바이오매스용 해조류 대량 양식을 위한 자동화 시스템 개발

Development of The Automation System for Seaweed Biomass Mass Production

Abstract

The algae biomass is considered as one of the potential sources of ocean renewable energy because it can be easily mass-produced with abundant sunshine in the vast ocean space. However, the practical use of the biomass has been hindered by the lack of efficient and cost-effective harvesting and maintenance system so far. The algae biomass aquaculture systems are installed in far offshore locations in much larger scales compared to the conventional aquaculture systems so that the automatic seaweed planting and harvesting system needs to operate in heavy sea conditions in far offshore location. In this research, we develop a concept design of a mega-scaled aquaculture system and an automatic seaweed planting and harvesting system, which can operate in heavy seas and mass-produce the algae biomass.

1. 서론

바이오매스란 생물체로부터 얻어지는 유기물을 의미하며, 물리적 화학적 또는 생물학적 변환과정을 통해 에너지원으로 사용이 가능하다. 이미 오래전부터 고갈 위기에 놓인 화석 연료를 대체하기 위한 수단으로 다양한 연구가 진행되어 왔다. [1-2] 1세대 바이오매스는 옥수수나 사탕수수 같은 농작물에서 얻어지는 전분계를 활용한 방법이었으나, 식량 부족으로 인한 기아 문제와 관련된 도덕성의 상충으로 더 이상 발전하지 못하였다. 목질계를 활용한 2세대 바이오매스 역시, 낮은 성장 속도와 화학적 처리의 어려움으로 상용화에 이르지 못했다.

이러한 문제를 해결하기 위해 미세조류 또는 거대조류를 활용한 해조류 바이오매스가 대두되었으며, 이와 관련한 연구가 세계적으로 진행되고 있다. [3] 해조류를 활용한 바이오매스는 별도의 자원을 필요로 하지 않고, 넓은 공유수면과 태양 에너지만으로도 지속적으로 원료 생산이 가능하다는 장점이 있다. 특히, 삼면이 바다로 구성되어 있는 우리나라에서는 해조류의 대량 생산을 위한 천혜의 조건이 갖추어져 있어 해조류 바이오매스에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. [4] 다만, 현재 주로 식용을 목적으로 이루어지고 있는 노동집약적인 전통 양식 방법으로는 해조류 바이오매스에 필요한 대량의 원료 공급이 불가하며, 지속적이면서도 효율적인 해조류의 대량 생산에 대한 방법이 요구된다.

본 논문에서는 바이오매스용 해조류의 대량 생산을 위한 통합 자동화 시스템의 개념 설계와 이식, 채취 자동화 시스템의 시제품 제작 및 성능 검증을 통해 실제 적용 가능성을 제시하고자 한다. 특히 현재까지 바이오매스용 해조류로 가장 적합하다고 검증된 것은 다시마로서, 5개월 정도의 짧은 기간에 5m까지 자랄 수 있다. 또한. 우리나라의 완도 지역을 중심으로 식용 다시마 양식이 활발하게 이루어지고 있으므로 연구에 대한 접근이 용이하다. 따라서 본 논문에서는 바이오매스용 원료로서 다시마를 주 대상으로 고려하고자 한다.

2. 이식 자동화 시스템

기존의 다시마 양식 작업은 크게 3개의 공정으로 나뉘는데, 별도의 배양장에서 가느다란 씨줄에 다시마 종묘를 부착시켜 일정 크기까지 생장시키는 배양 공정, 배양이 완료된 다시마를 일정 길이(4∼5cm)로 절단하여 연승줄에 삽식하여 양식장에 설치하는 이식 공정, 마지막으로 생장이 완료된 다시마를 수확하는 채취 공정으로 나뉜다. 어민들을 대상으로 3개의 공정에 대한 Man-Hour를 분석한 결과, Table 1과 같이 이식 공정이 87%로 전체 양식 공정의 대부분을 차지한다. 특히, 씨줄을 연승줄에 삽식하는 공정이 44%의 비율을 보여 가장 자동화가 필요한 공정이라고 볼 수 있다. 현재 수작업으로 이식 공정을 수행할 경우 분당 5개의 씨줄을 연승줄에 이식하는 것이 가능한데, 자동화를 통해 분당 20개 이상의 씨줄을 이식하는 것을 연구목표로 삼았다.

