대한조선학회

	June, 2020
[학생기자단] 바다, 그 활용의 한계는 어디까지인가?

<글 : 대한조선학회 학생기자단> 인하대학교 조선해양공학과 최은지 ej2095@naver.com 인하대학교 조선해양공학과 현여진 hyj990325@gmail.com 전 세계적으로 기존에 사용하던 에너지를 신재생 에너지로 대체하려는 움직임이 활발해지면서, 국내 역시 신재생 에너지 기술 발전에 힘쓰고 있다. 신재생 에너지란 기존의 화석연료를 재활용하거나 햇빛, 물, 생물 유기체 등에서 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지를 말한다. 그중 해양에너지 분야에는 조류발전, 조력발전, 파력발전, 해수온도차 발전이 대표적이다. 우리 기자단은 해양에너지 발전 중에서도 조금은 생소한 해수온도차발전의 국내 기술 수준과 더불어 센터에서 중점적으로 연구하는 해양심층수의 다양한 활용사례에 대해 알아보고자, 지난 5월 31일 선박해양플랜트연구소 해수에너지연구센터에 방문하여 이호생 센터장님과 인터뷰를 진행하였다. <왼쪽부터 최은지 학생기자, 이호생 센터장님, 현여진 학생기자> 선박해양플랜트연구소 해수에너지연구센터는 해수에너지와 해수자원을 활용하여 식량, 에너지, 물 등 생존 필수자원의 지속가능한 이용을 위한 해수플랜트의 핵심기술을 개발하고, 해양신산업 창출을 선도하기 위해 설립되었다. 여기서 해수자원이란, 계절에 따라 10~25℃로 변하는 해양표층수와 연중 약 2℃를 유지하는 해양심층수 등이 있다. 특히 우리나라 동해안의 경우 수심이 급격하게 깊어져 심층수를 비교적 육지와 가까운 거리에서 취수할 수 있다. 이러한 취수조건을 갖춰서일까. 해수에너지연구센터는 강원도 중에서도 끝자락, 고성에 자리하고 있다. 센터의 주요 업무는 크게 에너지 분야, 담수화 분야, 복합이용 분야로 나눌 수 있다. 해수에너지연구센터 연구 분야 : 에너지, 담수화, 복합이용 에너지 분야의 대표적인 연구는 해수온도차발전과 해수냉난방시스템이 있다. 약 2℃의 낮은 온도를 유지하는 해양심층수의 냉열을 활용하여 냉동, 냉장 분야에도 적용할 수 있다. 실제 센터에서도 해양표층수와 해양심층수, 지하해수 등을 이용한 해수냉난방시스템이 구축되어 있었다. 냉방시스켐 외에도 저온의 심층수를 이용하여 냉동, 냉장 분야에도 적용할 수 있다. 이러한 냉동, 냉장, 냉난방 분야의 활용을 위해 목적에 따라 효율적인 시스템 구성 및 운전, 취수방법 등에 대해 연구하고 있다. 해수 담수화 분야에서 중점적으로 연구하는 기술은 해수 담수화, 농축추출 기술이다. 전 세계적으로 물 부족 현상이 증가함에 따라 해수 담수화의 중요성이 증가하고 있다. 이미 상용화된 기술이 많이 존재하지만, 보다 효율적으로 에너지를 적게 사용하여 담수화하는 것이 기술 개발의 핵심이다. 해수를 담수화하면 물과 여러 가지 성분이 포함된 농축액으로 분리된다. 농축액은 칼륨, 마그네슘 등의 몸에 좋은 미네랄성분들을 포함하고 있지만, 주로 담수화한 물이 목적이기 때문에 농축액은 다시 바다로 배출된다. 하지만 좋은 성분으로 똘똘 뭉친 농축액이라 하더라도, 그대로 바다에 돌려보내면 기존 해수의 온도와 농도가 달라져 환경 교란의 원인이 될 수 있다. 따라서 이 농축액을 최대한으로 활용하여 농축배수를 저감하는 방법 역시 중요하게 다뤄진다. 최근 기후변화, 남획 등의 이유로 어획생산이 한계점에 도달하고 있다. 이에 따른 대처방안으로 복합이용 연구가 화두로 떠올랐다. 대표적으로 온도대가 다른 생장 환경을 가진 물고기들을 여러 개의 조를 이용하여 한 번에 양식할 수 있는 다단계 양식방식이 있다. 기본적으로 표층수와 심층수의 온도차가 있지만, 추가적으로 해양심층수를 끌어와 어류 등이 잘 자랄 수 있도록 수조의 온도를 조절하는 원리이다. 현재는 자동제어 시스템과 결합하여 해양심층수 다단계 복합양식 개발과제를 수행 중에 있으며, 에너지 수지를 최적화하기 위한 연구를 진행하고 있다. 육상배양플랜트는 연구소 초반에 활발히 진행되었고, 해양심층수를 희석하여 그 속에 포함되어 있는 미네랄과 마그네슘과 같은 유용한 물질을 식물의 배양에 활용하기 위한 방안을 연구하였다. 해수온도차발전의 원리와 종류 해수온도차발전은 해양표층수와 해양심층수의 온도차를 이용하여 전기를 생산하는 발전방식이다. 화력발전이나 원자력 발전의 경우 수증기를 이용하여 터빈을 구동하여 많은 전력을 생산할 수 있어 효율이 높지만, 터빈을 구동하기 위해서는 높은 온도와 압력대의 수증기를 발생시켜야 하므로 전력 생산량에 비례하여 많은 에너지를 필요로 한다. 하지만 해수온도차발전의 경우 표층수와 심층수의 온도차를 이용하여 발전하므로 발전 효율이 3% 이하로 낮은 편이지만 무한한 양의 해수를 이용할 수 있으며 친환경적이라는 장점이 있다. 해수온도차발전에서 작동유체로 사용되는 냉매는 낮은 온도에서 높은 압력으로 증발하는 성질을 가지고 있기 때문에 약 30℃의 표층수와 증발기에서 해양심층수와 열교환을 통해서 기화되어 고온 고압의 기체가 된다. 이 고온 고압의 기체는 터빈을 통과하면서 터빈과 발전기를 분당 약 2만회 회전시켜 전기를 생산한다. 터빈을 회전시키고 에너지를 잃은 냉매는 응축기(Condenser)에서 심층수와의 열교환을 통해 액화된다. 액화된 냉매는 Receiver tank에 저장되고 폐쇄형 사이클을 순환하며 전기를 생산한다. <증발기와 응축기 내에서 작동유체의 흐름 (증발기와 응축기는 얇은 판이 여러 개 겹쳐진 판형 열교환기로, 해수와 작동유체가 번갈아 흐르게 된다.> 해수온도차발전은 개방형시스템(Open-cycle), 폐쇄형시스템(Closed-cycle), 그리고 이 둘을 결합한 복합시스템(Hybrid-cycle)이 있다. 개방형 해수온도차발전은 따뜻한 표층수를 증발시켜 터빈을 구동한다. 이때 표층수가 약 25~30℃의 온도에서 증발할 수 있도록 진공펌프를 통해 표층수가 들어오는 용기(Chamber)를 대기압 대비 1~3% 정도로 진공에 가깝게 유지하는 것이 개방형시스템의 핵심이다. 저압의 챔버에서 저온의 표층수를 증발시키는 것을 플래시 증발이라고 하는데, 이렇게 증발된 표층수는 터빈을 구동하게 되고, 터빈을 구동한 뒤 차가운 심층수와 열교환하여 다시 액화된다. 