에너지
해양 재생 에너지: 깨끗한 미래를 위한 바다의 힘 활용
미개척된 해양 에너지 잠재력
지구 표면의 70%가 바다와 해양이기 때문에, 많은 지구 자원이 해양에 존재하는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 그러나 인간과 같은 육상 생물에게는 본질적으로 더 어려운 환경입니다. 그 결과, 해양 에너지는 지금까지 제대로 활용되지 못했으며, 주로 해양 석유·가스 개발과 해상 풍력 발전에 국한되었습니다.
하지만 바다에서는 다른 형태로도 훨씬 더 큰 에너지 생산 잠재력이 있습니다. 거의 무한에 가까운 표면적, 조수, 파도, 그리고 높이와 온도의 차이까지, 전 세계 과학자들이 끝없는 파도에서 재생 에너지를 추출할 새로운 방법을 찾기 위해 연구하고 있습니다.
이것은 새로운 재생 에너지의 거대한 원천이 될 수 있으며, 2050년에는 설치 용량이 352 GW에 이를 수 있습니다. 이는 현재 전 세계 핵 발전소 전체(399 GW)와 거의 맞먹는 규모입니다.
출처: IRENA
해양 에너지 개발이 더디게 진행된 이유
해양에서 에너지 생산이 시작된 것이 몇십 년 전이라는 사실에 놀라실 수도 있지만, 수력이나 육상 화석 연료 생산과 같은 다른 형태의 에너지는 수세기 동안 이용되어 왔습니다.
핵심 이유는 육지에 비해 건설이 현저히 쉽기 때문입니다. 반면 바다와 해양은 모든 인프라가 부유하거나 해저에 고정되어야 하므로 비용과 엔지니어링 제약이 크게 늘어납니다. 정기적인 폭풍이나 열대 지방의 허리케인까지 구조물의 내구성을 크게 위협합니다.
또 다른 중요한 요인은 바다 소금입니다. 해수의 염분은 금속 부품, 특히 터빈과 같은 에너지 생산 시스템을 매우 부식시키기 쉽습니다. 따라서 부식 방지를 위한 특수 코팅, 오일 및 기타 보호 조치를 복합적으로 적용해야 합니다. 해조류와 조개껍질 등 해양 생물에 의한 “바이오푸울링”도 기계에 유기물 축적을 일으켜 손상을 초래합니다.
출처: ResearchGate
마지막으로, 광대한 해양의 잠재 에너지는 매우 희박합니다. 육지에서는 지질과 지형이 광물 매장, 강, 바람 통로 등으로 자원을 자연스럽게 집중시키지만, 평평한 해양 표면은 이러한 집중을 제공하지 못합니다.
해상 풍력: 바다에서 규모 확대
다른 해양 기반 에너지 플랫폼과 마찬가지로, 해상 풍력은 자본 집약도가 높습니다. 인구 밀집 지역으로부터의 거리와 염수 부식은 유지보수 비용을 증가시키고 풍력 터빈 및 부품의 수명을 단축시킬 수 있습니다.
그럼에도 불구하고 해상 풍력에는 몇 가지 장점이 있습니다:
- 생산 효율성 향상: 해상 풍력은 육상보다 더 안정적이고 강력하며 빈번하게 불어옵니다.
- 이는 생산량 증가뿐 아니라 보다 예측 가능한 전력 생산을 가능하게 하며, 간헐적인 육상 풍력보다 베이스로드 전력에 가깝습니다.
- 많은 지역에서 해상 풍력은 오후와 저녁에 전력 수요가 최고조에 달할 때 전력을 공급합니다.
- 전 세계 인구의 대부분이 해안 근처에 거주하므로, 해상 풍력 시설은 소비자와 가까운 경우가 많습니다.
- 해상 풍력 부지는 육상보다 훨씬 넓을 수 있어 규모 확장이 가능합니다.