Table 1. Man-Hour of Seaweed cultivation

기존 이식 공정의 수작업 방법은 2인 1조로 하여 한 사람이 일정 폭의 연승줄을 양손으로 잡고 비틀어 꼬임을 풀면서 공간을 확보하면, 다른 사람이 그 공간 사이로 일정 길이로 절단 된 씨줄을 하나씩 직접 삽입한 후에 꼬여있던 연승줄을 원위치시키는 방식이다. 따라서 이러한 수동 방식을 그대로 자동화시키는 개방형 씨줄 삽입 방식을 먼저 고려하고, 그 외에 연승줄의 꼬임이 풀어지면서 확보되는 공간을 항시 유지할 수 있는 오픈 가이드 방식, 연승줄을 꼬지 않고 원 상태에 스테이플을 이용하여 씨줄을 고정하는 스테이플러 방식 등 총 3가지 형태의 자동화 방안을 연구하였으며 그 내용은 다음과 같다.

2.1 개방형 씨줄 삽입 방식

개방형 씨줄 삽입 방식은 기존 공정을 그대로 자동화한 것이다.

Fig. 1과 같이 사람 손 역할을 하는 링크 장치가 연승줄을 비틀어 벌려 공간을 확보하고, 벌어진 공간에 씨줄을 삽입한 후 절단 장치를 이용해 씨줄을 잘라내는 방식이다. 기존 수작업과 다른 점은 배양 공정을 거친 씨줄을 배양틀(얼레)에 감겨 있는 형태를 그대로 적용하면서 씨줄의 길이를 조절할 수 있는 기능이 추가되었다. 이는 씨줄의 손상을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. Fig. 1의 개념설계안을 바탕으로 상세 설계 및 제작을 수행하여 Fig. 2와 같은 형태의 시제품을 제작하여 시운전을 수행하였다.

Fig. 1 Concept of open type

Fig. 2 Prototype of open type

개방형 씨줄 삽입 방식의 가장 큰 문제점은 3연으로 구성된 연승줄을 비틀면서 생기는 공간이 일정하지 못하다는 것이다. 수작업에서처럼 일정하지 못한 공간에 지능적으로 씨줄을 삽입하기 위해서는 보다 복잡한 기구부와 센서, 제어 기술이 추가되어야 하는데, 자동화를 통한 경제성 측면에서 현재로는 부적합하다고 볼 수 있다.

2.2 오픈 가이드 방식

오픈 가이드 방식은 초기에 한번 연승줄을 벌려 깔대기 형태의 가이드를 삽입하고, 가이드를 연승줄의 꼬임 나선 방향으로 돌리는 방식이다. 가이드에 의해 항상 씨줄을 공급하는 공간이 확보되고 이 공간을 이용해 개방형 씨줄 공급 방식과 같은 방법으로 씨줄을 이식하는 것이며 그 개념설계안은 Fig. 3과 같다

Fig. 3 Concept of open guide type

개념설계안을 바탕으로 Fig. 4와 같이 시제품을 제작하여 시운전을 수행하였는데, 가이드의 회전을 통한 씨줄 이식 위치 이동량이 일정하지 못하는 현상이 발생하였다. 이는 연승줄의 탄성으로 인해 발생하는 문제로 파악되었다. 또 다른 문제는 씨줄이 가이드에 위치한 후 가이드가 회전하면서 자연스럽게 연승줄에 안착되지 못하고 아래로 떨어지는 현상이 발생하였다. 두 가지 문제를 해결하기 위해서는 추가적인 센서와 제어기술이 필요해 지므로 이 방식 또한 경제성 측면에서 부적합하다고 판단된다.

