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[국제특집] '고공바람 잡아라' 연·드론 풍력발전 등장
전 세계 고도 풍력자원 1800TW…육상 자원 4배 이상
[454호] 2017년 05월 16일 (화) 07:00:26 조민영 기자 myjo@e2news.com

[이투뉴스] 현재의 에너지 기술만으로도 탄소제로 미래로 갈 수 있을까. 일각에서는 현재 태양광과 풍력기술만으로도 화석연료에서 벗어날 수 있다고 주장한다. 최대 이산화탄소 배출국인 중국과 미국도 풍력개발에 총력을 다하고 있다. 

중국 정부는 20만MW(200GW) 규모의 풍력터빈을 세우겠다는 야심찬 계획을 발표하기도 했다. 또 미국에서는 올해 1분기 매 2시간 반마다 터빈 1대가 세워지는 신기록을 쓰기도 했다. 미국내 풍력발전 비중(5.6%)은 2010년 대비 배 이상 증가했다.

그러나 아직까지 전 세계적으로 전체 전력 공급원에서 풍력이 차지하는 비율은 3.7%에 불과하다. 많은 과학자들은 현재 국면을 전환시킬 중요한 돌파구가 필요하다고 보고 있다. 

빌게이츠는 최근 자선 재단에서 발표한 공개 서한을 통해 지구를 해치지 않으면서 80억 인구에게 에너지를 공급하려면 대규모 투자가 필요하다고 강조했다. 앞서 그는 청정에너지 분야 기술 연구 개발비를 지원할 '브레이크 쓰루 에너지 코얼리션(breakthrough energy coalition)을 설립했다. 빌게이츠는 "15년내에 돌파구를 찾아낼 것으로 믿는다"면서 고공 풍력발전을 하나의 예로 지목했다. 

빌게이츠도 에너지 돌파구로 지목 

풍력발전도 변신을 거듭하고 있다. 전통적인 기존 기둥형 터빈에서 벗어나 연(鳶)이나 돛, 드론 등을 이용한 새 풍력 기술이 등장하고 있다. 연을 사다리처럼 생긴 풍차에 매달아 공중을 오르내리면서 발전기를 돌리는 방식까지 나왔다. 풍력 발전은 풍속이 빠를수록 출력이 높다. 지상에는 고공보다 바람이 빠르지 않고 항상 불지 않아 발전량을 높이는데 한계가 있다. 

아울러 풍력 발전기를 높게 설치하고 블레이드(날개)를 크게 만드는데 막대한 비용이 든다. 이에 따라 높은 고도의 바람을 이용한 새로운 연구들이 속속 나오고 있다. 높은 고도에서 바람은 비교적 일정한 속도와 빈도로 불기 때문에 풍력발전기가 높이 있을 수록 많은 에너지를 생산할 수 있다. 

고공의 바람을 이용한 풍력 발전은 제트 기류를 이용한다. 제트 기류의 1%만 이용해도 미국에서 사용하는 전력을 모두 충당할 수 있다는 연구결과도 있다. 나사(NASA) 고다르 연구소에 따르면, 높은 고도 풍력으로 수확할 수 있는 전력은 1800TW(테라와트)에 달한다. 전세계 전력 사용량 18TW의 100배 규모다. 육상 풍력발전 잠재량 400TW와 비교해도 4배 이상 많다.

그런데 현재 풍력발전기는 보통 지상 100~200m 사이에 설치된다. 만약 500m 이상 고도에 터빈을 설치할 수 있다면 바람 빈도와 풍속이 일정해 신뢰할 만한 무공해 자원으로 이용될 것으로 보인다. 이런 가능성을 보고 고공 풍력발전에 뛰어드는 회사들이 늘고 있다. 신생 기업들은 구글이나 미쓰비시 등 대기업들로부터 투자를 끌어모으고 있다. 스위스와 독일 정부도 투자에 적극적이다.

컨설팅기업 프로스트&설리반이 최근 발표한 보고서에 따르면, 고공 풍력발전은 이르면 올해 시장에 등장할 것으로 전망되고 있다. 이 회사는 고공 풍력발전이 원유와 기존 형태의 풍력 터빈을 상당부분 밀어내고 자리를 차지할 것으로 전망했다.   

