에너지 수요 급증에 따른 재래식 화력발전과 연소 엔진에서 배출하는 막대한 오염물질과 미세먼지, 이산화탄소로 광범위한 환경오염과 기후변화로 지구생태계가 빠르게 붕괴되고 있다. 그럼에도 제한된 화석에너지 자원을 쟁탈하기 위한 국제적인 갈등으로 세계 경제가 요동을 치고 있고 세계 평화가 심각한 위협을 받고 있다. 더욱이 지구공멸을 담보하는 위험한 에너지인 원자력발전을 확대해야 한다는 무도한 목소리가 다시 커지고 있다.

 

세계는 이 문제를 해결할 수 있는 방향을 잘 알고 있다. 환경오염과 기후변화, 방사능오염을 야기하는 화력발전시설과 연소엔진, 원자력발전 시설을 폐쇄해야만 하는 이유를...

 

때문에 에너지 고갈에 대한 염려가 없는 재생에너지 자원을 이용하여 청정에너지를 풍부하게 생산하여 저렴하게 공급할 수 있는 획기적인 기술 방안을 개발해야 한다는 것이 전 지구의 시급한 과제이다.

 

하지만 화석연료의 에너지 밀도에 비해 재생에너지원의 에너지 밀도가 매우 낮고, 간헐적이기 때문에 에너지의 계획적 생산이 어렵고, 생산 효율성이 낮아 경제성이 나쁘다. 또한 무분별한 신재생에너지의 난립과 개발에 따른 환경오염 및 환경훼손의 유발과, 더욱이 탄소배출권에 대한 압박으로 비생산적인 신·재생에너지에 대한 무분별한 투자와 개발로 역효과가 발생되어 시장이 혼탁해지고 있다.

 

엄정하게 말해, 기존의 풍력발전시설과 태양광 발전시설은 지난 30년 동안 파격적인 지원과 후원을 받았음에도 불구하고 아직까지 제 구실을 못하는 환경보호를 위장한 기술들이다.

현재 재생에너지 생산 시설은 재래식 발전시설을 기반으로 하는 전력수급체계에서 보조적인 구실마저 못하고 있다. 고품질 청정에너지를 대량으로 저렴하게 상시 공급할 수 있고, 재생에너지 발전시설이 기저 발전시설로서 전력수급체계를 안정되게 실행할 수 있기 위해서는 실효성이 높은 재생에너지원을 선택하고 생산 효율이 높은 재생에너지 획득 기술 장치를 개발하여 재생에너지 생산 시설을 확대해야 한다.

 

 

신·재생에너지에 대한 정의

 

신·재생에너지는 신에너지와 재생에너지를 통틀어 부르는 말이다. 화석 연료나 핵분열을 이용한 에너지가 아닌 화석 연료를 대체하는 에너지의 일부이다. 신에너지는 새로운 물리력, 새로운 물질을 기반으로 하는 핵융합, 자기유체발전, 연료전지, 수소에너지 등을 의미하며, 재생에너지는 재생 가능한 에너지, 즉 동·식물에서 추출 가능한 유지, 에탄올을 이용한 에너지부터 태양열, 태양광, 풍력, 조력, 지열 발전 등을 의미한다.

 

지구생태환경을 붕괴시키는 환경오염과 기후변화를 야기하는 화석 연료를 대체할 에너지로 한 때 원자력 발전이 큰 주목을 받았다. 실제로 원자력 발전의 전력생산비용이 여타의 발전시설에 비해 거의 절반에 지나지 않아 대체에너지 중 가장 큰 비중을 차지했다. 하지만 2011년 일본 후쿠시마 원자력발전소 사고로 벌어진 끔찍한 피해를 직접 목격하면서 그동안 간과해왔던 치명적인 위험과 반응후폐기물을 처리하는 것이 천문학적 비용으로도 해결이 불가하다는 것이 널리 알려지게 되어 에너지 문제와 환경문제를 해결할 방안으로 신·재생에너지가 절대시 되고 있다.

 

자연에너지원은 대부분 기계에너지를 획득하기 위해 이용되고 이 기계회전에너지를 발전기를 통해 전기에너지로 변환하는 방법에 수렴한다. 문제는 자연 에너지원은 에너지가 저밀도이기 때문에 대량 생산이 어렵고 경제성이 낮으며 전기에너지로 산출됨으로 저장하는 것이 어렵다는 문제가 있다.