Fig. 4 Prototype of open guide type

2.3 스테이플러 방식

스테이플러 방식은 기존처럼 씨줄을 연승줄의 꼬임 부분에 심는 방법이 아니라, 연승줄의 표면에 스테이플러를 이용해 고정시키는 방식이다. Fig. 5와 같이 원형 형태의 씨줄 공급기를 통해 씨줄을 연승줄에 위치시키는 것과 절단을 동시에 수행하고, 씨줄이 연승줄 표면에 위치하면 상부의 스테이플러가 작동하여 씨줄을 연승줄에 고정시키도록 되어 있다. 가장 간단하면서도 씨줄의 종묘에 손상을 덜 입히는 방법이며, 제어가 간단하고 동작 속도가 빠른 장점이 있어 실제 적용 가능성이 가장 크다고 할 수 있다.

Fig. 5 Concept of stapler type

Fig. 5의 개념설계를 바탕으로 실제 제작된 시제품은 Fig. 6과 같다. 스테이플을 고정시키는 장치는 공압으로 작동되는 산업용 표준 타카를 활용하였고, 회전형 씨줄 공급 가이드를 설치하여 씨줄의 공급 및 절단 시간을 최소화 시켰다.

Fig. 6 Prototype of stapler type

시제품을 이용하여 성능 평가를 수행한 결과는 Table 2와 같다. 75m 길이의 연승줄에 25cm의 간격으로 씨줄을 4cm 길이로 절단하여 고정시키는 작업을 300회 수행한 결과, 성공적인 작업 횟수가 250회이며 사이클 타임은 3sec가 소요되었다. 수작업의 사이클 타임인 12sec보다 4배가 빠른 속도이며, 초기 목표인 분당 20개의 씨줄 이식이 가능한 속도이다. 전체의 17%를 차지하고 있는 실패 횟수는 대부분 스테이플이 연승줄에 양쪽 모두 박히지 않고 한 쪽만 박힌 상태가 되어 씨줄이 고정되지 못하고 흘러내리는 현상이다. 이는 연승줄의 형상에 따른 문제로 줄과 줄 사이의 골에 스테이플러가 위치하게 되면 발생하게 되는데, 향후에는 스테이플러의 설치 위치를 현재 상태에서 90° 를 회전시킴으로써 상당부분 개선이 가능할 것으로 판단된다. 또한 현재는 기존의 스테이플을 그대로 사용하였지만, 현재 스테이플의 재질은 스테인레스로서 부식에 강한 재질이다. 그러나 이식 작업 후 바다에서 생장이 끝난 후에도 스테이플러가 잔존하게 되면 채취 작업 시에 작업자나 장비의 손상이 발생할 수 있으므로, 이식된 종묘가 뿌리를 내려 완전하게 안착되는 2∼4개월 안에 완전히 부식되어 없어지는 재질에 대한 연구도 필요하다.

Table 2. Experimental results of stapler type

3. 채취 자동화 시스템

기존의 다시마 양식에서는 종묘 이식 작업뿐만 아니라, 다 자란 해조류를 채취하는 작업 또한 인력을 활용한 수동적인 방법에 의존하고 있다. Fig. 7과 같이 소형어선을 활용하여 연승줄을 크레인에 매달고, 한쪽 끝을 윈치에 연결하여 감음으로써 해조류가 크레인의 턱에 걸려 절단되는 방식으로 채취하는 것 이외에는 연구 개발된 사례가 없다.

Fig. 7 Traditional method of seaweed harvesting

본 연구에서는 다시마를 수면 아래에서 그물 형태로 채집하는 방법, 배 위로 연승줄을 끌어올려 원형 절단기를 이용해 채취하는 방법 그리고 선상에서 전용 원통 절단기를 이용하여 채취하는 방법 등을 구상하였고, 그 중 선상에서 전용 원통 절단기를 이용하여 채취하는 방법을 적용하여 개념 설계 및 시제품 제작을 통해 성능을 검증하였다. 다시마의 줄기 부분은 바이오 원료 생산을 위한 공정으로 즉시 투입이 가능한 상태이지만, 뿌리 부분은 이물질과 다른 해양 생물들이 포함되어 있다. 또한, 연승줄에는 뿌리를 포함한 모든 것이 제거되어야 다음 이식 작업을 처리하기가 용이하므로 줄기와 뿌리 부분을 별도로 처리할 필요가 있다. 따라서 개념 설계에서는 Fig. 8에서처럼 “A”부에서 1차적으로 줄기 부분을 제거하여 즉시 바이오 원료 생산을 위한 공정으로 투입하게끔 하고, “B”부에서 나머지 뿌리 부분을 제거하여 이물질 등을 제거 후 다음 공정으로 투입될 수 있도록 구성하였다.