표층수가 증발될 때는 수분만 증발하므로 심층수와 열교환 이후에는 순수한 담수를 얻을 수 있다. 이처럼 개방형 사이클은 저압 조건에서의 운전으로 인해 대용량으로 설계하기에 체적이 커지는 단점이 있으나 결과물로 전기와 물을 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다. 폐쇄형 해수온도차발전의 경우에는 낮은 온도에서 높은 온도로 증발하는 냉매를 작동유체로 활용하여 발전한다. 폐쇄형 해수온도차발전의 작동순서는 다음과 같다. 먼저 해수온도차 발전기는 전기를 생성하는 터빈(Turbine-Generator)와 작동유체를 냉각하여 액화시키는 응축기(Condenser), 작동유체를 가열하여 기체 상태로 만드는 증발기(Evaporator), 냉매의 순환을 돕는 펌프(Pump)로 구성되어 있다. 냉매라고도 불리는 작동유체는 이 폐회로 사이클 내에서 순환하면서 전기를 생산한다, 심층수와 열교환을 통해 냉매는 응축되고 표층수와의 열교환을 통해 액체상태의 냉매는 기체 상태가 되어 터빈을 회전시킨다. 아래 이미지는 센터에서 구축한 20kW급 폐쇄형 해수온도차발전플랜트로서, 미국, 프랑스, 일본을 이어 세계 4번째로 수십 kW의 해수온도차발전플랜트 운전에 성공하였다. <선박해양플랜트연구소 해수온도차발전플랜트> <폐쇄형 해수온도차발전 원리> 복합시스템은 개방형시스템과 폐쇄형시스템의 기능이 결합된 형태이다. 폐쇄형 사이클에서 증발기만 변경된 시스템으로 진공챔버에서 플래시 증발된 표층수와 작동유체가 열교환하여 폐쇄형시스템과 동일한 방법으로 전기가 발생된다. 마찬가지로 담수와 전기를 얻을 수 있으나 현재까지는 이론적인 사이클로 실증연구가 더 필요한 상황이다. 선박해양플랜트연구소 해수에너지연구센터는 초창기 100W급 mock-up부터, 현재 실증화에 도전하고 있는 1MW급 해수온도차발전플랜트까지 모두 폐쇄형 해수온도차발전으로 개발을 진행해 왔다고 한다. 개방형의 경우 담수와 전기 모두를 얻을 수 있으나, 효율이 다소 낮고, 대용량으로 실용화하기 위한 낮은 압력에서 작동함에 따라 상대적으로 체적이 커져야 하는 용량에 따른 한계점 등이 있다. 폐쇄형 온도차발전의 경우 사이클 내부를 순환하는 작동유체를 사용하는데 작동유체의 사용으로 인해 개방형 온도차발전에 비해 터빈입구의 압력을 높게 형성할 수 있고 이로 인해 개방형 대비 더 큰 발전량과 효율을 얻을 수 있는 장점이 있기 때문이다. 센터에서는 20kW 해수온도차발전 파일럿플랜트 개발 경험을 통해 현재 1MW급 해수온도차발전 실증플랜트 개발 연구를 수행하고 있고, 향후 해수온도차발전 실용화를 선도하기 위한 MW급 설계기술 확보를 위한 연구를 수행할 예정이라고 한다. 또한, 점차적으로 기후변화에 따라 에너지 뿐만 아니라 물 부족도 심화될 것으로 예상되므로, 에너지와 식수를 동시에 얻을 수 있는 개방형 해수온도차발전 연구에 대해서도 고효율 사이클 개발, 주요 요소기기 설계 등을 포함하는 핵심기술 개발을 추진할 예정이라고 한다. 키리바시 ‘대통령’을 움직이게 한 우리 기술 2016년부터 착수한 해수온도차발전플랜트 개발 과제는 내년 2021년 키리바시에 실증플랜트를 설치하는 것을 마지막으로 연구 목적을 달성하게 된다. 키리바시는 남태평양 적도에 있는 도서국가로, 세계에서 4번째로 광활한 해역을 차지하고 있다. 키리바시 실해역에 해수온도차발전플랜트를 설치하기까지 과정은 다음 3단계로 설명할 수 있다. 1단계로 해수온도차발전 실증플랜트 핵심부품을 설계하고 제작하였다. 핵심부품으로는 터빈-발전기, 증발기, 응축기, 해수펌프 등이 있다. 다음 2단계는 해수온도차발전을 국내에서 먼저 실증 실험한 것이다. 이는 해외 실증 이전에 반드시 거쳐야 할 요소로, 지난 2019년 상반기부터 부산항 우암부두에서 준비하여 9월 중하순경에 포항 인근 동해상에서 성공적으로 수행한 바 있다. 그 당시 태풍으로 인하여 장시간 시험은 하지 못하였지만, 모든 참여자들의 노력으로 짧은 시간 내에 유효한 데이터를 확보하였다고 한다. 마지막 3단계는 키리바시로의 플랜트 이송 설치 및 장기운전으로, 다가올 2021년까지로 예정되어 있다. 현재 연구는 키리바시로 플랜트 이송 및 설치를 위하여 설계를 진행하고 있는 단계이다. 금년도에 COVID 19 사태로 인하여 예정된 일정이 다소 연기되고 있지만, 상황이 개선되는 대로 키리바시로 플랜트를 이송하고, 2021년에는 취수관 공사 및 연결을 완료하여 성능시험을 시행할 계획이라고 밝혔다. 그런데 여기서 잠깐, 우리나라도 삼면이 바다로 둘러싸여 해양자원이 풍부하고, 그에 따른 지리적인 이점이 분명히 있을 텐데, 무슨 이유에서 해수온도차발전의 최적지로 적도 부근의 키리바시를 선택하게 된 걸까? 지난 2014년 여수 세계 물 포럼에서, 키리바시의 Anote Tong 전 대통령이 참석하였고, 자국의 식수 및 에너지 부족에 따른 문제점을 해결하기 위해 KRISO에서 연구 중인 해수온도차발전에 큰 관심을 가지게 되었고, 해수에너지연구센터를 직접 방문하여 해수온도차발전에 대한 키리바시에서의 적용 가능성을 높게 평가하였다. 연중 30℃의 표층수온을 유지하는 키리바시는 해수온도차발전을 위한 최적지라고 할 수 있기 때문이다. Anote Tong 전 대통령으로부터 KRISO에서 연구 중인 1MW급 해수온도차발전플랜트를 자국에서 실증하여, 한국은 장기 운영 실적을 확보하고, 키리바시는 에너지 부족 문제 해결에 기여할 수 있도록 제안을 받았다고 한다. 이후 MOU를 맺기까지의 과정을 미뤄봤을 때, 키리바시가 뛰어난 기술력을 가진 KRISO를 선택한 거라고 할 수 있겠다. 해수온도차발전은 해수의 온도차를 이용하여 발전하므로 표층수와 심층수의 온도차가 클수록 사이클의 효율이 올라간다. 키리바시의 경우, 북위 2도 정도의 적도 지역이라서 표층수는 밤낮 관계없이 연중 28~30℃의 수온을 보이며, 심층수는 5℃로 일정한 수온을 유지한다. 표층 수온이 계절에 따라 15~26℃로 변동성이 크고 9월 이후로는 발전이 어려운 국내 해역과 달리, 키리바시 해수의 온도는 거의 변동 없어 꾸준하게 일정량의 전력을 생산할 수 있다. 국내 맞춤 해수온도차발전 : 고온도차발전 우리나라의 해수온도차발전 기술이 뛰어나긴 하지만, 국내에서 상용화하기에는 지리적 여건이 부족하다는 아쉬움이 있다. 