[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. 대전교육 오석진號 출범 준비 본격화… 인수위 동부교육청에 마련
  2. 8일 한국타이어 대전공장 정전…한전 원인 조사 중
  3. 66년 만에 이름 찾은 대전고 학생… 국가유공자 김태진 선생, 기념회 천만원 기탁
  4. [풍경소리] 물의 길을 새기며
  5. [한화에어로 참사] 대표·사업장장 입건… 중대재해·산안법 본격 수사
  1. 대전 신탄진농협-대전청과(주), 짜장면 무료나눔 행사
  2. KDI "중동전쟁 영향 불구, 반도체 호황에 완만한 개선세"
  3. 대전 대동천 하상주차장 15일부터 폐쇄
  4. AI·VR로 첼시 팬 경험 제안… 한남대팀 국제 프로젝트 우승
  5. [편집국에서] 애연가의 권리주장(2)

헤드라인 뉴스


허태정號 출항…`이장우 브랜드` 손질 나서나

허태정號 출항…'이장우 브랜드' 손질 나서나

허태정 대전시장 당선인의 인수위원회가 9일 공식 출범하면서 이른바 '이장우 브랜드'의 향배에 관심이 쏠리고 있다. 특히 대전 0시축제와 꿈씨패밀리는 단순한 축제나 캐릭터를 넘어 이장우 시정 4년을 상징하는 트레이드 마크라는점에서 향후 존치 여부와 활용 방향에 지역사회의 관심이 집중되는 것이다. 9일 출범한 인수위는 민선 9기 시정 운영 방향을 설계하는 동시에 민선 8기 주요 정책과 사업에 대한 점검 작업에 착수한다. 허 당선인이 선거 과정에서 전임 시정의 정책 우선순위와 행정 기조를 비판하며 일부 사업 재검토 필요성을 언급해 온 만..

한화에어로 참사 일주일 만에 아워홈 용인공장서도 끼임 사고
한화에어로 참사 일주일 만에 아워홈 용인공장서도 끼임 사고

한화에어로스페이스 대전사업장 폭발 사망사고가 발생한 지 일주일 만에 한화그룹 계열 식품기업인 아워홈 용인공장에서도 중대 산업재해성 사고가 발생했다. 9일 경찰과 소방당국 등에 따르면 6월 8일 오후 2시 50분께 경기 용인시 처인구 남사읍 아워홈 용인2공장 4층 어묵꼬치 포장작업장에서 하청업체 소속 50대 근로자 A 씨가 컨베이어벨트에 목 부위가 끼이는 사고를 당했다. A 씨는 심정지 상태로 구조돼 오후 3시 25분께 병원으로 옮겨져 치료를 받고 있다. 경찰 관계자는 "부상자는 의식은 없으나, 심장 박동은 있는 상태"라며 "작년에도..

닭고기 소비자가 1년 새 20%가량 폭등... 밥상 물가와 외식물가 자극하나
닭고기 소비자가 1년 새 20%가량 폭등... 밥상 물가와 외식물가 자극하나

대전 닭고기 소비자 가격이 1년 새 20%가량 폭등하면서 밥상·외식 물가 부담을 키우고 있다. 복날과 월드컵 특수를 앞두고 닭과 관련된 식품 수요가 급격하게 늘어나는 시기에 원재료 가격 급등으로 전체적인 물가를 자극하고 있다. 9일 축산물품질평가원에 따르면 8일 기준 대전 육계 1kg 소비자 가격은 7273원으로, 1년 전 6064원보다 19.9%나 오른 것으로 집계됐다. 5월 말에서 6월 초까지만 하더라도 6900원으로 7000원선을 위협했으나 7000원을 넘어선 것이다. 대전 육계(1kg) 가격은 부산(7824원)과 세종(754..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 혹서기 이동노동자 생수 나눔 캠페인 혹서기 이동노동자 생수 나눔 캠페인

  • ‘무럭무럭 자라거라’ ‘무럭무럭 자라거라’

  • 대전시장직 인수위원회 현판식 및 전체회의 대전시장직 인수위원회 현판식 및 전체회의

  • 대전 대동천 하상주차장 15일부터 폐쇄 대전 대동천 하상주차장 15일부터 폐쇄