- 환경 영향 감소: 토지 사용을 줄이고 원격 지역에 접근 도로와 교통을 만들지 않음으로써 해상 풍력은 육상 풍력보다 환경 친화적일 수 있습니다.
- 제한된 풍력 단지 면적은 해양 생태계 보호에도 도움이 될 수 있습니다.
- 반대 의견 감소: 인구 중심지와 시야에서 멀리 떨어져 있어 풍력 프로젝트에 대한 반대가 크게 줄어듭니다. NIMBY(내 뒤뜰에 내놓지 말라) 반응도 훨씬 약합니다.
수심에 따라 해상 풍력 터빈에 사용할 수 있는 다양한 앵커가 있습니다.
출처: DoE
풍력 기술이 발전함에 따라, 거대한 기둥 대신 “터빈 벽”을 구축하는 새로운 옵션이 등장하고 있습니다. 일부 유닛은 40 MW 모델을 개발 중이며, 최대 126 MW에 이를 수 있습니다.
이러한 시스템은 북해와 같이 매우 강하고 거의 일정한 풍량이 있는 지역에 가장 적합합니다.
출처: Recharge News
해상 풍력 프로젝트를 메가프로젝트로 집중하는 것은 오르스테드가 고려 중인 10 GW 북해 에너지 섬과 같이 유지보수와 설치 비용을 다수의 풍력 터빈에 분산시켜 비용을 절감하는 주요 트렌드가 될 전망입니다.
해상 풍력은 풍부한 해상 풍력과 이미 성숙한 기술 덕분에 향후 10년간 비화석 연료 기반 해양 에너지의 주요 원천으로 남을 가능성이 높습니다.
일부 분석가들은 2040년까지 해상 풍력이 현재보다 12배 규모로 확대될 수 있으며, 2030년대에는 새로운 부유식 풍력 터빈이 대거 설치될 것으로 전망합니다.
출처: Rystad Energy
(우리의 전용 보고서 “Can Wind Power The World?”에서 풍력 발전 잠재력에 대해 더 읽어보실 수 있습니다.)
조력 발전: 달에서 오는 예측 가능한 재생 에너지
풍력이 해양 에너지의 주류이지만, 실제로 가장 오래된 형태는 조력 발전입니다. 이는 달의 중력이 해수면을 상승·하강시키는 현상을 이용해 에너지를 추출하는 방식입니다.
초기에는 바다의 움직임을 이용해 물레방아를 돌리는 방식으로 조력을 활용했습니다. 최초의 대규모 조력 발전소는 1966년에 프랑스 북서부 브르타뉴에 위치한 240 MW 랑스 조력 발전소가 건설되었습니다.
출처: Dialogue Earth
조력 발전의 핵심 장점은 매우 안정적이고 예측 가능하다는 점으로, 신뢰할 수 있는 베이스로드 재생 전력을 제공합니다. 또한 밤과 겨울에도 출력이 감소하지 않아 태양광과 좋은 보완 관계를 이룹니다.
하지만 조력 에너지를 수확하는 것은 어려운 일입니다. 일반적으로 고조류 지역이나 조수를 좁은 해협으로 집중시키는 강한 해류가 있는 곳에 위치해야 합니다. 이는 잠재적인 부지 수를 제한하며, 대부분의 경우 조력 댐을 건설해야 합니다.
조력 프로젝트가 드물어 규모의 경제를 활용하기 어려워 대량 생산보다는 맞춤형 설계가 필요합니다.
“우리는 기술을 신뢰성 있게 시연하고 상업용 규모로 확대하는 단계에 있습니다. 작은 프로젝트를 통해 기술 신뢰성을 입증하고 환경 장벽을 극복하며, 필요한 규모와 모멘텀을 구축해야 합니다.”
Seumas Mackenzie – Nova Innovation 조력 개발 담당 최고 운영 책임자
현재까지도 다양한 설계가 검토되고 있지만, 대량 생산된 사례는 없습니다.
