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

계룡시 모 고교서 3학년 학생이 교사 피습

충남 계룡시의 한 고등학교에서 3학년 학생이 교사에게 흉기를 휘두르는 충격적인 사건이 발생했다. 등교 직후 학생들이 교실에 머무는 시간대에 교내에서 벌어진 사고로 교육 현장의 안전 관리 체계에 대한 우려가 커지고 있다. 논산경찰서와 소방 당국에 따르면, 13일 오전 8시 44분경 계룡시 소재 모 고등학교 교장실에서 이 학교 3학년인 A 군이 30대 남성 교사 B씨를 향해 흉기를 휘둘렀다. 당시 경찰의 119 공동 대응 요청을 받고 출동한 구급대원들은 등과 목 부위를 다친 B 교사를 인근 대학병원으로 긴급 이송했다. 다행히 B 교사는..

#행정수도 #특별법 #국토교통위원회

"국회 국토위 법안소위, 14일 행정수도 건설 특별법 결론내자"

4월 14일 열리는 국회 국토교통위원회 법안심사소위원회에서 '행정수도 건설 특별법' 처리를 요구하는 목소리가 커지고 있다. 특별법 없이는 대통령 집무실과 국회의 안정적인 이전이 어려운 만큼, '밤샘 논의'를 통해서라도 결론을 내자며 강하게 압박하고 있다. 조국혁신당 황운하(비례)·무소속 김종민 의원(세종시갑)은 13일 오전 국회 소통관에서 공동 기자회견을 열고, "14일 국토위 법안소위에서 행정수도 특별법을 최우선 안건으로 상정하고 밤샘 논의를 통해서라도 통과시키자"고 촉구했다. 더불어민주당 강준현(세종시을)·이정문(천안시병) 의원..

#폭발 사고 #LP가스 누출 #청주시

꼭두새벽에 '쾅' 폭발음에 전쟁이라도 난 줄, 청주 봉명동 폭발사고 처참한 현장

13일 오전 4시께 청주시 흥덕구 봉명동 일원에서 LP가스 누출로 추정되는 폭발 사고가 발생해 인근 아파트와 상가 유리창과 차량이 파손됐다. 새벽 시간이라 대부분 잠을 자고 있던 주민들은 폭발음에 놀라 대피하는 등 소동이 벌어졌다. 폭발로 인한 파편으로 인근 주택과 아파트 유리창이 깨지고 주민 15명이 부상 치료 중인 것으로 파악되고 있다. 주민들은 "전쟁이라도 난 줄 알았다. 어디부터 수습해야 할지 막막하다"며 놀란 가슴을 쓸어 내리기도 했다. 처참했던 사고 당시 현장 화면을 영상에 담았다. 금상진 기자금상진 기자 | 영상:독자제..