[단독/집중기획②] 에너지 패권 장악할 ‘재생에너지’... 기존 풍력 발전기의 가능성

특허뉴스 이성용 기자 | 기사입력 2019/07/16 [16:48]

[단독/집중기획②] 에너지 패권 장악할 ‘재생에너지’... 기존 풍력 발전기의 가능성

특허뉴스 이성용 기자 | 입력 : 2019/07/16 [16:48]

 

 

풍력 발전은 친환경 무상 에너지원인 바람을 이용함에도 불구하고 풍력 발전기를 구성하는 풍력 획득 장치와 동력 전환 장치, 발전기 장치들의 기계적 구조와 기술적 결함 때문에 생산 효율이 낮다. 이 때문에 풍력 발전기의 발전단가는 재래식 발전시설들인 화력 발전과 원자력 발전에 비해 여전히 높고, 풍속 영역에 제한을 받아 운전 시간이 짧고, 설치 지역에 많은 제한을 받는다.

 

    

 

기존 풍력 발전기 기술적 특징... ‘효율

 

현재 상용화된 풍력 발전기들의 발전량과 전력품질은 바람의 세기와 풍력 획득 장치의 구조와 크기, 기술 효율에 따라 크게 차이가 있다.

기존 풍력 발전기의 풍력 획득 장치는 배의 돛(sail) 또는 윈드 밀(wind mill), 비행기의 에어포일 프로펠러(air-foil propeller)를 도용하여 개발된 것들로, 공기역학적으로 블레이드가 설치된 구조와 형태 그리고 크기에 따라 풍력 획득 효율에 차이가 크다.

 

▲ 기존 수평축 풍력 발전기의 운전 풍속 영역     © 특허뉴스

 

▲ 풍력 발전 시스템 전력계통 연계 기준 주요 항목     © 특허뉴스

 

수평으로 부는 바람에 대해 회전방향이 수평인 축에 설치된 블레이드(이하 수평축 블레이드)는 주로 에어포일(air foil) 구조로 바람이 통과하는 앞면과 뒷면의 속도차이로 발생하는 양력이 블레이드에 작용한다. 통상 자연바람은 수평방향으로 불기 때문에 공기역학적인 수평 방향으로 회전하는 축에 설치되는 블레이드는 바람방향에 직각으로 대응하고 바람방향에 블레이드가 직각으로 회전하기 때문에 블레이드에 작용하는 풍속이 빨라 수직 방향으로 회전하는 축에 설치되는 블레이드(이하 수직축 블레이드)에 비해 풍력 획득 효율이 좋다.

 

하지만 수평 방향으로 회전하는 축에 설치되는 블레이드는 풍향의 변화에 영향을 받음으로 풍향의 변동을 추적하여 블레이드가 바람의 방향에 직각으로 대응하도록 하기 위한 요 시스템(yaw system)이 채용되어야 한다. 또한 강풍으로 블레이드에 풍압이 크게 작용하여 블레이드에 심한 진동과 뒤틀림의 발생과 로터축의 과회전을 방지하기 위해 블레이드의 받음각을 조절해 바람을 회피하는 피치 제어 시스템(pitch control system)이나 실속이 발생되도록 하는 스탈 시스템(stall system)이 채용되어야 한다.

 

수평축에 설치되어 회전하는 에어포일 블레이드는 바람에 정면으로 대응하되 블레이드 풍압면이 빗각이 되어야 하고, 블레이드에 작용하는 풍압이 비틀림 힘으로 허브에 전달해야 함으로 여러 기능들이 블레이드에 중첩되어 풍력 획득 효율이 낮다. 뿐만 아니라 기능중첩으로 인한 상충관계가 심하여 성능을 향상하는 것이 어렵다.

