[AI요약] 풍력 발전기의 단점을 해소하고 일부 대체할 수 있는 연(Kite)을 이용한 소형 발전 시스템이 개발, 상용화를 추진하고 있다. 연을 이용한 공중 풍력 에너지 발전 시스템은 가볍고 설치 및 적용이 손쉽다는 점에서 전력 송전망을 연결하기 어려운 격오지나 섬 등 소규모 거주 단지에 적합한 발전 수단으로 주목받고 있다.

지상 200m 이상의 상공에서 부는 바람에 거대한 연을 날려 전기를 생산하려는 업체들이 잇따라 등장하고 있다. 자연 환경에서 탄소 발생을 크게 줄인 녹색 에너지를 만들려는 것이다. 이른 바 공중 풍력 에너지(Airborne Wind Energy·AWE)다. 과연 기존의 지상 풍력발전 시설과 비교해 경제성, 안전성, 지속 가능성 등에서 어떨까.

노어블매거진은 최근 최소한 10개의 미국과 유럽 회사들이 연이 날 때의 바람의 힘을 변형한 발전 방식 개발에 나서고 있다며 이 새로운 친환경 에너지 대안을 소개했다.

이 내용과 AWE 발전 시스템을 개발해 상용화한 독일 카이트 크래프트사(Kitekraft)가 ‘연례 제어·로봇 및 자율 시스템 리뷰’에 게재한 논문을 바탕으로 기존 풍력터빈 발전시스템 대안으로 떠오른 연을 사용하는 방식의 AWE 시스템에 대해 알아봤다.

기존 풍력 발전 단지 대안으로 급 부상

이들이 성공한다면 연들은 전통적 풍력 터빈 타워로 충분히 바람이 불지 않는 땅에서도 풍력 발전소를 세울 수 있게 될 것이다. 연은 또한 해상 풍력에 비해 더 나은 선택이 될 수 있고, 언젠가는 현재 사용 중인 최소한 몇몇의 해상 풍력 발전기까지 대체할 수 있을 것이다.

독일 뮌헨에 본사를 연을 사용하는 AWE 발전 시스템 개발 회사 카이트 크래프트의 공동 최고경영자(CEO) 겸 최고기술책임자(CTO)인 플로리안 바우어는 “제조 비용과 운송 비용이 더 저렴하며 효율성도 더 높다. 탄소 발자국 또한 훨씬 작다”고 말한다. 그는 “만약 여러분이 이러한 모든 이점을 가지고 있다면, 왜 누가 기존 풍력 터빈을 만들겠는가?”라고 반문한다.

그러나 연 발전시스템이 광범위한 전력 공급원이 되기 위해서는 공중 풍력 에너지(AWE)가 여러 기술적, 상업적 장애물을 극복해야 한다. 게다가 이것이 안전하며, 야생 동물들에게 해를 끼치지 않으며, 이웃들에게 참을 수 없는 소음과 시각 장애를 일으키지 않는다는 것을 보여줄 필요가 있다.

현재 연으로 발전하는 전력 시험은 초기 단계에 있다. 대부분의 회사들은 비교적 작은 시범 프로젝트를 진행하고 있으며, 어느 회사도 그들의 기술을 기존의 풍력 터빈발전 시스템과 비교할 수 있는 메가 와트 범위로 확장해 보여주진 못했다. 하지만 이미 시장에는 작은 규모의 연을 이용한 발전 시스템들이 나와 있다.

독일 스카이세일즈 파워, 지난해 세계최초 연 발전 시스템 첫 상용화

지난해 독일 함부르크에 본사를 둔 스카이 세일즈 파워(SkySails Power)는 연을 이용한 공중 풍력 에너지 발전 시스템 상용화 제품을 제공하는 최초의 회사가 됐다. 이 회사의 생산 모델은 180㎡(약 55 평) 면적의 부드럽고 조종 가능한 연으로 구성돼 있다. 이 연은 800m 길이의 연결 줄(테더)로 선적용 컨테이너에 들어 있는 지상 스테이션에 연결돼 있다.

이 연은 작동 시 하늘에 떠 바람을 맞으며 평균 80kW의 출력으로 지상에 있는 발전기에 전력을 공급한다. 이는 미국의 일반 가정 60가구에 전력을 공급할 수 있는 규모다. 일반적인 2.75메가와트(MW) 풍력터빈 발전 단지와 비교하면 소규모이지만, 흔히 쓰이는 산업용 이동식 디젤 발전기와 비슷한 수준이다. 이 장치는 일반 송전망에서 멀리 떨어진 격오지에서 사용할 수 있도록 설계됐다.

