끝을 알 수 없는 바다! - 해수의 무궁무진한 발전

 올 해 여름도 폭염주의보가 끝임 없던 계절이었다. 약속을 잡을 때도 에어컨이 있는 실내는 필수였고, 햇빛 아래 서있다 보면 자연스레 바다에 가서 시원하게 수영하고 싶다는 생각이 저절로 났다. 이런 바다는 우리에게 시원함과 즐거움을 주는 존재인 동시에 다양한 먹거리도 제공한다. 이게 전부가 아니다! 이제는 에너지까지 아낌없이 나눠준다. 수력에너지, 조력에너지, 파력에너지에 대해서는 많이 들어봤을 것이다. 바닷물로 다양한 발전이 가능하다. 하지만 여기서 끝이 아니다. 해수의 온도차에 의한 전력생산, 나트륨을 이용하여 에너지 생산이 가능하다. 해수 온도차를 이용한 해수 온도차발전, 해수냉난방시스템, 나트륨을 이용한 나트륨 전지에 대해 알아보자.

 

1.해수 온도차발전(OTEC: Ocean Thermal Energy Conversion)

 바다 속 심층수와 표면 표층수의 온도차를 이용해 전력을 생산하는 방식이다. 표층수는 연간 20~30℃, 심층수는 500m~1000m에서 4℃로 거의 변하지 않는다.

 표층수 속 비등점이 낮은 작동액체(암모니아, 프로필렌 등)를 증기로 만들어 증기압력을 이용하여 터빈을 돌리고 전기를 생산한다. 터빈을 돌리고 난 증기는 심층수로 냉각하여 다시 액체로 바꾼다.

 

 해수온도차 발전에는 세 가지 발전 방식이 있다.

 1) 폐쇄 순환식: 표층수 속 끓는점이 낮은 작동유체를 증발시켜 발생한 증기가 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 이 방식은 간단하고 전력 생산만 하여 현재 제일 많이 사용하고 있다.

 2) 개방 순환식: 표층수를 작동유체로 직접 사용하는 방식이다. 증발기 내부가 매운 낮은 압력으로 유지되기 때문에 증발기로 유입된 해수는 바로 증발하여 터빈을 작동시킨다. 전력 발전과 동시에 담수를 얻을 수 있는 장점이 있다. 

 3) 복합식: 폐쇄 순환식과 개방 순환식의 장점을 결합한 방식으로 전력과 담수를 동시에 얻을 수 있다. 하지만 아직은 이론단계로 미래 시스템으로 기대 중이다.

 

[그림 1. 해수온도차 발전 원리]

출처: 에너지경제 - “바다에서 냉난방열 꺼내 쓴다”... 해수온도차 발전 ‘시동’

 

 그렇다면 해수온도차 발전이 가지고 있는 장점은 뭘까?

 지구 면적의 70%는 바다라는 사실은 다들 아실 것이다. 이 말은 즉 에너지 공급원이 무한하다는 걸 뜻한다. 그리고 발전 시 화석연료를 사용하지 않고 증기를 사용하기 때문에 유해물질이 발생하지 않는 청정 자연에너지이다. 또한 밤, 낮 구분 없이 전력이 생산이 가능하여 에너지 공급에 안정성을 가지면서 언제든 발전 가능하다는 점에서 저장 시설이 필요하지 않다.

 하지만 바닷물을 이용하기 때문에 부식을 신경 안 쓸 수가 없다. 발전 장비들은 부식을 견뎌낼 수 있는 재료를 사용해야 하며, 바닷물에는 생물과 다양한 미생물이 존재하기 때문에 여기에서 발생하는 오염을 막을 대책이 필요하다. 그리고 아직 효율이 2.5~5%로 효율 향상 기술이 필요하다.

 해수 온도차는 일부 지역에서만 발전이 가능 한 것이 아닌 나라를 불문하고 어디든지 표층수와 심층수의 온도차가 나는 바다라면 발전이 가능하다.

 미국은 이미 80년대 초에 160kW급 실증 실험을 마치고 하와이에 50kW급의 상용 발전소가 가동 중이다. 일본에서는 오키나와 쿠메지마에 50kW 파일럿 플랜트를 설치하였고 우리나라에서는 강원도 고성군에 20kW급 파일럿 플랜트 제작 및 운전에 성공하였고, 200kW급 고온도차발전 플랜트를 제작하였다.

 

2. 해수냉난방시스템(SWAC: Sea Water Air Conditioning)

 해수온도차 발전이 표면온도와 심층수 온도 차이를 이용하여 전력을 생산한다면 해수냉난방시스템은 해수온도와 대기온도의 차이를 이용하여 냉난방을 가능하게 해 준다. 여름에는 해수가 대기보다 5~10℃낮고, 겨울에는 5~8℃ 높아 직접 또는 히트펌프를 이용하여 열을 전달시킨다. 이 시스템은 열원을 이용하기 위해 열펌프를 사용한다는 점에서 지열냉난방 시스템과 굉장히 유사하다.

