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• 1. 서 론
• 2. 수치모델
• 2.1 유동모델
• 2.2 모델 수립
• 3. 조류발전단지의 설계
• 3.1 이용 가능한 조류에너지와 발전단지의 설계
• 3.2 부남군도 해역의 연간 에너지 생산량
• 4. 결 론
• 후 기

1. 서 론

 최근 지구 온난화를 유발하는 온실가스 배출규제협약인 유엔 기후변화협약의 발효로 청정에너지의 개발과 함께 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지 개발이 요구되고 있다.

 이와 같이 화석연료 공급의 한계 및 사용에 따른 심각한 환경문제 유발로 전 세계는 지속 가능한 대체에너지 개발에 총력을 기울이고 있으며, 특히 한국은 97 % 이상의 에너지를 수입에 의존하고, 유가 상승에 따른 국제수지 악화 및 환경오염 등의 문제로 대체에너지 개발이 더욱 시급한 실정이다. 또한 신재생에너지 의무할당제(Renewable portfolio standard)가 거론되기 시작하면서 정부는 2012년부터 에너지사업자에게 공급량의 일정비율을 신재생에너지로 하도록 의무화하는 신재생에너지 의무할당제를 도입하기로 하고 있다.

조석, 조류, 파랑에너지 등과 같은 해양에너지는 자연에너지 중에서 비교적 에너지 밀도가 높아 개발 시 저가로 에너지 취득이 가능하여 경제성 확보가 용이하다. 이 중 조류의 자연적인 흐름으로 발전용 수차를 가동시키는 조류발전은 원리상 풍력발전과 같이 유체의 운동에너지로 수차를 회전시켜 발전하나 해수의 밀도가 공기의 밀도보다 매우 크기 때문에 같은 시설용량인 경우 조류수차의 크기가 훨씬 작고 효율적이다(EU Commission, 1996). 또한 단위시간당 조류에너지는 유속에 크게 좌우되므로 조류발전의 경제성을 확보하고 실제 발전소 설치․운영을 위해서는 반드시 조류발전의 후보지에 대한 다각도의 자원 조사와 환경평가를 통한 타당성 평가가 수반되어야 한다(DTI, 1993). Table 1은 조류발전 단지 구성을 위해 사전에 검토되어야 하는 요건을 각 개발단계별로 나타내고 있다. 이와 같이 조류발전의 국내시장 개척 및 수출산업화를 위해서는 조류자원 조사 및 평가, 조류발전용 터빈설계기술과 함께 반드시 조류발전단지 조성기술 개발이 개발되어야 한다.

Table 1.Resource assessment stages (EMEC, 2009).

한편 조류자원의 밀도가 높은 것으로 알려진 부남군도 해역은 해수 유동이 인접 지역에 비해 매우 넓고 빠르며, 부남군도 해역 부근에서 해수 유동 관측 및 모델링 등에 관한 연구가 계속 수행되고 있다(Yang, 2010). 이 해역의 조류에너지를 효과적으로 이용하기 위해서는 해저에 설치되는 조류발전장치(Tidal energy conversion system, 이하 TECS)인 터빈 로터의 직경, 터빈 날개각의 변환 등을 잘 선정하고, 해당해역에 대한 조류의 속도 및 수심정보의 관측 및 모델링이 매우 중요하다. 

조류자원의 평가에 대한 지금까지의 연구는 Tidal flux method와 Tidal farm method로 구분할 수 있다. 먼저, Flux method에 의한 자원평가 기법은 수로 전방의 횡단면 영역을 통해 유입하는 유동에너지(Flux)를 산정하는 방법으로, 이용가능한 자원은 장치의 타입, 효율, 설치 밀도와 독립적으로 수로에서의 에너지 흐름만을 고려한다. 특정 해역의 조류자원을 산정할 때는 적절한 모델링을 통하여 주어지는 가중계수를 이용하여 보정된다. 이 기법은 장치 수, 크기, 효율 그리고 설치 밀도 등에 관계없이 상류에서 흘러들어 오는 유속의 변화를 고려하므로 조류발전 단지를 설계하기보다는 부존량을 산정하는 경우 이용된다. Black and Veatch(2005)와 Bryden and Couch(2006)은 영국의 조류 부존량을 계산하기 위해 Flux method를 이용하여 환경적 영향을 고려한 가중계수로 보정한 후 자원을 산정하였다. 한편, Farm method를 이용하여 에너지 추출을 평가하는 기법은 조류발전장치 배열의 개념에 기초하며, 각 조류발전장치는 유입에너지에 대한 에너지의 총량을 추출한다. 추출되는 에너지는 장치의 크기와 수, 변환 효율 그리고 사이트 면적 내에서 설치 밀도에 의존한다. 따라서 Farm 기법을 이용한 사이트에서의 자원을 평가하기 위해서는 설치될 수 있는 터빈의 수와 단지의 출력량을 추정하기 위해 먼저 정해진 영역에 잠재적으로 설치될 수 있는 단지의 크기를 결정해야 한다(DTI, 1993). Bahaj and Myers(2004)과 Yang(2011)은 이 기법으로 조류자원의 부존량을 산정하고 있다. 특히 발전단지 설계용으로 주목을 받고 있는 Farm 기법은 상류의 운동에너지의 변화를 고려하지 않고 발전단지에 배치 가능한 장치 수에 의해 산정하므로 실제 사이트 내에서 추출할 수 있는 에너지보다 과대평가될 우려가 있기 때문에 조류의 속도 및 수심정보를 보다 정도 높게 반영하기 위한 관측 및 모델링이 수반되어야 하며, 이에 대한 추가적인 연구가 더욱 필요하다.