연 발전 회사들의 꿈

지난 수십 년 동안 이러한 더 빠르고 높은 바람을 이용하기 위한 많은 시도들이 있었다.

땅과 가까운 곳에서 부는 바람은 나무, 건물, 언덕, 그리고 땅 자체와의 마찰에 의해 느려지는 경향이 있다. 따라서 높이 올라갈수록 바람이 더 세게 분다. 지표로부터 500m 상공에서는 100m 상공에서 보다 평균적으로 시속 3~7km 더 빠르게 바람이 분다.

연을 이용한 발전 시스템 개발 회사들은 이메가와트(MW)의 전력을 생산할 수 있는 더 큰 연을 만들고 싶어한다. 이들은 수백 개의 연들이 풍력 발전소에 모여 송전망에 전기를 공급하는 모습을 상상한다. 그러나 연 발전시스템의 최대출력과 공급할 수 있는 전력은 일반 풍력터빈, 소형원자로와 비교해 보면 여전히 작다.

스카이세일즈파워 PN-4 시스템의 경우 현재 최대 발전 출력 80kW로 60가구에 전력을 공급할 수 있다.

그러나 현재 제안되고 있는 상용 연 발전시스템은 최대출력 3.5MW로 2800가구에 전력을 공급할 수 있는 수준이어서 꽤 경제적 가능성이 높다고 볼 수 있다. 일반 풍력 터빈의 최대 발전 출력이 2.75MW로서 2160가구에 전력을 공급할 수 있는 것보다도 앞선다. 물론 이는 소형 원자로의 최대발전출력 582 MW, 46만 5600가구 공급전력 공급 능력에는 훨씬 못 미친다.

연 이용한 2가지 풍력 발전 방식

공중 풍력 에너지 시스템은 전기를 생산하기 위해 두 가지 기본적인 방법을 사용한다.

첫째는 지상 기반 접근방식으로 지상에서 발전기를 작동시키기 위해 ‘펌핑 파워’를 사용하는 방식이다. 스카이 세일즈와 같은 대부분의 연 발전 회사들은 더 많은 에너지를 모으기 위해 공중에서 일정한 패턴을 나는 조종 가능한 컴퓨터 제어 연을 사용한다.

이 시스템의 지상쪽 밧줄 끝은 윈치에 감겨 있고, 연이 바람을 가르며 날아갈 때 윈치에 감긴 밧줄을 잡아당겨 발전기를 구동한다. 그리고 나서 줄이 다시 휘감기는 동안 연은 공중에 떠 다니게 되고, 이러한 감고 감기는 발전 주기는 다시 시작된다.

두 번째 방식은 연 자체에서 전기를 발생시키는 방식이다. 이 자체적으로 발전하는 연은 비행기 날개를 닮은 단단한 연인데 작은 풍력 터빈이 붙어 있다. 연이 날면 바람은 터빈을 돌리고, 이 연에 의해 만들어진 전기는 연결된 줄 아래 지상기지로 보내진다.

카이트 크래프트사는 터빈 블레이드를 이중으로 사용할 수 있게 하는 이 같은 비행기 형태의 연 자체가 발전하는 방식을 사용한다.

이 연의 날개(blades)는 이륙 및 착륙하는 동안 모터에 의해 작동되고, 연이 공중에서 무인항공기(드론)처럼 날고 선회하도록 해 주는 프로펠러가 된다.

일단 연이 적절한 높이에 도달하면 터빈은 바람으로부터 에너지를 생성하는 것으로 전환된다. 연을 움직이는 동력은 연 자체에 장착된 터빈에 의해 발생한다. 자체 발전을 위해서는 견고한 연 설계가 요구된다.

이 연들은 활용되는 재료 측면에서도 오늘날의 풍력발전소에 비해 잠재적 이점을 제공한다. 풍력 터빈 타워는 단지 터빈을 적절한 높이로 유지하기 위해 콘크리트 기초와 강철 구조물을 필요로 한다. 연 기반 발전 시스템에서는 이 구조물들이 상대적으로 작은 지상국과 가벼운 연결선으로 대체된다.

