[논문]조류발전이 해양동물에 미치는 영향 검토 (리뷰)

박정연; 박영철

doi:10.17663/jwr.2024.26.2.182

조류발전이 해양동물에 미치는 영향 검토 (리뷰)
A Review on the Impacts of Tidal Current Power Generation on the Marine animals 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.26 no.2, 2024년, pp.182 - 195

박정연 ((주)뉴워터텍) , 박영철 ((주)뉴워터텍)

초록
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조류발전은 조석 현상에 의해 발생하는 조류를 이용하여 에너지를 생산하는 발전 방식이다. 조석 현상은 지구가 존재하는 한 발생하는 자연적인 현상으로 조류발전을 통하여 지속가능하고, 규칙적인 에너지 생산이 가능하다. 이에 많은 국가에서 조류에너지 개발에 노력을 기울이고 있는 실정이나, 조류발전이 해양 동물에 미치는 영향에 대한 우려도 여전히 존재하고 있다. 이에 본 논문에서는 조류발전이 해양동물에 미치는 다양한 영향을 종합적으로 검토하고, 향후 추진해야 하는 과제들에 대하여 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Tidal current power generation is a power generation method that produces energy using tidal currents generated by tidal phenomena. Tidal current power generation is a sustainable and regular energy production because tidal phenomenon occurs as long as the earth exists. Many countries are focusing on the development of tidal energy, but there are still concerns about the impact of tidal energy on the marine animals. In the present study, we reviewed on the various impacts of tidal power generation on marine animals and the future assignments.

주제어

표/그림 (22)

