공부하고 정리하고

오늘은 신재생에서 바다 이야기 마지막 편인 염분 차 발전에 대해 알아보도록 하겠습니다. 염분 차이를 이용해 발전한다는 것이 생소하지만 원리는 잘 알고 있습니다.!! 왜냐하면 삼투현상을 이용하기 때문입니다. 이 삼투현상은 배추를 절이거나 오이를 피클로 만드는 원리에도 적용이되는 과학 원리지요.

삼투현상

농도가 낮은 묽은 물에서 농도가 높은 진한 물로 반투과성막을 사이에 두고 물이 이동하는 현상을 말합니다. 여기서 반투과성막은 특정 크기 이하의 분자나 이온을 통과시키는 막입니다. 여기서는 염분의 이동을 막기 위해서는 NaCl보다 작은 구멍이 있어야 할 것이고 물 분자는 통과 돼야 할 것입니다. 그렇다면 시간이 지날수록 농도가 진한 쪽은 점점 묽어지게 되고 농도가 낮은 쪽은 점점 진해지는 상황으로 진행이 될 것입니다. 이 현상은 자연적으로 보면 당연한 현상 중에 하나입니다. 농도가 높은 쪽은 어떻게 보면 뭉쳐져 있다는 개념으로 생각하시면 잘 정렬된 상태라고 볼 수 있습니다. 하지만 자연은 무질서하고 퍼져있는 것을 좋아합니다. 이 방향으로 자연 순화는 일어나죠. 그렇기에 농도가 높은쪽은 염분이 빠져나가기 힘들다면 당연히 물을 흡수하려고 할 것입니다. 이러한 원리를 열역학 제 2 법칙인 엔트로피 법칙이라 합니다. 엔트로피는 증가하는 방향으로 에너지의 방향성을 나타내 주는 법칙입니다.

염분 차 발전원리

염분 차 발전원리는 이 삼투현상을 이용한 방식입니다. 보통 바다의 염분은 3%이고 강물의 염분은 0.05% 이하 입니다. 그래서 가능한 것이죠. 하지만 발전하는 방식은 크게 두 가지로 구분이 됩니다. 첫 번째는 압력지연삼투 방식이고 두번째는 역전기투석 방식입니다. 한번 알아보겠습니다.

-압력지연삼투 방식

PRO(Pressure retarded osmosis)라 하여 기본적으로 수력 발전과 원리가 동일합니다.
하지만 다른점은 삼투현상을 이용한다는 점입니다. 반투과성막인 멤브레인으로 인해 염분이 높은 해수 쪽으로 담수에서 물이 이동하고 해수가 담긴 곳의 수압이 높아지며 이때 물을 내보내며 수차인 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.

-역전기투석 방식

RED(Reverse electrodialysis)라 하여 구성은 아래 그림과 같습니다.

2개의 전극과 음이온, 양이온 교환막을 쌍을 이루어 교차로 전극 사이에 두게 됩니다. 이때 교환막 사이에 해수와 담수를 흘려주면 해수에 존재하는 Na+와 Cl-가 각각의 극의 교환막을 통과하여 담수쪽으로 이동하고 전자가 이동되면서 전기가 발생하게 됩니다.

전세계적으로 염분차 발전의 잠재 에너지는 2.6테라와트정도이고 국내의 5대강을 기준으로 약 3.5기가와트의 잠재 에너지가 있을것으로 평가된다고 합니다. 보통 발전소마다 다르지만 원전 한기가 1기가와트정도임을 생각하면 충분히 경쟁력이 있는 발전입니다.

장점

• 무한한 에너지원이고 시간, 날씨의 영향을 받지 않습니다.
  -친환경적입니다.
  -지속적으로 강에서 바다로 물이 흐르므로 ESS 문제를 고민하지 않아도 된다.

단점 및 한계
-반투과성막의 수명
-아직까지 존재하는 여러 기술적 문제들
-염분 차로 모인 고농도의 물 해결

염분 차 발전에 대해서 오늘 알아보았는데요. 개인적으로 생각하기에는 상당히 매력이 있는 신재생 발전이라고 생각합니다. 한계점이야 기술적 연구로 언젠가는 해결이 가능할 것이고 고농도의 물은 해수쪽으로 넣어서 재사용하거나 하면 되지 않을까 하는 생각이 듭니다. 국내에서도 열심히 연구를 하고 있다고 하니 좋은 소식이 들렸으면 좋겠습니다.