출처: IRENA
조력 터빈이 지속적으로 해수에 잠기면서 움직여야 하기 때문에 부식과 바이오푸울링 문제도 증가합니다.
전반적으로 조력 발전이 곧 전력망에 큰 기여를 할 가능성은 낮아 보입니다.
하지만 셰틀랜드와 오크니 제도와 같은 섬 지역에서는 조력 발전이 매우 유용한 솔루션이 될 수 있습니다. 이러한 섬들은 비용이 많이 드는 전력망 연결이나 화석 연료 수입이 필요합니다.
해류를 활용한 재생 에너지
깊은 바다의 지속적인 해류는 조력보다 더 큰 에너지원을 제공할 가능성이 있지만, 현재는 이론적인 단계에 머물러 있습니다.
하지만 극심한 수심과 해안으로부터의 거리, 그리고 해류 교란 위험 때문에 가까운 해류가 현재는 더 현실적인 옵션으로 여겨집니다. 덜 강력하지만 해안에 가까운 해류가 더 현실적인 선택이 될 수 있습니다.
파력: 바다의 파도를 전기로 전환
조수보다 더 널리 존재하는 파도는 이론적으로 무한에 가까운 에너지 원이며, 바다 에너지 잠재력의 거의 절반을 차지합니다(풍력을 제외).
출처: IRENA
현재도 다양한 설계가 검토 중이며, 아직 어느 설계가 명확히 우수하거나 대량 생산된 사례는 없습니다. 전반적인 아이디어는 물 높이의 상승·하강, 부표의 진동, 혹은 부표의 회전을 이용해 에너지를 수확하는 것입니다.
출처: IRENA
기술 준비도는 조력보다 낮지만, 파력은 2040년까지 주요 에너지 공급원이 될 수 있습니다. 유럽 연합은 2030년까지 1 GW, 2040년까지 40 GW의 해양 파력 출력을 목표로 하고 있습니다.
“파력 장치는 폭풍 조건을 견디도록 설계되어야 하며, 이는 기후가 따뜻해짐에 따라 점점 더 극심해지는 폭풍에 대한 큰 우려가 됩니다.
파력은 풍부하지만, 비용이 많이 들고 기술적으로 활용하기 어렵습니다.”
Conchúr Ó Brádaigh – 셰필드 대학교 공학부 부총장
이 솔루션은 지역 파도 크기에 크게 의존하며, 북대서양, 북태평양, 호주 남부가 가장 유망한 후보지로 꼽힙니다.
출처: ResearchGate
해양 열에너지: 아래의 열을 활용
(OTEC) 은 따뜻한 표면수와 깊은 곳의 차가운 물 사이의 온도 차이를 이용합니다. 이러한 열 구배는 이론적으로 매우 강력한 에너지 생산이 가능합니다.
출처: Britannica
경제적으로 실현 가능하려면, 표면 아래 1,000 m 이내에서 온도 차이가 최소 20 °C(36 °F) 이상이어야 합니다.
온도 구배가 클수록 에너지 생산 잠재력이 커지고 비용이 낮아지므로, 따뜻한 열대 해역과 급격히 떨어지는 해저가 있는 동남아시아, 멕시코와 브라질 연안이 가장 유리합니다.
OTEC 설비는 육상(해양으로 파이프를 연결) 또는 부유식이 될 수 있습니다. 부유식은 설치 가능한 부지가 많지만 건설·유지 비용이 더 높습니다. 해상에서 생산된 전력은 전력 케이블을 통해 육상으로 전송하거나, 수소·메탄올·암모니아와 같은 연료 형태로 현장에서 생산해 해안으로 운송해야 합니다.
OTEC의 긍정적인 부수 효과로는 영양분이 풍부한 심층수를 표면으로 끌어올려 친환경 해양 양식에 활용하거나, 식물성 플랑크톤 성장을 촉진해 탄소 포집에 기여할 수 있습니다.