 

풍력 발전기의 블레이드는 악천후에 직접 노출되어 회전하는 장치이다. 블레이드는 중량하중을 줄이기 위해 철골 구조에 유리섬유와 에폭시 등과 같은 복합제로 제작하기 때문에 교체수명이 짧다. 형태적으로 길이가 긴 에어포일 블레이드의 회전반경이 크기 때문에 블레이드 가장자리의 이동속도가 빨라 공기저항으로 인한 마모가 심하게 발생한다. 특히, 블레이드에 결빙이 발생하거나 이물이 충돌하여 표면에 흠이 발생하는 경우 진동과 뒤틀림이 발생하게 됨으로, 블레이드의 회전 밸런스가 나빠지고 블레이드가 휘어지게 되는 문제가 있다.

 

 

▲ 수직축 풍력 발전기와 수평축 풍력 발전기 비교     © 특허뉴스
▲ 수평축 블레이드와 수직축 블레이드의 공기역학적 특성 비교     © 특허뉴스

 

기존 수평축 풍력 발전기는 연평균 4이상의 풍속이 부는 지역에 설치되어야 그나마 채산성이 있다. 3에서 기동이 가능하고, 6.5이상의 풍속에서 발전운전이 이루어진다. 11㎧∼13의 풍속에서 정격운전이 실시되고, 13이상의 풍속부터는 바람을 회피하기 위해 피치제어 시스템을 작동해 출력을 제어해야 한다. 하지만, 23이상의 풍속부터는 피치제어 시스템으로 제어가 불가능하기 때문에 과속으로 인한 완파를 방지하기 위해 브레이크 장치를 작동하여 운전을 정지해야 한다. 돌풍과 같이 풍향과 풍속의 급변하는 경우 요 시스템과 피치제어 시스템이 신속하게 대응할 수 없어 사고가 빈번하게 발생하는 문제가 있다.

 

수평으로 부는 바람에 대해 회전방향이 수직인 축에 설치된 블레이드(이하 수직축 블레이드)은 형태들이 다양하다. 바람이 블레이드에 직접 충돌하여 항력이 작용하는 구조와 양력이 작용하는 구조가 있다. 수직축에 설치된 블레이드는 풍향의 변동에 거의 영향을 받지 않는 장점을 가진다. 하지만, 공기역학적으로 바람의 방향과 같은 방향으로 블레이드가 회전하기 때문에 블레이드에 바람이 충돌하는 속도(작용 풍속)가 느려 블레이드가 바람의 속도보다 더 빠르게 회전할 수가 없다. 또한, 바람이 부는 쪽에 대응하는 블레이드에만 풍압이 편중적으로 작용하고, 배면항력을 많이 받기 때문에 소음과 진동이 심하게 발생하는 등의 문제가 있다.

 

이러한 이유로 수평축 블레이드에 비해 수직축 블레이드의 풍력 획득 효율은 현저하게 낮다. 수직축 블레이드는 강풍에 바람을 회피하여 블레이드에 작용하는 풍압을 적게 받기 위한 출력 제어 수단으로 주로 브레이크 장치가 활용되고 있다. 하지만 브레이크의 작동에 필요한 에너지 소모와 마찰로 인한 발열과 블레이드의 일부에만 풍압이 가해짐으로 진동이 심하게 발생한다.

 

기존 풍력 발전기 기술적 특징... ‘동력 전환·전달 장치

 

기존 풍력발전기의 동력 전환·전달 장치는 일반적으로 블레이드와 축이 결합하는 허브(hub)와 축을 회전가능하게 지지하는 베어링과 축의 회전에너지의 속도를 높이기 위한 증속 장치와 축의 회전속도를 제어하는 브레이크 장치 등으로 구성되어 있다.

 

▲ 동력 전환·전달 방식에 따른 발전기 채용 비교     © 특허뉴스
▲ 직접 구동형과 간접 구동형 비교     © 특허뉴스

 

주축은 풍력 획득 장치에 작용한 풍압이 허브에 비틀림 힘으로 모이고 허브에 결합된 축에 전달된 비틀림 힘은 회전이 가능하게 지지되는 축에서 회전모멘트로 발생된다. 축에 발생된 낮은 속도의 회전에너지는 증속 장치를 통해 발전에 적합한 속도로 높여지거나 증속 장치 없이 주축과 발전기축이 직결되는 구조이다. 블레이드와 허브의 하중과 비틀림 힘이 고스란히 집중되는 축을 회전 가능하게 지지하는 베어링은 동력 전환·전달 장치의 구성 요소들 중 가장 심한 하중마찰부하가 발생하는 요소이다.

