이건 몰랐지? 재생 에너지 Facts

이건 몰랐지? 재생 에너지 Facts

16기 전예지

 

날개 없는 풍력발전기

풍력 발전기는 날개를 통해 바람의 운동 에너지를 터빈의 회전 운동 에너지로 바꿈으로써 전기를 생산한다. 따라서 커다랗고 하얀 구조물에 빙글빙글 돌아가는 날개가 달린 구조물이 일반적인 형태의 풍력발전기의 모습이었는데, 지난 2015년 스페인 기업 보텍스 블레이드리스(Vortex Bladeless)는 날이 없는 풍력발전기를 개발했다.

보어텍스 풍력발전기는 세 부분으로 나뉜다. 아래쪽은 본체 격인 기둥이며 윗부분엔 강화유리섬유와 탄소섬유를 합성해 만든 기둥이 하나 더 있다. 두 기둥 사이엔 자석 링이 달려 있다. 보어텍스 발전기에 닿은 바람은 기둥 전체를 감싸며 회오리 현상을 일으킨다. 이때 상단 기둥은 이 바람을 받아 사방으로 흔들리고, 자석은 위아래 기둥이 닿는 부분은 밀어내며 떨어진 곳은 당긴다. 이런 식으로 기둥은 일정한 운동에너지를 발생시키고, 이는 전기에너지로 변환된다. 보텍스 블레이드리스는 플러터(flutter) 현상으로 무너진 다리인 타코마 브릿지에서 제품 개발의 영감을 얻었는데, 플러터 현상은 구조물과 공기의 흐름이 상호작용해 진동이 생기는 것을 말한다. 결과적으로 보텍스 풍력발전기는 날개가 없는 거대한 막대기 기둥 구조물이 바람에 흔들릴 때 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 바꾸는 것이다.

보텍스 블레이들리스는 이러한 신기술을 개발하면서 기존의 풍력 발전용 터빈에서 발생하는 유지관리, 막대한 비용, 소음, 환경적 영향, 운송 및 시각적 측면과 같은 문제들을 해결하기 위한 방법을 모색하였고, 현재에는 대량의 전력 발전 장치와 함께 소형 풍력 제품을 개발하는 데 최선을 다하고 있다고 한다.

[자료 1. 날개 없는(Bladeless) 풍력발전기]

출처 : Huffpost

 

부유식 풍력 터빈

부유식 풍력 터빈의 단일 프로토 타입은 2007년부터 노르웨이, 이탈리아, 포르투갈, 스웨덴, 일본 및 미국 연안에 설치되었다. 최초의 부유 식 터빈은 2009 년 북해에서 가동되기 시작했으며, 2017 년에 최초의 완전 가동 부유 식 풍력 단지인 Hywind Scotland가 애버딘 해안에서 25km 떨어진 곳에 설치되었다. 노르웨이의 석유 및 가스 회사인 Statoil (현재 Equinor)이 개발 한 Hywind는 총 용량 30MW의 6대의 부유식 풍력 터빈을 보유하고 있고, 이들은 내구성이 강해  바람과 폭풍에 견딜 수 있다. 전력 생산은 안정적이고, 한 번에 20,000 가구에 전력을 공급하기에 충분한 에너지를 생산할 수 있다고 한다.

올해 포르투갈 해안에서 가장 큰 부유식 풍력 터빈이 설치되었다. 대서양 앞바다 풍력 발전소를 구성하는 세 개의 플랫폼 중 하나는 새해 전날에 20킬로미터(12.4마일) 길이의 케이블을 통해 그리드에 연결되었다. 다른 두 플랫폼이 온라인 상태가 되면 부유식 풍력 발전소는 약 6만 가구에 충분한 청정에너지를 제공할 수 있을 것이다.

미국 서해안, 지중해 및 일본의 가파른 해안선과 같은 일부 지역에서는 부유식이 유일한 옵션이기도 하고  해안을 따라가 아니라 훨씬 더 넓은 바다 지역에서 풍력을 통한 발전이 가능하기 때문에 전문가들은 향후 몇 년 동안 해마다 20 % 이상 해상 풍력이 증가할 것으로 예상한다. 따라서 부유식 풍력 발전은 완전히 새로운 성장 기회를 열 것이라고 예상된다.  