 

바이오에너지는 대규모의 비옥한 농지를 필요로 하며 여기서 재배되는 식량작물을 활용하게 되는데, 이는 근본적으로 식량자원을 연료로 전용한다는 점에서 전 세계적인 빈부갈등을 초래할 소지가 있다. 또한 바이오매스를 생산하는 과정과 이를 에너지로 얻기 위한 연소과정에서 발생하는 이산화탄소의 발생과 환경오염, 환경훼손을 고려할 때 결코 바람직한 방식이 아니다.

 

청정에너지 보급을 위한 기술 개발 분야 선정은

 

재생에너지원들 중 청정에너지를 대량으로 저렴하게 획득할 수 있는 재생에너지원을 선택하고, 생산 효율이 뛰어난 기술 방안들을 강구하고, 아울러 기술 장치의 제작과 설치 그리고 운전 과정에서 환경 훼손과 오염을 최소화 하는 것까지를 연구 개발에 포함될 필요가 있다.

 

재생에너지원들에 대한 광범위한 조사와 비교 분석을 거쳐, 선정된 해당 재생에너지원으로부터 사용에 적합한 에너지 형태로 획득하는 과정의 용이성과 기술 연구 개발의 여건과 실현가능성 등이 종합적으로 고려되어야 한다. 자연 바람 자원을 이용해 대량으로 저렴하게 에너지를 획득할 수 있는 기술 장치의 개발이야말로 가장 이상적인 청정에너지 생산 방안이 될 수 있다.

 

풍력 획득 기술 장치의 개발에 앞서 자연 바람에 대한 과학적인 조사와 종합적인 분석이 수행될 필요가 있다. 더불어 풍력을 이용하는 방식들과 특히 기존 풍력발전기들의 다양한 풍력 획득 장치들에 대한 특성과 기능들의 비교 연구와 시험들이 요구된다.

 

 

 

풍력에너지의 조건, 바람

 

바람이 물체에 부딪치면 바람의 운동에너지는 물체에 풍압을 작용한다. 바람의 속도와 방향 그리고 양은 바람에 대응하는 물체의 형상과 크기, 이동방향에 따라 물체에 작용하는 풍압의 세기에 크게 차이가 난다. 풍력을 이용하기 위해서는 먼저 바람의 운동에너지 즉 풍력을 보다 효과적으로 획득할 수 있는 기술 장치의 개발이 필요하다.

 

고대부터 바람을 이용해 배를 움직이고(범선), 방아를 찧었고, 양수를 했다. 19세기에 발전기가 발명됨으로써 풍력 터빈과 발전기가 결합되어 전기에너지를 생산하는 풍력 발전기가 가능하게 되었다. 그러나 값싸고 에너지 밀도가 높으며 간헐성이 극복될 수 있는 화석연료와 증기기관의 발전에 밀려 외면을 받았다. 1970년대 석유파동을 겪은 후 세계 각국은 에너지 자원의 고갈과 환경오염에 대한 우려로 화석연료를 대체할 에너지원 개발에 박차를 가하며 연구 개발이 집중하고 있다. 풍력 발전의 실용화가 빠르게 진척되어 1985년 블레이드 직경 15m 발전용량 5KW의 전형적인 수평축 풍력발전기가 개발되었다.

국제기구의 기후변화에 대한 권고와 탄소배출권에 대한 압박, 풍력 발전 시장을 선점하기 위한 국가 간의 기술 개발 경쟁이 활발하게 이루어지고 있다.

 

 

풍력→재생에너지... 발전 시스템이 중요

 

풍력을 이용하는 기술 중에 가장 대표적인 풍력발전 기술은 바람의 운동에너지를 기계에너지로 획득하고 이를 회전에너지로 전환, 발전기에 전달해 전기에너지로 변환하여 전력수요처에 공급하는 풍력발전 시스템에 관한 기술을 통칭한다.

 

풍력발전 시스템의 기술 범위는 설계, 제작, 해석, 진단 및 평가/운용 기술, 풍력자원 분포지도(wind map)의 도출기술, 단위지역의 풍속특성 분석, 평가하는 국소 풍속예측기술, 풍력발전 단지 및 경제성 검토기술을 포함하는 풍력기반 기술, 상용전력계통 기술과 기타의 에너지 시스템과 연계 운전에 필요한 통합 체계 기술, 타 분산 전원 및 에너지 시스템과의 연계기술 등을 포함한다.

