◆수력에너지

[한국에너지신문] 태양, 바람 다음으로 우리가 손쉽게 에너지를 만들어 쓸 수 있는 것은 물이다. 물은 중력의 영향으로 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 되어 있다.

이 원리를 이용하는 것이 수력발전이다. 높은 위치에 있는 하천이나 저수지에 물을 모아, 유량을 유도하여 위치 에너지인 낙차를 이용, 수차에 회전력을 발생시키고 수차와 직결되어 있는 발전기에 의해서 전기에너지로 변환시키는 것이다.

수력발전 시스템은 하천, 수로에 댐이나 보를 설치하고 발전소까지 물을 유동하는 수압관로, 물이 떨어지는 낙차를 이용해 전기를 생산하는 수차발전기, 생산된 전기를 공급하기 위한 송·변전설비, 출력을 제어하는 감시제어설비, 유수를 차단하기 위한 밸브 설비 등으로 구성되어 있다. 수력발전은 5분 이내의 짧은 시간에 전력을 생산할 수 있는 매력적인 에너지이다. 

전력수요량의 변화가 큰 피크시간대에 가장 민첩하게 대응이 가능하여 주파수 조절을 담당함으로써 전력계통에 크게 기여하고 있다. 또한 수력발전은 재생 가능한 순수한 국산 에너지이다. 에너지 안정성에 기여하고 이산화탄소 배출량이 가장 적어 범세계적인 환경규제에 대비하는 친환경 청정에너지로 지구온난화 방지에 공헌하고 있다.

특히 우리나라는 연평균 강수량이 1245mm로, 비교적 풍부한 강수량과 함께 전 국토의 2/3가 산지로 구성되어 지형적 및 수문학적으로 수력자원 부존량이 많은 편이다. 

2014년 발간된 ‘신재생에너지백서’에 따르면 국내 수력자원의 기술적 잠재량이 총 725만 toe인 것으로 추정되고 있는데, 이는 연간 84억㎾h의 전기를 생산할 수 있는 양이다.

향후 국산화된 수차발전시스템의 사용으로 초기 투자비를 낮추고, 설비용량이 작은 수력발전의 경제성을 향상시키면 우리나라의 수력발전은 크게 활성화될 전망이다. 수도관로, 화력발전소 온배수, 농업용 저수지, 하수종말처리장 등에도 소수력을 개발할 수 있어 적용범위가 더욱 확대될 것으로 기대되는 분야이다.

◆지열에너지

지하를 구성하는 토양, 암반 및 지하수가 가지고 있는 열을 이용하는 것이 지열에너지다. 지구는 중심부로 갈수록 온도가 높아진다. 지구 중심부의 온도는 4000℃에 달한다. 일반적으로 지하 20m 심도 하부는 대기온도변화에 영향 받지 않아 일정한 온도를 유지하여 지열수나 지중열을 사용할 수 있다.

지열에너지는 재생이 가능하지는 않지만 지구가 가지고 있는 무한한 에너지를 가지고 있다는 점에서 활용도가 높다.

지열에너지는 보통 부존 심도나, 부존 상태별로 조사, 개발하여 발전 또는 냉난방, 열저장 등에 활용하는 제반 기술이다. 이러한 지열에너지는 온도에 따라 중저온(low to medium temperature, 10~90℃)와 고온(high temperature, 120℃ 이상)으로 구분되며, 또한 이용방식에 따라 직접이용(direct use)과 간접이용(indirect use) 기술로 구분된다. 

지열에너지의 직접이용은 온천, 건물난방, 시설원예 난방 및 지역난방 등이 대표적인데 열펌프나 냉동기와 같은 에너지 변환기기의 열원으로 활용된다. 이중 가장 일반적인 기술은 지열 열펌프 시스템(geothermal heat pump system, GHP)이다. 연중 일정한 온도를 유지하기 때문에 항온성이 우수하고 지리적 제약이 없는 것 이 큰 장점이다.

지열의 간접이용 기술은 땅에서 추출한 고온수나 증기(120~350℃)로 전기를 생산하는 지열발전(geothermal power generation)을 말하는데 화산지대에서나 유리하기 때문에 일반적으로 연구되지는 않는 분야이다.

지열 열펌프 시스템은 주거용 건물(단독주택, 공동주택, 아파트 등), 중대형 건물(상업용, 공공기관, 학교, 교정시설 등), 산업현장, 시설원예, 도로 융설 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 또 몇 개의 건물 단위나 지역단위로도 활용이 가능하다.

미국 환경보호청(Environment Protection Agency: EPA)은 지열 열펌프 시스템이 현존하는 냉난방 기술 중에서 가장 에너지 효율적이고 환경 친화적이며, 비용 효과가 우수한 시스템이라고 밝히는 등 그 전망은 밝은 분야다. 

우리나라의 경우 그동안 산학연의 기술개발 노력과 에너지관리공단 신재생에너지센터의 지열 열펌프 인증제도에 힘입어 보급이 늘고 있다. 특히 대기업, 중견 기업, 중소기업 등 10여개 내외 기업이 열펌프를 생산하고 있다. 일부업체는 미국과 중국산 열펌프를 수입하고 있다. 

