탄소중립을 실천하기 위한 인류의 노력들은 기존의 화석연료에 의존하던 방식에서 신재생에너지의 확대, 대안적 원료로서 수소 원료의 급부상 등 다양한 모습으로 나타나고 있는데요. 하지만, 기후와 자연현상의 예측 불가능성, 활용부지의 한계 등 신재생에너지 분야에도 돌파구가 필요한 상황입니다. 오늘은 번뜩이는 아이디어로 대안적 신재생에너지 발전 방식으로 떠오르는 발전 방식을 소개해드립니다.

먼저 날개가 없는 풍력 발전기입니다. 일명 ‘볼텍스 블레이드리스(Vortex Bladeless)’로 불리는 이 발전은 우리가 일반적으로 보아왔던 바람개비 모양의 발전기에서 상부의 날개가 빠진 기둥만으로 구성되었습니다. 그렇다면, 날개 없이 어떻게 전기를 생산할 수 있을까요? 바로 ‘진동’을 이용한다고 합니다. 막대 모양의 풍력 발전기에 바람이 닿으면 기둥 뒤쪽에 소용돌이 현상이 일어나 진동을 만듭니다. 이 진동이 기둥에 부착된 장치를 흔들리게 하고, 이런 힘을 전기로 바꿔 얻는 방식입니다.

볼텍스 블레이드리스는 일반적인 풍력 발전기에 다양한 장점을 가지고 있는데요. 커다란 날개가 돌아가면서 내는 소음도 없고, 새들이 회전하는 날개에 충돌할 수 있다는 단점도 없습니다. 또한, 설치도 간단하고 사방에서 진동할 수 있기에 에너지를 얻기도 쉽습니다. 다만 에너지 발전 효율은 일반적으로 쓰이는 날개형 풍력발전기에 비해 아직은 70% 정도에 그친다고 하니, 향후 에너지 효율을 높이는 것이 보급률을 높이는 관건이 될 듯합니다.

이번에도 풍력 발전입니다. 볼텍스 블레이드리스는 막대 기둥 모양의 풍력 발전이었다면 이번에 소개해드릴 풍력 발전은 고도가 높은 공중에 비행체가 떠 있는 모양이라고 상상하시면 됩니다. 높은 고도에 대형 연(kite)을 띄운다고 상상하셔도 무방하고요.

공중풍력발전에는 두 가지 방식이 있는데요. 먼저 비행기나 드론 등에 프로펠러와 발전기를 장착해 전기를 생산해 지상으로 보내는 ‘공중발전’ 방식이 있습니다. 또 연 혹은 글라이더 등이 공중에서 줄을 당기고, 이에 줄이 감긴 지상의 드럼이 회전하면서 발전기를 작동시키는 ‘지상발전’ 방식이 있습니다.

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이론적으로 기존 풍력 발전기가 지구상에서 바람으로부터 획득할 수 있는 잠재적 총 에너지는 400TW입니다. 하지만 지역에 따라 천차만별인 바람 자원의 한계, 해상풍력의 경우 수심의 한계 등 지형적·경제적·자연환경적 문제로 인해 지금까지 전 세계에 설치된 풍력발전기의 누적 설치용량은 743GW에 불과하다고 합니다. 이는 총 잠재력(400TW)의 0.2%에도 못 미치는 수치입니다.

반면 공중풍력발전의 장점은 에너지원의 잠재력이 크고 장소의 제한이 적다는 점이 돋보입니다. 높은 고도의 바람에서 공중 풍력발전이 획득할 수 있는 잠재적 총 에너지는 이론적으로 1,800TW입니다. 이는 타워형 풍력터빈 대비 4.5배에 이르며, 전 세계 에너지 수요(약 20TW)의 90배에 달하는 수치라니 놀랍지 않으신가요? 높은 고도의 바람 에너지는 광범위하게 분포되기 때문에, 그동안 바람이 약해 타워형 풍력 발전기의 상업성이 확보되지 않았던 지역에서도 공중 풍력발전 방식은 성공 가능성이 높습니다. 해상에 구축할 때에도 수심의 영향을 거의 받지 않는 장점도 있습니다.

경제성과 친환경성도 매우 뛰어납니다. 이러한 장점에 기인해서인지 미국과 유럽 등에서는 오랜 기간 공중풍력발전에 대한 연구와 검증이 꾸준히 진행되고 있습니다.

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마지막으로 아스팔트 대신 태양광 패널을 설치해 만든 도로, 솔라로드(Solar Road)를 소개해드립니다. 솔라로드의 원리는 태양광 발전의 원리와 같습니다. 솔라로드는 총 세 개 층으로 구성돼있는데요. 제일 하단부인 베이스층은 발전한 전력을 다른 곳으로 전달하는 역할을 합니다. 가운데의 전자층은 LED와 전자회로, 발열체와 태양전지 셀로 이루어져 태양광을 에너지로 흡수하는 역할을 합니다. 그리고 자동차가 지나는 도로 표면의 도로표층은 자동차의 하중을 견디고 태양광을 흡수하는 특수 강화유리로 제작됩니다. 솔라로드의 장점으로는 자체 발열을 통해 눈을 녹일 수 있다는 점, 내장된 LED로 흐린 날에 임시 차선을 생성할 수도 있다는 점, 그리고 낮 동안 태양광 패널을 통해 충전된 전기로 표지판 등의 전력을 조달할 수 있는 점이 꼽힙니다.

다만, 설치와 유지보수 비용에 대한 문제, 그리고 태양 각도에 따른 패널의 각도를 조절할 수 없는 문제 등으로 현실적으로 기존의 태양광 발전 인프라보다 생산성이 낮은 점이 문제로 지적됩니다.

상상하는 대로 현실이 되는 에너지 산업계, 대안이 대세가 되고 그러면 또다른 대안이 나타나는 에너지 산업계는 우리 일상의 혁신을 이끄는 흥미진진한 세계임이 틀림없습니다.

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[참고자료]

톡톡 튀는 아이디어 접목된 발전기들... 호리병과 막대 과자 닮은 발전기?

어린이동아, 2024. 8. 8.

창원시-한국전기연구원-한국전력, 연처럼 하늘 나는 ‘공중 풍력발전’ 개발 박차!

한국전기연구원(KERI), 2021. 5. 4.

날개없이…바람없이…풍력발전의 새로운 도전

글로벌이코노믹, 2021. 3. 22.

꽁꽁 언 도로를 녹이고 차선을 밝힌다? 태양광 발전 도로 '솔라로드'

한국중부발전 공식 블로그, 2020. 7. 28