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2024-11-22 (금)

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[퓨처 Eyes(16)] 파력 발전으로 선박 항속 거리 늘린다

중국 연구진이 선박에 탑재할 수 있는 파력 발전기를 개발해 눈길을 끌고 있다. 연구진에 따르면, 이 발전기를 탑재하면 선박의 항속 거리가 최대 3배까지 늘어날 수 있다. '파력 발전((Wave Power)'은 해양에서 파도의 운동 에너지를 활용하여 전기 에너지를 생성하는 기술이다. 다시 말하면, 파력 발전은 바다의 파도, 조류, 밀물, 파랑 등 해양 에너지 현상을 이용해 전기를 생산하는 방식으로 재생 가능한 에너지원 중 하나로 간주된다. 바닷물은 지구의 70%를 차지하고 있다. 바다의 파도는 바람에 의해 형성되며, 이 움직임에는 상당한 양의 에너지가 포함되어 있다. 파력 발전은 이 에너지를 포착하여 사용 가능한 전기로 변환한다. 기술 전문매체 뉴 아틀라스에 따르면 중국 상하이 선박 및 해운연구소 연구팀은 선박의 갑판 아래 설치할 수 있는 파력 발전기인 '히빙 오실레이터(Heaving oscillators)'를 개발했다. 히빙 오실레이터는 해상에서 파도의 움직임을 이용하여 에너지를 생산하는 장치이다. 원래 히빙 오실레이터는 부유체(buoy)를 사용하여 파도의 움직임을 전달받아 움직이는 구조물이다. 부유체가 파도의 움직임에 따라 위아래로 움직이면, 이 움직임은 발전기와 연결된 기계장치를 통해 전기 에너지로 변환한다. 기존의 파력 발전기는 이러한 부유식 구조물에 설치해 파도의 움직임을 직접 활용하여 전기를 생산한다. 하지만 파력 발전기를 선박에 설치할 경우 화물 공간을 차지하게 되고, 파도로 인한 충격을 더 심하게 받을 수 있다는 단점이 있다. 중국 상하이 선박연구소 연구팀은 이러한 단점을 해결하기 위해 선박의 갑판 아래에 히빙 오실레이터를 설치했다. 갑판 아래 설치된 히빙 오실레이터는 선박이 바다를 이동할 때 일어나는 선박의 기울기와 구르기, 피칭 동작을 유압 실린더로 전달해 전기를 생산한다. 또한, 오실레이터의 무게를 조절할 수 있어 극한의 날씨에서도 선박 구조에 가해지는 스트레스를 줄일 수 있다. 중국 연구진, 파력 발전기 개발 상하이 선박연구소의 연구팀은 화물 공간을 확보하기 위해 파력 발전기를 화물선 갑판 아래에 설치하되 선체에 의해 바닷물로부터 격리되는 2체형 포인트 흡수 시스템을 제안했다. 이 장치는 선박의 상단과 하단에 단단히 부착된 프레임과 프레임 레일을 위아래로 움직일 수 있는 진동자 본체, 진동자를 매달기 위한 스프링, 진동자의 바닥과 하단에 부착된 유압 실린더로 구성된다. 유압 동력 이륙 장치를 통해 오일을 펌핑하는 실린더는 오실레이터가 선박과 고정된 프레임 사이에서 상하로 움직이며 에너지를 생성하도록 한다. 또한 오실레이터는 물로 채워져 있으며, 무게를 조절하기 위해 물을 추가하거나 뺄 수 있는 시스템이 장착되어 있다. 이는 특히 극한의 날씨 조건에서 오실레이터의 무게를 감소시켜 선박 구조에 가해지는 스트레스를 줄이는 데 특히 유용하다. 연구팀은 "이 새로운 설계를 통해 선박이 기울어지거나 구르거나 피치 운동을 할 때 슬라이드 막대를 따라 움직일 수 있는 오실레이터를 구현할 수 있었다"고 밝혔다. 또한 "이를 통해 이전 설계에서 하나 또는 두 개의 운동 축에 국한되었던 것과 달리 세 개의 다른 운동 축에서 에너지를 생성할 수 있다"라고 설명했다. 시뮬레이션 테스트를 통해 연구팀은 이 발전기가 파도가 90도 각도로 선박 측면에 직접 부딪히는 상황, 즉 빔 해역에서 에너지 포집 효율이 가장 높다는 사실을 확인했다. 특히 이 시스템은 '특정 파도 주기'에서 축대칭 점 흡수기의 이론적 최대 흡수 전력의 최대 90.71%"에 도달할 수 있는 것으로 나타났다. 연구팀은 파도 탱크에서의 테스트를 위해 시스템 프로토타입을 제작하는 것을 다음 단계로 계획하고 있다. 