그러므로 본 연구에서는 부남군도 해역에 부존하는 조류자원 실용화 기술개발을 위하여 조류에너지원에 대한 자료수집 등의 현황분석과 수치모델을 이용한 시뮬레이션 등을 통하여 조류에너지 분포도를 조사하고 이용가능한 발전량을 산정, 조류발전기를 모듈화 하여 최적의 조류발전단지 구성기술을 개발하고자 한다.

2. 수치모델

2.1 유동모델

먼저, 부남군도 해역의 조석특성을 파악하기 위하여 해양 관측 및 기존의 문헌(KHOA, 2001; KHOA, 2012)을 수집·분석하였으며, 이를 토대로 하여 현재 상태에 대한 해수유동을 재현하여 모델의 적용을 확인하고, 시뮬레이션을 실시하여 해수유동 변화를 예측하였다.

수치모델링은 모델의 수립, 검증 및 예측실험의 과정으로 수행되었으며, 모델의 수립은 대상해역을 적절한 격자망으로 분할한 후 최신의 지형자료를 이용하여 해안선과 수심을 모델링 시스템 내에 재현하는 단계이고, 다음 과정인 모델의 검증에서는 수립된 모델을 운용하여 현재 상태에 대한 모델 계산결과가 현장 관측치와 잘 일치할 때까지 경계조건 및 각종 입력 자료를 적절히 조정하는 과정이다. 위 과정을 통해 조위 및 조류 검증이 완료되면 예측실험을 수행하고 그 결과를 분석·평가하게 된다.

주어진 해역에서 평균해면상의 한 점을 원점으로 하는 직교좌표계를 정의하며, 여기서 x, y축은 평균해면상에 z축은 연직상방으로 정하며, u, v, w는 각각 x, y, z축 방향의 유속을, z=-h 및 z=ζ은 각각 해저 및 해면을 나타낸다. 장주기파에 대한 유체의 기초 방정식은 연속방정식, 운동방정식으로 표시된다. 단, 조석계산에서는 수면(z=ζ)에서의 압력 p₀ 을 0으로 취급한다.

수치모델에서 3차원으로 문제를 풀이하면 상당한 컴퓨터 용량과 계산시간이 소요되는데 조석과 같은 문제를 다룰 때에는 수직방향의 속도 및 가속도를 무시한 천해 장주기파이론을 적용하여 수심평균 2차원 흐름의 기본방정식을 적절히 수치모델화함으로써 대상해역의 조석계산을 시간, 공간적으로 파악할 수 있다. 상기의 기초방정식을 수심방향에 대해 -h ≦ ζ까지 적분하여 평면 2차원화하면 다음 식과 같이 된다. 

연속방정식

x축 방향 운동방정식

y축 방향 운동방정식

여기서, U, V는 x, y방향에서 -h ≦ z ≦ ζ 사이의 평균유속, M, n은 x, y방향의 선유량(m²/sec), ζ는 조위, h는 평균수심, ν_t 는 와동점성계수,  은 해저마찰계수이다.

