[OTEC] 해수 온도차 발전

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[OTEC] 해수 온도차 발전

해양 열에너지 변환 (OTEC ; Ocean Thermal Energy Conversion)에 의한 발전시스템을 말한다.

이를 흔히 OTEC이라 하는데 적도 근해의 태양열로 더워진 표층의 해수와 일반적으로 

750m이하 수심의 차가운 해수(바닷물)간의 온도의 차이를 이용해 전기를 일으키는 기술을 말한다. 

열대해역에서 해면의 해수 온도는 20 ℃를 넘으나 해면으로 부터 500∼1000 m 정도 깊이의 심해에서는 4 ℃에서 거의 변하지 않는 특징이 있다. 이런 표층수와 심층수의 온도차로부터 프레온과 같은 저온 비등 매체(냉매)를 이용하여 발전하는 기술을 해양 온도차 발전, 줄여서 보통 OTEC이라 부른다.

OTEC는 따뜻한 표층수와 차가운 심층수의 온도차가 20 ℃ 정도 된다면 가동할 수 있으며, 24시간 내내 발전이 가능하다.  

역사

1880년대에 시험운전을 위한 플랜트(demonstration plant)가 만들어지고, 

1948년에 '해양에너지개발공단'이 조직되어 서아프리카 상아해안에 세계 최초로 상업용 해양온도차발전소가 건설되었다.

Lockheed Martin has been getting its feet wet in the renewable energy game for some time. In the 1970s it helped build the world’s first successful floating Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) system that generated net power, and in 2009 it was awarded a contract to develop an OTEC pilot plant in Hawaii

장점 

해양은 지구전체 표면적의 약 70% 이상을 차지한다. 따라서 해양은 지구 최대의 태양에너지 수집처이자 저장소역할을 한다.   

평균적으로 6천만 평방미터의 적도지역 해수면은 하루에 약 2500 억배럴의 원유에 해당하는 태양에너지를 흡수한다.  만일 이 해양에 흡수되는 태양에너지의 0.1%만 전기에너지로 전환할 수 있다고 하더라도, 이는 미국이 하루에 필요로하는 전기에너지의 20배 이상을 공급할 수 있으며, 따라서 전 인류가 필요한 전기문제를 완전히 해소할 수 있게 될것이다.

이 해양 온도차 발전은 에너지의 공급원인 해수는 무궁무진하고, 또한 기존의 화석연료를 거의 사용하지 않아 가동시 온실가스인 이산화 탄소의 배출이 없으며, 끊임없이 에너지를 순환하여 재생산 할 수 있다.

 또한, 주·야 구별 없이 전력생산이 가능한 안정적 에너지원으로, 특별한 저장 시설이 필요없으며 계절적인 변동을 사전에 감안해 계획적인 발전이 가능한 우수한 자원이다.하지만, 발전설비를 바닷물의 부식성에 영향을 받지 않는 재료로 만들어야 하며, 생물 때문에 생기는 오염을 막기 위한 대책을 필요로 한다.   실제 OTEC 발전을 통한 전력 생산시 열역학 시스템의 총 효율은 2.5∼3.0% 정도이다. OTEC 발전 시스템에서는 그 무엇보다도 적당한 작동유체를 개발하고 이를 향상된 열역학 사이클에 적용하여 그 성능을 측정하고 특성을 연구하는 일이 절대적으로 필요하다.

최근에 개발된 OTEC 시스템은 부산물(by-products)로 담수(desalinated water, 淡水)를 얻을 수 있다. 염분이 없는 물의 용도는 다양하다. 특히 중동지역의 아라비아 반도 등에서는 막대한 비용을 들여가며 담수화 시설을 통한 염분 없는 물을 얻어 사용하고 있어, 담수의 이용가치는 앞으로도 매우 높다.

또 미네랄 등 영양분이 풍부한 심층수는 OTEC 시스템에 의한 펌프로 퍼 올려 진 폐기처분해야 할 차가운 심층수는 생명공학과 수경재배 산업 등에 유용하게 이용될 수 있다. 단순히 온도차를 이용한 발전에 이용되는 것만이 아니라 다양한 용도를 쓰인다는 점에서 자연에너지의 무한한 용도를 생각해 볼 수 있다.

Fresh Water: The first by-product is fresh water. A small hybrid 1 MW OTEC is capable of producing some 4,500 cubic meters of fresh water per day, enough to supply a population of 20,000 with fresh water. OTEC-produced fresh water compares very favourably with standard desalination plants, in terms of both quality and production costs.

Food: A further by-product is nutrient rich cold water from the deep ocean. The cold “waste” water from the OTEC is utilised in two ways. Primarily the cold water is discharged into large contained ponds, near shore or on land, where the water can be used for multi-species mariculture producing harvest yields which far surpass naturally occurring cold water upwelling zones, just like agriculture on land.