표 Table 1. Turbine types of tidal current power generation (HAT: Horizontal Axis Turbine; VAT: Vertical Axis Turbine) (https://www.emec.org.uk/)
그림 Fig. 1. Experimental set-up for impact and control sampling. Fish movements were recorded by remote stereo-video systems and categorized as 'rotor passages' if swimming through the rotor field (0.7 m wide) and as ‘gap passages’ if swimming through the gap (2 m wide). The gap included the whole cross-area between the two rock formations, that is, both the rotor field and the space between rotor and rocks. Measurements of fish length and the closest distance (dotted horizontal lines) between passing fish and the rotor centre were computed for fish passing within the camera stereo-field (illustrated as overlapping camera fields of view)(Hammar et al., 2013).
그림 Fig. 2. Example of Rhabdosargus sarba (F.) and (L.) evasion manoeuvre(Hammar et al., 2013).
그림 Fig. 3. Screenshots of fish and mega-invertebrates observed on the video footage from La Jolla, CA: (a,b) sand bass; (c) kelp bass; (d) California scorpionfish; (e,f) flatfish, circled in white; (g) Unidentified invertebrate, circled in white; (h) octopus; and (i,j) bait fish schools(Hemery et al., 2022).
그림 Fig. 4. Map of the Meygen lease area (dashed polygon) and the locations of the four installed turbines. The monitored turbine is the white point. (Inset) Map of north-east Scotland where the red rectangle shows the area depicted in the main figure(Gillespie et al., 2021).
그림 Fig. 5. Plan view of the coordinate system for Flood and Ebb tides. The turbine support structure (TSS) and ballast blocks are stationary on the sea bed. The rotor is turned to always face the tidal flow. The coordinate systems origin is at the centre of the rotor with the x coordinate pointing directly upstream, the y coordinate across the face of the rotor and the z coordinate vertically upward. Open circles on the legs of the TSS show the positions of the hydrophone system (Gillespie et al., 2021).
그림 Fig. 6. Examples of tracks close to the turbine. (Left) A porpoise passing beneath the turbine rotor while it was rotating. (Right) The one porpoise track that appears to pass through the rotor swept area(Gillespie et al., 2021).
그림 Fig. 7. Delta Stream turbine and map of its deployment location in Ramsey Sound, Wales, UK, with locations of visual observations of porpoises. Hydrophone locations and their operational status are also shown on the turbine. Hydrophones were either operational, partially operational (operational in dolphin frequencies but not in higher porpoise click frequencies) or broken on the turbinemounted passive acoustic monitoring system (Malinka et al., 2018).
그림 Fig. 8. Location of Söderfors, approximately 140 km north of Stockholm. (b) Bird's eye view of central Söderfors with the location of the hydro power station, the test side with the instream turbine and the measuring cabin, after Lundin et al., (2013). (c) Experimental setup in the river Dalälven. Location of turbine, sonar and ADCP's are indicated. The blue triangle indicates the field of view of the MBS pole arrangement T (test), the sampling conditions turbine on or off and the green triangle indicates the field of view of the control site MBS pole arrangement c (control)(Bender, et al., 2023).
그림 Fig. 9. Image of the vertical axis instream turbine energy conversion unit mounted on a tripod (Bender, et al., 2023).
그림 Fig. 11. Two deployments of the FLOWBEC platform are used to compare the predictability of fish school behavioural characteristics around a turbine structure (FoW1) and in the absence of a turbine structure (FoW2) (Williamson et al., 2019).
그림 Fig. 12. The FoW1 deployment was downstream of the Atlantis turbine structure during flood flow, approximately 22 m from the centre of the 10-m high piling, and approximately 15 m from 4-m high ballast blocks; no nacelle or blades were present(Williamson et al., 2019).
그림 Fig. 10. Vertical distributions of fish schools plotted for diurnal and tidal phases. Marker size is proportional to the observed cross-section area, A, while colour represents the relative density as characterised by the mean volume backscattering strength, MVBS200. The diurnal phase for each observation is defined for the 24 hour daily cycle. The tidal phase for each observation is defined for the approximately 12.5 hour flood-ebb cycle. The dashed lines indicate the maximum and minimum sea surface height above the seabed measured during spring tides(Fraser, et al.,2018).
그림 Fig. 13. Fish school vertical distribution across day/night for all schools (open bars) with a mean height (dashed horizontal line) and for schools observed at flow speeds above a nominal turbine cut-in speed of 1 m/s (shaded bars) with mean height (solid horizontal line). The lower extent of EK60 data processing is 2.1 m above the seabed (shaded area). A scaled representation of the turbine structure is shown at FoW1 (A and B). The probability densities of distributions estimated using Gaussian finite mixture models fitted via the expectation-maximisation algorithm are shown (curved solid line for schools at ≥ 1 m/s and dashed curved line for all schools)(Williamson et al., 2019).
그림 Fig. 14. (a) Lateral and (b) top view-scheme of the acoustic images acquired by the multibeam sonar (MBS) at distances of 30 m and 50 m from WECs A and B, respectively. The field of view (FOV) had a width of 82 m or 130°(𝜃𝑀𝐵𝑆 = −66°to +66°), height of 20°and maximum range of 100 m, the MBS pitch angle (αMBS) was set to 10°(Francisco, et al., 2019).
그림 Fig. 15. Visual signatures of schools of fish. (a) Assumed image of school of fish. (b) Computer rendering of a three dimensional (3D) model of small and mid-size fish, including the yaw (𝜃𝑇), pitch (𝛽𝑇), roll (𝛾𝑇) angles. (c and f) Acoustic images processed on ProViewer4 at level 3 (L-3) showing a school of mid-size fish with (c) school with 12 m of diameter at 10–17 m of range; and (f) small-size fish, school with 1.5 m of diameter at 3.5–6 m of range. Shapes and silhouettes of schools of fish processed on FIJI with (d and g) Otsu threshold; (e) Edge filter; (h) outline filter (Francisco, et al., 2019).
그림 Fig. 16. (a) Image of cod [36]. (b) Three dimensional (3D) model of a cod. (c) Acoustic images at level 3 of a cod with 0.7-0.8 m of length, at 10-15 m of range; (d and e) Extracted shape and silhouette of a cod from the acoustic image in (c) using FIJI with: (d) binary threshold and (e) edge filter(Francisco, et al., 2019).
그림 Fig. 17. (a) Image of grey seals. (b)Three dimensional model of a grey seal. (c) Acoustic images of grey seals at level 3, (c) measuring 3 m of length, located at 6 m of range; and (f) measuring 2.2 m, located at 6 m of range. The shape and silhouette of grey seals processed using (d and g) binary thresholds, (e and h) outline filters(Francisco, et al., 2019).
그림 Fig. 18. (a) Image of male and female orcas [38]. (b) Three dimensional model of an orca. (c and f) Acoustic images of an orca processed at level 3: (c) An orca with 7 m of length, located at 16 m of range, (f) Orca with 4.2 m of length, at 15 m of range. The shape and silhouette of orcas processed using (d) binary threshold, (e) outline and skeletonize filters, (g) connected regions, and (h) outline filters(Francisco, et al., 2019).
그림 Fig. 19. Study location in the Minas Passage of the Bay of Fundy, Canada. The location of Minas Passage is indicated by the filled circle in the left-hand panel, and the study site is shown on the right(Viehman, et al., 2022).
그림 Fig. 20. FAST-3 platform deployed at the FORCE Tidal energy test site from 30 Mar to 23 May 2018. Equipment included (A) Simrad WBAT EK80 echosounder, (B) Nortek Signature 500 ADCP, (C) Aanderaa SeaGuard RCM(Viehman, et al., 2022).
표 Table 2. Marine animals collision risk of tidal current turbine