부유식 태양광 농장: 해수면을 최대한 활용
해양 자체 에너지를 이용하는 것 외에도, 바다는 넓은 표면적이라는 풍부한 자원을 제공합니다.
육지는 농업이나 자연 서식지로 사용되며 평방미터당 비용이 높지만, 대부분의 해수면은 생산성이 낮아 특히 고태양 복사량을 받는 열대 지역에서 활용도가 높습니다.
또한 해상 태양광 농장은 인근 주민이나 경관에 대한 반대가 거의 없으며, 해상 부유식 태양광 필드는 매력적인 옵션이 됩니다.
출처: RWE
또한 바다 표면에 반사되는 햇빛은 전체 일사량을 증가시켜, 양면형 태양광 패널을 활용하면 더 많은 에너지를 생산할 수 있습니다.
차가운 해수는 패널을 냉각시켜 내구성을 높이고 최대 출력 효율을 향상시킵니다.
아프리카, 카리브해, 남미, 중앙아시아 등 여러 국가가 부유식 태양광 패널(FPV)을 도입하면 연간 전력 수요의 40~70%를 충당할 수 있습니다. 핀란드와 덴마크와 같은 선진국도 각각 연간 수요의 17%와 7%를 충당할 수 있습니다.
하지만 이 설계에는 몇 가지 위험이 존재합니다.
첫 번째 과제는 염분입니다. 염분은 전기 시스템과 지지 구조물의 부식을 촉진하고, 바다 스프레이에 의한 염 결정이 패널에 축적되어 광전 변환 효율을 감소시킵니다. 한 가지 해결책은 중국 화난그룹(Huaneng Group)이 시범 프로젝트인 황해 1호에서처럼 태양광 플랫폼을 해수면 위로 높게 올리는 것입니다.
출처: Daily Galaxy
또 다른 잠재적 문제는 폭풍과 허리케인으로, 부유식 태양광 설비가 구축된 지 얼마 되지 않아 에너지 회수 비용을 초과하는 손상을 입을 수 있다는 점입니다.
따라서 담수 호수 위에 직접 떠 있는 구조와 달리, 해상 태양광 발전소는 미니 석유 시추선과 유사한 부유식 플랫폼에 설치되는 것이 더 현실적일 수 있습니다.
심해 지열 에너지: 미래의 개척지
이론 단계에 머물고 있지만, 심해 지열은 장기적으로 많은 국가, 특히 태평양 “불의 고리”에 위치한 국가들에게 중요한 에너지원이 될 수 있습니다.
출처: HowStuffWorks
해양 지각은 대륙 지각보다 얇아(4 마일 대비 10~43 마일) 깊은 시추 없이도 높은 온도에 도달할 수 있습니다.
출처: GeologyIn
이 잠재 에너지를 활용하려면 지열 에너지 분야의 추가적인 진전이 필요합니다. 자세한 내용은 “지열 발전: 빨갛게 뜨거운 녹색 에너지”에서 다루었습니다.
궁극적인 형태는 현재 석유 생산에 사용되는 초심해 시추와 개방형·폐쇄형 루프 지열 발전을 결합한 형태가 될 가능성이 높습니다.
출처: BGS
해수에서 추출한 우라늄: 새로운 핵연료 원천
풍력, 태양광, 조력, 파력 외에도, 바다는 놀라운 방식으로 저탄소 에너지 원천이 될 수 있습니다. 바로 지구상에서 가장 큰 우라늄 매장지인 해수입니다.
해수에는 미량의 용해된 우라늄이 존재하며, 바다의 방대한 부피 덕분에 효율적인 추출 공정만 있다면 거의 무한에 가까운 방사성 연료 공급원이 됩니다. 추정량은 45억 톤에 달하며, 이는 육상 우라늄 매장량보다 약 1,000배 많습니다.
우리는 최근 표면적이 넓은 탄소 섬유 직물을 이용해 우라늄 이온을 포획하는 전기화학 반응이 기술적 돌파구가 될 수 있다고 보도했습니다.