 

해를 따라 움직이는  ‘추적식 태양광’

지붕에 태양광 패널을 설치하는 태양광 주택은 25만 가구를 넘어섰고 아파트 베란다에도 태양광 패널을 쉽게 볼 수 있는 요즘, 시간에 따라 변하는 태양의 위치 때문에 고정된 태양광 패널은 에너지 효율이 떨어진다는 지적을 받아왔다.  이런 문제점을 해결하기 위해 ‘추적식 태양광(solar tracker)’이 등장했다.  추적식 태양광은 마치 해바라기가 해를 따라가며 고개를 움직이는 것과 같이 태양빛이 존재 시 정확성이 뛰어난 광센서와 엑츄에이터가 실시간으로 태양의 고도와 방위각을 추적해 태양 위치를 추적해 태양광 패널의 각도를 조절하는 것이다. 이는 우천 시에도 프로그램 방식에 의해 태양을 정밀 자동 추적할 수 있다.  

 

인쇄 가능한 태양 전지판

실리콘으로 만들어진 세포를 사용하는 대부분의 태양 전지판과 달리, 태양 잉크는 A3 사이즈까지 플라스틱 롤에 인쇄될 수 있다. 이때 사용되는 잉크는 스프레이 코팅, 스크린 프린팅 등 다양한 방법으로 적용할 수 있다. 인쇄 가능한 태양 전지는 플라스틱 지폐가 인쇄되는 방식과 유사한 특수 개발된 '솔라 잉크(Solar Ink)'를 플라스틱 필름에 인쇄하여 만들어지는데 현재 다양한 인쇄, 염색, 분무 기술을 사용하여 태양전지를 모든 종류의 표면에 인쇄하는 공정을 개발하고 있다. 또한 이 태양 전지는 강철뿐만 아니라 종이처럼 얇고 유연한 플라스틱 위에 바로 인쇄할 수 있으며, 건물 외피와 창문을 위해 반투명하게 만들 수 있다고 한다.

현재, 인쇄 가능한 태양 전지는 약 10%의 효율이고 수명도 6개월에 불과하다. 따라서 연구원들은 상업적 생존 가능성에 도달하기 위해 효율성, 내후성 및 수명을 증가시키기 위해 노력하고 있다. 하지만 이렇게 만들어진 태양 전지판은 가볍고, 저비용이고 유연하기 때문에 창문에서 소비자 포장, 스마트폰, 컴퓨터에 이르기까지 다양한 재료와 장치에 적용될 수 있다는 장점이 있어, 상용화될 날이 기대된다.

[자료 2. 인쇄되는 태양 전지판]

출처 : Greenmatch

 

태양열 풍선

국가 그리드 접근으로부터 멀리 떨어진 곳에 있는 경우가 많은 난민 캠프에서 디젤 발전기가 가장 흔하게 사용되지만, 이는 분쟁 지역에서 위치 파악과 수송이 어려울 수 있고 운영 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 프랑스 디자이너 팀은 환경친화적인 해결책인 태양열 풍선을 발명했다. 태양열 풍선인 제피르 풍선은 지름이 4m이며 50명의 사람들에게 공급할 수 있는 충분한 에너지를 제공할 수 있다. 즉, 이는 임시 병원이나 통신 장치를 가동하기에 충분한 양이라는 것이다. 풍선은 지상으로 보내지고 이를 통한 전기는 바로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 즉시 사용할 수 있다고 한다. 이를 통해 난민촌에서 깨끗한 에너지를 제공할 수 있으며, 탄소 배출량도 줄일 수 있을 것이라고 예상된다.

또, 제피르 풍선은 야외 행사, 고립된 지역 사회, 그리고 용적 공간이 부족한 고밀도 도시에도 적합할 수 있다고 말한다. 풍선은 대기에 흔적을 남기지 않기에, 데이터 수집에도 용이하게 사용될 것으로 예상된다. 2018년 제피르 풍선은 두 명의 조종사가 탑승한 채 30일 동안 지속되는 가장 긴 유인 비행이라는 기록을 세웠고, 성층권 25km 높이에 도달하려는 목표가 있다고 하였다.