해수온도차발전 기술을 선도하는 주요 선진국인 미국, 일본, 프랑스의 대표적인 특징이 적도 근처의 자국이나 자국령 섬에서 실증 및 장기 운영하여 기존 에너지를 대체할 수 있다는 점이다. 미국의 경우 하와이, 일본은 오키나와 섬에 약 1MW급 실증플랜트의 개발을 검토 중에 있으며, 프랑스는 EU의 지원을 받아 마르티니크섬에 16MW급 상용화 모델을 설치하는 사업을 진행하고 있다. 그렇다면 국내에서 해수온도차발전을 설치하기에 적합한 해역이 아예 없는 걸까? 전통적인 해수온도차발전 방식을 고집한다면 어렵겠지만, 고온도차 발전방식을 채택한다면 충분히 실용화도 가능하다. 고온도차발전이란 표층수 대신, 동해안에 설치되어 있는 발전소의 온배수나 육상 및 해상에서의 다양한 미활용열과 해수의 온도차를 이용하는 온도차발전이다. 표층수가 계절마다 수온이 달라지는 점을 보완한 국내에 보다 적용하기에 적합한 해수온도차발전 방식이라고 할 수 있다. 또 동해안의 경우 대륙붕이 좁고 경사가 급한 대륙사면으로 해저지형이 구성되어 있어, 키리바시에 비해 육상에서부터 짧은 거리에서 심층수를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 해수온도차발전 불모지에서 Top3와 어깨를 나란히 하기까지 1973년 석유파동은 해외 여러 나라에서 해수온도차발전 연구를 본격적으로 시작하는 계기가 되었다. 하지만 우리나라는 1998년 기초적인 연구에서 그쳤고, 2010년에 들어서야 연구 과제로 착수하며 비교적 느린 편이었다. 그런데도 불구하고, 2014년 세계에서 4번째로 20kW 해수온도차발전 파일럿플랜트를 성공적으로 개발하여 미국, 일본, 프랑스와 함께 어깨를 나란히 하게 되었다. 해수온도차발전을 연구한 기간으로는 20년도 채 되지 않은 우리나라가 이토록 훌륭한 성과를 이뤄낼 수 있었던 비결이 무엇이었을까. 이호생 센터장님의 말씀에 따르면, 우리나라에서 해수온도차발전이 실증까지의 성과를 이룬 것은 정부의 든든한 지원과 연구원들의 열정 덕분이다. 먼저, 해양에너지와 심층수 활용 연구에 지속적인 관심과 투자를 이어온 정부의 노력이 있었기에 꾸준히 연구를 이어나갈 수 있었다. 센터는 지난 2001년도 해양심층수의 다목적 개발 과제를 시작으로, 2010년 해수온도차에너지를 이용한 해수온도차발전 및 해수냉난방 핵심기술 연구와 이를 바탕으로 한 2016년 1MW급 해수온도차발전 실증플랜트 개발을 거쳐, 현재는 2021년 키리바시 실해역에서의 해수온도차발전 실증플랜트 구축 및 장기운영을 목표로 하고 있다. 여기에 국내 연구소, 대학, 산업체에 있는 우수한 인재들의 활발한 연구 활동까지 더해져, 단기간에 세계 최초 1MW급 해수온도차발전 국내 실증 성공이라는 업적을 달성할 수 있었다. 해수에너지연구센터, 앞으로의 연구 방향성 현재 인류는 물과 식량의 부족에 위협받고 있으며, 환경 파괴와 화석에너지의 고갈로 대체에너지 개발이 요구되고 있다. 더욱이 정부 재생에너지 보급목표 3020 (2030년까지 20% 확대) 이나 온실가스 배출 저감목표 3037 (2030년까지 배출전망치 대비 37% 감축) 등 달성을 위해 해양에서의 역할이 확대될 것으로 예상된다. 이에 따라 해수에너지연구센터는 해수온도차발전 및 해수냉난방과 같은 재생에너지 개발을 통해 환경과 에너지 문제를 해결에 기여하고, 고효율 담수화 및 해수에서 유용한 미네랄을 추출하기 위한 고도 농축 기술 개발과 해수 복합양식 기술 개발을 통해 식수 및 식량 자원 확보에 이바지할 수 있는 연구에 총력을 다할 것이라고 밝혔다. <해수이용 텐덤 히트펌프 냉난방 시스템과 해수용 열교환기(200,000kcal/h)> 인터뷰 후기 <코로나 19로 어려운 상황임에도 불구하고 방문을 흔쾌히 허락해 주시고 인터뷰에 응해주신 이호생 연구소장님께 감사드립니다.> 최은지 기자 IMO 2020 환경규제를 주제로 조사하면서, 최근 해양에서의 거의 모든 활동에 ‘친환경’적인 가치를 강조하고, 마땅한 ‘책임’을 부여하려는 움직임을 파악할 수 있었다. 이후 해양에너지 종류와 그 원리에 관심이 생겼고, 그중에서도 신재생 해양에너지로 상품 가치가 높은 해수온도차 발전에 대해 자세히 알아보고자 해수에너지연구센터에 직접 방문하게 되었다. 아무래도 조력발전, 조류발전과 비교해 생소하다고 느껴졌기 때문에 더 흥미로웠웠다. 해수에너지연구센터는 강원도 고성의 한적한 바닷가에 위치하여 있고, 그 주변에는 해양심층수를 취수하여 상업적으로 이용하는 몇몇 기업이 들어서 있었다. 코로나가 다시 기승을 부리는 요즘, 타지에서 방문하였음에도 불구하고 우리를 반갑게 맞이해주신 센터장님과 직원분들께 대단히 감사하다는 말씀을 드리고 싶다. 인터뷰를 진행하기 전, 예정보다 일찍 도착하여 외빈실을 살펴볼 기회가 있었다. 주로 해양심층수 개발에 대한 자료가 전시되어 있었으며, 한쪽 구석엔 해양심층수와 전혀 관련 없어 보이는 물건들로 가득 찬 전시장이 보였다. 전시장 내에는 화장품, 소금 등 그 종류가 다양하였는데, 제일 눈에 띈 건 아사히 맥주캔이었다. 그 전시장 내 물건들은 해양심층수 취수 후 담수 외에 부가가치를 창출하기 위한 상품으로, 칼륨, 마그네슘 등의 몸에 좋은 미네랄 성분들을 포함한 농축액으로 만들어졌다고 한다. 미네랄이 들어 있는 맥주는 일반 맥주와 그 맛이 어떻게 다를지 궁금하였다. 본격적으로 이호생 센터장님과의 인터뷰가 시작되고, 해수에너지연구센터의 변천사, 해양심층수 취수과정과 남은 농축액의 다양한 활용분야, 어려운 여건임에도 최고 수준에 도달한 해수온도차발전 기술 등 물 흐르듯 계속 이어지는 이야기에 완전히 매료되었다. 인터뷰 당일 센터에 도착하기까지 총 5시간 정도 걸린 긴 여정이었지만, 그 시간을 보상받는다 생각될 만큼 센터장님과 함께했던 2시간이 20분처럼 느껴졌고 푹 빠져들었다. 특히 해수온도차발전 과정 중 해양심층수를 취수하여 끌어올리는 취수관에 대한 이야기가 굉장히 흥미로웠다. 우선 취수관의 규모 자체가 작지 않은데, 직경이 거의 1m 정도로 초당 약 4ton에 달하는 해수를 취수한다고 한다. 해수온도차발전 효율이 작기 때문에 해수를 많이 취수해야 하는데, 관의 수량을 늘이기에는 위험부담이 있어 하나의 관을 크게 만들어 취수하는 것이다. 