1 MW급 해수온도차발전 펌프 동력 저감을 위한 모형시험

Abstract

전 세계 해수온도차에너지는 약 300 EJ/year로 추정되며, 세계 해양의 90%에서 잠재력을 가지고 있는 것으로 추정되고 있다. 또한 해수온도차에너지는 타 해양에너지 대비 가장 큰 잠재력을 가지고 있는 기술이다. 이를 활용한 해수온도차발전(OTEC)은 해양 표층의 상대적으로 따듯한 표층수와 수심 200 m 이하의 심층 해수를 활용하여 암모니아 등의 작동유체로 터빈을 이용하여 에너지를 생산해내는 발전 방식으로, 이러한 해수의 온도차가 20°C 이상일 때 효율적인 발전이 가능하다. 1881년 프랑스에서 최초로 개념이 제안된 이후 현재 미국, 일본을 선두로 다양한 나라에서 kW~ MW급 다양한 용량의 lab-scale 및 실증 해수온도차발전 연구 개발이 이루어지고 있다. 국내는 동해역이 해수온도차발전에 가장 적합한 환경으로, 해안 근거리에 해양심층수가 존재하는 환경 조건을 가지고 있으며, 해안으로부터 5~10 km 내외에서 심층수의 취득이 가능하다. 따라서 해당 환경에서 20 kW급 해수온도차발전 pilot 플랜트 성능 실험 연구와 1 MW급 해수온도차발전 실증 플랜트 개발 등의 연구가 진행되고 있다. 현재까지 활발한 연구에도 불구하고 해수온도차발전 플랜트 건설에 소비되는 막대한 초기비용과 신뢰성 있는 실증 실험 데이터 부족 등으로 상업화가 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 또한 해수온도차발전 특성상 막대한 양의 해수를 취수해야 하기에, 발전량의 상당 부분을 펌프 동력으로 소모하게 되며, 2~4% 수준의 열효율을 가진다. 열효율 상승을 위해서는 열교환기 및 배관 등에서 발생하는 압력손실 및 해수 취수동력을 최소화하여 발전 순 출력을 높여야 한다. 따라서 본 논문에서는 국내 동해상에서 수행한 1 MW급 해수온도차발전 실증 플랜트 시운전 당시 데이터를 기반으로 해수 취수펌프 동력 절감을 위해 표층수 라인에 대한 모형시험 설계 및 사이펀 유동 구현을 통해 순 출력 개선 효과를 구현하였다. 결과적으로, 사이펀 구현을 통해 최대 37.5%의 해수 취수펌프 동력 절감 효과를 구현할 수 있었다.