[자료 3. 제피르 풍선]

출처 : Zephyr

 

일본의 종이 기술에서 영감을 받은 태양 전지판

태양의 움직임을 추적해 훨씬 더 많은 햇빛을 포착하기 위한 다양한 시도들이 이루어졌다. 하지만 현재 사용되는 기술은 네모 모양의 무게가 나가는 부피가 큰  패널을 이용하기 때문에 큰 면적과 설치하는데 많은 공사비가 소요된다. 

연구자들은 일본의 종이 절단 기술인 기리가미에서 영감을 받아 해결책을 개발하고 있다.  미시간 대학교의 맥스 슐틴과 그의 팀은 종이 예술가 맷 슐리안과 함께 작업한 후 각각의 요소들이 당기면 서로 기울어지고 움직이는 태양 전지판 디자인을 만들었다. 그들은 기존의 패널보다 설치하기가 쉬울 것이고 더 싸며 더 가벼운 재료로 만들 수 있을 것이라고 예상한다. Nature Communications 저널에 게재된 그들의 연구는 에너지 발생을 기존의 정지 패널보다 35% 더 효율적으로 만들 수 있다는 것을 시사한다.

[자료 4. Kirigami Inspired Solar Panel]

출처: University of Michigan News

 

친환경 신재생 에너지 저장원 '소금'

에너지는 ‘나노 코팅’ 특수 처리를 한 소금에 열화학적으로 저장되고,  화학반응에 의해 묶여 있다가 500도의 열에너지를 방출한다. 이 과정에서 열에너지를 저장하는데 들어가는 건 소금과 물뿐, 공정 중에 어떤 유해 물질도 나오지 않는다. 소금은 수십 년 쓸 수 있을 뿐만 아니라 쓰고 난 소금을 그대로 배출해도 문제 될 게 전혀 없어 그 어떤 에너지 저장 방식보다 친환경적이라고 할 수 있다.  특히 낮에 저장한 열에너지를 밤에 꺼내 전기로 쓸 수 있어 태양열 발전의 보완책으로도 안성맞춤이다. 일반적으로 재생 에너지를 생산하는 시설을 건설하려면 동시에 그 에너지를 저장하는 공간과 장치를 함께 만들어야 하는데, 소금을 사용하면 다른 시설이 필요가 없어지기 때문에 가격 면에서 유리하다고 판단된다. 하지만 소금을 이용한 에너지 저장은 효율성을 극복해야 한다는 문제가 있는데, 전기를 열로 바꿀 땐 큰 문제가 없지만, 열을 다시 전기로 바꿀 때 효율이 떨어지는데 이것을 어떻게 극복하느냐가 경쟁의 핵심이라고 여겨진다. 

 

재생에너지로 만들고, 대체에너지를 생산하는 맥주

미국에서는 ‘100% 재생에너지 전력 구매(Renewable Electricity)’ 라벨이 붙은 맥주를 판매한다. 이는 제품의 생산 과정에서 태양광, 풍력 등과 같은 지속 가능한 에너지 자원만 사용했다는 것인데, 실제로 미국의 모 맥주기업은 재생에너지로 맥주를 제조하면서 기업 온실가스 배출량을 25% 정도 감축했다고 한다.

또한 맥주 제조 과정에서 나온 찌꺼기 들은 바이오 에너지를 만드는 에너지원, 업사이클 등으로 활용이 되고 있다고 한다. 대개 맥주 18ℓ를 만들 때 발생하는 곡물 찌꺼기가 13㎏ 정도 된다고 하는데 이렇게 발생한 찌꺼기는 바이오매스로 사용될 수 있다. 또한 이 찌꺼기들은 업사이클링 제품으로 재탄생하기도 한다. 미국 샌프란시스코에 위치한 한 스타트업은 2013년부터 맥주 양조장에서 남은 곡물 찌꺼기를 활용해 곡물 간식인 그래놀라 바를 만들고 있는데, 이 곡물 찌꺼기는 기존 곡물보다 당분과 칼로리는 낮고 섬유질과 단백질 함량은 높다고 한다.