해양표층수는 바다 위에 배관을 띄워 취수할 수 있지만, 해양심층수는 수심 깊은 곳에서 취수하기 때문에 해저면에 취수관을 설치하기가 까다롭다. 또 키리바시에 설치된 취수관은 육상에 세울 발전기에서부터 뻗어 나가고, 수심 3km 정도 해저면에 깔아야 하므로 고도의 기술을 필요로 한다. 사람이 접근하지 못하는 수심부터는 취수관에 추를 달아서 떨어뜨리는데, 다행히 키리바시는 태풍이 잘 일어나지 않는 환경이라고 한다. 취수관을 설치할 해역의 조류방향이나 세기를 해석하고, 또 곧은 플라스틱 재질인 취수관이 깨질 위험이 있으므로 해저면의 굴곡이 적은 곳을 선정해야 하는데, 최종단계 전까지 해석에 재해석, 몇 번의 시뮬레이션을 거치고, 또 살펴보는 과정에서 엄청난 노력이 필요하다는 것을 느낄 수 있었다. 인터뷰를 끝내고서 센터 뒤편에 세워진 20kW급 해수온도차발전플랜트를 보여주셨다. 불현듯 지난 학기 열역학에서 배웠던 여러 사이클이 떠올랐다. 배관마다 해양표층수, 작동유체, 해양심층수가 어느 방향으로 이동하는지 표시해둔 화살표 스티커를 따라 폐쇄형 해수온도차발전플랜트 내 흐름을 살펴보았는데, 역시 직접 보는 것만큼 학습효과가 좋은 건 없다는 걸 다시 한번 깨달았다. 다른 한편에는 200kW급 발전플랜트가 설치되어 있었다. 바로 전에 살펴본 것과는 달리 동해안에 설치되어 있는 발전소의 온배수나 육상 및 해상에서의 다양한 미활용 열과 해수의 온도차를 이용한 고온도차발전플랜트였다. 열교환기는 티타늄 판과 산질화코팅된 판의 성능을 비교하기 위하여 2 타입으로 나뉘어져 있었고, 산질화코팅된 판은 그 성질에 따라 곳곳에 부식된 곳을 찾아볼 수 있었다. 끝으로 해수를 이용한 냉난방시스템에 대해서는, 실제로 규모가 큰 건물의 경우 일정 비율 신재생에너지를 의무적으로 사용해야하기 때문에 이미 많이 상용화되었다고 한다. 이처럼 광활하게 펼쳐진 해양에 잠재된 에너지 가용량은 무한하다고 봐도 무방할 것이다. 더욱이 삼면으로 둘러싸인 우리나라의 경우, 해양에서 여러 혜택을 얻을 수 있는 조건을 갖췄다고 할 수 있다. 수준 높은 기술력을 갖추고 정부의 든든한 지원에 힘입어 발전하는 해양에너지, 해수자원 분야의 앞으로 행보가 대단히 기대된다. 현여진 기자 강원도에 위치한 해수에너지 연구센터에 취재를 다녀왔다. 조선해양공학과이지만 해수에너지는 거의 처음 들어보는 분야라서 조금 생소했다. 취재를 하기 전 해수에너지에 대해서 간단히 알아보았지만 기껏해야 25도 차이나는 해수의 온도차로 냉, 난방을 하고 발전기를 구동한다는 것이 믿기지 않았다. 하지만 인터뷰가 끝나고 해수에너지에 대한 나의 생각이 완전히 바뀌었다. 해수에너지연구센터에 도착하자마자 열을 측정하고 방문 명단을 작성하였다. 그리고 인터뷰를 하러 외빈실에 들어갔을 때 우리를 처음 맞아준 것은 바로 심층수 물이었다! 그리고 장식장 안에는 심층수에서 추출된 추출물들로 만들어진 여러 가지 상품이 진열되어있었다. 구경하던 중 소장님께서 오셔서 인터뷰를 진행하였다. 인터뷰를 진행하는 동안 몰랐던 많은 것들을 알아갈 수 있었다. 해수가 많은 분야에서 새로운 자원이 될 수 있는 거의 무한한 에너지의 원천이라는 것을 알게 되었다. 소장님께서는 열정적으로 많은 것들을 알려주셨다. 해수온도차 발전부터 동해안 연구, 키리바시해에 해수온도차 발전기를 설치하는 과정과 앞으로의 연구방향 등의 전문적 지식을 비롯하여 연구와 프로젝트 수행 과정, 날씨 변화나 파이프 설치 시 해수의 흐름으로 인해 잘못된 위치에 착지하는 등 실험실패의 위험성 등을 알게 되었다. 그 중에서도 가장 기억에 남는 것은 미래에 바다 위에 플랜트를 설치하여 심층수 추출 파이프를 수직으로 내려 해수온도차 발전을 통해 전기를 생산하고 수소형태로 변환하여 운반하는 시스템이었다. 이러한 시스템이 실현되기 위해서는 많은 기술의 연구가 필요하겠지만, 실제로 실현된다면 해수의 거의 무한한 에너지를 이용하여 대용량으로 전기를 생산하는 친환경적 발전이 가능해 질 것이다. 인터뷰가 끝난 뒤 실제로 발전기와 냉난방 장치를 보러 이동하였다. 가장 먼저 본 것은 해수온도차 발전기였다. 냉매가 응축기와 증발기에서 열교환하고 터빈을 돌리는 기관을 실제로 보며 설명을 들으니 열역학에서 배웠던 내용들이 떠올랐다. 열역학을 배울 당시 잘 이해되지 않았던 것들을 실제로 보며 소장님의 생생한 설명을 들으니 머리 속에 깊게 새겨졌다. 또 열교환기에 들어가는 티타늄 판과 이것을 대신할 수 있는 산질화코팅된 판을 설명해 주셨다. 티타늄 판에 비해 부식이 빠를 수 있지만 단가가 낮아 열교환기의 크기를 키울 수 있다는 장점이 있다고 하셨다. 또한 냉난방 장치를 실제로 보고 소장님의 설명을 들었다. 실제로 연구소의 냉방을 해수 냉난방장치로 하신다고 하셨다. 우리나라 전기 사용의 대부분은 냉난방이라고 한다. 이러한 기술이 널리 알려지고 다양한 곳에서 사용되어 효과가 검증되어서 친환경적인 방법으로 냉난방을 하는 미래가 빨리 왔으면 좋겠다. 인터뷰 하던 중 소장님께서는 고성을 비롯한 주변 지역에는 김장을 하실 때 배추를 심층수로 절이는 분들이 계신다고 하셨다. 나중에 한번 먹어보고 싶다고 생각하며 국밥집에 갔다. 그런데 잘 익은 김치가 사각거림이 예사롭지 않았다. 굉장히 잘 익었음에도 불구하고 아삭한 맛이 무엇인가 다른, 특별한 느낌을 주었다. 얼른 사진을 찍고 주인아주머니께 혹시 해양심층수로 담근 김치냐고 여쭤보았다. 평범해 보이는 빛깔로 위장한 예사롭지 않은 사각거림을 가진 그 배추김치는 역시 심층수를 이용하여 만든 것이었다. 집에 포장해 가고 싶었다. 또 해양심층층수 막걸리와 해양심층수 물등 다양한 제품을 만나볼 수 있었다. 일본의 경우에는 해양심층수를 이용한 제품들의 수요가 많아 다양한 제품이 만들어지는데 우리나라는 아직까지 인지도가 낮아 그 지역에서만 판매되고 있다. 직접 경험해본 결과 해양심층수 관련 제품이 출시된다면 애용할 생각이 있을 정도로 매력적이다. 사실 우리가 잘 알고 있는 아사히 맥주 역시 심층수를 이용하여 만들었다고 한다. 에너지 발전뿐만 아니라 이렇게 많은 곳에서 다양하게 쓰일 수 있는 해수를 연구하는 해수에너지 연구센터의 방문을 통해 해수의 잠재력을 알 수 있는 특별한 경험이었다. <해양심층수를 이용한 쌀막걸리, 김치, 그리고 물> <사진 출처 : 선박해양플랜트연구소 해수에너지연구센터>