Cooling: The cold water is also available as chilled water for cooling greenhouses, such as the Seawater Greenhouse or for cold bed agriculture. The cold water can also be used for air conditioning systems or more importantly for refrigeration systems, most likely linked with creating cold storage facilities for preserving food. When the cold water has been used it is released to the deep ocean.

each 100 megawatt OTEC facility is capable of producing the same amount of energy in a year as 1.3 million barrels of oil, decreasing carbon emissions by 500,000 tons. the companies estimate that fuel savings from one plant can be up-to $130 million a year.

Tropical regions are considered the only viable locations for OTEC plants due to the greater temperature differential between the shallow and deep water. Unlike wind and solar power, OTEC can produce electricity around the clock, 365 days a year to supply base load power. OTEC plants also produce cold water as a by-product that can be used for air conditioning and refrigeration at locations near the plant.

 

원리

열대 부근의 바다는 태양열로 데워진 해수면과 수심 600∼700m의 바닷물 사이에 20℃ 이상 온도차가 있다. 

가열된 바닷물을 파이프라인으로 끌어 증기를 만드는 장치에 보내면 뜨거운 바닷물이, 끓는점이 낮은 암모니아나 프레온을 증기로 만들고, 이 증기의 힘으로 터빈을 돌려 발전한다. 터빈을 돌리고 난 증기는 심해의 찬 바닷물로 냉각해서 다시 유체로 만들어 계속 사용한다.

OTEC 발전 시스템의 원리는 일반 발전소의 가동 원리와 같다. 바다 표면층의 더운물과 심층 냉수간 온도차를 이용해 비등액이 낮은 액체를 증발 냉각시킨 뒤 그 압력차를 이용해 발전하는 것으로 즉, 고온의 열원에서 저온의 열원으로 열이 흘러 들어가 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 방법이다. 

기본적으로 OTEC 발전 기술은 Closed-loop cycle, Open-loop cycle, hybrid cycle로 3가지 종류가 있다. 

Closed-loop Cycle system

Closed-loop Cycle system은 표면온수를 사용하여 오존층을 파괴하지 않는 암모니아나 프로필렌 같은 작동유체를 증발시켜 turbine generator를 구동시키는 방법이다. 바다 표면의 온수는 작동유체 시스템에 유입되어 열교환기를 통하여 열전달이 일어나며 이 때 비등을 통해 작동 증기가 생성된다.

 

 이 생성된 증기가 터빈을 회전시켜 전력을 생산하는 시스템이다. 그 다음 turbine을 나온 증기는 해저로부터 끌어올린 심층 냉수에 의하여 응축기에서 응축액으로 바뀌며 다시 재순환 된다. 이 시스템은 간단하여 전력 생산만을 위하여 가장 실용적인 방법으로 알려져 있다. 이 때 전력전환 효율은 약 5%이며, 터빈 효율, 펌프 효율 등을 포함한 전체 시스템 효율은 약 2.5%정도 이고 plant 설비단가가 저렴하기 때문에 화석연료 시스템과 경쟁력이 있다고 할 수 있다.

Open-loop Cycle system

Open-loop cycle system은 해양표면 온수를 작동 유체로 직접 사용하는 방법이다. 표면 온수는 펌프로 증발기에 유입되고, 증발기는 진공펌프로 압력을 낮추어 온수가 상온에서 비등하게 하며, 생성된 증기로 저압터빈을 구동시켜 전력을 생산하게 된다.

 

 이어 터빈을 나온 증기는 심해에서 펌프로 퍼 올려진 냉수로 열교환기에서 응축되어 부산물로 담수를 얻게 한다. 이러한 직접접촉 열교환 방식은 그 효율이 높아 더 많은 전력을 생산하는 장점이 있다. 이 시스템은 현재 선진국에서 테스트 중이며 전력 변환 효율은 약 5.5%이고 전체 시스템의 효율은 약 3.0% 정도로 plant의 단가는 폐회로 시스템보다 약간 비싸나, 도서 지방이나 선진국형에 적합할 것이다.

Hybrid Cycle system

혼합형 hybrid cycle은 폐회로(closed-loop)와 개회로(open-loop) 시스템의 장점을 결합한 것으로 열원을 최대로 사용하도록 설계하여 전력과 담수를 동시에 얻게 하는 방법이다. 유입된 표면온수로 일차적으로 전력을 폐회로 싸이클에서 생산하며 여기서 나오는 온수를 이차적으로 개회로 싸이클에 보내어 직접 접촉식 증발기를 통과하게 하고 다시 응축기로 보내는 2단계 시스템을 사용 하므로써 충분한 담수를 동시에 안정적으로 생산할 수 있게 한다. 아직은 이론적 단계에 있지만 두 시스템의 장점을 조합하였기 때문에 미래의 시스템으로 기대되며, 효율은 개회로 시스템과 거의 같을 것으로 보고되고 있다.

