[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. 천안시, 광덕면 물놀이 관리지역 현장 안전점검 실시
  2. 천안시, 여름 휴가철 하천·계곡 불법행위 특별단속
  3. ‘안전모를 착용합시다’
  4. 대전교육청 교육국장에 명달호… 9월 1일자 181명 인사
  5. [현장에서 만난 사람]세계 최대 반도체 공정 장비 제조 기업 ASML 한종호 매니저
  1. '위안부' 기림절, 세종서 만난다… 역사의 아픔 치유, '평화의 장'
  2. 천안시, 고액·상습 체납자 가택수색…승용차 압류·공매 착수
  3. 천안시, 2026 을지연습 전시종합상황실 근무자 사전교육
  4. 천안시청소년상담복지센터, '스마트폰 가족치유캠프' 운영
  5. 대전농협-기성농헙-고향주부모임대전시지회, 이심점심 중식지원 봉사활동

헤드라인 뉴스


홈플러스 충청권 5곳 영업 재개…상품 채우기 ‘속도전’

홈플러스 충청권 5곳 영업 재개…상품 채우기 ‘속도전’

기업회생 절차에 들어간 홈플러스가 긴급운영자금 2000억 원을 확보하면서 충청권에서도 영업을 다시 시작했다. 장기간 문을 닫았던 점포가 재개장하면서 소비자들의 발길이 이어지고 있지만, 아직 상품 입고가 충분하지 않은 곳도 있어 매장 정상화까지는 시간이 걸릴 전망이다. 9일 유통업계에 따르면 홈플러스는 지난 7일부터 영업을 중단했던 전국 67개 점포를 대상으로 가오픈을 진행하고 있다. 충청권에서는 대전 유성점과 가오점, 세종점, 충남 논산점과 보령점 등 5개 점포가 영업 재개 대상에 포함됐다. 이번 영업 재개는 지난달 13일 임시 휴..

빚투에 청년·고령층 대출 연체 늪... 시중은행 마통·신용대출 연체율 급증
빚투에 청년·고령층 대출 연체 늪... 시중은행 마통·신용대출 연체율 급증

올해 들어 주요 시중은행의 마이너스 통장과 신용대출 연체율이 급증하며 20대 이하와 60대 이상 차주들의 부실 징후가 두드러지고 있다. 빚 내 주식 투자에 뛰어든 청년층과 고령층이 대출 연체에 빠진 것으로 보인다. 9일 국회 재정경제기획위원회 소속 국민의힘 이종욱 의원이 금융감독원에서 제출받은 자료에 따르면, 5대 은행(KB국민·신한·하나·우리·NH농협)의 올해 6월 말 기준 개인 신용한도대출(마이너스통장) 연체율은 0.22%로 집계됐다. 2025년 말(0.18%)보다 0.04%포인트 상승했다. 5대 은행의 마이너스통장 잔액은 20..

폭염 피해 숲과 계곡으로…음성군 여름 힐링 명소 3선 `눈길`
폭염 피해 숲과 계곡으로…음성군 여름 힐링 명소 3선 '눈길'

연일 30도를 웃도는 가마솥더위 속에서 음성군이 맑은 계곡과 지방정원, 울창한 숲을 품은 봉학골·백야자연휴양림·수레의산 자연휴양림을 여름철 대표 힐링 여행지로 제안했다. 7일 군에 따르면 가섭산 자락에 자리한 봉학골은 '산의 길', '물의 길', '꽃의 길' 등 세 가지 테마로 조성된 삼색길을 따라 각기 다른 자연 풍경을 즐길 수 있는 음성의 대표 휴양지다. '산의 길'은 충북자연환경 100선에 선정된 봉학골산림욕장 계곡을 따라 이어진다. 약 20만㎡ 규모의 산림욕장에는 조각공원과 자연학습장, 맨발 숲길이 마련돼 있으며, 새로 조성..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 쓰레기와 악취에 몸살 앓는 으능정이거리 쓰레기와 악취에 몸살 앓는 으능정이거리

  • 도심 속 시원한 물놀이 도심 속 시원한 물놀이

  • ‘안전모를 착용합시다’ ‘안전모를 착용합시다’

  • 극한 폭염 속 안전한 열차 운행을 위한 선로관리 극한 폭염 속 안전한 열차 운행을 위한 선로관리