 수치해석에 사용된 모형은 잘 알려진 POM(Princeton Ocean Model)로서 3차원 연안해양 수치모델로서 본 수치모의에서는 2차원 모드에 의해 계산을 수행하였다. 본 연구에서 수치모델링은 평면 2차원 단층모델 Leendertse(1970)에 의해 개발된 ADI(Alternation Direction Implicit)법에 의해 계산한다. ADI법은 타원형 편미분방정식의 경계치문제의 차분근사해법에서 나타나는 대형의 연립일차방정식을 풀이하는 방법으로 x축 방향으로 지배방정식을 계산하는 경우에는 x축방향의 성분을 음해법으로 차분근사하고, y축방향의 성분은 양해법으로 차분근사하여 x방향의 미지량을 갱신하고, y방향의 경우에는 반대로 하여 갱신하는 것으로 이 계산수법의 특징은 x, y방향의 변수가 각각 교대로 한쪽 방향만 음해법으로 차분화되므로 계산식이 간단하며, x, y방향에서 양해법과 음해법에 의한 차분표현을 교대로 반복함으로 오차의 증대가 상쇄되어 계산이 안정하다는 것이다(Simons, 1974; Madala and Principles, 1977; Oh et al., 2006). 이때 이류향의 차분 Scheme 에는 Donor cell scheme을, 점성항의 2계 미분항에는 중앙차분을, 공간에 대해서는 Staggered grid를 이용하여 차분근사식으로 나타내어 풀이한다.

2.2 모델 수립

 일반적으로 계산격자망 구성에 있어서 우선적으로 고려되는 사항은 모형의 영역을 어디까지로 할 것인가 하는 문제이다. 이것은 모형의 개방경계 설정과 관계되는데, 개방경계란 모형의 경계에서 Flux의 유출입이 있는 지역을 말한다. 수치모델링에서는 개방경계에서 매 계산시각마다 수위 또는 유속이 계산된다. 개방경계 조건은 개방경계 부근에서의 수위 또는 유속 관측치를 통계처리하여 재현하고자 하는 수리상황의 대표치를 추출하여 입력하는데, 현재 상태의 재현시 설정된 개방경계 조건은 모형 내부의 지형변화를 수반하는 예측실험 단계에도 그대로 적용되기 때문에 개방경계는 내부의 지형변화에도 그 조건이 변하지 않도록 대상지역으로부터 충분히 떨어져 있어야 한다. 본 모델링에서는 격자간격을 정방격자를 사용하였다. 구성된 격자망은 가로방향 139개, 세로방향 130개로 총 18,070개이다. 모델범위는 가로(동-서)방향은 100 ㎞, 세로(남-북)방향은 91 ㎞이고 격자간격은 50,100 m의 정방격자를 사용하였다. Table 2는 모델범위 및 격자체계를 표시하고 있다.

Table 2.Calculation domain and grid formation

해안선의 위치와 각 격자점의 수심입력에는 전자해도를 이용하여 수행하였다. Fig. 1은 수심 및 격자체계를 나타낸다.

Fig. 1.Bathymetry map and grid system in the Bunamgun-do areas.

자세한 유동패턴은 특정지점별, 시점별로 차이가 클 것으로 생각되나, 부남군도 해역의 자세한 유황을 위하여 Fig. 2와 같이 창․낙조류 벡터도는 안마도 전면의 PC-1 지점을 시점으로 설정하였으며, 모형의 검증을 위하여 광역 모형에 대하여 각각 조위 및 조류검증을 수행하였다.

Fig. 2.Tidal height and current verification points in the Bunamgun-do areas.

 모델검증에 이용된 관측 자료는 국립해양조사원에서 제공하는 3지점에서의 유속 관측치를 사용하였다. 검증은 4대 분조에 대한 조화상수 값으로 비교하였고, Fig. 3과 같이 조위와 조류 모두 크기의 차이는 다소 있으나 일반적인 기준치를 상회하는 정확도를 보이며, 위상은 거의 정확히 일치하는 것을 알 수 있다. 검증 결과 조위(PT-1)의 경우 95 %, 조류(PC-1, 2, 3)의 경우 80 % 이상의 정확도를 보였으며, 대표적으로 PC-1의 결과를 Fig. 3에 도시하였다.

Fig. 3.Tidal height and current verification.

 수치모델링의 결과 창조류는 부남군도 남쪽에서 임자도와 재원도 사이로 유입되면서 가속화되어 강한 유속분포를 나타내었다가 감속되고, 또한 임자도와 수도를 통과하면서 가속화하여 최대유속을 나타내며 감속하면서 유출되며, 낙조류는 이와 반대의 양상을 보였다. Fig. 4(a), (b)에 최강 창․낙조시 조류벡터도를 나타내었다. 대조기 12 시간동안의 조류변화를 분석한 결과 임자도 쪽에서 최강류시 최대 3.0 m/s이상의 흐름이 나타났다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 4(a)의 부남군도 해역(사각형 영역)에 조류발전 단지를 설계하고 연간 에너지를 산정하고자 한다. 또한, 조류발전소 건설예정 해역에서 조류에너지의 보다 실제적인 잠재력을 파악하기 위해서는 유속이 가장 빠를 것으로 예상되는 임의 정점에 조류발전 설비를 설치한 후, 여기서 얻어진 유동자료를 분석하여 조류발전소 설치에 따른 경제성을 추가적으로 평가할 필요가 있다.

