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성층권 나는 '태양광 무인 항공기' 등장
구글·페이스북은 통신망과 결합
2014년 시범운영 '공중풍력발전기', 12가구에 반값으로 전기 제공
성층권의 낮은 온도, 고고도 상공 거센 바람 견디는 기술 '과제'
[세종=뉴스핌] 최온정 수습기자 = 자연의 한계를 극복하기 위한 신재생에너지의 공세가 거세다. 육상·수상 발전을 넘어 '공중권'으로까지 영역이 넓어지고 있다.
국내에 설치된 육상태양광·풍력발전의 발전효율은 각각 평균 15%, 25%에 불과해 원전의 발전효율인 85%에 훨씬 못미치는 수준이다. 최근에는 산림훼손 등의 문제가 부각되면서 신재생에너지의 효율성에 대한 논란이 이어지고 있다. 이를 타개하기 위해 새롭게 부상한 것이 해상태양광 및 해상풍력이다.
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| 당진화력본부 내 건설된 3.5MW급 제2회처리장 수상태양광 발전소[자료=동서발전] |
수상·해상태양광은 수면의 냉각효과로 열에너지에 취약한 지상태양광의 한계를 극복하는 효과가 있다. 또 해상풍력은 해상에서 지형이나 장애물 등의 영향이 없어 바다에서 바람이 더 세다는 장점이 있다. 두 가지 발전 모두 산림 훼손을 줄일 수 있다는 건 덤이다.
12일 에너지업계에 따르면 국내에서는 2011년도부터 저수지·댐·유수지 등에 수상태양광이 설치되기 시작했고, 작년 9월에는 국내 최초의 상업용 해상풍력단지인 '탐라해상풍력'이 제주도에서 가동을 시작했다.
올해는 에너지기술평가원이 주축이 돼 시화호 지역에 해상태양광 적용 가능성을 따져보는 실증연구도 시작됐다.
실제로 현재 가동중인 수상태양광의 발전효율은 16.5%, 해상풍력발전은 30%로 육상에 비해 발전효율이 더 높다.
그러나 발전효율을 더욱 끌어올리려면 태양광은 일사량, 풍력은 바람의 세기가 강한 곳에 설치돼야 한다. 이에 미국·일본·유럽 등 해외에서는 신재생에너지의 다음 영역으로 '공중'을 주목하고 있다. 태양광·풍력 모두 하늘로 올라갈수록 발전량이 높아진다는 이유에서다.
◆ 성층권 일사량 높아 태양광 발전효율↑…풍력은 고도 높아질수록 바람 세져
이론적으로 태양광은 빛의 굴절·감쇄가 없고 대기현상이 일어나지 않는 성층권에 설치될 때 더 많은 에너지를 만들어낼 수 있다. 풍력 또한 상공의 바람이 지상보다 강해 2배 이상의 발전량을 기대할 수 있다.
이에 국내외에서는 비록 상업운전으로 이어지진 않았지만 공중에서 태양광·풍력발전을 이용해 생산하려는 연구가 꾸준히 진행되고 있다.
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| 대한항공 무인항공기 KUS-FT [사진=대한항공] |
공중 태양광발전은 '태양광 비행기' 개발과 함께 그 잠재성이 드러나고 있다. 성층권 높이에서 지속적으로 태양에너지를 얻을 수 있다는 점이 주효했다.
외신에 따르면 독일의 초경량 비행기 제조사인 피씨에어로(PC-Aero)는 현재 성층권 비행이 가능한 태양광 비행기를 개발 중이다.
피씨에어로의 골로간 CEO는 "성층권 높이에서는 구름이나 바람의 영향을 받지 않고 지속적으로 태양 에너지를 얻을 수 있다"며 "이 계획이 성공한다면 가까운 시일 내에 저렴한 비용으로 성층권 여행이 가능해질지도 모른다"고 기대했다.
국내에서도 한국항공우주연구원이 지난 2016년 성층권을 비행하는 '태양광 무인기’를 띄워 90분 비행에 성공했다. 구글·페이스북는 태양광 무인 항공기를 개발해 저개발 국가의 새로운 통신망으로 무인 항공기를 이용한다는 계획을 세우고 있다.
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| 두산중공업 풍력발전 [사진=두산중공업] |
공중 풍력발전은 미국의 벤처기업인 알타에로스 에너지스(Altaeros Energies)가 가장 앞서나가고 있다. 이 회사는 지난 2014년 헬륨가스를 넣은 원통형 풍선에 발전용 날개를 달아 상공 100~600m 높이에서 전기를 개발하는 실험을 알래스카에서 18개월간 진행했다.
실험 결과 1기당 30kW의 전력 생산이 가능했고, 실험 기간동안 12가구가 사용할 수 있는 양의 전기가 생산됐다. 더욱이 12가구는 풍부한 발전량을 기반으로 기존 전기요금의 반값으로 생산된 전력을 사용할 수 있었다.
영국 킹스턴 대학의 호세인 밀자이(Hossein Mirzaii) 박사는 이 실험결과를 두고 "더 높은 고도인 1km 상공에서 풍력발전기를 돌리면, 풍속이 2배가 되기 때문에 발전가능한 전력량이 8배가 될 것"이라고 전망하기도 했다.
◆ 과제는 '기기 안전성'...성층권의 낮은 온도, 고고도 상공 거센 바람 견뎌야
물론 한계가 없는 것은 아니다. 태양광 발전은 하루 중 해가 떠있는 시간에만 전기를 모을 수 있어 발전된 전력을 저장할 수 있는 리튬 배터리가 함께 필요하다. 또한 성층권까지 높이 올라갈 경우 대기압이 지표의 5%에 불과하고, 기온이 영하 70도까지 떨어져 기술적 보완이 절실하다.
풍력발전 또한 발전된 전력을 송배전망을 통해 전달하는 과정에 손실이 발생할 수 있어 한계가 있다. 또한 바람의 세기가 높아지면 발전기의 안전성을 보장할 수 없다는 문제도 있다. 알타에로스 에너지스가 개발한 공중풍력발전기의 경우, 시속 70km를 넘어서면 발전기의 안전성을 담보할 수 없다.
onjunge02@newspim.com
