버려지는 에너지를 재활용하는 기술

버려지는 에너지를 재활용하는 기술

-에너지 하베스팅

우리나라는 97%의 에너지를 수입에 의존하고 있다. 또한 우리나라의 온실가스 배출량은 세계10위에 달하는 수준이지만, 우리나라의 산업구조상 화석연료의 사용이 대다수를 이루고 있기 때문에 쉽게 줄일 수 없는 상황이다. 이런 이유로 에너지저장기술 연구가 활발히 진행되고 있는데, 그 중 하나가 에너지 하베스팅 기술이다.

에너지 하베스팅은 버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꿔 쓰는 기술로, 현재 화석연료의 고갈로 인한 에너지 불균등화 문제, 화석연료사용으로 발생하는 환경문제 해결에 큰 도움이 되어 우리나라의 실정에서 특히 유용한 분야이다.

에너지 하베스팅 기술의 종류

에너지 하베스팅은 다양한 변환 원리로 가능하며, 진동에너지 및 열에너지 등을 전기에너지로 변환하는 것이다. 기계적 진동에서 발생하는 압전효과, 정전효과, 전자유도를 이용한 압전에너지/정전기에너지/전자기에너지 변환기술, 광전효과를 이용하는 광에너지 변환기술, 열전효과를 이용하는 열전변환기술 등 다양한 방법으로 발전이 가능하다. 각각의 방법은 모두 장단점을 갖고 있어 주어진 환경에 적합한 방법을 선택하는 것이 중요하다.

예를 들어, 광에너지 변환기술인 태양발전은 생산되는 에너지양은 크지만 날씨에 따라 발전량이 변동될 수 있고, 실내에선 사용할 수 없다는 단점이 있다. 압전에너지 변환기술은 다른 방법에 비해 에너지 밀도가 높고, 풍력이나 파도 등 다양한 형태의 기계적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다는 장점이 있지만, 압전 재료로 납 성분을 포함하고 있는 독성 물질이 이용되므로 각별한 주의가 필요하다.

이 기사에서는 실용화에 있어서 가장 잠재력이 높다고 여겨지는 열전 변환 하베스팅과 압전 에너지 하베스팅에 대해 소개한다.

[그림 1. 에너지 하베스팅]

출처: 네이버 지식백과

버려지는 열에너지를 재활용하는 열전변환 하베스팅

 

열전변환에 의한 에너지 하베스팅은 제벡 효과 (Seebeck Effect) 또는 펠티에 효과(Peltier Effect)를 이용해 재료 양단의 온도차에 의해 발생하는 기전력을 이용한다.

열전은 에너지 변환 과정이 단일 재료 내에서 일어나고, 부산물을 발생시키지 않아 친환경 기술로서 큰 가치를 가지며, 크기를 다양하게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 이에 따라 열전변환 하베스팅은 폐열의 회수뿐만 아니라 자연에 존재하는 열에너지원을 이용한 발전, 나아가서는 인체열을 이용해 에너지 확보에 적용할 수 있는 에너지 변환기술로서 잠재성을 가지고 있다.

기존의 폐열 회수 시스템은 고온영역의 폐열을 중심으로 적용되고 있는데, 규모가 크고 구조가 복잡해 자동차와 같은 소규모의 폐열원에 적용하기 어렵고, 폐열원에서 발생하는 열에너지를 발전시스템 또는 열소비원으로 이동시켜야 하는데, 전국 곳곳에 분산돼있는 자동차의 폐열을 모아 이동시키는 일은 너무나도 어렵고, 경제성 또한 떨어진다.

이에 비해 열전소자를 이용한 폐열 회수 시스템은 구조가 간단하고 열원에 직접 부착해 부가적인 발전 시스템 없이 바로 전기를 생산할 수 있기 때문에 자동차나 소규모 산업체에서 발생하는 중저온 폐열을 회수하는데 적합하다. 고온 및 중저온 폐열이 다량 발생하는 자동차의 경우 폐열 회수를 통해 연비를 크게 늘릴 수 있을 것이다.