 

교토협약과 같이 온실가스 저감량에 대한 구체적인 목표가 설정되어 있는 상황에서 공해물질, 수질이나 토양오염 및 기타 고형 폐기물이 전혀 발생하지 않는 풍력기술은 친환경적 대표 기술로서 인식되고 있다. 풍력기술은 석탄발전에 비해 CO2가 828g/kWh, 천연가스 발전에 비해서도 CO2가 391g/kWh 정도의 배출억제가 가능한 청정발전 기술이다. 가장 친환경적 발전기술로 지구온난화 억제를 위한 구체적인 온실가스 저감을 위한 방안이며, 전력을 직접 생산하는 풍력 발전기술이 주목을 받고 있다.

 

하지만, 육상 풍력 발전 시설의 보급에 따라 필연적인 소음, 경관, 그림자 등과 같은 부분적인 환경영향 요소로 거주시설 인근에는 시설이 어려우며, 조류의 이동에 영향을 주는 등 생태계에 영향을 끼치고 있다. 또한 풍력발전 시스템이 대형화함으로 인해 대형 구조물의 운반 및 설치에 따른 운송로와 설치 작업 공간의 확보, 지형변화가 문제가 되며, 해안가 등에 설치되는 풍력발전시스템에 대한 경관훼손 등이 발생할 소지가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위한 방편으로 해상에 풍력발전 단지가 대규모로 건설되고 있다.

 

풍력발전 시스템의 현황은

 

현재 수평축 풍력발전 시스템 위주로 단기 발전용량 3.5∼6MW 풍력발전기기의 상업화가 활발하다. 개발기술에 대한 보호주의가 팽배해 있어 기술이전 등을 통한 단 기간 내의 기술개발이 사실상 어렵고, 지역적으로 기술이 편중되어 있다.

 

▲ 풍력 발전 시스템 대형화     © 특허뉴스

 

블레이드 하나의 길이가 262피트(약 80m)이고, 최대 높이는 640피트(약 195미터), 무게 360톤 정도로 50층 빌딩에 육박하는 크기의 발전용량 8MW의 풍력 발전기가 최근에 설치됐다.

 

세계 여러 나라들은 많은 정부 보조금을 풍력 발전에 지원하고 있고, 풍력발전 시스템에 대한 관심과 시장의 확대 그리고 첨단 소재, 부품 및 설계기술의 발달로 대용량 풍력발전기의 개발이 빠르게 진행되고 있다. 하지만 풍력발전 시스템의 대용량화는 기술적 성숙도가 낮고, 검증 없이 시장진입이 이루어지고 있다는 전문가들의 지적도 있다. 이러한 상황이 지속되면서 풍력발전 시스템에 대한 신뢰가 떨어지고 풍력발전 시장이 혼탁해지고 있다. 때문에 설치비용과 효율 개선을 위해 더 많은 기술적 노력이 요구되고 있다.

 

▲ 전 세계 풍력 발전설비 연간 신규설치용량 (GWEC, 2017)     © 특허뉴스

 

▲ 전 세계 풍력 발전설비 누적 설비용량 (GWEC, 2017)     © 특허뉴스

 

육상 및 해상에 설치된 전 세계 풍력 발전 용량은 지난 20년간 거의 50배 증가하여 1997년 7.5GW에서 2016년 487GW로 급상승했다. 특히 2009년과 2013년 사이에 풍력 발전량이 두 배로 증가했다.

최근 5년간 연평균 산업성장률이 27.6%에 이르며, 누적 양으로 최근 5년간 24.8%의 설비 성장률을 보이고 있다. 세계 많은 국가들에서 풍력기술의 개발 및 보급에 관한 강력한 정책을 추진 중에 있어, 풍력발전 시스템에 대한 수요가 증가하고 있는 상태이다.

 

풍력발전시장의 규모가 커짐에 따라, 풍력발전설비의 저가화 및 비용 저감이 이루어져, 2017년 평균 설비비 401 US$/kW 까지 하락하였고, 발전단가도 평균풍속이 7.5㎧ 기준 5.1 US￠/kWh로 낮아졌다.

 

다음편은...

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

 

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