이들은 동일한 시스템을 다른 해양 구조물과 통합하여 작동하도록 "설계를 쉽게 확장할 수 있다"고 밝혔다. 또한 연구팀은 향후 파도 탱크 테스트를 통해 히빙 오실레이터의 성능을 추가적으로 검증할 예정이다. 이 과정을 통해 시스템을 다양한 해양 구조물에 적용 가능하도록 확장하는 방안을 탐구할 계획이다. 이 연구는 '재생 에너지(Renewable Energy)' 저널에 개재됐다. 선박에 탑재된 파력 발전기의 장점 부유식(플로팅) 방식의 파력 발전기는 대규모 설치가 가능하고, 전력 그리드와의 연계가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 설치 비용과 유지 관리 비용이 높다는 단점이 있다. 이에 반해, 선박에 탑재된 파력 발전기는 기존의 플로팅 방식에 비해 설치 비용이 저렴하고, 유지 관리가 쉽다. 또한, 선박이 운항하면서 발생하는 파동을 활용할 수 있기 때문에, 에너지 효율이 높다는 장점이 있다. 파력 발전의 상용화 전망 이 연구는 파력 발전의 상용화를 위한 중요한 진전으로 평가받고 있다. 파력 발전은 재생 가능 에너지원 중 하나로, 기존의 화석 연료에 비해 친환경적이라는 장점이 있다. 이번 연구가 상용화된다면, 선박의 운항 효율을 높이고 해양 환경 보호에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 이 연구에서 조사하지 않은 한 가지는 평균적인 선박 여행에서 얼마나 많은 전력을 공급할 수 있는지 여부이다. 이는 선박 내부의 공간 고려 사항과 함께 이 같은 시스템이 광범위하게 활용될 수 있는지 여부의 핵심이 될 것이다. 또한, 파력 발전에는 여러 도전과제가 있다. 파도의 불규칙성과 해양 환경의 거친 조건 때문에 설치와 유지 관리가 어려울 수 있으며, 초기 투자 인프라 구축에 비용이 많이 들 수 있다. 또한 해양 환경에 영향을 미칠 수 있는 환경적인 문제도 고려해야 한다. 한국에 적용 가능성은? 히빙 오실레이터는 대형 선박의 항속 거리를 늘리는 데 효과적인 기술로 평가된다. 특히, 한국은 해운 강국으로, 대형 선박을 많이 보유하고 있다. 따라서 히빙 오실레이터가 한국의 해운 산업에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 다만, 히빙 오실레이터가 한국에 도입되기 위해서는 몇 가지 과제가 해결되어야 한다. 우선, 히빙 오실레이터의 경제성을 검증해야 한다. 또한, 한국의 해역 환경에 맞게 설계되어야 한다. 연구팀은 "히빙 오실레이터는 기존의 파력 발전기와 비교해 효율적이고 안전하다"며 "향후 상용화를 위해 노력하겠다"고 밝혔다.
- 포커스온
2023-12-21
캐나다 스타트업, 친환경 해수 담수화 신기술 개발

캐나다의 한 스타트업이 친환경 방식으로 바닷물을 담수화하는 새로운 기술을 개발했다. 해수 담수화는 지구의 70%를 차지하는 바다의 물을 담수화하는 작업으로 식수, 공업용수 등의 공급을 원활히 하고자 하는 목적이다. 특히 중동 등 물이 부족한 사막 주변 국가나 물을 수입하는 국가의 경우 안정적인 수자원의 확보는 안보와도 직결된다. 한국도 기후변화로 인한 오랜 가뭄으로 해수 담수화 시설을 증설해야 한다는 의견이 나오고 있다. 해수 담수화 방법에는 여러 가지가 있지만 최근 친환경 담수화시스템이 각광 받고 있다. 미국 매체 '굿뉴스네트워크(GoodNewsNetwork)'는 바다의 에너지만 사용해 친환경적인 방식으로 바닷물을 식수로 바꾸는 캐나다의 한 스타트업에 대해 보도했다. 이 매체에 따르면, 3억 명의 사람들이 전 세계 2만1000개의 담수화 플랜트를 통해 바닷물에 의존하고 있다. 이 시설은 거의 모두 화석 연료를 사용하여 열 담수화 또는 역삼투압이라는 에너지 집약적인 프로세스를 완성한다. 이 두 가지 방법은 바닷물을 대규모로 깨끗한 물로 바꿀 수 있는 방법이다. 스타트업 오네카(Oneka)는 독특한 접근 방식을 사용해 해수 담수화를 진행한다. 