[자료 5. 100% Renewable Electricty Beer, Budweiser]

출처 : Solar power world

 

100% 재생 에너지로 친환경적인 미들타운

미들타운은 2020년 100% 재생에너지로 마을을 운영함을 통해 올해 에너지 비용을 상당 부분 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 4월 22일 지구의 날에 이 새로운 협정은 이 마을이 모든 도시 건물에 재생 가능한 자원을 공급할 수 있게 하고 이전 해의 에너지 비용에서 10퍼센트 즉 4만 9천 달러를 절약할 수 있게 할 것이다. 토니 페리 시장은 '투 리버 타임스'와의 인터뷰에서 "재생에너지를 100%로 해서 환경적 승리를 거둘 수 있을 뿐만 아니라 기존에 지출한 금액의 10% 이상을 절감해 납세자에 대한 헌신을 새롭게 하고 있다"라고 말했다.

전통적으로 미들타운은 더 저렴한 요금을 얻기 위해 여러 자치단체가 있는 집적 그룹을 통해 에너지를 구입해왔다. 이 협정을 통해, 이 마을은 약 21퍼센트의 재생 에너지를 가지고 운영되고 있었다. 계약 만료가 다가옴에 따라, 미들타운은 새로운 독립적인 에너지를 생산해내기 위해 고민을 하였고, 여러 시나리오와 비용 구조를 살펴보았다. 관계자들은 신재생에너지가 21%에서 25%, 50%, 100%로 급등할 경우 비용이 얼마나 들지를 조사하고, 결과적으로 신재생에너지 100%라는 결정을 내렸다.

새로운 건물과 함께 낡은 협정에서 벗어나 새로운 시작을 한 미들타운, 그들은 공공요금에 대한 비용을 저축해 가스 요금으로도 비슷한 일을 할 수도 있을 것이라고 얘기했다. 또한 Traditional Energy의 ceo인 앨런 커저는 "미들타운 타운십은 점점 더 많은 자치 단체들이 배우고 있는 모든 것을 가질 수 있으며 재생 에너지 목표를 달성하고 비용을 절감할 수 있다, "라고 말했다.

 

전체 전력 생산의 75% 이상이 신재생에너지인 국가, 파나마

코스타리카와 콜롬비아 사이에 위치한 중남미 국가 파나마는 글로벌 트렌드에 맞춰 ‘국가 에너지 정책(Plan Energetico Nacional 2015~2050)’을 통해 신재생에너지 정책을 펼치고 있다. ‘국가 에너지 정책’은 중장기 에너지 정책으로 파나마 정부가 UNDP, 미주 개발은행, 중남미 개발은행, 지속 가능 발전 국제 센터, 민간기업 및 환경단체와 협의해 2050년까지 신재생에너지 비율을 70%까지 확대해 나간다는 계획을 담고 있다. 또한 정책의 주요 내용인 에너지 보급 확대 및 에너지 부족 문제 감소, 에너지 자원 탈탄소화, 에너지 효율적 사용과 절약, 에너지 안보 등이 중점 추진 과제이다.

코트라에 따르면 2018년 파나마 전체 전력 생산은 11,189.1 GWh로 재생에너지(77.8%)가 가장 높고 화석연료(22.2%)가 뒤를 잇는다. 77.8%의 재생에너지 중 수력발전 비중이 70.2%로 가장 높으며, 풍력(5.3%), 태양광(2.1%), 바이오가스(0.2%) 순이다. 2018년 재생에너지원의 총발전량은 8,963.1 GWh로 에너지원별로는 수력발전 7,855 GWh(90.35%)이 가장 높은 것이 특징이며, 풍력발전 587.9 GWh(6.76%), 태양광발전 232.6 GWh(2.68%), 바이오가스 17.6 GWh(0.2%) 순으로 태양광발전 비율이 수력발전에 비해 매우 낮은 수치이다. 코트라 이주희 파나마 무역관은 “파나마의 전력 발전량은 2010년 이래로 꾸준히 상승세를 유지해오고 있다”며, “2019년 발전량 예측치는 12,190 GWh이며 2030년 발전량은 23,794 GWh까지 확대될 것으로 전망된다”라고 말했다. 아울러 “국가 에너지 정책을 토대로 파나마 정부는 2050년 총 발전량 목표치를 36,877 GWh로 설정하고, 동 발전량 가운데 71.6%를 신재생에너지(39%) 및 수력발전(33%)까지 확대할 계획”이라고 덧붙였다.