구한 스리람 기술비전 연구소 연구원은 "일부 발전사들은 연이나 풍선이 탑재된 발전기로 풍력을 수확할 때 요요 개념을 이용해 발전전력을 지상으로 가져오고 있다"고 설명했다.

미국과 이탈리아, 독일, 스위스 정부도 이 기술 개발을 추진하고 있다. 독일 TU Delft사와 스위스의 EMPA의 연구소들이 주도적인 모습이다. 여기에 독일 에너지기업 E.ON과 슈라우버거(Schlauberger), 셸(Shell)사도 영국 고도 풍력발전 기술 신생기업에 투자했다. 

카이트파워시스템(KPS)사는 이 회사들로부터 500만 파운드의 투자금을 확보해 고공 풍력발전기술의 상업적 개발을 진행하고 있다. KPS 기술은 윈치 시스템에 연결된 두 개의 연을 사용해 전력을 생산하는 기술이다. 비행 속도 100mhp에서 한계장력이 발전기에 연결된 드럼에서 끈을 풀어지게 하는 원리다. KPS는 이 기술이 전통 해상용 터빈 비용을 최대 50%까지 줄일 것으로 기대하고 있다.

KPS는 남서부 스코트랜드 지역에 올해 500kW급 육상용 발전시스템을 설치할 계획이다. 아울러 향후 4년간 여러 개의 500kW급 시스템을 추가 설치할 예정이다. 폴 존스 KPS CFO는 "적은 비용으로 전 세계의 심해지역에 풍력발전기를 배치할 수 있다"고 말했다. 이 회사는 3MW급 육상용과 해상용 시스템 설치도 계획하고 있다. 

올해부터 본격적인 시범 사업…장기전망은 불분명

그런가하면 무인 항공기 드론을 풍력 발전에 이용하는 시도도 진행되고 있다. 독일 E.ON은 해상 풍력발전 비용 절감 잠재력을 알아보기 위해 관련 시범사업을 추진 중이다. 이 기계는 연처럼 공중에 떠서 높은 고도 풍력자원을 이용할 수 있도록 제작됐다. 풍력이 드론을 앞으로 밀어 지상에 고정된 케이블을 끌어 당기는 형태다. 

이 기술은 2013년 알파벳사의 프로젝트를 포함해 전 세계적으로 진행 중인 여러 개 시범 사업 중 하나로 아직 초기 단계다. E.ON의 마커스 닛슈케 대변인은 "고공 풍력 산업이 2020년대 초반에 도약할 것"이라고 내다봤다. 

E.ON의 프랭크 마이어 상임 부회장은 "KPS의 접근법은 풍력시장의 게임 체인저가 될 가능성을 갖고 있다"고 강조했다. 그는 "고공 풍력발전은 비용을 현저히 낮출 수 있다. 경제적으로 기술적으로 불가능했던 지역에서 재생에너지를 생산할 수 있을 것"이라고 주장했다.

고공 풍력발전은 설비가 많이 필요하지 않아 기존 풍력 대비 단가가 저렴할 것으로 예상되고 있다. <블룸버그 뉴에너지 파이낸스>의 분석에 의하면, 기존 해상풍력의 해상 기반작업과 타워 비용은 전체의 30%를 차지한다. 또 심해로 들어갈 경우 비용은 더 증가한다.

E.ON 관계자는 "고공 풍력발전 개발 비용이 더 낮을 뿐만 아니라 용량까지 높다면, 해상용 풍력발전에 드는 비용의 절반으로 같은 양의 에너지를 생산할 수 있을 것"이라고 자신했다. E.ON은 네덜란드 암픽스 파워(Ampyx Power)사와 협력해 내년 하반기부터 아일랜드에서 고공 풍력 발전을 시범 운영할 예정이다.

반면 이들기업이 이론을 얼마나 실제화 된 수치로 증명할 것인가는 별개의 문제가 될 것으로 보인다. 이 산업 신생 기업들은 더 많은 투자를 모으기 위해 연구결과를 입증하고 수량화 할 방법을 찾는데 고군분투하고 있다. 상업적 규모의 발전량과 시장 규모, 잠재력이 아직 불분명하기 때문이다.

풍력업계는 대부분의 기업들이 비슷한 디자인을 사용하고 있어 시험 결과를 공유하고 발표하는 회사간 열린 접근법이 혁신을 주도할 것으로 보고 있다.

시애틀=조민영 기자 myjo@e2news.com 
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