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무서운 위력으로 인류를 재난에 빠뜨리곤 했던 해양이 과학기술의 발달과 함께 무한한 에너지의 보고로 바뀌고 있다.

지구표면의 3분의2 이상을 차지하는 해양은 조석(潮汐) 해류 파랑(波浪) 등의 형태로 방대한 양의 에너지를 간직하고 있어, 최근 이러한 에너지 자원을 개발하려는 연구가 활발해지고 있다.

기록에 의하면 해양에너지를 이용한 역사는 길다. 이미 중세 이전 북대서양 연안에서는 조석간만의 차를 이용해 제분소의 조석방아를 돌렸으며 최근까지도 프랑스 영국 등지에서는 이것이 가동된 실적이 있다.

그 당시만 해도 마을 단위에서 필요한 에너지로도 족했을 것이지만, 산업혁명 후 에너지 수요가 급증하면서 각종 열기관의 발명으로 에너지의 대량생산이 가능해졌고 조력방아와 같은 종래의 해양에너지는 점차 자취를 감추게 되었다.

그러나 1970년대의 석유파동으로 에너지의 안정적인 공급에 차질이 빚어짐으로써 천연에너지를 이용한 안정된 공급원 확보의 필요성이 대두되었다. 더우기 앞으로 닥쳐올 육상 에너지 자원의 고갈에 대비한 대체 에너지 자원의 고갈에 대비한 대체 에너지 개발사업의 일환으로서 해양에너지는 세계 각국의 주목을 끌게 되었다. 이미 선진 각국에서는 해양에너지를 개발하여 부분적으로 실용화 시키고 있다.
 

조력발전

달의 주기적인 운동에 따라 12시간25분 주기로 하루에 두번씩 해수가 오르내리는 것이 조석이다. 이 조석에서 에너지를 얻는 것이 조력발전이다.

조력발전에는 부자식(浮子式)(부유체의 부력 이용), 조류식(조류의 흐름 이용), 압축공기식(조류의 높이에 따라 밀실의 공기를 압축) 그리고 조지식(潮池式)이 있다. 오늘날 가동중인 조력 발전의 대부분을 차지하는 조지식에 대해 알아보자.

조지식은 조석이 큰 하구나만을 막아서 조지(潮池)를 만들고 바깥 바다 조석의 수위와 조지 내 수위의 차이를 이용하는 발전방식이다. 조지식 발전은 조지의 수에 따라 단조지(單潮池)와 복조지(復潮池)로 그리고 조지의 이용회수에 따라 단류식과 복류식으로 나뉜다.

단조지 단류식(單潮池 單流式)은 단일한 조지에 밀물때 조지를 채운 후, 수문을 닫고 물을 가두어 두면 썰물 때 조지와 바깥 바다 조석 사이에 생기는 수위차를 이용해 발전하는 것이다. 즉 물채움→대기→발전→대기의 순환이 반복된다(그림1). 이와 반대로 밀물을 이용할 수도 있지만 출력 면에서 볼 때 썰물 때 발전이 유리하다. 또 물을 채운 후 대기할 동안 약간의 양수(揚水)를 하면 들인 것 이상의 전력을 얻을 수 있다. 단류식 발전은 발전출력의 오르내림을 피할수 없지만, 발전방식이 간단하고 발전 기기의 가격이 비교적 싸 실용성이 있다.

단조지 복류식(單潮池 複流式)은 단일한 조지에 밀물때 물을 채우면서 발전하고 썰물 때도 배수하면서 발전한다. 즉 발전→물 채움→대기→발전→배수→대기의 순환이 반복되어 단류식 보다 복잡하다.

이 방식은 출력회수가 2배나 되므로 단류식 보다 출력의 오르내림으로 인한 불편을 다소 완화시킬 수 있지만 연속발전은 불가능하다. 또 운전시 손실이 커 발전량이 단류식을 넘어서는 것은 밀물과 썰물의 차가 가장 클 때 뿐이다.