 

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참고문헌

[날개가 없는 풍력발전기]

1) 임영빈, "[알.쓸.신.환] 날개 없어도 전기 생산 가능한 풍력발전, 실화인가요?", 환경경찰뉴스, 2019.09.20, http://www.epnnews.com/news/articleView.html?idxno=2526

2) Vortex Bladeless, Vortex Bladeless, "How it works; FIRST WIND TURBINE WITHOUT BLADES NOR GEARS", https://vortexbladeless.com/technology-design/

[부유식 풍력 터빈]

1) David Nield, "The World's Largest Floating Wind Turbine Just Came Online", Science Alert, 2020.01.04, https://www.sciencealert.com/the-world-s-largest-floating-wind-farm-just-connected-to-the-grid

2) Olav Krogsæter, StormGeo, "The Future is Bright for Floating Wind Turbines", https://www.stormgeo.com/solutions/renewables/articles/the-future-is-bright-for-floating-wind-turbines/

[해를 따라 움직이는  ‘추적식 태양광’]

1) 신수정, "해를 따라 움직인다고?...신기한 '추적식 태양광'", 아주경제, 2019.09.02, https://www.ajunews.com/view/20190902105750409

2) PARU, PARU, "태양광에너지-트래커 소개", http://www.paru.co.kr/ko-KR/Web/Sun/Structure/Type2/

[인쇄 가능한 태양 전지판]

1) Green Match, Green Match Blog, "Printable Solar Panels - The Future Is Here: Solar Ink", 2020.05.01, https://www.greenmatch.co.uk/blog/2014/09/printable-solar-panels

2) Momentum Energy, Momentum Energy, "Printable Solar Cells", https://www.momentumenergy.com.au/blog/printable-solar-cells

[태양열 풍선]

1) Anna Leach, "Clean energy in refugee camps could save millions of dollars",  The Guardian, 2015.11.17,  https://www.theguardian.com/global-development-professionals-network/2015/nov/17/clean-energy-in-refugee-camps-could-save-millions-of-pounds

[일본의 종이 기술에서 영감을 받은 태양 전지판 ]

1) Ben Coxworth, "Kirigami-inspired solar cells twist to track the sun", New Atlas, 2015.09.09, https://newatlas.com/kirigami-sun-tracking-solar-cells/39339/

2) University of Michigan, University of Michigan News, "Inspired by art, lightweight solar cells track the sun", 2015.09.09,  https://news.umich.edu/inspired-by-art-lightweight-solar-cells-track-the-sun/

[친환경 신재생 에너지 저장원 '소금']

1) 기정훈, "친환경 신재생 에너지 '소금'이 뜬다", YTN, 2019.05.11, https://www.ytn.co.kr/_ln/0104_201905110227098776

[재생에너지로 만들고, 대체에너지를 생산하는 맥주]

1) 임영빈, "[알.쓸.신.환] 재생에너지로 만들고, 대체에너지를 생산하는 맥주", 환경경찰뉴스, 2019.10.21, http://www.epnnews.com/news/articleView.html?idxno=2821

[100% 재생 에너지로 친환경적인 미들타운]

1) Allison Perrine, "Middletown Goes Green with 100 Percent Renewable Energy", The Two River Times, 2020.05.01, https://tworivertimes.com/middletown-goes-green-with-100-percent-renewable-energy/

[전체 전력 생산의 75% 이상이 신재생에너지인 국가, 파나마]

1) 정형우, "중남미의 떠오르는 신재생에너지 강국, 클린 ‘파나마’", 인더스트리뉴스, 2019.08.18, https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=33904