<글 : 대한조선학회 학생기자단>
인하대학교 조선해양공학과 최은지 ej2095@naver.com
인하대학교 조선해양공학과 현여진 hyj990325@gmail.com

전 세계적으로 기존에 사용하던 에너지를 신재생 에너지로 대체하려는 움직임이 활발해지면서, 국내 역시 신재생 에너지 기술 발전에 힘쓰고 있다. 신재생 에너지란 기존의 화석연료를 재활용하거나 햇빛, 물, 생물 유기체 등에서 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지를 말한다. 그중 해양에너지 분야에는 조류발전, 조력발전, 파력발전, 해수온도차 발전이 대표적이다. 우리 기자단은 해양에너지 발전 중에서도 조금은 생소한 해수온도차발전의 국내 기술 수준과 더불어 센터에서 중점적으로 연구하는 해양심층수의 다양한 활용사례에 대해 알아보고자, 지난 5월 31일 선박해양플랜트연구소 해수에너지연구센터에 방문하여 이호생 센터장님과 인터뷰를 진행하였다.

<왼쪽부터 최은지 학생기자, 이호생 센터장님, 현여진 학생기자>

선박해양플랜트연구소 해수에너지연구센터는 해수에너지와 해수자원을 활용하여 식량, 에너지, 물 등 생존 필수자원의 지속가능한 이용을 위한 해수플랜트의 핵심기술을 개발하고, 해양신산업 창출을 선도하기 위해 설립되었다. 여기서 해수자원이란, 계절에 따라 10~25℃로 변하는 해양표층수와 연중 약 2℃를 유지하는 해양심층수 등이 있다. 특히 우리나라 동해안의 경우 수심이 급격하게 깊어져 심층수를 비교적 육지와 가까운 거리에서 취수할 수 있다. 이러한 취수조건을 갖춰서일까. 해수에너지연구센터는 강원도 중에서도 끝자락, 고성에 자리하고 있다. 센터의 주요 업무는 크게 에너지 분야, 담수화 분야, 복합이용 분야로 나눌 수 있다.

해수에너지연구센터 연구 분야 : 에너지, 담수화, 복합이용

에너지 분야의 대표적인 연구는 해수온도차발전과 해수냉난방시스템이 있다. 약 2℃의 낮은 온도를 유지하는 해양심층수의 냉열을 활용하여 냉동, 냉장 분야에도 적용할 수 있다. 실제 센터에서도 해양표층수와 해양심층수, 지하해수 등을 이용한 해수냉난방시스템이 구축되어 있었다. 냉방시스켐 외에도 저온의 심층수를 이용하여 냉동, 냉장 분야에도 적용할 수 있다. 이러한 냉동, 냉장, 냉난방 분야의 활용을 위해 목적에 따라 효율적인 시스템 구성 및 운전, 취수방법 등에 대해 연구하고 있다.

해수 담수화 분야에서 중점적으로 연구하는 기술은 해수 담수화, 농축추출 기술이다. 전 세계적으로 물 부족 현상이 증가함에 따라 해수 담수화의 중요성이 증가하고 있다. 이미 상용화된 기술이 많이 존재하지만, 보다 효율적으로 에너지를 적게 사용하여 담수화하는 것이 기술 개발의 핵심이다. 해수를 담수화하면 물과 여러 가지 성분이 포함된 농축액으로 분리된다. 농축액은 칼륨, 마그네슘 등의 몸에 좋은 미네랄성분들을 포함하고 있지만, 주로 담수화한 물이 목적이기 때문에 농축액은 다시 바다로 배출된다. 하지만 좋은 성분으로 똘똘 뭉친 농축액이라 하더라도, 그대로 바다에 돌려보내면 기존 해수의 온도와 농도가 달라져 환경 교란의 원인이 될 수 있다. 따라서 이 농축액을 최대한으로 활용하여 농축배수를 저감하는 방법 역시 중요하게 다뤄진다.

최근 기후변화, 남획 등의 이유로 어획생산이 한계점에 도달하고 있다. 이에 따른 대처방안으로 복합이용 연구가 화두로 떠올랐다. 대표적으로 온도대가 다른 생장 환경을 가진 물고기들을 여러 개의 조를 이용하여 한 번에 양식할 수 있는 다단계 양식방식이 있다. 기본적으로 표층수와 심층수의 온도차가 있지만, 추가적으로 해양심층수를 끌어와 어류 등이 잘 자랄 수 있도록 수조의 온도를 조절하는 원리이다. 현재는 자동제어 시스템과 결합하여 해양심층수 다단계 복합양식 개발과제를 수행 중에 있으며, 에너지 수지를 최적화하기 위한 연구를 진행하고 있다. 육상배양플랜트는 연구소 초반에 활발히 진행되었고, 해양심층수를 희석하여 그 속에 포함되어 있는 미네랄과 마그네슘과 같은 유용한 물질을 식물의 배양에 활용하기 위한 방안을 연구하였다.

해수온도차발전의 원리와 종류

해수온도차발전은 해양표층수와 해양심층수의 온도차를 이용하여 전기를 생산하는 발전방식이다. 화력발전이나 원자력 발전의 경우 수증기를 이용하여 터빈을 구동하여 많은 전력을 생산할 수 있어 효율이 높지만, 터빈을 구동하기 위해서는 높은 온도와 압력대의 수증기를 발생시켜야 하므로 전력 생산량에 비례하여 많은 에너지를 필요로 한다. 하지만 해수온도차발전의 경우 표층수와 심층수의 온도차를 이용하여 발전하므로 발전 효율이 3% 이하로 낮은 편이지만 무한한 양의 해수를 이용할 수 있으며 친환경적이라는 장점이 있다.

해수온도차발전에서 작동유체로 사용되는 냉매는 낮은 온도에서 높은 압력으로 증발하는 성질을 가지고 있기 때문에 약 30℃의 표층수와 증발기에서 해양심층수와 열교환을 통해서 기화되어 고온 고압의 기체가 된다. 이 고온 고압의 기체는 터빈을 통과하면서 터빈과 발전기를 분당 약 2만회 회전시켜 전기를 생산한다. 터빈을 회전시키고 에너지를 잃은 냉매는 응축기(Condenser)에서 심층수와의 열교환을 통해 액화된다. 액화된 냉매는 Receiver tank에 저장되고 폐쇄형 사이클을 순환하며 전기를 생산한다.

<증발기와 응축기 내에서 작동유체의 흐름 (증발기와 응축기는 얇은 판이 여러 개 겹쳐진 판형 열교환기로, 해수와 작동유체가 번갈아 흐르게 된다.>

해수온도차발전은 개방형시스템(Open-cycle), 폐쇄형시스템(Closed-cycle), 그리고 이 둘을 결합한 복합시스템(Hybrid-cycle)이 있다.

개방형 해수온도차발전은 따뜻한 표층수를 증발시켜 터빈을 구동한다. 이때 표층수가 약 25~30℃의 온도에서 증발할 수 있도록 진공펌프를 통해 표층수가 들어오는 용기(Chamber)를 대기압 대비 1~3% 정도로 진공에 가깝게 유지하는 것이 개방형시스템의 핵심이다. 저압의 챔버에서 저온의 표층수를 증발시키는 것을 플래시 증발이라고 하는데, 이렇게 증발된 표층수는 터빈을 구동하게 되고, 터빈을 구동한 뒤 차가운 심층수와 열교환하여 다시 액화된다. 표층수가 증발될 때는 수분만 증발하므로 심층수와 열교환 이후에는 순수한 담수를 얻을 수 있다. 이처럼 개방형 사이클은 저압 조건에서의 운전으로 인해 대용량으로 설계하기에 체적이 커지는 단점이 있으나 결과물로 전기와 물을 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다.