Fig. 4.Velocity distribution in the Bunamgun-do areas.

3. 조류발전단지의 설계

3.1 이용 가능한 조류에너지와 발전단지의 설계

 조류의 동력(P)은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

 여기서 ρ는 해수의 밀도, A는 터빈의 유효단면적, V는 조류속도이다. 그러나 실해역에 설치되는 에너지변환장치에는 손실이 발생하므로 조류발전 단지를 설계할 경우에는 주로 다음의 식이 이용된다.

C_P 는 동력계수이며, 조류의 흐름으로부터 추출할 수도 있지만, 터빈이나 발전기의 내부적 메커니즘에 부과된 손실 등을 고려하여 조류발전 장치의 경우 0.35∼0.5의 값이 주로 이용된다(Bahaj and Myers, 2004).

 한편, 이용 가능한 조류에너지는 조류속도를 이용하여 주어진 조류발전 후보지에서 위 식을 이용하여 일, 주, 년 단위로 평가될 수 있으며, 연간 단위 면적당 조류에너지 밀도(Annual available energy density)의 계산에는 다음 식이 이용된다.

 여기서 (1/2)ρV³는 단위 면적당 파워밀도(kW/m²), ρ는 해수의 밀도(kg/m³), V는 조류속도(m/s)이다.

 수치모델링의 결과는 설계하고자 하는 조류발전단지의 에너지 밀도와 에너지 부존량을 산출하기 위해 사용된다. Fig. 5는 부남군도 해역에서 조류발전 단지 설계가 가능한 주요후보지를 보인다. 조류발전 단지는 넓은 해역에서 충분한 수심과 유속이 모두 확보되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 B, C 지역보다는 두 조건을 모두 충족한 A, D 지역에 대해 단지를 설계하고, 연간 이용 가능한 에너지를 산출하기로 한다.

Fig. 5.Candidates of outstanding tidal current sites.

부남군도 해역의 이용 가능한 연간 총 에너지는 식(6)의 에너지 밀도, 동력계수, TECS의 유효면적 등을 고려하여 결정될 수 있다. 에너지를 흡수하는 유효면적은 사용되는 터빈의 크기와 관련되고, 터빈의 크기는 해역의 크기와 관계된다. 부남군도 해역에서 에너지를 흡수할 수 있는 유효면적은 해역의 수심, 폭, 길이와 같은 세 매개변수에 의해 좌우된다(Yang, 2011).

먼저, 수심은 가장 큰 제한 조건이며, TECS의 블레이드는 높은 에너지를 이용할 수 있으면서도 해저면에서 가까운 낮은 속도의 흐름이 회전하는 로터에 주기적 응력을 부가하지 않도록 설치된다. 일반적으로, 해저면에서 로터 블레이드의 최저점까지의 거리는 수심의 25 %를 유지해야 하며, 해수면 부근은 강한 에너지가 존재하지만 불안정하다. 파랑은 해수면의 유동을 교란하고 비주기적인 응력을 부가할 수 있다. 따라서 해수면으로부터 로터 블레이드의 최고점까지의 거리는 7 m을 넘어야 한다.(Bahaj and Myers, 2004). 두 번째 매개 변수는 폭이며, 조류발전 단지를 구성할 경우 TECS들 간 측면으로의 간격을 고려할 필요가 있다. 조류발전기 간의 거리는 직경의 2배 이상 이격할 필요가 있으며, 정비 선박이 접근할 수 있도록 해야 한다. 해안에서 너무 가까우면 충분한 수심을 확보할 수 없으며, 와류나 역류 가능성이 존재한다. 마지막으로 후류방향으로 길이이다. 조류발전기 간의 거리는 폭방향으로 엇갈려 설치하는 경우 직경의 10배 이상 이격해야 하며(Yang et al., 2012), 이 경우 하류방향에 설치되는 발전기는 에너지가 약 5～10 %정도 감소된다(Bahaj and Myers, 2004).