-이미지 출처-

1. http://www.bbc.com/future/story/20150610-blue-energy-how-mixing-water-can-create-electricity
2. http://www.freedrinkingwater.com/water_quality/
3. http://surfguppy.com/thermodynamics/entropy-chemical-thermodynamics/
4. http://www.waterjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=18581
5. http://en.shikunbinui.co.il/category/SED/Water

오늘은 신재생 이야기 편으로 이야기를 하려고 합니다. 지금까지 해양의 힘을 이용한 파력, 조력을 알아보았습니다. 오늘은 온도 차 발전에 대해서 알아보겠습니다.

해양 온도차 발전

영어로 OTEC(Ocean Thermal Energy Conversion)이라고 합니다. 해양의 온도차를 이용해 발전을 하는 방식인데 이 온도 차는 표층수와 심층수의 온도차를 이용하게 됩니다. 하지만 바닷물이 표면도 차가우면 온도 차 발전이 힘듭니다. 그래서 적도 근처인 열대 해역에서 주로 발전을 하게 됩니다. 이때 열대해역은 해면의 온도는 20도이고 500~1000m 아래의 심층수는 4도 정도로 변함이 없습니다. 그렇다면 이 온도 차로 발전을 하게 되는데 어떻게 가능할까요? 기존에 아는 화력이나 원자력은 고온고압의 환경에서 증기를 돌리는데 이 방식으로 적용이 될까요? 여기서는 적용이 어렵습니다. 그래서 저온 비등 냉매를 사용하게 됩니다. 저온 비등 냉매라는 것은 암모니아나 프로필렌같이 끓는점이 낮은 물질을 압력을 적절히 조절해 4도일 때는 액화되고 20도일 때는 기화될 정도의 환경을 만들어줍니다. 그럼 기화된 작동 유체가 터빈을 작동시켜 발전을 하게 됩니다.

이 방식이 가장 기본적인 방식이고 폐회로 사이클(Closed-loop Cycle)입니다. 또 사용할 수 있는 방식은 개회로 사이클(Open-loop Cycle system)인데 기존에는 앞서 설명한 방식은 열을 작동 유체에 전달하였다면 개회로 사이클에서는 펌프로 유입된 따뜻한 해수를 펌프로 압력을 낮추어 비등하게 만들어 저압터빈을 구동하여 전기를 만드는 방식입니다. 이 방식은 심층으로부터 끌어올린 해수가 열교환기에서 응축되면서 담수를 만드는 역할도 한다고 합니다.

마지막으로 하이브리드형 사이클(Hybrid Cycle system)이 있습니다. 표층 해수를 유입해 일차적으로 폐회로 사이클(Closed-loop Cycle)로 전기를 생산하는데 여기서 나오는 온수를 개회로 사이클(Open-loop Cycle system)로 보내어 한 번 더 발전을 하고 담수까지 얻는 방식으로 구성되어 있습니다.
개회로 사이클이 5.5%의 전력효율 폐회로 사이클이 5%의 전력효율을 나타낸다고 합니다.

장점
-자원이 공짜이며 공해를 발생하지 않습니다.
-해수 담수화가 가능한 발전 방식도 있다.
단점
-온도 차가 20도 정도 나야 지속적인 발전이 가능하다.
-발전효율이 낮다.

이 발전방식은 아직 연구가 지속되고 있고 우리나라도 동해안 남쪽에 온도차가 큰 지역이 있어 활용 가능성이 있습니다. 하지만 아직은 갈 길이 먼 것 같습니다. 앞으로 효율 개선을 위한 연구들이 지속된다면 언젠가는 크게 상용화되는 날도 오지 않을까요?

-이미지 출처-

1. http://tidalenergytoday.com/2017/06/12/new-otec-guide-on-the-horizon/
2. http://www.otecnews.org/2012/10/
3. https://www.britannica.com/technology/ocean-thermal-energy-conversion
4. https://www.slideshare.net/PrashantTipu/otec-54791316

오늘은 신재생 이야기를 계속하려고 합니다. 저번 시간에 파력발전에 관해서 소개했었습니다. 오늘은 조력 발전을 소개하고자 합니다. 수력발전과 원리가 동일하기 때문에 원리만 간단히 소개하겠습니다.