폐쇄형 해수온도차발전의 경우에는 낮은 온도에서 높은 온도로 증발하는 냉매를 작동유체로 활용하여 발전한다. 폐쇄형 해수온도차발전의 작동순서는 다음과 같다. 먼저 해수온도차 발전기는 전기를 생성하는 터빈(Turbine-Generator)와 작동유체를 냉각하여 액화시키는 응축기(Condenser), 작동유체를 가열하여 기체 상태로 만드는 증발기(Evaporator), 냉매의 순환을 돕는 펌프(Pump)로 구성되어 있다. 냉매라고도 불리는 작동유체는 이 폐회로 사이클 내에서 순환하면서 전기를 생산한다, 심층수와 열교환을 통해 냉매는 응축되고 표층수와의 열교환을 통해 액체상태의 냉매는 기체 상태가 되어 터빈을 회전시킨다. 아래 이미지는 센터에서 구축한 20kW급 폐쇄형 해수온도차발전플랜트로서, 미국, 프랑스, 일본을 이어 세계 4번째로 수십 kW의 해수온도차발전플랜트 운전에 성공하였다.

<선박해양플랜트연구소 해수온도차발전플랜트>

<폐쇄형 해수온도차발전 원리>

복합시스템은 개방형시스템과 폐쇄형시스템의 기능이 결합된 형태이다. 폐쇄형 사이클에서 증발기만 변경된 시스템으로 진공챔버에서 플래시 증발된 표층수와 작동유체가 열교환하여 폐쇄형시스템과 동일한 방법으로 전기가 발생된다. 마찬가지로 담수와 전기를 얻을 수 있으나 현재까지는 이론적인 사이클로 실증연구가 더 필요한 상황이다.

선박해양플랜트연구소 해수에너지연구센터는 초창기 100W급 mock-up부터, 현재 실증화에 도전하고 있는 1MW급 해수온도차발전플랜트까지 모두 폐쇄형 해수온도차발전으로 개발을 진행해 왔다고 한다. 개방형의 경우 담수와 전기 모두를 얻을 수 있으나, 효율이 다소 낮고, 대용량으로 실용화하기 위한 낮은 압력에서 작동함에 따라 상대적으로 체적이 커져야 하는 용량에 따른 한계점 등이 있다. 폐쇄형 온도차발전의 경우 사이클 내부를 순환하는 작동유체를 사용하는데 작동유체의 사용으로 인해 개방형 온도차발전에 비해 터빈입구의 압력을 높게 형성할 수 있고 이로 인해 개방형 대비 더 큰 발전량과 효율을 얻을 수 있는 장점이 있기 때문이다. 센터에서는 20kW 해수온도차발전 파일럿플랜트 개발 경험을 통해 현재 1MW급 해수온도차발전 실증플랜트 개발 연구를 수행하고 있고, 향후 해수온도차발전 실용화를 선도하기 위한 MW급 설계기술 확보를 위한 연구를 수행할 예정이라고 한다. 또한, 점차적으로 기후변화에 따라 에너지 뿐만 아니라 물 부족도 심화될 것으로 예상되므로, 에너지와 식수를 동시에 얻을 수 있는 개방형 해수온도차발전 연구에 대해서도 고효율 사이클 개발, 주요 요소기기 설계 등을 포함하는 핵심기술 개발을 추진할 예정이라고 한다.

키리바시 ‘대통령’을 움직이게 한 우리 기술

2016년부터 착수한 해수온도차발전플랜트 개발 과제는 내년 2021년 키리바시에 실증플랜트를 설치하는 것을 마지막으로 연구 목적을 달성하게 된다. 키리바시는 남태평양 적도에 있는 도서국가로, 세계에서 4번째로 광활한 해역을 차지하고 있다. 키리바시 실해역에 해수온도차발전플랜트를 설치하기까지 과정은 다음 3단계로 설명할 수 있다.

1단계로 해수온도차발전 실증플랜트 핵심부품을 설계하고 제작하였다. 핵심부품으로는 터빈-발전기, 증발기, 응축기, 해수펌프 등이 있다. 다음 2단계는 해수온도차발전을 국내에서 먼저 실증 실험한 것이다. 이는 해외 실증 이전에 반드시 거쳐야 할 요소로, 지난 2019년 상반기부터 부산항 우암부두에서 준비하여 9월 중하순경에 포항 인근 동해상에서 성공적으로 수행한 바 있다. 그 당시 태풍으로 인하여 장시간 시험은 하지 못하였지만, 모든 참여자들의 노력으로 짧은 시간 내에 유효한 데이터를 확보하였다고 한다. 마지막 3단계는 키리바시로의 플랜트 이송 설치 및 장기운전으로, 다가올 2021년까지로 예정되어 있다. 현재 연구는 키리바시로 플랜트 이송 및 설치를 위하여 설계를 진행하고 있는 단계이다. 금년도에 COVID 19 사태로 인하여 예정된 일정이 다소 연기되고 있지만, 상황이 개선되는 대로 키리바시로 플랜트를 이송하고, 2021년에는 취수관 공사 및 연결을 완료하여 성능시험을 시행할 계획이라고 밝혔다.

그런데 여기서 잠깐, 우리나라도 삼면이 바다로 둘러싸여 해양자원이 풍부하고, 그에 따른 지리적인 이점이 분명히 있을 텐데, 무슨 이유에서 해수온도차발전의 최적지로 적도 부근의 키리바시를 선택하게 된 걸까?

지난 2014년 여수 세계 물 포럼에서, 키리바시의 Anote Tong 전 대통령이 참석하였고, 자국의 식수 및 에너지 부족에 따른 문제점을 해결하기 위해 KRISO에서 연구 중인 해수온도차발전에 큰 관심을 가지게 되었고, 해수에너지연구센터를 직접 방문하여 해수온도차발전에 대한 키리바시에서의 적용 가능성을 높게 평가하였다. 연중 30℃의 표층수온을 유지하는 키리바시는 해수온도차발전을 위한 최적지라고 할 수 있기 때문이다. Anote Tong 전 대통령으로부터 KRISO에서 연구 중인 1MW급 해수온도차발전플랜트를 자국에서 실증하여, 한국은 장기 운영 실적을 확보하고, 키리바시는 에너지 부족 문제 해결에 기여할 수 있도록 제안을 받았다고 한다. 이후 MOU를 맺기까지의 과정을 미뤄봤을 때, 키리바시가 뛰어난 기술력을 가진 KRISO를 선택한 거라고 할 수 있겠다.

해수온도차발전은 해수의 온도차를 이용하여 발전하므로 표층수와 심층수의 온도차가 클수록 사이클의 효율이 올라간다. 키리바시의 경우, 북위 2도 정도의 적도 지역이라서 표층수는 밤낮 관계없이 연중 28~30℃의 수온을 보이며, 심층수는 5℃로 일정한 수온을 유지한다. 표층 수온이 계절에 따라 15~26℃로 변동성이 크고 9월 이후로는 발전이 어려운 국내 해역과 달리, 키리바시 해수의 온도는 거의 변동 없어 꾸준하게 일정량의 전력을 생산할 수 있다.

국내 맞춤 해수온도차발전 : 고온도차발전

우리나라의 해수온도차발전 기술이 뛰어나긴 하지만, 국내에서 상용화하기에는 지리적 여건이 부족하다는 아쉬움이 있다. 해수온도차발전 기술을 선도하는 주요 선진국인 미국, 일본, 프랑스의 대표적인 특징이 적도 근처의 자국이나 자국령 섬에서 실증 및 장기 운영하여 기존 에너지를 대체할 수 있다는 점이다. 미국의 경우 하와이, 일본은 오키나와 섬에 약 1MW급 실증플랜트의 개발을 검토 중에 있으며, 프랑스는 EU의 지원을 받아 마르티니크섬에 16MW급 상용화 모델을 설치하는 사업을 진행하고 있다.