기술이 발전함에 따라 열전 성능 지수가 증가한다면 태양열, 지열, 해수열 에너지 발전으로 자연에 존재하는 막대한 양의 청정에너지를 확보할 수 있고, 더 나아가서는 인체열 발전을 통해 몸에 지니는 전자기기를 반영구적으로 이용할 수 있을 것으로 기대된다.

[그림 2.카이스트에서 개발한 웨어러블 발전 소자, 체온을 이용해 전기에너지를 생산한다.]

 출처:kaist

누르고, 밟으면서 에너지를 생산하는 압전 에너지 하베스팅

압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 압전체에 기계적 변형이 발생하면 전기 에너지가 발생하는 효과를 이용하여 주위에 버려지는 힘이나 압력, 진동 같은 에너지를 우리가 사용 가능한 전기 에너지로 변환하여 주는 것을 말한다. 기존의 자석을 이용한 발전보다 작은 진동을 전기에너지로 변환하는데 용이할 뿐만 아니라 에너지 변환 효율 또한 높은 장점을 가지고 있다.

압전 에너지 하베스팅은 항공 및 수중 운반체, 자동차 타이어 등 다양한 부분에 적용시켜 발전이 가능하다. 적용사례도 다양한데, 2006년 일본에서 사람이나 자동차, 자전거 등이 지나갈 때 나오는 진동에너지를 전기 에너지로 바꾸는 발전 마루를 개발했고, 이스라엘에서는 도로, 철도, 공항활주로에 압전 발전기를 설치하여 도로를 통과할 때 발생하는 압력, 진동에너지로 신호등, 철도차단기, 가로등에 전력을 공급하는 기술을 개발해 1km 도로에서 시간당 최대 200kWh의 발전량을 보였다. 

[그림 3. 타이어에 압전 에너지 하베스팅 기술을 적용해 전기 에너지를 만든다.]

출처:한국자동차공학회

[그림 4. 부산 서면역에 설치된 압전에너지 블록]
                                                                                                             출처: 한국전력공사 블로그

이외에도 군사용으로 군화에 압전 발전기를 설치하여 걸을 때 발생하는 진동에너지로 무전기 배터리를 충전하는 기술, 축구장에서 선수들이 뛸 때 발생하는 진동, 압력 에너지로 축구장 조명을 밝히는 기술 등이 개발되었다.

기술이 더욱 발전된다면 음파, 심장박동, 혈압 등 각종 인체활동의 미세한 진동까지 이용해 발전하는 수준까지 이를 것으로 기대된다.

[그림 5. 걸을 때 에너지를 발생시키는 Bionic power사의 power walk]

출처: Bionic power

[그림 6. 춤추면 전기가 발생하는 에너지 플로어]

출처: Energy Floors

 

에너지 하베스팅의 전망

에너지 하베스팅은 아직 에너지 효율 문제나 에너지 하베스팅 소자들의 최적화 문제 등 아직 개선될 부분이 많다. 하지만 에너지의 수급 문제가 점점 심화됨에 따라 일상생활 속 혹은 산업현장에서 버려지는 미약한 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하여 재활용하는 에너지 하베스팅 기술은 더욱 필요성이 증대될 것이다. 현재 전 세계 각지에서 기사에서 소개한 열전변환, 압전에너지 변환기술 외에도 전자기/ 정전기/ 마찰 전기 에너지 등 다양한 원리에 기반을 둔 연구들이 이루어지고 있고, 심지어는 식물을 통해서도 발전하는 기술까지도 개발되고 있다. 이러한 지속적인 노력을 통해 에너지 하베스팅 기술이 일상생활에 필수적인 기술로 거듭나기를 기대해본다.

[그림 7. 에너지 하베스팅 시장 전망]

출처: 아이디테크엑스

참고자료

- 임영택, 박구범 저 마이크로 에너지 하베스팅 변환 원리

- 손정우, 김기우, 이준, 홍광욱, 김주형 저 압전진동에너지하베스팅

- 이수진, 김상우, 함영복 저 압전에너지 하베스팅 기술동향 및 전망

- 배영철 저 하이브리드 에너지 하베스팅의 기술 및 시장 동향

- 김일호 저 열전에너지 변환 기술