[사이언스칼럼] 에너지·환경 산업에 활용되는 전산유체역학 시뮬레이션

  • 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 기자임효인 기자
박상신
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.

clip20221124090856
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

중도일보(www.joongdo.co.kr), 무단전재 및 수집, 재배포 금지

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. ‘도마 퀸’ 여서정, 금빛 질주 이어간다.
  2. 부산 영도 아이들이 고른 53곳, 한 장의 지도로
  3. 세종 행정수도특별법, 9월 논의 불발… 국감 이후 격랑 속으로
  4. 대전시 트램 공사에 버스전용차로 축소 대책마련 시급
  5. 국군의날 기념행사를 '국민과 함께' 원년되나
  1. 서산해미읍성, 600년 시간의 문 활짝, "서산의 맛과 사람들 한자리에"
  2. 제8대 세종경찰청장에 김보준 안보수사심의관 임명... 경찰청 경무관 인사 단행
  3. 전기연 원장에 강상희교수·원자력연 원장에 정우식 교수 선임
  4. 대전 옛 대덕경찰서에 ‘육군 AX 거점’ 10월 문 연다
  5. 예산장터 삼국축제 10주년…'린' 소주 20만 병에 축제 홍보

헤드라인 뉴스


[르포] "이게 선사시대 움집?"…둔산선사유적지 곳곳 `허술한 보존`

[르포] "이게 선사시대 움집?"…둔산선사유적지 곳곳 '허술한 보존'

29일 대전 서구 월평동 도심 한복판에 자리한 둔산선사유적지. 따스한 가을 햇살 아래 시민들은 산책을 하거나 벤치에 앉아 책을 읽으며 휴식을 취하고 있었다. 겉으로 보면 여느 도심 공원과 크게 다르지 않은 풍경이다. 하지만 유적지를 들여다보니 곳곳에서 어색한 장면이 눈에 띄었다. 입구에서 가장 먼저 보이는 것은 청동기시대 집터를 재현한 움집 세 채다. 그러나 가까이 다가가자 선사시대 움집 재현은 다소 실망스러운 모습이었다. 움집 외벽은 짚이나 갈대로 덮여 있었지만, 지붕에는 인조 볏짚 형태의 합성소재가 덧씌워져 있었고 군데군데 파란..

초고령화로 농협 조합원 10명 중 8명은 60세 이상… `기반 흔들`
초고령화로 농협 조합원 10명 중 8명은 60세 이상… '기반 흔들'

초고령화에 따라 농업협동조합 조합원 10명 중 8명은 60대 이상으로 나타났다. 신규 가입 조합원 역시 40대 미만은 7%대에 불과해 농협의 기반이 흔들리고 있다. 국회 농림축산식품해양수산위원회 국민의힘 강승규 의원(충남 홍성·예산)이 농협중앙회의 조합원 현황을 분석해 30일 제공한 자료에 따르면, 2026년 8월 기준 농협 조합원은 모두 202만 8464명으로 집계됐다. 2021년 208만 7359명에서 2022년 207만 6055명, 2023년 206만 3765명, 2024년 204만 6229명, 2025년 202만 7481명으..

공주시 제72회 백제문화제 10월 3일 개막... 웅진백제 역사·예술의 진수를 만난다
공주시 제72회 백제문화제 10월 3일 개막... 웅진백제 역사·예술의 진수를 만난다

제72회 백제문화제가 오는 10월 3일 개막하는 가운데 웅진백제의 역사와 예술을 결합한 대표 프로그램들이 관람객을 맞는다. 30일 공주시에 따르면 올해 백제문화제는 웅진백제의 핵심 유물인 '청동거울'과 무령왕비 서거 1,500주년의 역사적 의미를 담은 공연과 퍼레이드 등을 선보인다. 대표 공연인 '웅진판타지아'는 10월 4~5일과 7~10일 오후 9시 금강신관공원 주무대에서 모두 6차례 열린다. '청동거울에 비친, 찬란한 백제'를 주제로 대형 LED와 특수효과를 활용한 무대에 전문 무용수 등 40여 명이 출연한다. 공연은 잠들어 있..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • ‘나이는 숫자일 뿐’ ‘나이는 숫자일 뿐’

  • ‘개점휴업 언제까지’…구민들 의회 정상화 촉구 ‘개점휴업 언제까지’…구민들 의회 정상화 촉구

  • 10월부터 안전모 미착용 집중단속…벌점 10점도 부과 10월부터 안전모 미착용 집중단속…벌점 10점도 부과

  • ‘다시, 집으로’ ‘다시, 집으로’