러시아가 운영 중인 부유식 원자력 발전소 모델과 덴마크 Saltfoss와 같은 기업이 실험 중인 프로토타입을 결합하면, 해양이 미래 핵전력의 핵심이 될 수 있습니다.
출처: Saltfoss
조류 바이오연료: 바다에서 에너지 재배
마지막으로, 바다가 직접 에너지를 생산하는 방법으로 미세조류를 수확해 바이오연료와 플라스틱 등 바이오소재를 생산하는 방식을 들 수 있습니다.
해수를 이용하면 바이오연료 시설에 물 공급 문제를 해결할 수 있으며, 햇빛이 풍부하고 담수가 제한된 반사건조 지역이 최적의 재배 환경이 됩니다.
상업적 타당성을 확보하려면 조류 수확량을 지속적으로 최적화하고, 배양 오염 위험을 관리하며, 바이오디젤 등 사용 가능한 연료로의 전환 효율을 높여야 합니다.
수소, 암모니아, 메탄올
해수는 전기분해를 통한 수소 생산의 원료가 될 수 있습니다. 일반적으로 해수에서 수소를 생산하면 염분이 전극 촉매를 손상시킬 수 있어, 먼저 담수화가 필요합니다.
우리는 최근 태양광 패널, 증발식 담수화, 현지 수소 생산을 결합한 설계에 대해 논의했습니다.
생산된 수소는 암모니아나 메탄올로 전환되어 저장·운송이 용이한 녹색 연료가 됩니다.
해수에서 수소와 녹색 연료 생산
태양광을 이용한 담수화: 더 친환경적인 담수 솔루션
바다에서 직접 에너지를 생산하는 것 외에도, 해양은 현재 에너지를 많이 소비하는 활동을 대체해 배출량을 낮출 수 있습니다.
첫 번째 예는 앞서 언급한 담수화로, 많은 국가에서 필수적인 담수 공급원입니다. 해양에 직접 햇빛을 비추는 개선된 담수화 방법은 담수 생산에 필요한 에너지 수요를 크게 줄일 수 있습니다.
해수 냉각 시스템: 효율적인 연안 에어컨
이 개념은 해양 열에너지 변환(OTEC)과 유사하게 깊은 바다의 차가운 물을 활용합니다. 하지만 전기로 변환할 필요 없이 냉각수로 직접 사용하기 때문에 훨씬 효율적입니다.
출처: Solar Impulse
이 시스템은 기존 에어컨 대비 42%의 에너지를 절감할 수 있습니다(해저 930 m 깊이까지 2.6 km 파이프가 필요).
주요 실험 프로젝트로는 ENGIE의 20 MW Thassalia와 EDF의 21 MW Massileo 프로젝트가 있습니다.
이 시스템의 한계는 기존에 중앙집중식 에어컨 시스템이 구축돼 있어야 하며, 해저가 충분히 가파른 경사를 가져야 파이프를 짧게 설치할 수 있다는 점입니다.
해저 에너지 저장: 펌프식 수력 및 중력 배터리
심해 펌프식 수력 저장
해양을 배터리처럼 활용하는 또 다른 옵션이 있습니다.
첫 번째 방법은 심해 펌프식 수력 저장입니다. 이는 댐과 산을 이용한 기존 펌프식 수력 저장과 유사하지만, 대신 해양 깊이를 활용합니다.
이는 충분한 규모의 부지를 찾기 어려운 기존 펌프식 수력 저장의 주요 문제를 해결할 수 있습니다. 수력 저장은 주당·월당 에너지 저장이 가능하고, 70‑80%의 높은 저장 효율을 자랑하는 검증된 기술입니다.
파일럿 프로젝트로 “StEnSea(Sea에 저장된 에너지)”가 이 아이디어를 탐구하고 있습니다.