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 조류발전의 환경영향 중에서 가장 중요한 것으로 판단되는 조류발전 터빈과 해양동물의 충돌 위험에 대해 기존의 문헌 결과에 대한 분석을 실시하였다. 본 연구에서 분류한 3가지 조사 방법은 1)수중 카메라를 통한 직접적인 관찰 방법과 2)청음기 및 3)초음파 음향탐지기를 통한 간접 측정 방법으로 나눌 수 있었다.
본 연구에서는 조류발전 개발 시 가장 우려되는 조류발전 터빈과 해양 동물(해양 포유류, 물고기 및 잠수 바닷새)과의 충돌 영향에 대해 기존의 조사 사례를 분석하여, 조류발전 터빈과 해양 동물과의 충돌 영향을 대해 종합적으로 고찰하였다.
Hammar et al (2013)은 2012년 3월부터 4월까지 모잠비크 본토와 인하카 섬과 사이의 좁은 조수 해협인 폰타 토레스에서 수중카메라를 이용하여 물고기의 유영 능력에 조류발전 터빈의 영향을 조사하였다. 즉, 조류발전 터빈과 관련된 물고기 반응, 특히 유영 행동에 대한 이해를 향상 시키는 것을 목표로 하였다. 해협은 반일주조가 우세하고, 최대 1.

대상 데이터

관측은 2016년 8월 23일부터 9월 1일까지 스웨덴 서부 해안(58.274219° N, 11.450808° E)에 위치한 Lysekil 해양에너지(파력) 테스트 사이트에서 실시되었으며 총 311,740개의 음향 이미지를 기반으로 6개 등급의 표적에 대한 총 260개의 관찰을 수행하고 관련된 음향 특성을 분석했다 (Figure
본 연구에서는 조류발전 터빈에 미치는 해양생물의 영향을 고찰하기 위하여 총 24편의 국내외 기존 사례를 조사하였다. 이 사례들로부터 정리한 해양동물에 미치는 영향은 Table 2에 간추려 정리하였다.
터빈 허브는 해저 위 약 14m, 썰물 때 해수면 아래 23m에 있다. 조류발전 터빈은 2017년 2월에 설치되어 가동을 시작했고, 돌고래 충돌 관련 데이터는 터빈 설치 후 12개월, 터빈 작동 시작 후 8개월이 지난 2017년 10월부터 2019년 10월 사이에 수집되었다. 연구기간 동안 터빈은 지속적으로 작동하지 않았으며 터빈이 회전하고 정지한 상태에서도 유속은 관측되었다.
조사를 위해, 2016년 10월부터 2017년 2월까지 스코틀랜드 북부 해안의 Pentland Firth(58° 39′ N 3° 08′ W)에 4개의 수평축 1.5MW 터빈(Meygen, SIMEC Atlantis Energy Ltd)이 설치되었다(Figure
총 264마리의 갈색 송어와 270마리의 대서양 연어를 수직축 흐름식 터빈의 상류에 방류하여 터빈에 대한 유영 행동과 회피 반응을 조사했고, 연구가 수행되는 동안에 충돌이 감지되지 않았다. 특히, 연어는 분명히 작동 중인 터빈을 피했지만, 터빈이 정지해 있을 때는 피하지 않았으며, 터빈 구역을 똑바로 헤엄치는 것이 종종 관찰되었다.

