오피니언
사이언스칼럼

[사이언스칼럼] 에너지·환경 산업에 활용되는 전산유체역학 시뮬레이션

박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 책임연구원

승인 2022-11-24 16:55
신문게재 2022-11-25 18면

임효인 기자

박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 책임연구원

18세기 영국에서 시작된 1차 산업혁명은 전 세계 여러 지역으로 확산되며, 에너지에 대한 수요가 급증하는 결과를 초래했다. 현재 에너지원으로 주로 사용되는 원료는 석탄, 원자력, 가스, 오일 등이 전체 원료의 84% 이상 차지하고 있다. 이들 원료는 대부분 화력 발전 혹은 원자력 발전으로 열에너지를 전기 에너지로 전환시켜 산업 분야뿐만 아니라 일반 가정에서 매우 중요하게 활용되고 있다. 최근에는 석탄, 가스 및 오일 등을 원료로 하는 화력발전에서 발생하는 이산화탄소로 인한 기후위기와 분진으로 인한 미세먼지 때문에 풍력, 수력, 태양광, 수소에너지와 같은 신재생에너지의 비율이 점차 증가하는 추세다. 이렇듯, 이산화탄소 발생이 없어 기후위기에서 자유로운 탄소중립 정책은 대한민국뿐만 아니라 전 세계 138개국이 참여하여 신재생 에너지의 비율은 점차 확대되고 있다.

기존 에너지·환경 산업 분야에서는 다양한 화력 발전과 원자력 발전에 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션이 광범위하게 적용 및 활용되고 있다. 가령, 고온·고압의 화력 및 원자력 발전의 가혹한 운전 조건아래 직접 운전을 하지 않더라도 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 최적의 운전조건을 도출할 수 있다. 특히, 석탄, 가스, 오일 등의 성상 및 운전 조건에 따라 달라지는 연소기(원료를 연소시켜 열에너지를 생산하는 설비)에 안정성, 열효율, 오염물질의 배출 성상을 미리 파악할 수 있다. 또한 연소 가스가 한쪽으로 치우치는 편류 현상과 유동의 흐름에 민감한 비산재의 방향을 미리 예측하여 설비 내에 침식을 막을 수 있다. 다양한 발전소의 설계안에 대해서도 가장 적은 노력으로 가장 높은 에너지 효율을 갖는 설계안을 찾아 시공단계에 적용이 가능하다. 특히, 화력 발전소 운전과정에서 발생하는 이산화탄소, 유해가스, 미세먼지 등을 정화시키기 위한 화력 발전 설비 후단의 환경 설비(집진기, 스크러버, 사이클론 등)의 최적 설계에 적극 활용돼 에너지 설비 분야뿐만 아니라 환경 설비 분야에도 그 활용도가 검증되고 있다.

요즘 이슈화되고 있는 기후위기와 환경문제를 고려한 신재생 에너지 산업 분야에서도 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션은 이미 광범위하게 활용되고 있다. 특히, 신재생 에너지 분야의 대표 산업인 풍력 발전은 단일 풍력 발전 터빈에서 여러 대의 풍력 발전 터빈(풍력 발전 단지)까지 불어오는 바람의 유동과 풍력 터빈을 거친 후 유동 특성을 미리 파악하여 최적화된 풍력 터빈 날개 설계에서부터 앞 풍력 터빈에 의한 유동 영향을 최소화하는 후단 풍력 터빈 위치까지 선정할 수 있다. 특히, 풍력 발전 단지의 경우 지형과 날씨 특성을 고려한 유동 해석이 매우 중요하다. 현재는 컴퓨터 및 수치적 모델링의 발달에 힘입어 이러한 특성들까지 고려한 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션이 가능해져 실제와 유사한 유동 특성 해석결과를 얻을 수 있다. 또한 바람에 의해 회전하는 풍력 발전 터빈의 지지체 구조 해석과 소음 예측을 통해 민가에 소음으로 인한 피해를 최소화할 수 있다.

