조력발전

바다로부터도 적당한 기술만 적용하면 상당한 에너지를 얻을 수 있다. 조수, 파도, 바다물의 상하 온도차를 이용한 에너지 생산기술은 현재 연구 중이거나 실용화 단계에 들어와 있다. 이들 기술 중에서 현재 실용화 단계의 것은 조수를 이용한 조력발전이다. 조수는 달이 지구에 가하는 중력의 힘에 의해서 일어나기 때문에, 조력발전은 다른 대부분의 재생가능 에너지가 태양으로부터 오는 것과 달리 달로부터 전달되는 힘을 이용하는 것이다.

조력의 이용은 초기에는 간만의 차이가 심한 곳에 커다란 댐을 만들어서 전기를 생산하는 것이었다. 왜냐하면 당시의 기술은 수력발전으로부터 빌어온 것으로 조수가 수력 터빈을 돌릴 수 있을 만큼 힘이 강해야만 하기 때문이다. 이러한 조력발전에 적합한 곳은 밀물과 썰물이 강한 좁은 만이나 양쪽에 삐죽 나온 곶이 있는 바다물의 통로이다. 여기서 만이나 통로를 가로질러, 즉 조수의 방향과 직각으로 육지를 잇는 댐을 세우고 댐 속에 터빈을 설치하는 것이다. 그러나 여기서는 두가지 토목공학적인 문제가 발생한다. 하나는 하루의 절반은 조수가 육지를 향해서 밀려들어오고, 나머지 절반은 조수가 육지로부터 멀어져간다는 것이다. 다른 하나는 조수의 힘이 계속해서 바뀐다는 것이다. 간조때와 만조때는 조수의 흐름이 정지되므로 이 힘도 제로가 된다. 그러나 간조에서 시작해서 조수의 흐름이 바뀐 후 세시간이 지나면 힘은 최대가 된다. 만조 후 세시간 후에도 흐름의 방향만 바뀌지 힘은 최대가 된다. 조수의 미치는 범위에도 연중 변화가 있다. 달이 보름달이거나 그믐달일 때는 달, 지구, 태양이 일직선으로 늘어서기 때문에 서로 끌어당기는 힘이 강해져서 바다물도 높이 올라간다. 이 때를 사리라고 하는데, 물이 높이 찼다가 밀려가기를 반복하기 때문에 조수의 힘도 가장 강해진다. 그러나 반달일 때는 달, 지구, 태양이 직각으로 배열되어 있어 끌어당기는 힘이 약해지고 조수의 힘도 약해진다. 이렇게 물이 많이 차지 않는 때를 조금이라 한다.

조수의 힘이 하루에도 여섯시간마다 제로로 떨어지는 등 변화가 심하기 때문에 댐을 건설할 때는 이러한 점을 세심하게 고려해야 하고, 물을 댐 속에 가두어둘 수 있는 장치도 건설해야 한다. 현재 전세계에서 가동중인 유일한 조력발전소는 프랑스의 부르타뉴 해안 라 랑스(La Rance)에 설치된 것과 러시아에 설치된 것이다. 프랑스의 조력발전소는 1961년부터 1967년에 걸쳐 건설되었고, 240메가와트의 발전용량을 지니고 있다. 이 발전소에는 24개의 10메가와트급 전구형 터빈이 설치되어 전기를 생산한다. 그밖에도 간만의 차이가 심한 곳이 많은 영국에서도 조력발전이 진지하게 고려되었지만 투자비용과 환경영향 때문에 실현되지는 못했다. 사실 수력발전과 유사하게 댐을 건설해서 발전하는 조력발전 방식은 바다를 막아 물의 흐름에 커다란 영향을 주기 때문에, 어업이나 연안 양식업에 지장을 주고 갯벌을 파괴할 우려가 있다. 연안 생태계에 부정적인 영향을 미칠 가능성도 배제할 수 없다. 이러한 환경적인 면에서의 문제 등으로 인해 커다란 댐을 이용하는 조력발전은 더 이상 확대되지 못했고, 현재는 거의 폐기된 상태이다.

최근에 개발되어 실용 단계에 들어간 좀더 환경친화적인 조력발전은 수력터빈을 이용하는 것이 아니라 풍력발전기에서 사용되는 것과 비슷한 날개를 돌려서 발전하는 것이다. 규모도 댐 방식에 비해서 훨씬 작다. 이것은 그림과 같이 바다 밑바닥에 박힌 기둥 중간에 날개가 달려 있고, 이 날개가 조수에 따라 회전하면서 전기에너지를 생산하도록 되어 있다. 날개는 해수면으로부터 10미터 아래에 놓여진다. 이러한 발전방식은 댐 방식에 비해서 여러 가지 잇점을 가지고 있는데, 바다의 경관을 해치지 않고 갯벌에도 아무런 영향을 미치지 않으며, 아무런 소음도 일으키지 않는다는 것이다. 이러한 발전기는 조수가 있는 곳에는 어디에나 큰 문제 없이 세울 수 있기 때문에 이로부터 얻을 수 있는 전력 잠재량은 대단히 클 것으로 예상된다. 세계에서 조수가 가장 심한 영국의 경우 잠재량은 영국 전체 전기수요의 20%로 추정된다.

영국에서 개발된 조력터빈은 그림과 같이 1메가와트급의 것으로 독일에서 개발된 것과 같이 바다 밑에 박힌 기둥에 설치되어 있다. 같은 용량의 풍력발전기와 비교하면 날개의 지름이 3분의 1밖에 되지 않는데, 그 이유는 바다물의 에너지 밀도가 바람의 에너지 밀도보다 훨씬 높기 때문이다. 같은 1메가와트급 풍력발전기의 날개 지름은 60미터지만 조수터빈의 날개지름은 20미터에 불과하다. 또한 풍력발전기는 바람의 속도가 초당 4-5미터가 되어야 돌아가지만, 조력발전기는 바다물의 흐름이 초당 2미터가 안되어도 된다. 초당 2미터의 속도는 바람이 초당 18미터로 불 때와 같은 에너지 밀도를 지니고 있다. 미국에서는 알렉산더 고를로프가 다리우스형 수직축 풍력터빈의 변형으로 두 개의 날개가 나선형으로 올라간 헬리컬 터빈을 개발했다. 고를로프는 1996년에 원형을 제작해서 시험을 거쳤지만 아직 발전용으로 보급하지는 못하고 있다. 한국에서도 고를로프의 헬리컬 터빈을 이용해서 조력발전을 하려는 계획을 세우고 있지만, 실현될 수 있을지는 미지수이다.