성능/효과

첫 번째, 수중카메라를 이용한 조사는 탁도가 낮은 해역이나 주간에 조사가 가능한 방법이고, 터빈을 실제 해역에 설치하여 조사한 결과, 조류터빈과 해양 동물, 특히 물고기와 충돌 사례는 조사되지 않았다. 두 번째, 수중청음기를 이용한 조사는 주로 수중에서 소음을 발생하는 해양 포유류, 특히 돌고래, 바다 표범의 탐지에 유용하게 활용할 수 있는 방법으로 판단되고, 실 해역 조사를 수행하였던 연구에서는 조류 터빈을 회피하여 충돌한 사례는 보고되지 않았다. 마지막으로 초음파 장비를 이용한 능동적 음향조사는 넓은 범위의 물고기 무리 및 포유류 등에 두루 활용이 가능한 가장 현실적인 측정 방법이다.
본 연구에서 검토된 기존 조사 사례 연구들에서는 조류발전 시설이 어류나 해양 포유류에 직접적으로 위해를 끼치는 사례나 시설과의 유의한 충돌 사례는 보고되지 않았으며 이는 Table 2에 정리 하였다. 따라서 본 리뷰의 결과들을 종합하면 조류발전이 어류 및 해양포유류에 미치는 직접적인 위해성이나 충돌 위험성은 미미할 것으로 사료된다. 다만 조류 발전 시설물이 어류의 밀도증가를 가져오는 사례들은 다수 관찰되고 있으며(Fraser, et al.
본 논문에서는 조류발전의 환경영향 중에서 가장 중요한 것으로 판단되는 조류발전 터빈과 해양동물의 충돌 위험에 대해 기존의 문헌 결과에 대한 분석을 실시하였다. 본 연구에서 분류한 3가지 조사 방법은 1)수중 카메라를 통한 직접적인 관찰 방법과 2)청음기 및 3)초음파 음향탐지기를 통한 간접 측정 방법으로 나눌 수 있었다. 이들 3가지 조사 방법들은 또한 수중 카메라 및 청음기 사용하여 지나가는 어류를 조사하는 수동적인 방법 및 조사하고자 하는 지역에 직접 빔을 주사하는 초음파 음향탐지와 같은 능동적인 방법으로 나눌 수도 있다.
Fraser, et al (2018)은 2013년 여름 조류발전 설비가 설치된 유럽 해양 에너지 센터(EMEC)에서 현장 조사 동안 해저에 장착된 음향측정기를 이용하여 음향자료를 수집하여 물고기 떼의 행동을 밝히기 위한 연구를 수행하였고 이 연구에 사용한 음향측정 장비는 38kHz, 120kHz 및 200kHz에서 작동하는 다중 주파수 과학용 음향측정기 (Simrad EK60)였다. 조사 결과, 총 523 개의 물고기 떼가 해양에너지 생산 시설에서 관찰되었으며, 396 개의 물고기 떼가 자연환경이 유사한 대조구 위치에서 관찰되었다(Figure. 10).
(TEL, Cardiff, UK)가 설치한 DeltaStream 조류발전 터빈 인근에서 3개월 동안의 연속 수동 음향 모니터링(PAM, Passive Acoustic Monitoring) 데이터를 조사하여, 운영 중인 터빈에서 PAM 시스템의 성능을 평가하고, 터빈 근처에서 작은 고래류의 3D 움직임과 행동을 조사하였다. 조사 결과, 터빈에 대한 근접 접근을 포함하여 돌고래에 대해 총 247회가 모니터링되어 음향 모니터링 시스템의 적용 가능성을 확인하였으나, 충돌과 관련한 유의미한 결과는 확인되지 않았다(Figure 6).
첫 번째, 수중카메라를 이용한 조사는 탁도가 낮은 해역이나 주간에 조사가 가능한 방법이고, 터빈을 실제 해역에 설치하여 조사한 결과, 조류터빈과 해양 동물, 특히 물고기와 충돌 사례는 조사되지 않았다. 두 번째, 수중청음기를 이용한 조사는 주로 수중에서 소음을 발생하는 해양 포유류, 특히 돌고래, 바다 표범의 탐지에 유용하게 활용할 수 있는 방법으로 판단되고, 실 해역 조사를 수행하였던 연구에서는 조류 터빈을 회피하여 충돌한 사례는 보고되지 않았다.