유럽 무역 협회인 ‘에어로빅 윈드 유럽(Aircuit Wind Europe)’의 연구결과는 일반적 풍력발전 단지의 경우 20년간 2868 입방톤의 자재를 사용하는 데 반해 50MW를 발전하는 연 발전단지는 913입방톤의 자재를 사용한다는 것을 밝혀냈다.

공중 풍력 에너지 연의 장단점

연을 기반으로 한 공중풍력 발전 시스템은 더 적은 자재를 사용함으로써 발전시스템을 더 친환경적이고 저렴하게 만들 수 있다.

연은 또한 심해 연안 풍력 발전에도 유용할 수 있다. 오늘날 물이 너무 깊어서 해상 풍력발전단지의 기초공사를 할 수 없을 때 풍력 터빈은 터빈 무게를 견디고 안정적으로 유지하기 위한 거대한 바지선 같은 구조물 위에 떠 있다. 연은 이보다 훨씬 덜 무겁기 때문에 더 가볍고 더 저렴한 바지선을 사용할 수 있다.

그러나 이러한 이점에도 불구하고 이 발전 시스템에도 약점은 있다.

복잡성이라는 대가를 치러야 한다는 점이다. 연들이 경제적이 되기 위해서는 이들이 인간의 감독이 거의 없거나 전혀 없이 오랫동안 운영될 수 있어야 한다.

이에 대해 크리스 버밀리언 노스캐롤라이나 주립대 재생에너지 제어 및 최적화 에너지 효율 연구소 소장은 “이는 어려운 컴퓨터 제어 문제를 야기한다”고 말했다.

연들은 단순히 공중에 수동적으로 떠 있는 것이 아니다.

대신 그들은 연의 공기역학을 이용해 연을 바람을 가르며 앞뒤로 움직이는 보트처럼 옆바람 패턴으로 날게 된다. 이 연들의 날개는 바람의 방향에 수직되게 날면서 떠오르고 지상과 연결된 줄(테더)을 더 세게 잡아 당긴다.

이 추가 상승은 지상 발전용 줄을 더 많은 힘으로 당기거나, 연에 있는 터빈을 더 빠른 공기속도로 구동시켜 줄 힘을 의미한다. 어느 쪽이든 이용 가능한 전력은 옆바람 운동 없이 비행하는 것에 비해 최소한 10배 정도 증가한다.

공중의 옆바람은 속도를 높여주고, 따라서 연이 바람으로부터 얻을 수 있는 잠재적 에너지를 증가시킨다.

그러나 그러한 까다로운 기동에는 조종사나 컴퓨터를 이용한 연의 지속적 조정과 제어가 필요하다. 부드러운 소재로 된 연은 낙하산이 안내되는 방식과 비슷하게 조종 밧줄의 길이를 조절함으로써 제어된다. 단단한 연은 비행기가 날 때 사용되는 것과 같은 플랩과 방향타 같은 조종 구성 요소를 이용해 조정 및 제어한다.

오늘날 가장 앞선 연 시스템은 내장 컴퓨터나 지상 컴퓨터 제어에 따라 조종장치를 지속적으로 보정하면서 한 번에 몇 시간 또는 며칠 동안 비행할 수 있다. 이들은 바람이 일정하게 부는 동안에도 매우 잘 작동하는 경향이 있다.

하지만 이 연 발전 방식이 주류에 편입되려면 연이 강한 돌풍과 같은 갑작스럽고 예측할 수 없는 변화에 안정적으로 대처할 수 있어야 한다. 또한 이 연들은 날씨가 나쁠 때 내려오고 바람이 적당할 때 올라갈 수 있도록 자동로 이착륙할 수 있어야 한다.

버밀리언은 “기기의 작동 수명을 수일, 또는 수주 단위의 시연 수준에서 수년, 수십년 단위로 올려 놓기 위해 더 많은 작업을 수행해야 한다”고 말한다.

규모의 문제도 있다. 작은 연들은 만드는 것이 더 저렴하고 개발하기가 더 쉽다. 하지만 줄의 무게와 당기는 힘은 높이에 따라 증가하기 때문에 바람이 가장 강한 300m 이상에서는 작은 연들도 잘 작동하지 않는다. 연 발전 회사들은 더 높이 날 수 있고 메가와트의 전력을 생산할 수 있는 더 크고 더 효율적인 연으로 확장하기를 원한다. 하지만 그것은 비용과 위험을 동반한다.

아래는 비행기 형태의 단단한 비행 연을 이용하는 독일 카이트 크래프트의 발전 시스템의 시험 모습이다.