2014년 발간된 ‘신재생에너지백서’에 따르면 현재 국내 지열에너지의 기술적 잠재량은 총 1252만 8000 toe로, 이는 약 1457억㎾h의 전기 생산이 가능한 양이다. 

◆바이오에너지

일반적으로 바이오에너지를 이용한 기술이라고 하면 유기성 생물체를 총칭하는 바이오매스(Biomass)를 직접 또는 생·화학적, 물리적 변환과정을 통해 액체, 가스, 고체연료나 전기·열에너지 형태로 이용하는 화학, 생물, 연소공학 등의 기술을 말한다. 이때 Biomass는 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체·균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물 유기체를 의미한다. 

바이오매스 자원은 곡물, 감자류를 포함하는 전분질계와 초본, 임목과 볏짚, 왕겨와 같은 농부산물을 포함하는 셀룰로스계, 사탕수수, 사탕무우와 같은 당질계, 가축의 분뇨, 사체와 미생물의 균체를 포함하는 동물 단백질계, 이들 자원에서 파생하는 종이, 음식찌꺼기와 같은 유기성폐기물이 모두 포함된다.

쉽게 말하여 바이오매스 에너지는 화석자원을 뺀, 동식물에 유래하는 유기물로 에너지원으로 이용 가능한 것을 말한다. 바이오매스를 이용방법으로는 직접 연소 시키거나, 메탄(CH4)발효의 생물화학적 변환, 가스화와 탄산 등의 열화학적 변환에 의한 연료화가 있다. 

2014년 발간된 ‘신재생에너지백서’에 따르면 바이오에너지의 기술적 잠재량은 연간 약 1148만 1000 toe로 추정되며, 부문별로는 임산부문이 연 620만 toe, 농산부문이 연 348만 5000 toe, 축산폐기물부문이 연 140만 3000 toe, 도시폐기물부문이 연 39만 3000 toe로 구성되어 있다. 

현재 에너지 공급측면에서 보면 바이오매스 중 임산 자원이 가장 이용 가능성이 높은 미래 에너지다. 폐지, 폐목재 등 도시폐기물과 농산물 및 농업부산물, 축산분뇨, 음식쓰레기, 하수슬러지 등은 혐기소화 처리의 부산물도 바이오가스로 이용이 가능한 형태이다. 현재는 논의가 다소 침체되어 있으나 ‘신재생열에너지공급의무화’제도가 도입된다면 바이오에너지의 이용이 활발해 질 것으로 기대되고 있다.

◆해양에너지

해양에는 이용 가능한 다양한 형태의 에너지가 부존하며, 해양에너지는 대부분 태양, 달, 지구간의 상호운동과 태양에서 방사되는 태양에너지에 기인한다. 태양 방사에너지는 최종적으로 파랑, 해류 등과 같은 유체 흐름형태의 운동에너지와 대기나 해양의 표면 수에 저장된 열에너지로 변환되며, 이러한 원리로 인해 해양에너지를 크게 조류에너지, 조력에너지, 파력에너지, 해수온도차 에너지로 분류할 수 있다.

해양에너지 자원은 고갈될 염려가 전혀 없고, 일단 개발되면 태양계가 존속하는 한 이용이 가능하고 오염문제가 없는 무공해 청정에너지라는 장점을 가지고 있다. 

삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라 연안 해역은 다양한 가용 에너지 자원이 풍부하게 분포하며, 설치 가능한 해역 또한 광범위하여 해양에너지 자원은 대규모로 활용이 가능한 에너지 자원이다.

화석에너지 수요의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라에서, 에너지의 수입의존도를 낮출 뿐 아니라 기후변화 협약에 의한 국제적인 환경보호 노력과 이에 따른 각종 규제에 적극적으로 대응할 수 있는 방안이다.

각 해양에너지원별 특성이 상이하므로 해당지역에 적합한 에너지원이 개발되어야 하며, 국내 서·남해안 지역은 조류에너지와 조력에너지가 풍부하고, 남해 및 제주 일대에는 파력에너지, 경상남도 및 동해 일부지역은 해수온도차에너지가 존재한다.

국내 해역의 특성상 해수온도차 발전은 매우 제한적인 입지를 갖고 있고, 해수온도차를 이용한 냉난방시스템은 적용이 가능하다. 각 지역의 입지조건에 적합한 에너지원을 복합적으로 개발함으로써 국내에 부존하는 해양에너지를 최대로 활용할 수 있다.

특히 조석현상은 규칙적인 천체운동에 의해 발생되는 것으로 바다에서 일어나는 현상 가운데 가장 규칙적이다. 이에 따라 조류에너지와 조력에너지 또한 날씨에 관계없이 발전량예측이 가능하다는 큰 장점과 특징을 가지고 있으며, 신재생에너지 가운데 장기예측이 가능한 유일한 에너지원이라 할 수 있다.