해저 600~800 m 깊이에 위치한 중공 콘크리트 구체들을 이용해 압력이 큰 환경에서 물을 저장합니다.
출처: Clean Technica
전력 수요가 낮을 때는 전기 펌프를 이용해 구체 내부의 물을 빼내 전력을 저장하고, 수요가 증가하면 물을 다시 채워 압력으로 에너지를 회수합니다.
이 시스템은 해상 풍력과 함께 배치될 수 있어, 간헐적인 풍력 생산을 완충하면서 동일한 전력 케이블을 이용해 에너지를 육지로 전송할 수 있습니다.
기술‑경제성 평가에 따르면 StEnSea 시스템은 기존 펌프식 수력 저장(PHES)과 비용 경쟁력을 갖습니다.
또한 여러 StEnSea 유닛을 결합해 플랜트를 구성하면 모듈식 설계가 가능해 적용 범위가 확대됩니다.
해양 중력 배터리: 깊이로 전력 저장
해양 깊이를 활용해 중력 배터리를 구축하는 아이디어는 “비화학적 배터리 대안”에서 논의한 바와 같이, 무거운 암석·콘크리트 블록·철광석 등을 상승·하강시켜 전기를 저장·발전하는 방식입니다.
중력 배터리의 핵심 부품은 이미 대량 생산된 앵커, 금속 케이블, 교류기, 전동기 등으로 구성됩니다. 저장 효율은 80‑85%이며, 희귀 금속 없이 50년까지 사용할 수 있습니다. 전력 생산도 매우 유연하고 반응성이 뛰어나며 장기간 지속됩니다.
“수십~수백 미터” 깊이에서는 저장 용량이 제한적이므로, 가능한 한 깊은 광산 샤프트나 절벽을 활용해야 합니다.
부유식 플랫폼이 깊은 해저 위에 설치되어 수천 미터에 걸쳐 무게를 올리거나 내릴 수 있습니다. 이 개념은 Deep Ocean Gravitational Energy Storage(DOGES)라고 불리며, 프랑스 스타트업 Sink Float Solutions가 개발 중입니다.
“현재 가장 큰 적재 용량을 가진 해상 크레인은 4,000톤을 들어올릴 수 있으며, 시속 20 km의 수직 속도로 움직이면 200 MW의 전력을 생산할 수 있습니다. 동일 부지에 여러 와인치를 병렬로 사용할 수 있습니다.”
이 방법의 장점은 해수에 직접 노출되는 부품이 금속 케이블과 암석·콘크리트만으로 단순해, 민감한 전기·전자 부품은 부유식 플랫폼 위에 배치할 수 있다는 점입니다.
마무리 생각: 깨끗한 에너지의 물결을 일으키다
지구의 바다와 해양은 해상 풍력, 심해 열구배 활용, 조수·파도 등으로 아직 활용되지 않은 가장 큰 에너지 자원일 수 있습니다. 같은 해수의 특성은 담수화나 냉각에도 활용될 수 있습니다.
해수에 햇빛을 비추어 수소나 바이오연료를 생산하면 전기화가 어려운 분야의 탈탄소화에도 기여할 수 있습니다.
또한 해수에서 우라늄을 정제하거나 심해 지열을 활용하는 등 미래 에너지 생산의 핵심 자원이 될 가능성도 있습니다.
마지막으로, 중력 배터리와 심해 펌프식 수력과 같은 해저 에너지 저장 기술은 강력하고 확장 가능한 옵션이 될 수 있습니다.
하지만 이러한 모든 가능성은 염분 부식, 염 결정, 바이오푸울링, 그리고 폭풍·허리케인이라는 현실적인 어려움에 의해 제약받습니다.
역설적으로, 이러한 문제에 대한 해결책은 해양 플랫폼을 구축하고 복잡하고 섬세한 기계를 유지해 온 석유·가스 산업의 오랜 경험으로부터 크게 혜택을 받을 가능성이 높습니다.
