는 데이터센터 등을 실현할 수 있다고 한다.
오스트레일리아 Carnegie Wave Energy가 생각하는 파력발전장치 “CETO”는 일본 국내의 프로젝트와 Pelamis Wave Power의 장치와는 크게 다르다. 기본적 생각방식은 해저에 닻을 쏘아, 거기서부터 끈을 연결하여 해중에 직경 20m의 부표를 유지하고, 부표의 상하운동으로 펌프를 구동하며, 축압기에서 고압의 해수를 얻을 수 있다. 부표나 해수면 위에 떠있는 부분은 없다. 발전기는 육상에 있으며, 고압수를 이용하여 전력을 만들어 낸다.
이러한 구성을 채용한 이유는 몇 가지이다. 발전기가 육상에 있으므로 해중에 설치하는 시스템을 단순화시킬 수 있다. 해상에는 아무 것도 없으므로 악천후의 거대한 파도에 대응할 필요가 없어진다. 해양생물에 부여하는 영향이 적다. 그리고 바다의 “미관”이 손상되지 않으며, 관광 등에 유용한 해변이 그대로 남는다.
또 다른 한 가지 이유는 파도의 운동에너지를 이끌어 내는데 반드시 장치를 해수면 위에 둘 필요가 없다는 것이다. 파도의 에너지는 해수면에만 집중하는 것은 아니다. 깊어질수록 차례로 에너지밀도가 적어지지만, 어느 정도의 깊이까지는 발전에 이용할 수 있는 규모의 에너지를 만들어 낼 수가 있다. 파도와 협조하여 해중에 일어나는 원운동에 가까운 해수의 움직임을 이용한다.
이 프로젝트는 제5세대기 “CETO5”를 이용한 실험을 끝내고, 제6세대기 “CETO6”로 전환하는 때였다. CETO6 프로젝트의 사업비는 3,100만 달러로 크다. 오스트레일리아 재생가능 에너지국(Australian Renewable Energy Agency)의 지원을 받고 있으며 정부에서 합계 1,100만 달러의 보조금을 받을 예정이다. 2014년 8월에는 최초 5만 달러를 확보하였으며, 이 외에 오스트레일리아 클린 에너지금융금고로부터 2,000만 달러의 대부를 받는다. 이들 자금을 투자하여 CETO6 프로젝트의 자본비용(약 2,500만달러)을 조달한다.
CETO6 프로젝트에서는 최대출력 1MW의 파력발전기를 2016년 내에 3기를 설치하고, 계통에 접속한다. CETO5와 비교하면 CETO6의 출력은 4배로 늘어났다. 이것은 부표의 직경을 11m에서 20m로 대형화한 효과라고 한다. 대형화에 의한 비용 상승과 출력 증가에 의한 비용 다운의 효과를 더하면 1MW당의 발전 비용을 3분의 1로 저감시킬 수 있는 형태이다.
CETO5와 CETO6의 최대 차이는 부표의 크기이다. 부표를 대형화하면 수중에서의 거동이 변화할 가능성이 있다. 이러한 점에 대해 수치 유체역학 모델을 이용한 분석을 2년간 계속하였다. 거의 동시기에 해중에 설치한 CETO5DP 500개 이상의 센서를 설치하고, 각 부분에 추가한 수압과 수류를 실시간으로 측정하여 1일당 5G바이트의 측정데이터를 취득하였다.
(그림 1) 유럽의 해양에너지연구의 주요 실증거점과 연구대상
(그림 2) 2기의 “Pelamis P2” 파력발전시스템
(그림 3) 파력발전시스템 “CETO6”
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