 

또한 주축에 발생되는 회전에너지의 속도를 높이는 증속장치에서도 증속에 따른 기계적 마찰로 인해 진동과 소음, 저주파가 심하게 발생된다. 이러한 까닭으로 동력 전환·전달 장치의 베어링과 증속장치를 유지 관리하는 것이 어렵고, 교체비용이 높으며, 운전 시간이 단축되는 문제가 발생한다.

 

동력 전환·전달 장치에는 출력을 제어하거나 운전을 정지시키기 위해 브레이크 장치가 채용되어 있다. 23이상의 풍속에서 피치 제어 시스템으로는 더 이상 출력 제어가 불가능하기 때문에 브레이크를 작동하여 정지해야만 한다. 또한 수직축 풍력 발전기의 경우 브레이크 장치를 작동하여 과속으로 인한 증속장치와 발전기의 고장을 방지한다. 브레이크 장치의 빈번한 사용으로 브레이크 장치에 고장이 발생하게 되면, 강풍에 과속 회전을 제어할 수 없어 풍력 발전기가 완파될 수 있다.

 

▲ 유도 발전기형과 동기 발전기형     © 특허뉴스

    

기존 풍력 발전장치는 대형 바람개비 수준(?)

 

기존 풍력 발전기의 개발과 시설 확대에 있어 많은 제약이 있다. 자연 바람은 에너지 밀도가 낮고 간헐적이며 편중적이다. 또한, 기존 풍력 발전기를 설치하여 발전운전을 하기에 적합한 바람이 부는 지역이 충분하지 않다. 그러나 에너지 저밀도와 간헐성이 풍력 발전기의 생산 효율이 낮은 것에 대한 모든 핑계가 될 수 없다.

 

에너지공학자 신덕호 회장은 “19세기에 개발된 비행기 프로펠러를 뒤집어서 채용하고, 방향조정을 위한 비행기 꼬리 날개의 요 시스템과 비행기 날개의 양력조정을 위한 피치제어 시스템을 차용한 풍력 획득 장치, 허브 축에 전도되는 비틀림 힘을 회전에너지로 전환하기 위해서 중량마찰부하가 심하게 작용하는 베어링의 채용, 축의 회전속도를 높이기 위해 채용하는 기계적 마찰부하가 심하게 발생하는 기어박스로 이루어진 동력 전환·전달 장치, 전달된 회전에너지를 단지 전기에너지로 변환하는 기능만 하는 일반 발전기, 발전기에서 유도되는 품질이 불량한 전기에너지를 정류하기 위한 전력변환장치를 채용해야 하는 풍력 발전장치는 그저 조악한 기술 장치들이 복합된 대형물에 지니지 않는다기존의 풍력 발전기에서 주로 이루어지는 기술개발부문은 기초와 타워를 건설을 위한 토목 기술에 불과하다고 지적했다.

 

기존의 풍력 발전 장치를 바다에 설치하는 것으로, 단기 대용량화하는 것으로, 대규모로 단지를 조성하는 것으로, 근본적인 기술성 결여를 감추면서, 재래식 발전시설들과의 경쟁은 불가능하다. 더 이상 바람이 많이 부는 곳을 찾아 설치하는 것으로 낮은 기술 효율과 생산 효율을 감출 수 있는 시간은 지났다.

 

기존 풍력 발전 장치로는 그리드 패리티(grid parity)가 불가능하다. 기존 풍력 발전시설에 정책적 보호와 지원을 더 지속할 가치가 있는지 엄정하게 판단할 시점이다. 풍력 발전기는 모름지기 어떠한 풍속의 바람에 맞서 고품질의 전기에너지를 유도해내는 발전운전을 실행할 수 있어야 함에도 기존 풍력 발전기의 운전은 제한된 풍속 영역에서만 운전함으로 발전운전 시간이 짧다.