Fig. 6은 부남군도 해역에서 조류발전 단지를 설계할 경우 가능한 조류발전 10set의 모듈화 배열을 보인다. A, D 지역에 유속과 수심을 고려하여 각각 서로 다른 두 가지 직경의 로터를 갖는 조류발전기를 배치할 경우, 발전단지 설계를 위한 매개변수를 Table 3에 보인다.

Fig. 6.Estimated layout of sub-array module.

Table 3.Parameters used to design TECS array

Table 3의 3열은 각 지역에 설치되는 로터의 직경을 각각 보인다. 또한 인접한 로터 유닛 사이의 측면 간격(5열)으로 직경의 2.5배, 해역의 길이 또는 세로방향으로는 TECS들 간의 간격(6열)은 직경의 10D로 설정하였다. 위와 같이 부남군도 해역에서 로터 크기는 해역 내에 TECS 단지 구성과 배치에 따라 결정되며, 로터의 직경은 해역의 수심에 맞게 선택되었다. 

3.2 부남군도 해역의 연간 에너지 생산량

 부남군도 해역의 연간 에너지 생산량은 다음 식을 이용하여 결정된다.

 여기서 에너지 밀도는 식(6)을 이용하여 결정되고, 단면적은 해역 내의 모든 TECS의 단면적의 합이며, C_P 는 동력계수이다. 조류에서 에너지를 추출하고, 이것을 전기로 변환하는데는 몇 가지 손실이 존재한다(Bahaj and Myers, 2004). 터빈의 전체 효율에 영향을 미치는 가장 큰 요소는 “변환될 수 있는 이용 가능한 운동에너지 최대치는 59 %이다.”라고 하는 Betz 법칙이다. 또한 터빈 시스템에는 기계적, 전기적 손실이 더 있으며, 기어박스, 발전기 등에도 손실이 존재한다. 따라서 본 논문에서는 C_P 값을 0.3으로 모든 계산을 수행하였다.

모델링 자료를 바탕으로 Table 3의 값을 식(7)에 대입하여 계산하면 부남군도 해역에 TECS을 이용하여 조류발전 단지 구성이 가능하며, Table 4와 같이 A 및 D 지역에는 약 51 MW 및 123 MW가 조류에너지가 부존하는 것으로 추산되며, 이것은 연간 약 1 TWh에 해당하는 에너지이다. Fig. 7은 부남군도 해역의 A, D 지역에 유속과 수심을 고려하여 각 시설 용량에 맞게 설계한 TECS 단지의 레이아웃을 보인다. 여기서 Fig. 7의 왼쪽 상단의 기호는 모듈화한 시설용량을 나타낸다.

Table 4.Result of analysis of variance depending on ship's length.

Fig. 7.Layout of the Bunamgun-do TECS array produced from detailed analysis.

4. 결 론

 조류에너지는 대규모로 개발이 가능한 무한한 재생에너지 자원으로서 오염문제가 없는 무공해 자원이며 미래의 유망에너지 자원이다. 본 연구에서는 부남군도 해역의 주요 후보지에서 조류에너지 개발을 목표로 조석 및 조류의 모델링을 통하여 조류발전 단지를 설계를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 부남군도 해역의 조석특성을 파악하기 위하여 기존의 문헌을 수집·분석하고, 연안해양의 모델링에 자주 이용되는 POM을 이용하여 해수유동을 재현하여 모델의 적용을 확인하고, 시뮬레이션을 실시하여 해수유동 변화를 예측하였다. 

2) 수치모델링 결과 창조류는 부남군도 남쪽에서 임자도 동서 수로로 유입되면서 강한 유속분포를 나타내었다가 감속하면서 유출되며, 낙조류는 이와 반대의 양상을 보였다. 또한 이 모델링 데이터를 이용하여 에너지 밀도, 동력계수, TECS의 유효면적 등을 고려하여 이용 가능한 에너지를 계산하였다.

3) 부남군도 해역에 TECS을 이용하여 조류발전 단지를 구성할 경우 모델링 자료를 바탕으로 산정하면 A 및 D 지역에는 약 51 MW 및 123 MW가 조류에너지가 부존하는 것으로 추산되며, 이것은 연간 약 1 TWh에 해당하는 에너지이다.

후 기

본 연구는 재단법인 전남테크노파크 과학기술진흥협력센터의 “전남 서남권 과학연구단지 기초·원천연구개발지원사업” 지원으로 이루어졌으며, 관계자 여러분께 깊은 감사를 드립니다. 본 연구는 지식경제부 지역연고산업육성사업 “신성장을 위한 녹색해양기자재 산업기반 활성화”의 일환으로 수행되었습니다.