그러나 OTEC 발전 시스템이 장점만을 갖고 있는 것은 아니다. 실제로 매우 작은 온도차에 의하여 동력을 생산하기 때문에 총 동력효율은 Carnot 사이클의 절반 정도이며, 펌프력 손실, 열교환 효율, 터빈 효율 등을 감안할 때 실제 OTEC 발전을 통한 전력 생산시 열역학 시스템의 총효율은 2.5∼3.0% 정도이다. 이러한 이유로 인해 OTEC 발전 시스템에서는 그 무엇보다도 적당한 작동유체를 개발하고 이를 향상된 열역학 사이클에 적용하여 그 성능을 측정하고 특성을 연구하는 일이 절대적으로 필요하다. 또한 OTEC 발전 시스템의 여러 부품 중 총 동력 효율에 가장 큰 영향을 미치는 부품이 저압터빈이므로, 특히 저압터빈의 효율을 개선하는 것이 매우 중요하다.

해양 온도차 발전 세계 현황

현재 미국의 록히드마틴사와 프랑스의 DCNS사는 각각 10MW(메가와트, Mega Watts)급의 발전소를 위한 투자를 하고 있으며 오는 2015년 완공을 목표로 하고 있다. 특히 록히드마틴은 현재 마카이 오션 엔지니어링과 함께 하와이 해안에 10MW급 OTEC발전소를 건설하고 있으며 하와이 발전이 성공적일 경우 오는 2020년까지 그 규모를 10배 늘린 100MW까지 계획하고 있다. 

미국은 '80년대 초에 이미 160 ㎾급의 해양 온도차 발전에 대한 실증 실험을 마친바 있으며, 하와이에는 50 ㎾급의 상용 발전소(Mini OTEC)가 가동중이다.  하와이 주변해역에 해양온도차 발전소를 건설해 운영중인 미국은 2000년부터 해양온도차 발전을 통해 일부 연안지역에 전력을 공급할 계획이다.

프랑스는 남태평양의 타히티 섬에 5000 ㎾급 해양 온도차 발전소 건설을 계획하고 있고, 북구의 핀란드도 스페인과 공동으로 저온도차 OTEC 시스템을 이용한 해수 담수화 장치 개발을 추진하고 있으며, 자마이카에 MW급 발전소 건설을 추진중이다. 프랑스의 DCNS그룹도 서인도 제도의 동부의 작은 앤틸리스 제도에 있는 화산섬인 마르티니크(Martinique)섬에 10MW발전 설비를 계획하고 있으며, 록히드마틴과 마찬가지로 빠르면 2015년에 가동을 목표로 하고 있다.

일본은 일찍부터 Sun-Shine 계획의 일부로 해양 온도차 발전 기술의 개발을 추진하여 Tokushima에 50 ㎾급, Saga대학에 75 ㎾급, Toyama에 3.5 ㎾급, 국제 협력 사업으로 Nauru 섬에 100 ㎾급 시범 발전소를 건설하여 가동하고 있으며, 1000㎾급에 대한 실증 실험을 수행하고 있으며 동남아국가에 관련기술을 수출까지 하고 있다.

네덜란드도 '80년대 후반부터 개발에 착수하여 인도네시아의 발리 섬에 250㎾급 발전소 건설을 추진중이며, 

영국은 10㎿급 해상 발전소 건설 사업을 추진하고 있다.

중국도 하와이의 OTEC와 비슷하게 설계되어 10~100 MW 규모로 중국 남쪽 연안에 건설을 추진중이다. 

이 같이 OTEC 시스템에 대한 세계적인 주요 엔지니어링 회사들은 해양의 열악한 조건 변화에도 수십 년 동안 견딜 수 있는 지금은 흔히 볼 수 없는 지름 10m, 길이 1km의 튜브(tube)건설에 도전장을 내놓고 있다. 반면 OTEC시스템에 쓰이는 연료는 자유로운 편으로 전체 자본금은 10억 달러 정도면 된다는 추산을 하고 있다. 

해양 온도차 발전 우리나라 현황

우리나라의 경우도 동해 남부 해역에는 표층수와 심층수 사이에 상당한 온도차가 존재한다고 알려져 있어 해양 온도차 발전 기술의 개발에 관한 전향적인 검토가 필요하다. 그러나 계절적인 편차가 심하여 개발 착수에는 신중한 접근이 요구된다. 국내에서는 아직껏 해양 온도차 발전 기술의 개발이 본격적으로 추진된바는 없으나 외국의 예에서 보듯이 우리의 경제적, 사회적 활동 무대를 넓히기 위한 국제 협력 사업의 하나로 추진하는 것도 고려할 필요가 있다.

[1] Sources: Lockheed Martin, Reignwood Group, zigmag,

[2]  http://www.gizmag.com/lockheed-martin-otec-hawaii/17081/

[3] http://cafe.daum.net/eco-reality/E5A1/24?docid=577075998&q=otec&re=1

[4] http://www.otecnews.org/what-is-otec/

[5] http://iws.inha.ac.kr/~dsjung/otec.htm

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2013. 05. 14 작성

2013. 05. 15 수정

2015. 12. 30 수정