 

대형 상업용 풍력 터빈은 일반적으로 풍속이 시속 8마일에서 25마일 사이 일 때 최대로 전력을 생산할 수 있도록 설계된다. 그러나 대부분의 경우 최대 발전용량의 전력을 생산하지 못한다. 풍력 발전기의 연 평균 생산량은 발전용량의 2030%에 불과하다. 더 많은 풍력 터빈을 세우게 되면, 풍력 터빈은 최적의 위치에 놓이는 것이 어렵고, 풍력 터빈에 의한 난류의 발생으로 발전운전이 서로 방해를 받게 됨으로 발전생산량은 극적으로 떨어지게 된다.

 

▲ 기존 수평축 풍력 발전기 대표도     © 특허뉴스

 

 

 

전력을 생산할 시기와 발전양의 예측이 불가능하다. 바람이 불지 않을 때, 풍력 발전을 기반으로 하는 전력망은 생활수준을 유지하고 운영하는 데 필요한 전기에너지를 제공 할 수 없다. 때문에 풍속이 감소 할 때를 대비해 백업 전력을 생산하기 위한 대체 에너지원이나 혹은 에너지 저장원이 추가되어야 한다. 그러나 아직 경제성과 안전성을 충족할 수 있는 마땅한 에너지 저장 장치가 개발되지 못한 실정이다.

 

현재 풍력 발전의 발전단가는 의도적으로 축소시켜 발표되어 있다. 미국 에너지 정보국(EIA)은 풍력 발전의 전력생산단가가 h 8 US¢라고 주장한다. 그 생산원가에는 백업 전원 비용이 포함되지 않았고, 풍력 발전 단지에서부터 먼 도시까지 송전선로를 이용하는 비용이 포함되지 않았고, 보조금이 포함되지 않았다. 또한 평균 풍력 터빈 수명이 기존의 화석 연료 발전소와 같은 30년이라고 주장하지만, 대부분의 풍력 터빈의 수명은 15년 밖에 되지 않으며 해상 풍력은 그보다 더 짧은 것으로 나타났다. 2016년 유타 주립 대학의 연구조사에 따르면, 기존 풍력 발전장치의 발전원가는 전력생산가 7 US¢ h, 30년 예상 수명이 아닌 15, 백업전력 비용(백업 전력이 최소 2.3 US¢, 천연 가스), 송전 비용(US 2.7¢), 정부 보조금(23 US¢)이 포함된 풍력발전의 실제 전력생산원가는 43 US¢ h라는 것이다. 그것은 천연 가스를 사용하여 전기에너지를 생산하는 발전원가의 7배이다. 경제성과 전력수급의 안정화에 있어서 풍력 발전시설은 재래식 발전시설과 도무지 경쟁대상이 되지 못한다.

 

또한 기존 풍력 발전 장치가 지니는 큰 단점은 엄청난 양의 토지가 필요하다는 것이다. 풍력 발전을 하기 위해서는 대부분의 시간 동안 안정된 바람이 있는 곳에 설치해야 한다. 기존 풍력 발전기가 발전운전을 실시하여 전력을 판매한 금액과 보조금을 합한 금액이 나마 경제성을 거둘 수 있는 설치지역은 상당히 제한적이다. 산업용 풍력 터빈의 바람 포착 지역을 방해하지 않도록 서로 멀리 떨어져 있도록 설치되어야 한다.

 

▲ 해상 풍력 발전장치 기초 설치 방식     © 특허뉴스

 

  

해상 풍력 발전은 잠재력이 있다고 주장하지만 육상 풍력 발전에 비해 건설비용이 23배 이상 더 높고 유지관리비가 높아 경제성이 훨씬 낮다. 동일한 전력생산량을 기준으로 기존 풍력 발전장치의 설치에 필요한 부지는 태양광발전시설에 소요되는 부지보다 6배 이상이고, 원자력발전시설의 건설에 소용되는 부지보다 수십 배 이상이다.