Fig. 8 Concept of seaweed harvesting

개념 설계안을 바탕으로 Fig. 9와 같이 시제품을 제작하여 실제 양식장에서 성능 평가를 수행하였다. 100m의 기본 단위 연승줄 하나에 붙어 있는 다시마를 시제품을 통해 본 채취한 결과 5분이 소요되었다. 이는 수작업으로 채취 작업을 수행할 경우 3명의 작업자가 100m 연승줄 하나를 수행할 경우에 소요되는 10분에 비해 절반의 시간이며, 초기 준비 작업을 제외하면 1인의 조작 인원만으로 운영이 가능하므로 실제적인 작업 효율은 6배가 높다고 볼 수 있다.

Fig. 9 Prototype of seaweed harvesting

4. 통합 자동화 시스템 개념 설계

2장에서의 이식 및 채취 자동화 시스템의 개발 및 성능 평가는 우리나라의 연안에 위치한 기존 식용 해조류 양식장에서 바이오매스를 생산하기 위한 일차적인 방법이다. 그러나 해조류를 이용한 바이오매스 에너지의 경제성을 확보하기 위해서는 100,000ha 이상의 양식장이 필요한데, 현재 우리나라의 해조류 양식장 총 면적은 약 79,000ha이고 추가적으로 개발 가능한 연안은 3 6ha에 불과하다. [1] 따라서 해조류 바이오매스에 필요한 해조류를 안정적으로 공급하기 위해서는 새롭게 외해에 바이오매스용 해조류 전용 양식장을 개발해야 할 필요성이 있다. 또는 연중 수온이 일정하고 태풍의 영향이 없는 베트남과 같은 동남아시아의 바다에 대규모 양식장을 구축하는 방법도 가능하다. 이렇게 초대형 규모의 해조류 양식장을 운영하기 위해서는 효율적이고 획기적인 통합 자동화 시스템을 구축하는 것이 필요하게 되는데 본 장에서는 이러한 초대형 규모의 바이오매스용 해조류 대량 양식 자동화 시스템에 대한 개념 설계를 수행하였다.

4.1 외해 해양 구조물

기존의 해조류 양식장은 연안의 비교적 수심이 낮은 곳에 설치되므로, 수 톤의 자연석에 로프를 매달거나 목재 파일을 해저에 고정하여 양식장의 형태를 구성하였다. 그러나 외해에는 이러한 방식의 적용이 불가능하며 거대 해상구조물에 적용되는 계류 시스템이 필요하게 된다. 따라서 우리나라 완도의 외해 기준으로 30∼50m의 수심에 적용 가능한 계류 시스템에 대한 연구를 통해 Fig. 10과 같은 방식을 구상하였고, 적용가능성과 경제성 그리고 확장성 등을 검토하여 가장 적합한 방식으로 TLP(Tensiosn Leg Platform) 타입을 선정하였다. TLP 방식은 중공의 대형 철구조물을 이용하여 잉여부력을 발생시키는 형태이며, 부유체의 동요가 적어 양식장의 안정성을 확보할 수 있으며, 다양한 수심에 적용이 가능하고 일체형이므로 양식시설의 확장성이 우수하다. [5]

Fig. 10 Tension Leg Platform

4.2 이식 및 채취 통합 자동화 시스템

대규모 양식장이 구성되면 이식 및 채취 자동화 시스템도 보다 획기적인 방안이 요구된다. 작업자의 수를 줄이면서도 생산성을 극대화하기 위해서는 작업 공정을 최소한으로 줄일 필요가 있는데, 이를 위해 이식과 채취 공정을 일체화하는 방안을 구상하였다. 먼저 별도의 전용 어댑터를 제작하고 이 어댑터를 활용하여 배양장에서 해조류의 종묘를 배양시키는 작업을 수행한다.