복조지 연결식(複潮池 連結式)은 2개의 조지 가운데 한 쪽을 고조지(高潮池) 다른 쪽을 저조지(低潮池)로 운용하여 물을 고조지에서 저조지로 흘리면서 발전한다. 이때 외해의 조석에 따라 양족 조지의 수문을 조작함으로써 조지 수위를 일정하게 유지시킨다. 이 방식은 연속발전이 가능하지만 단조지식보다 못하다.

그 밖에도 여러가지 조력발전의 방식들이 제안되고 있지만 복잡성에 비해 실용성은 떨어지는 편이다.

유력한 후보지 가로림만

조력발전소 건설의 타당성 검토는 세계적으로 여러 곳에서 실시되었다. 최근에 실시된 주요 타당성 검토 대상지로는 캐나다의 '펀디'만 영국의 '세베른'강 하구 그리고 우리나라의 가로림만 등을 들 수 있다.

현재 가동중인 조력발전소는 프랑스의 '랑스' 캐나다의' 아나폴리스 '소련의 '키스라야' 그리고 중공의 '쟝샤'가 대표적이다.

'랑스'발전소는 프랑스 '브리타니' 지방의 '랑스' 강 하구에 위치하며 최대 조차(潮差) 13.5m, 설비용량 2백40MW로서 1967년 준공이래 가동중인 조력발전소로는 최대의 것이다. 발전방식은 단조지 복류식이며 '벌브'수차·발전기는 양수도 가능하다. 그 밖에 '쇼시' 조력개발계획은 시설용량 약 1만MW 추정 건설비 약 90억 달러의 방대한 규모이나 아직 계획단계에 머물고 있다.

캐나다의 '아나폴리스' 발전소는 1984년에 준공되었으며 '펀디'만 입구 '아나폴리스' 강 하구에 위치한다. 여기서는 새로 개발된 '스트라플로'형  수차·발전기가 채택되었는데 단위기 용량이 20MW로서 세계 최대이다. 발전방식은 단조지 단류식으로 밀물 때 해수를 채우고 썰물 때 발전한다. '아나폴리스' 발전소는 '스트라플로'형 수차를 설치한 시험용 발전소에 불과하지만 새로운 수차·발전기의 개발이라는 점에서 그 의의를 찾을 수 있다.

우리나라는 경기만 일대의 평균 조차(潮差)가 약 5m로서 조력개발 적지로 널리 알려져 왔다. 조력발전 계획은 이미 1930년 부터 있었지만 본격적인 조사연구는 1974년부터 시작돼 주로 해양연구소에 의해 실시 되었다. 서해안 일대의 10개 지점을 대상으로 한 타당성 검토 결과 가로림만이 가장 유력하다. 가로림만의 가장 큰 밀물과 썰물의 차이는 6.5m로서 입지조건은 비교적 무난한 편이라 할 수 있다. 발전방식은 단조지 단류식이고 시설용량은 4백80MW(20MW×24기)정도가 될 것이다. 개발시기는 빨라야 1990년대가 될 것으로 전망된다.

파력발전

선박의 재난사고나 연안재해를 통해서 파력(波力)의 위력에 대해서는 오래 전부터 알려져 왔다. 파랑(波浪)을 에너지화해 보고자하는 시도의 동기는 바로 이 파력의 위력에 대한 인식에서 자연스럽게 태동되었다고 볼 수 있다. 그러나 파랑 에너지는 일별 계절별 해역별로 변화가 커 일정한 출력을 기대하기는 어렵다.

파력발전이란 파랑에너지를 터빈 같은 원동기의 구동력으로 변환시켜 전기에너지를 얻는 것을 말한다. 즉 파랑의 상하운동, 수평운동, 수압을 이용하여 공기 기계 또는 수력에너지로 변환시키며, 변화장치의 설치 방법에 따라 크게 부체식(浮體式)과 고정식 으로 나뉜다.