조력 발전

바다의 밀물과 썰물의 차이를 이용해 전기를 생산하는 발전 방식을 말합니다. 물이 밀려 들어올때 수문을 열어 저수시설에 물을 채우고 만조일 때 수문을 닫아 물을 저장하였다가 물이 다 빠져나갔을 때 문을 열어 수력발전과 같은 방식으로 발전을 합니다. 여기서 잠깐 밀물과 썰물의 원인에 대해 살펴보고 가겠습니다.

밀물과 썰물

왜 바닷물은 물이 빠졌다가 채워졌다가 할까요? 이 이유는 달에 있습니다. 달의 인력으로 인해 생기는 힘인데 이 간만의 차(조차)로 인해 바닷물의 조류가 생겨 생태계에 주요한 역할을 합니다.
조금 더 자세히 말하면 달의 중력으로 해수면을 달 쪽으로 끌어당기고 그 반대편은 원심력으로 인해 쏠리게 되어 쏠린 부분이 만조 쏠리게 되어 적게 되어진 부분을 간조라 합니다.

국내 조력 발전 시설

시화호조력발전소로 경기도 안산시에 위치하고 있습니다. 밀물때 발전을 하고 썰물 때 배수하는 방식으로 발전을 합니다. 썰물 때 물이 빠지는 수문이 8개 800t의 수차 10기를 가진 발전 규모입니다. 발전량은 하루 254MWh를 생산하고 이는 연 552,700MWh로 인구 50만명이 한 해동안 사용할 수 있는 양입니다.
조차 상황에 따라 전기공급이 달라지는 점 때문에 비중앙급 발전기로 분류되지만 전력 판매 수입은 연 600억원가량입니다.

조력 발전의 장점
-무제한, 친환경 에너지입니다.
-바다에 건설하므로 토지 소모가 적다.
-운영비가 적다.
-주변 지역 관광지화(국내 시화호도 매월 10만 명이 찾는다고 한다.)

조력 발전의 단점
-초기 건설비가 비싸다.
-조석 간만의 차가 큰 지역이어야 하므로 입지조건이 까다롭다. (서해안은 입지조건이 좋은편)
-하루에 두 번 정도 간만의 차로 발전이 가능하다. 즉, 이때 말고는 발전이 불가능

조류 에너지?

조력 발전 말고 조류 발전도 있습니다. 물을 가두어 터빈을 돌리거나 그러한 것이 아니라 바다 안에 있는 풍력발전이라 생각하면 쉽습니다. 조류가 빠른 지역에 설치하여 조류의 속도로 터빈을 돌려 발전하는 방식입니다. 하지만 다른 발전보다는 전력생산량이 적을뿐더러 조류가 빠른 지역에서만 발전이 가능하므로 다른 에너지의 보완역할으로 보입니다.

오늘은 조력 발전에 관해서 알아 보았습니다. 요즘 신재생 에너지에 관한 포스팅을 하다보니 정말 다양한 방법으로 발전을 시도해 다양화시도를 하고 있다는게 느껴집니다. 연구가 활발히 진행이 되어 모든 발전이 상호 보완적인 발전체계가 되어 에너지 강국이 되었으면 합니다.

-이미지 출처-

1. http://tidalenergytoday.com/2015/01/20/video-annapolis-tidal-power-station/
2. https://m.blog.naver.com/hanleesa
3. http://earthsky.org/space/quarter-moon-earth-at-perihelion-and-neap-tide
4. http://dongascience.donga.com/special.php?idx=656
5. 
6. https://www.executive-velocity.com/

지금까지 재생에너지 중에 태양, 바람, 물의 낙차에서 에너지를 얻은 것을 이야기해왔죠? 

오늘은 바다에서 에너지를 얻는 방법을 소개해보겠습니다.

해양 에너지

파도, 조석간만의 차, 해양의 온도 차에서 나타나는 에너지를 일컫는 말입니다.
파도는 파력발전, 조석간만의 차로는 조력/조류발전, 온도 차로 온도 차 발전이 가능합니다. 하나씩 자세히 살펴보도록 하죠.

파력 발전

파동에 대해서 아시나요? 파동은 일종의 에너지의 전달입니다. 소리의 전달, 빛의 전달도 파동이죠. 파도는 전달 매개체로 매질을 물을 사용합니다.