배양이 완료된 어댑터를 Fig. 11과 같은 전용선에 적재하고 이미 생장이 완료된 해조류가 부착되어 있는 어댑터를 연승줄에서 제거함과 동시에 새로운 어댑터를 부착시키는 방식이다. 이 방식은 이식과가 채취가 동시에 이루어지므로 획기적인 작업 공수의 절감을 가져올 뿐만 아니라, 한 대의 전용선으로 넓은 면적의 양식장을 관리할 수 있는 장점이 있다. 또한, Fig. 12와 같이 채취된 해조류를 즉시 액상화하여 별도의 저장 운반선에 이송하는 방식을 적용하게 되면 장기간 동안 지속적인 작업이 가능해진다. 양식장이 베트남과 같이 연중 해조류의 생장이 가능한 지역에 설치가 되고, 그 규모가 일정 이상이 되면 한 대의 전용선이 양식장 전체에 대한 이식과 채취를 완료하게 되는 시점에 맨 처음 이식한 곳의 해조류가 생장을 완료하게 되므로 연중 상시로 해조류의 공급이 가능해진다.

Fig. 11 Concept of integrated automation system

Fig. 12 Dedicated ship for integrated automation system

4.3 통합 자동화 시스템

TLP방식을 적용한 대규모 외해 양식장이 구축이 되고 이식과 채취를 통합한 자동화 시스템을 적용하게 되면 해조류 바이오매스의 경제성 확보가 용이해진다. 추가적으로 석유산업의 경우에 경제성 증가를 위해 원유를 채취하는 위치에 직접 플랜트설비를 운영하는 방안을 활용하고 있는데, 해조류 바이오매스의 경우에도 Fig. 13과 같이 초대형 양식장을 구축하여 바이오원료의 전처리 및 플랜트 공정까지 일괄적으로 처리하는 방안도 고려할 필요가 있다. Fig. 13은 TLP방식으로 4ha의 단위모듈 양식장을 가로 세로로 각 10개씩 총 100개, 400ha 규모의 양식장을 구축한 개념도이다. 2대의 전용 이식 및 채취 자동화 선으로 작업할 경우 3개월이 소요되는 규모인데, 연중 해조류양식이 가능한 베트남의 경우 3개월이면 다시마의 생장이 완료되므로 지속적인 해조류 바이오매스의 원료 공급이 가능해진다.

Fig. 13 Mass production system of seaweed

5. 결론 및 향후 계획

바이오매스용 해조류 양식은 기존 식용 해조류 양식과 달리 거대 갈조류 중심의 고밀도 대량 생산을 필요로 한다. 이를 위해서는 기존의 연안에서 이루어지고 있는 방식이 아닌 외해의 넓은 공간에 대규모의 양식장을 구축하고, 전통적인 수작업 방식에서 벗어나 공정의 대부분을 자동화할 필요가 있다. 본 논문에서는 먼저 기존의 수작업 양식 공정을 분석하여 자동화가 필요한 부분을 선정하여 이식과 채취에 대한 부분의 자동화를 수행하였다. 3가지의 이식 자동화 시스템 시제품을 제작 및 성능평가를 수행하여 스테이플러 방식이 가장 효율적인 방식임을 검증하였고, 채취 공정은 수작업 대비 2배 이상의 작업 속도를 달성하였다. 향후 외해에서의 대규모 양식을 위한 개념설계로 TLP방식을 선정하고 이식과 채취를 통합한 전용 자동화 선박을 설계하였다. 천연자원이 부족한 우리나라로서는 가까운 미래에 화석연료의 고갈에 대비하여 새로운 에너지원의 개발이 중요한데, 삼면이 바다로 이루어진 자연적 조건을 고려하여 해조류를 이용한 바이오매스 에너지의 개발이 시급하다고 판단된다. 본 연구내용을 바탕으로 향후에는 바이오매스용 통합 자동화 시스템에 대한 상세 설계 및 시제품을 제작하여 실제 적용 가능성을 검증하고자 한다.