파력발전에 대한 연구 개발은 주로 일본 미국 영국 등지에서 계속되어 왔다. 일본은 출력 70~1백20W의 소형 파력발전 장치가 부착된 항로 표지용 부이를 실용화 시켰다. 또 대형 파력발전 장치인 '카이메이'의 제작 및 해상실험은 파력발전 사업의 큰 진전이라 할 수 있으며 그 밖에도 해안 고정식 파력발전 장치에 관한 연구도 계속되고 있다.

영국이 개발한 파랑에너지 변환방식으로는 '노딩 덕'방식, 진동수주식, 공기압력식, 파력정류식 등이 있지만 아직 실용화 단계에 이르지 못하고 있다.

우리나라의 동해안은 수심이 깊고 파도가 높아 파력발전에 유리한 여건을 갖추고 있다. 1979년 해양연구소가 수행한 파력발전 기초조사연구의 결과에 따르면 파력발전 후보지로서 동해 중부 특히 후포와 울릉도 근해를 들 수 있다. 이곳의 파력 밀도는 여름에 1.1kW/m, 겨울에 4.4kW/m로 계절별 기복이 심했다.

해양 온도차 발전(OTEC)

해양 온도차 발전은 25˚C 정도의 표층수온과 4˚C 정도의 심층 수온 사이의 온도차를 이용하여 전기를 얻는 것이다. 표층의 온수로 암모니아, 프레온 등의 낮은 온도에서 끓는 매체를 증발시켜 터빈을 돌린 후 심층의 냉각수로 응축시키는 일종의 저온 열기관이다. 따라서 앞서 열거한 조력, 파력이 위치에너지와 운동에너지를 이용하는 것과는 다른 원리이다.

해양 온도차 발전의 개념은 1886년 프랑스의 '다르송발' 이 처음 제안했다. 미국은 1978년 하와이에서 50KW급의 OTEC 실험발전에 성공하였고 앞으로 10만KW급 발전소를 건설할 계획이다.

일본도 1974년 경부터 타당성 검토를 시작하여 1981년에는 '나우루' 해역에서 1백20kW급 실험발전에 성공했다. 2천년대에는 실용화가 이루어질 전망이다.

우리나라에서는 아직 온도차 발전에 대한 구체적인 검토가 이루어진 바 없으나 대마해류의 영향을 받는 동해 남부 해상에서는 하절기에 상당한 수온차가 유지되므로 검토해 볼 필요가 있을 것이다.

조력발전이 가장 유망

조력, 파력, 해양 온도차에너지로 나뉘는 해양에너지 가운데 현재의 기술수준으로 대량으로 실용화할 수 있는 것은 조력발전 뿐이다. 우리나라의 경우도 조력발전 외에는 아직 부존량도 제대로 파악되어 있지 않으므로 역시 해양에너지라면 조력발전 뿐이라고 해도 과언이 아니다.

주지하다시피 우리나라의 육상에너지 부존량은 아주 빈약해 거의 전량을 수입에 의존하고 있다. 또 현재 주종을 이루는 석탄 석유 원자력 에너지에는 환경오염과 안전성의 문제가 따른다.

그러나 해양에너지는 순환에너지이며 연료비가 들지 않고 환경오염의 우려가 없는 '깨끗한 에너지'라는 잇점을 갖고 있다. 따라서 자원 개발의 극대화와 에너지 자립도를 높이는데 크게 기여할 수 있을 것이며 새로운 에너지 파동에 대한 대비책도 될 수 있을 것이다.

해양에너지의 존재가 아직은 그리 두드러지지 않을지 모른다. 그러나 부존량이 막대한 만큼 미래의 에너지 자원으로서 큰 몫을 할 수 있을 것이다. 이에 대한 조사·연구가 꾸준히 이루어져야 하겠다.