최근 태양광 및 태양열을 통합하는 복합 태양 에너지 모듈화 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 기존의 태양전지와 태양광/열을 모두 에너지화하는 분야로써, 모듈 내에 물 혹은 공기를 통한 태양 열에너지의 열전달 특성을 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 예측하여 높은 에너지 효율을 갖는 설계안 및 운전조건을 도출할 수 있어 모듈 내 열·유동 해석 연구에 많이 활용된다.

다양한 에너지·환경 산업에 활용되는 컴퓨터 시뮬레이션 적용 사례. (출처 태성에스엔이 (TSNE), https://www.tsne.co.kr/pc/public/sub2/11-0-0.php)

이렇듯, 다양한 에너지·환경 산업에 최적화된 설계인자 도출에서부터 실제 운용에서 발생할 수 있는 여러 문제점들의 예측과 사전 예방까지 이 모든 공정에 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션이 가장 중요하게 활용된다. 또한, 이것은 저비용으로 신속·정확한 엔지니어링 데이터를 확보 및 최적화된 솔루션을 제시하고 설계에 반영할 수 있어 에너지·환경 산업의 연구·개발에 필수적이다. 박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 책임연구원

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

헤드라인 뉴스

李정부 5극 3특 성장엔진 산업 발표 코앞…충청권 들러리 되나

정부가 5극 3특 국가균형발전 전략에 따라 권역별 성장엔진 산업을 이르면 내달 발표할 전망인 가운데 충청권의 위기감이 커지고 있다. 반도체, AI 등 국가 핵심 산업 투자가 이미 영호남으로 대거 몰리면서 충청권은 들러리 신세가 되는 것 아니냐는 걱정이 앞선다. 반도체 생산 인프라 조성이 골자인 '3대 메가 프로젝트'가 호남으로 집중 배치 됐고 최근 산업통상부 지역 산업단지 AX(인공지능 전환) 지원 사업도 영남 쏠림이 뚜렷하기 때문이다. 이재명 정부 집권 2년 차 굵직한 국책사업 선정이 유독 충청권만 소외되는 기류가 짙어지고 있는데..

#시중은행 #주택담보대출 #매수자

주요 시중은행 대출 조이자 주택 매수자 발등에 '불'

주요 시중은행이 주택담보대출 조이기에 나서면서 주택 매수자들의 발등에 불이 떨어졌다. 주택 매수를 위해 계약서를 작성했던 이들은 잔금 날을 앞두고 대출이 가능한 은행을 수소문하며 발을 동동 구르고 있다. 12일 금융권에 따르면 KB국민은행은 10일부터 전국 주택구입자금 목적의 주담대 한도를 기존 6억에서 3억으로 대폭 삭감했다. 시중은행이 주담대 한도를 3억으로 낮춘 건 이번이 처음이다. 당초 수도권을 대상으로 규제했던 금액이 전국으로 확대되면서 대전도 주택구입자금 대출이 최대 3억 원까지 한도가 조정됐다. 생애최초 주택구입자도 포..

#충남대 #공주대 #대학 통합

충남대·공주대 통합 첫단추…14일 단일안 윤곽 나오나

충남대와 국립공주대의 대학 통합 논의가 다음 주 중대 분수령을 맞는다. 정족수 미달로 지난 9일 열리지 못한 충남대 통합위원회가 7월 14일 다시 개최돼 단일 교명과 대학본부 소재지 등 통합신청서에 담길 핵심 사항을 논의한다. 이후 구성원 의견수렴과 학내 심의 절차가 예정돼 있어 통합 추진 일정도 속도를 낼 전망이다. 12일 충남대 등에 따르면 통합위는 지난 9일 오후 제2차 회의를 개최할 예정이었지만 정족수를 채우지 못해 무산됐다. 통합위는 전체 위원 28명 가운데 과반인 15명 이상이 참석해야 회의를 진행할 수 있지만, 이날 참..