이를 파도라 하죠. 파동으로 물의 이동은 크지 않지만 많은 에너지를 전달하게 됩니다. 국내에 있는 파력에너지의 부존량은 약 650만kW라고 합니다. 이를 잘 이용할 수 있다면 발전 일부분을 차지하는 역할을 하고 있을 겁니다.
하지만 이 에너지를 전력으로 변환시키는 일은 생각보다 쉽지 않았습니다. 19세기 말부터 시도하였지만 전력변환효율이 낮은 관계로 상용화에는 오랜 시간이 걸렸습니다. 발전원리는 어떻게 될까요?
파도가 칩니다→1차 변환→2차 변환→발전→송전→전력이용의 방식으로 전력을 사용하게 됩니다.
여기서 1차 변환은 파도의 에너지 파랑 에너지를 흡수하는 방법의 차이가 존재합니다. 이 에너지를 발전에 사용할 수 있는 에너지로 전환하는 것이 2차 변환입니다. 1차 변환에는 가동물체, 진동수주, 파랑의 수압변동 흡수등의 방법으로 에너지를 흡수를 합니다. 즉, 파도의 에너지를 기계적 에너지로 전환합니다. 2차 변환에서는 유압장치, 공기터빈, 수류터빈등을 이용합니다. 즉, 기계적 에너지를 전기에너지로 전환합니다. 여기서 1차 변환-2차 변환이 대표적으로 사용되는 발전 방식은 작동원리에 따라 3가지 정도로 나누어집니다. 이 세 가지 위주로 설명하겠습니다.

-가동 물체형 : 파도에 의해 고정된 힌지를 중심으로 상하운동을 하는 부유구조물을 사용합니다. 이 수면의 움직임에 따라 민감하게 반응하는 물체의 움직임을 전기에너지로 변환하게 됩니다.

부유식, 잠수식 두 가지 방법으로 설치합니다. 파력에너지를 직접 이용하기 때문에 에너지 효율이 비교적 높은 장점이 있지만 파력 발전기가 파력을 직접 부딪혀야 하므로 구조물이 빨리 취약해집니다.

-진동 수주형 : 발전기 내부 공기 챔버에 있는 물이 상하 진동함으로써 공기 챔버안의 공기가 왕복 운동을 하게 됩니다. 이로 인해 파랑 에너지를 공기의 유동에너지로 1차 변환하고 이를 다시 공기 터빈을 사용하여 2차 변환합니다. 설치 방법은 부유식, 고정식, 안벽형으로 설치됩니다. 발전효율이 월파형 보다 높고 파랑의 형태와 상관없이 발전이 가능한 장점이 있지만 파랑의 변동성을 제어하기 힘듭니다.

-월파형 : 파력의 진행 방향 전면에 비탈면을 두어 파랑 에너지를 위치에너지로 변환하여 물을 저장합니다. 이 저수시설의 하부에 설치한 수차 터빈을 돌려 발전을 합니다. 기존에 설명한 수력 발전과 동일한 방법입니다. 설치방식은 파도를 저장하기 위해 잠수식은 불가하고 부유식, 방파제의 방식으로 설치됩니다. 방식은 직관적이지만 일정 수위 이상에서만 발전이 가능합니다.

파력발전의 장점
-무한한 에너지원이다.
-소규모 발전이 가능하다.
-방파제로도 활용할 수 있다.
-친환경적이다.

파력발전의 단점
-파도에 따라 발전출력 변동이 심하다.
-초기 제작비가 높다.
-수심, 바람, 항해, 육지에서 거리 등을 고려해 입지 조건이 한정적이다.

오늘은 파력발전에 대해서 알아보았습니다. 미래를 보았을 때 바다에서 에너지를 얻는 것은 필수적이라고 생각합니다. 그런 면에서 파력발전은 더욱더 발전되기를 기대해봅니다.

다음 시간에는 조력 발전에 관해서 다루어 보겠습니다. 

-이미지 출처-

1. https://pixabay.com
2. http://www.oceanenergycouncil.com
3. http://www.ctman.kr/news/3782
4. http://koc.chunjae.co.kr/Dic/dicDetail.do?idx=14493
5. https://www.pelamiswave.com/pelamis-technology/
6. https://www.pelamiswave.com/pelamis-technology/
7. http://www.soz-etc.com/energien-erneuerbar/
8. https://www.researchgate.net
9. https://iphoto.kiost.ac.kr/