 

기존 풍력 발전기는 해마다 많은 조류와 박쥐들을 죽이는 등 환경에 심각한 영향을 미친다고 보고되고 있다. 또한 산업용 풍력 발전 장치가 설치된 지역에 살거나 일하는 사람들은 빛의 깜박거림과 저주파의 진동 소음(초저주파)으로 인해 삶의 질, 성가심, 스트레스, 수면 장애, 두통, 불안, 우울증, 인지 기능 장애 등의 증상을 겪고 있다. 풍력 터빈에서 발생하는 소음은 헬기의 소음과 유사하여 삶의 질에 영향을 미치고 터빈의 0.25 마일 이내에 사는 사람들에게 심각한 건강 문제를 일으킨다.

 

환경 친화적인 공동체조차도 자신의 이웃에 풍력 터빈을 설치하는 것을 원하지 않는 경우가 많다. 즉 경관과 야생 식물에 미치는 생태학적 피해보다 가치가 있는지에 대한 회의적인 반응이 높아지고 있다. 기존의 풍력 발전기는 또 다른 환경문제와 에너지 문제를 발생시키는 가장 위협적인 형태의 녹색 에너지라는 비난을 받고 있다.

 

무엇보다도 큰 문제는 재생에너지가 환경오염의 확산과 기후변화의 가속화를 억제할 수 있는 실효성을 거두지 못하고 있다는 점이다. 재래식 발전시설들의 전력생산단가보다 기존 풍력 발전의 전력생산단가가 훨씬 비싸기 때문에 재생에너지 생산시설의 확대가 어렵다는 것이다. 비록 화석연료에 비해 바람의 에너지 밀도가 낮고, 간헐성과 편중성이 심하기 때문에 풍력 발전의 생산 효율을 높이는 것이 어려운 것은 사실이다. 하지만, 현재 풍력 발전시설은 경제성이 너무 낮다.

 

화석연료와 핵연료의 채취, 장거리 운송, 비축과 가공 그리고 연소와 반응을 위한 시설의 유지와 관리, 양수의 확보, 물의 가열 시설과 증기 터빈의 가동과 조정, 폐수의 처리와 연소후폐연료와 반응후폐연료의 처리, 시설운영과 유지보수 등을 합산한 화력발전과 원자력발전의 발전원가보다 풍력발전기의 발전단가가 매우 높은 이유는 바로 기존 풍력 발전장치의 기술 효율이 매우 낮기 때문이다. 기존 풍력 발전기에서 생산하는 전기에너지가 풍력 발전 장치의 제작, 운반, 설치를 하고 운전하는데 투입된 화석연료와 환경훼손에 대해 충분히 보상할 수 있는가는 의문이다.

 

에너지공학자 신덕호 회장은 무엇보다도 대형 바람개비 수준에 미치지 못하는 기존 풍력 발전기가 지구기후변화와 환경오염과 에너지 고갈을 해결해줄 수 있을 것이라고 기대하는 것은 어리석다환경수호자를 자처하는 엉터리 풍력 발전 기술 장치에 기대를 하느라, 지구 파멸을 피할 해답을 찾아야 하는 절박한 시간을 낭비해서는 안 된다고 강조했다.

 

모든 화석 연료를 사용하여 발전하는 시설은 궁극에는 폐쇄되어야 할 것이다. 재생에너지를 대표하는 풍력 발전 기술과 태양광 발전 기술에서 획기적인 생산 효율을 거둘 수 없다면, 에너지 산업은 화석연료보다 훨씬 더 위험한 에너지를 생산하는 원자력발전시설이 확대될 수밖에 없을 것임으로 지구는 반응후폐기물과 방사능사고로 수십억 년 동안 방사능 행성이 될지도 모른다.

 

다음편은... 

[단독/집중기획] 에너지 패권을 장악할 재생에너지’... 혁명적인 재생에너지 획득 ‘Archista’

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