후속연구

따라서 본 리뷰의 결과들을 종합하면 조류발전이 어류 및 해양포유류에 미치는 직접적인 위해성이나 충돌 위험성은 미미할 것으로 사료된다. 다만 조류 발전 시설물이 어류의 밀도증가를 가져오는 사례들은 다수 관찰되고 있으며(Fraser, et al., 2018), 이로 인한 생태계 먹이연쇄 상의 파급 효과 등은 추후 좀 더 연구될 필요가 있는 주제들이다. 조류발전 시설물들의 위집 효과로 인한 상위 포식자들의 유인효과와 실제적으로 유인된 상위포식자들 중에 보호종 등이 포함될 경우 이들에게 미치는 2차적인 위해성 등은 아직까지 연구된 바가 없었다.
이러한 사례들은 조류발전이 해양생물에 미치는 영향을 직접 관찰하거나 측정 장치 등을 사용하여 그 영향을 간접적으로 측정한 연구들로써 1) 수중 카메라를 이용한 직접 관찰 연구, 2) 청음기 및 초음파를 이용한 간접적 충돌 연구로 구분할 수 있다. 본 연구의 고찰 들은 향후 개발될 조류발전소의 설치 및 공간계획을 수립하는데 매우 중요한 기초자료로 활용될 수 있다.
비록 아직까지 조류발전과 관련된 뚜렷한 해양생태계 위해성이 보고된 적이 없다고 하더라도 조사된 사례가 매우 적어 보다 명확한 영향 분석을 위한 생태계 영향연구는 조류 발전 기술 및 시설 확대와 함께 반드시 수반 되어야 할 과정이다. 향후, 증가할 조류발전 사업 추진과 함께 보다 많은 객관적인 생태 영향에 대한 모니터링이 이루어진다면 조류발전으로 인해 발생하는 생태계 변화를 보다 생산적이고 지속가능하게 관리할 수 있는 기반이 될 것이다.
, 2019). 이에 조류에너지를 활용하기 위해 적극적이고, 체계적인 연구개발과 함께 조류발전이 해양환경에 미치는 영향에 대해서도 다양한 조사가 필요하다.
조류 발전 기술은 아직까지 시작 단계에 있고 현재까지 전세계적으로 소수의 조류발전 사업만이 추진되었다. 향후 좀 더 많은 조류발전이 시설될 경우 2차적인 생태계 위해성 사례 연구들을 포함하는 보다 광범위한 생태계 영향 연구가 가능할 것으로 생각된다.
비록 아직까지 조류발전과 관련된 뚜렷한 해양생태계 위해성이 보고된 적이 없다고 하더라도 조사된 사례가 매우 적어 보다 명확한 영향 분석을 위한 생태계 영향연구는 조류 발전 기술 및 시설 확대와 함께 반드시 수반 되어야 할 과정이다. 향후, 증가할 조류발전 사업 추진과 함께 보다 많은 객관적인 생태 영향에 대한 모니터링이 이루어진다면 조류발전으로 인해 발생하는 생태계 변화를 보다 생산적이고 지속가능하게 관리할 수 있는 기반이 될 것이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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