이 회사는 부표와 유사한 장치를 해저에 고정시키고, 91.4cm(3피트) 높이의 파도의 힘(파력)을 이용하여 역삼투압을 구동하는 기계적 에너지로 변환한다. 이를 통해 오네카는 하루에 최대 4만9210리터(약 1만 3000갤런)의 식수를 생산할 수 있는 시장에서 가장 큰 모듈식 장치를 운영한다. BBC가 수집한 데이터에 따르면, 만약 기후변화에 대한 최악의 예측이 현실화된다면, 점점 더 많은 국가들이 일 년 중 적어도 일부 기간 동안 담수화에 의존하게 될 것으로 보인다. 이에 따라 담수화 산업은 9%의 성장률을 보일 것으로 예상되며, 2030년까지 이 산업의 연간 가치는 약 290억 달러(한화 약 37조 8740억원)에 이를 것으로 전망된다. 오네카의 해상 기반 담수화 기술은 육상 담수화 플랜트와 비교해 여러 가지 이점을 제공한다. 첫째, 이 기술은 육지의 공간을 차지하지 않기 때문에, 특히 공간이 제한적인 섬나라에서 유용하다. 둘째, 이 모듈은 온실가스를 배출하지 않는 친환경적인 방식이다. 셋째, 기존 담수화 방법의 일반적인 문제점과 관련하여 오네카의 접근법은 다르다. 기존의 담수화 과정, 즉 열 공정이나 역삼투압 방식은 염도가 높은 폐수를 생성한다. 이 폐수가 바다에 방출되면 해양 생태계에, 육지에 방출되면 식물과 지하수에 영향을 미칠 수 있다. 오네카의 기술은 이러한 문제를 해결하기 위해 하루에 사용되는 바닷물의 약 75%를 식염수와 혼합하여, 기존 방식보다 소금 함량이 25% 더 높은 상태로 바다로 다시 방출한다. 이러한 방식은 해양 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 또한, 오네카의 모듈식 담수화기는 서로 체인으로 연결되어 공간을 효율적으로 활용하며, 육지로 깨끗한 물을 전달하는 배관 시스템을 간편하게 설치할 수 있다. 오네카의 해수담수기는 소형, 중형, 대형 등 세 가지 크기로 제공되며, 가장 큰 모델은 길이 8m(미터), 폭 5미터로, 하루에 최대 4만9000리터의 식수를 생산할 수 있다. 오네카는 자사의 기계를 완전한 환경친화적 패키지로 구현하고 있다. 이 회사는 담수화 장치의 체인, 정박지, 부표가 모두 해양 생물과 친화적인 재료로 제작되었으며, 이를 통해 다양한 해양 생물이 이들 구조물에 빠르게 적응하고 거주하게 된다는 사실을 발견했다고 밝혔다. 오네카는 또한 6미터(약 30피트) 높이의 파도가 있는 혹독한 날씨 조건에서 부표 담수화 장치를 테스트했으며, 이 장치가 이같은 극한 환경에서도 효과적으로 작동한다는 것을 확인했다. 오네카의 초기 모듈은 이미 세계에서 가장 건조한 지역 중 하나인 칠레의 지역 사회에 판매되었으며, 이는 그들의 기술이 실제 환경에서 유용함을 입증하는 사례가 되었다. 기존의 해수 담수화 시설은 높은 운영 비용과 복잡한 유지 관리 등의 문제로 인해 해결책으로서 한계를 가지고 있다. 이에 따라, 전 세계 많은 국가들이 해수 담수화의 다양한 대안을 개발하고 있다. 그 중 하나는 '해상 이동형 해수담수화 플랜트 선박'이다. 2014년 싱가포르에서 제안된 이 개념은 선박에 담수화 설비를 탑재하여 해상에서 자유롭게 이동하면서 바닷물로부터 식수를 생산하고 육지에 공급하는 것이다. 한국의 예를 들면, 광양제철소는 매일 약 2만7000톤의 바닷물을 공업용수로 전환해 사용하고 있다. 또 남부 지역의 섬 주민들을 위해 해수 담수화 선박 '드림즈호'를 투입한 사례가 있다. 또한, 최근에는 네덜란드의 해수 담수화 기기 개발 업체인 데솔리네이터(Desolenator)가 해수 담수화 과정에서 발생하는 순수한 고품질 소금에 주목했다. 이 회사는 해수담수화 과정에서 생기는 탈염막 여과된 소금을 바다에 방출하는 대신 수집하여 공업용 소금으로 판매하는 순환경제적 대안을 제안했다. 이러한 접근 방식은 해수담수화 과정의 부산물을 가치 있는 자원으로 전환함으로써 환경적으로도 지속가능한 방향을 제시한다.
- 산업
2023-11-27