그렇다면 국내에서 해수온도차발전을 설치하기에 적합한 해역이 아예 없는 걸까? 전통적인 해수온도차발전 방식을 고집한다면 어렵겠지만, 고온도차 발전방식을 채택한다면 충분히 실용화도 가능하다. 고온도차발전이란 표층수 대신, 동해안에 설치되어 있는 발전소의 온배수나 육상 및 해상에서의 다양한 미활용열과 해수의 온도차를 이용하는 온도차발전이다. 표층수가 계절마다 수온이 달라지는 점을 보완한 국내에 보다 적용하기에 적합한 해수온도차발전 방식이라고 할 수 있다. 또 동해안의 경우 대륙붕이 좁고 경사가 급한 대륙사면으로 해저지형이 구성되어 있어, 키리바시에 비해 육상에서부터 짧은 거리에서 심층수를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

해수온도차발전 불모지에서 Top3와 어깨를 나란히 하기까지

1973년 석유파동은 해외 여러 나라에서 해수온도차발전 연구를 본격적으로 시작하는 계기가 되었다. 하지만 우리나라는 1998년 기초적인 연구에서 그쳤고, 2010년에 들어서야 연구 과제로 착수하며 비교적 느린 편이었다. 그런데도 불구하고, 2014년 세계에서 4번째로 20kW 해수온도차발전 파일럿플랜트를 성공적으로 개발하여 미국, 일본, 프랑스와 함께 어깨를 나란히 하게 되었다. 해수온도차발전을 연구한 기간으로는 20년도 채 되지 않은 우리나라가 이토록 훌륭한 성과를 이뤄낼 수 있었던 비결이 무엇이었을까.

이호생 센터장님의 말씀에 따르면, 우리나라에서 해수온도차발전이 실증까지의 성과를 이룬 것은 정부의 든든한 지원과 연구원들의 열정 덕분이다. 먼저, 해양에너지와 심층수 활용 연구에 지속적인 관심과 투자를 이어온 정부의 노력이 있었기에 꾸준히 연구를 이어나갈 수 있었다. 센터는 지난 2001년도 해양심층수의 다목적 개발 과제를 시작으로, 2010년 해수온도차에너지를 이용한 해수온도차발전 및 해수냉난방 핵심기술 연구와 이를 바탕으로 한 2016년 1MW급 해수온도차발전 실증플랜트 개발을 거쳐, 현재는 2021년 키리바시 실해역에서의 해수온도차발전 실증플랜트 구축 및 장기운영을 목표로 하고 있다. 여기에 국내 연구소, 대학, 산업체에 있는 우수한 인재들의 활발한 연구 활동까지 더해져, 단기간에 세계 최초 1MW급 해수온도차발전 국내 실증 성공이라는 업적을 달성할 수 있었다.

해수에너지연구센터, 앞으로의 연구 방향성

현재 인류는 물과 식량의 부족에 위협받고 있으며, 환경 파괴와 화석에너지의 고갈로 대체에너지 개발이 요구되고 있다. 더욱이 정부 재생에너지 보급목표 3020 (2030년까지 20% 확대) 이나 온실가스 배출 저감목표 3037 (2030년까지 배출전망치 대비 37% 감축) 등 달성을 위해 해양에서의 역할이 확대될 것으로 예상된다.
이에 따라 해수에너지연구센터는 해수온도차발전 및 해수냉난방과 같은 재생에너지 개발을 통해 환경과 에너지 문제를 해결에 기여하고, 고효율 담수화 및 해수에서 유용한 미네랄을 추출하기 위한 고도 농축 기술 개발과 해수 복합양식 기술 개발을 통해 식수 및 식량 자원 확보에 이바지할 수 있는 연구에 총력을 다할 것이라고 밝혔다.

<해수이용 텐덤 히트펌프 냉난방 시스템과 해수용 열교환기(200,000kcal/h)>

인터뷰 후기
<코로나 19로 어려운 상황임에도 불구하고 방문을 흔쾌히 허락해 주시고 인터뷰에 응해주신 이호생 연구소장님께 감사드립니다.>

최은지 기자

IMO 2020 환경규제를 주제로 조사하면서, 최근 해양에서의 거의 모든 활동에 ‘친환경’적인 가치를 강조하고, 마땅한 ‘책임’을 부여하려는 움직임을 파악할 수 있었다. 이후 해양에너지 종류와 그 원리에 관심이 생겼고, 그중에서도 신재생 해양에너지로 상품 가치가 높은 해수온도차 발전에 대해 자세히 알아보고자 해수에너지연구센터에 직접 방문하게 되었다. 아무래도 조력발전, 조류발전과 비교해 생소하다고 느껴졌기 때문에 더 흥미로웠웠다.

해수에너지연구센터는 강원도 고성의 한적한 바닷가에 위치하여 있고, 그 주변에는 해양심층수를 취수하여 상업적으로 이용하는 몇몇 기업이 들어서 있었다. 코로나가 다시 기승을 부리는 요즘, 타지에서 방문하였음에도 불구하고 우리를 반갑게 맞이해주신 센터장님과 직원분들께 대단히 감사하다는 말씀을 드리고 싶다. 인터뷰를 진행하기 전, 예정보다 일찍 도착하여 외빈실을 살펴볼 기회가 있었다. 주로 해양심층수 개발에 대한 자료가 전시되어 있었으며, 한쪽 구석엔 해양심층수와 전혀 관련 없어 보이는 물건들로 가득 찬 전시장이 보였다. 전시장 내에는 화장품, 소금 등 그 종류가 다양하였는데, 제일 눈에 띈 건 아사히 맥주캔이었다. 그 전시장 내 물건들은 해양심층수 취수 후 담수 외에 부가가치를 창출하기 위한 상품으로, 칼륨, 마그네슘 등의 몸에 좋은 미네랄 성분들을 포함한 농축액으로 만들어졌다고 한다. 미네랄이 들어 있는 맥주는 일반 맥주와 그 맛이 어떻게 다를지 궁금하였다.

본격적으로 이호생 센터장님과의 인터뷰가 시작되고, 해수에너지연구센터의 변천사, 해양심층수 취수과정과 남은 농축액의 다양한 활용분야, 어려운 여건임에도 최고 수준에 도달한 해수온도차발전 기술 등 물 흐르듯 계속 이어지는 이야기에 완전히 매료되었다. 인터뷰 당일 센터에 도착하기까지 총 5시간 정도 걸린 긴 여정이었지만, 그 시간을 보상받는다 생각될 만큼 센터장님과 함께했던 2시간이 20분처럼 느껴졌고 푹 빠져들었다. 특히 해수온도차발전 과정 중 해양심층수를 취수하여 끌어올리는 취수관에 대한 이야기가 굉장히 흥미로웠다. 우선 취수관의 규모 자체가 작지 않은데, 직경이 거의 1m 정도로 초당 약 4ton에 달하는 해수를 취수한다고 한다. 해수온도차발전 효율이 작기 때문에 해수를 많이 취수해야 하는데, 관의 수량을 늘이기에는 위험부담이 있어 하나의 관을 크게 만들어 취수하는 것이다. 해양표층수는 바다 위에 배관을 띄워 취수할 수 있지만, 해양심층수는 수심 깊은 곳에서 취수하기 때문에 해저면에 취수관을 설치하기가 까다롭다. 또 키리바시에 설치된 취수관은 육상에 세울 발전기에서부터 뻗어 나가고, 수심 3km 정도 해저면에 깔아야 하므로 고도의 기술을 필요로 한다. 사람이 접근하지 못하는 수심부터는 취수관에 추를 달아서 떨어뜨리는데, 다행히 키리바시는 태풍이 잘 일어나지 않는 환경이라고 한다. 취수관을 설치할 해역의 조류방향이나 세기를 해석하고, 또 곧은 플라스틱 재질인 취수관이 깨질 위험이 있으므로 해저면의 굴곡이 적은 곳을 선정해야 하는데, 최종단계 전까지 해석에 재해석, 몇 번의 시뮬레이션을 거치고, 또 살펴보는 과정에서 엄청난 노력이 필요하다는 것을 느낄 수 있었다.