[그림 2. 해수냉난방시스템 원리]

출처: 삼양에코너지 홈페이지

 

 수심 약5~50m이내의 저층에 존재하는 온도가 안정된 해수를 취수구에서 끌어 올리고 취수관을 통해 해수취수펌프로 들어가게 된다. 그 뒤 열교환기로 유입되어 겨울에는 난방수가 따뜻한 해수와 만나 해수의 온도만큼 데워져 난방열과 온수로 이용된다. 여름에는 열 교환을 통해 차가워진 냉매를 냉방열로 이용한다.

 우리나라는 3면이 바다로 둘러 쌓여있는 반도이다. 지리적으로 바다에 둘러 싸여 있어 해수열을 이용할 수 있는 대상지가 풍부하다. 해안 주변에 있는 건물은 이 시스템을 이용하여 냉난방이 가능하다. 그리고 연간, 일간 해수의 온도변화 폭이 적고, 야간이나 강우 시에도 기상에 영향을 받지 않아 안정성을 가지는 발전 시스템이다.

 해수냉난방시스템은 해안도시에서 호텔, 리조트, 공공건물이나 상업시설에 냉난방을 담당하며, 수족관, 양식 시설 등 취수시설이 활용 가능한 곳이라면 이용 가능하다.

 내년 개최하는 평창올림픽에서 강릉에 위치한 빙상장의 냉난방을 해수냉난방시스템 시설을 설치를 고려하고 있다.

 

3. 나트륨 전지

 흔히 사용하는 2차 전지는 충전과 방전을 반복하여 연속사용이 가능한 전지이다. 대표적으로 리튬 전지, 납축전지 등이 있다. 이 중 가장 많이 사용하는 전지는 리튬전지이다. 하지만 전기차 수요가 급증하면서 배터리 원료인 리튬의 수요가 증가하였다. 그로인해 가격이 상승하고 있다. 이런 리튬을 대체할 원료가 필요한데, 리튬의 장점을 가지면서 높은 효율을 자랑해야 대체할 만한 전지가 아닐까?  

[그림 3. 나트륨 전지]

출처: YK research

 리튬이온과 비교하여 나트륨 전지의 장점을 먼저 말해 보자면, 첫째로 리튬보다 매장량이 많다. 바다의 염분은 평균 35%로 해수 1kg당 Nacl은 27.2g를 차지한다. 지구 면적의 70%가 바다이니 계산해보면 나트륨의 양은 어마무시하다. 둘째, 매장량이 많은 만큼 가격도 저렴하여 경쟁력이 있다. 그리고 리튬과 나트륨은 주기율표에서 같은 1족으로 화학적 성질이 비슷하다. 그렇다면 리튬의 폭발성 성질을 떠 올릴 것이다. 뉴스에서도 심심치 않게 배터리 사고에 대해 많이 접했을 것이다. 이 점을 보완할 수 있는 게 나트륨 전지이다. 울산과학기술원(UNIST)에서 공기 중 안정적이며 폭발 위험이 없는 ‘나트륨 이온 전고체전지’를 개발 했다.

 

 

[표 1. 주기율표]

출처: ZUM 학습백과

 

 이런 장점 이외에도 나트륨 이온은 확산이 빨라 부하(load) 특성이 향상 될 수 있다.

 그렇지만 출력이 낮다는 단점을 가지고 있다. 나트륨 이온전지는 리튬이온보다 전압은 0.3V 낮고 에너지 밀도 또한 낮아 리튬과 같은 에너지를 내기 위해서는 배터리의 질량이 무거워 진다. 또한 이온형태가 아닌 금속 고체일 때 활성이 높아져 안전성이 떨어진다.

 

 ‘해수’라는 하나의 재료로 3가지의 에너지발전 시스템이 개발 되었다. 위의 3가지이외에도 더 많은 발전 시스템이 있을 것이다. 이제 바다는 그저 물고기가 뛰노는 놀이터가 아니다. 그 속에 어떤 에너지를 더 숨겨놨을지는 아직 모른다. 그리고 어떤 기술이 더 개발될지 모른다. 아직까지는 효율이 낮아 높이기 위한 연구가 한창이지만 화석연료를 사용하지 않는 청정 에너지원이라는 자체만으로도 큰 메리트가 있다. 끝이 없는 바다처럼 화석연료를 대체 할 방법은 끝이 없을 것이다.

  

 

참고자료

- 해수온도차 발전 동향, 한국에너지공단

- 나트륨이온 전지의 기술 개발 동향, 국가환경정보센터, 2016

- 나트륨이온 이차전지용 전극재료의 개발, 한국과학기술정보연구원

- 삼양에코너지(주) (www.ecosy.co.kr)