인터뷰를 끝내고서 센터 뒤편에 세워진 20kW급 해수온도차발전플랜트를 보여주셨다. 불현듯 지난 학기 열역학에서 배웠던 여러 사이클이 떠올랐다. 배관마다 해양표층수, 작동유체, 해양심층수가 어느 방향으로 이동하는지 표시해둔 화살표 스티커를 따라 폐쇄형 해수온도차발전플랜트 내 흐름을 살펴보았는데, 역시 직접 보는 것만큼 학습효과가 좋은 건 없다는 걸 다시 한번 깨달았다. 다른 한편에는 200kW급 발전플랜트가 설치되어 있었다. 바로 전에 살펴본 것과는 달리 동해안에 설치되어 있는 발전소의 온배수나 육상 및 해상에서의 다양한 미활용 열과 해수의 온도차를 이용한 고온도차발전플랜트였다. 열교환기는 티타늄 판과 산질화코팅된 판의 성능을 비교하기 위하여 2 타입으로 나뉘어져 있었고, 산질화코팅된 판은 그 성질에 따라 곳곳에 부식된 곳을 찾아볼 수 있었다. 끝으로 해수를 이용한 냉난방시스템에 대해서는, 실제로 규모가 큰 건물의 경우 일정 비율 신재생에너지를 의무적으로 사용해야하기 때문에 이미 많이 상용화되었다고 한다. 이처럼 광활하게 펼쳐진 해양에 잠재된 에너지 가용량은 무한하다고 봐도 무방할 것이다. 더욱이 삼면으로 둘러싸인 우리나라의 경우, 해양에서 여러 혜택을 얻을 수 있는 조건을 갖췄다고 할 수 있다. 수준 높은 기술력을 갖추고 정부의 든든한 지원에 힘입어 발전하는 해양에너지, 해수자원 분야의 앞으로 행보가 대단히 기대된다.

현여진 기자

강원도에 위치한 해수에너지 연구센터에 취재를 다녀왔다. 조선해양공학과이지만 해수에너지는 거의 처음 들어보는 분야라서 조금 생소했다. 취재를 하기 전 해수에너지에 대해서 간단히 알아보았지만 기껏해야 25도 차이나는 해수의 온도차로 냉, 난방을 하고 발전기를 구동한다는 것이 믿기지 않았다. 하지만 인터뷰가 끝나고 해수에너지에 대한 나의 생각이 완전히 바뀌었다.
해수에너지연구센터에 도착하자마자 열을 측정하고 방문 명단을 작성하였다. 그리고 인터뷰를 하러 외빈실에 들어갔을 때 우리를 처음 맞아준 것은 바로 심층수 물이었다! 그리고 장식장 안에는 심층수에서 추출된 추출물들로 만들어진 여러 가지 상품이 진열되어있었다. 구경하던 중 소장님께서 오셔서 인터뷰를 진행하였다.

인터뷰를 진행하는 동안 몰랐던 많은 것들을 알아갈 수 있었다. 해수가 많은 분야에서 새로운 자원이 될 수 있는 거의 무한한 에너지의 원천이라는 것을 알게 되었다. 소장님께서는 열정적으로 많은 것들을 알려주셨다. 해수온도차 발전부터 동해안 연구, 키리바시해에 해수온도차 발전기를 설치하는 과정과 앞으로의 연구방향 등의 전문적 지식을 비롯하여 연구와 프로젝트 수행 과정, 날씨 변화나 파이프 설치 시 해수의 흐름으로 인해 잘못된 위치에 착지하는 등 실험실패의 위험성 등을 알게 되었다. 그 중에서도 가장 기억에 남는 것은 미래에 바다 위에 플랜트를 설치하여 심층수 추출 파이프를 수직으로 내려 해수온도차 발전을 통해 전기를 생산하고 수소형태로 변환하여 운반하는 시스템이었다. 이러한 시스템이 실현되기 위해서는 많은 기술의 연구가 필요하겠지만, 실제로 실현된다면 해수의 거의 무한한 에너지를 이용하여 대용량으로 전기를 생산하는 친환경적 발전이 가능해 질 것이다.

인터뷰가 끝난 뒤 실제로 발전기와 냉난방 장치를 보러 이동하였다. 가장 먼저 본 것은 해수온도차 발전기였다. 냉매가 응축기와 증발기에서 열교환하고 터빈을 돌리는 기관을 실제로 보며 설명을 들으니 열역학에서 배웠던 내용들이 떠올랐다. 열역학을 배울 당시 잘 이해되지 않았던 것들을 실제로 보며 소장님의 생생한 설명을 들으니 머리 속에 깊게 새겨졌다. 또 열교환기에 들어가는 티타늄 판과 이것을 대신할 수 있는 산질화코팅된 판을 설명해 주셨다. 티타늄 판에 비해 부식이 빠를 수 있지만 단가가 낮아 열교환기의 크기를 키울 수 있다는 장점이 있다고 하셨다. 또한 냉난방 장치를 실제로 보고 소장님의 설명을 들었다. 실제로 연구소의 냉방을 해수 냉난방장치로 하신다고 하셨다. 우리나라 전기 사용의 대부분은 냉난방이라고 한다. 이러한 기술이 널리 알려지고 다양한 곳에서 사용되어 효과가 검증되어서 친환경적인 방법으로 냉난방을 하는 미래가 빨리 왔으면 좋겠다.

인터뷰 하던 중 소장님께서는 고성을 비롯한 주변 지역에는 김장을 하실 때 배추를 심층수로 절이는 분들이 계신다고 하셨다. 나중에 한번 먹어보고 싶다고 생각하며 국밥집에 갔다. 그런데 잘 익은 김치가 사각거림이 예사롭지 않았다. 굉장히 잘 익었음에도 불구하고 아삭한 맛이 무엇인가 다른, 특별한 느낌을 주었다. 얼른 사진을 찍고 주인아주머니께 혹시 해양심층수로 담근 김치냐고 여쭤보았다. 평범해 보이는 빛깔로 위장한 예사롭지 않은 사각거림을 가진 그 배추김치는 역시 심층수를 이용하여 만든 것이었다. 집에 포장해 가고 싶었다. 또 해양심층층수 막걸리와 해양심층수 물등 다양한 제품을 만나볼 수 있었다. 일본의 경우에는 해양심층수를 이용한 제품들의 수요가 많아 다양한 제품이 만들어지는데 우리나라는 아직까지 인지도가 낮아 그 지역에서만 판매되고 있다. 직접 경험해본 결과 해양심층수 관련 제품이 출시된다면 애용할 생각이 있을 정도로 매력적이다. 사실 우리가 잘 알고 있는 아사히 맥주 역시 심층수를 이용하여 만들었다고 한다. 에너지 발전뿐만 아니라 이렇게 많은 곳에서 다양하게 쓰일 수 있는 해수를 연구하는 해수에너지 연구센터의 방문을 통해 해수의 잠재력을 알 수 있는 특별한 경험이었다.

<해양심층수를 이용한 쌀막걸리, 김치, 그리고 물>

<사진 출처 : 선박해양플랜트연구소 해수에너지연구센터>

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