흥미로운 발상, 발전용 연

시대가 급격히 변하면서 그에 따라 많은 것들이 바뀌어 가고 있다. 하루가 다르게 기술이 발전하고 영화에서 보던 일들이 현실이 되어가는 시대가 되고 있다. 그래서 그러한 발전의 기초가 되는 에너지에 대한 관심도 증가하고 있다. 보다 지속적인 기술 발전과 미래를 위해 전 세계가 에너지 안보와 환경문제에 대해 깊이 관심을 가지고 있다. 

현재 전 세계의 에너지를 생산하는 대부분의 발전 방식은 석탄, 석유를 이용한 방식이다. 물론 발전에 있어서 더 나은 기술이 들이 생기고 있지만 이러한 발전 방식은 지속 가능하다고는 생각하기 어려운 발전 방식이다. 그래서 여러 신재생에너지 발전 방식들이 계발되고 실제로도 사용되고 있다. 우리에게 조금은 익숙해진 태양광 발전, 해양 에너지 발전, 바이오 에너지 발전, 풍력 발정, 지열 발전 등 어떤 것은 우리에게 익숙하지만 아직은 익숙하지 않은 발전 방식도 있을 것이다.

  위의 발전 방식들은 아직은 미완성의 발전 방식이라고 말할 수 있다. 물론 발전 방식이 미숙하다는 것이 아니다. 그만큼 기술발전의 한계를 알 수 없다는 것이다. 몇백년이 지난 석유, 석탄 발전 방식도 진화하고 있다는 것을 감안하면 그렇게 생각할 수 있다. 아직은 미완성이라고 생각해서 인지 여러 새로운 아이디어가 나올 때마다 관심을 가지고 보게 됐다. 그 중에 아직은 미완성의 방식이지만 지속 가능한 발전을 가능하게 할 기술에 대해 써보려 한다.

 어릴 때 한 번 쯤은 연을 가지고 놀아 봤을 것이다. 그게 아니라면 한 번 쯤은 자신이 생각하지도 못한 높은 고도를 날아다니는 연을 보았을 것이다. 연은 양력, 중력, 장력, 항력이 복합적으로 작용하여 하늘을 비행하는데 이것을 이용한 발전 방식을 설명하는 TED를 보았다. Saul Griffith은 연의  무시할 수 없는 힘에 대해 이야기를 한다.

[사진 1. 연을 이용한 수중익 보트]

출처: TED (High-altitude wind energy from kites!)

 위의 사진과 같이 연을 동력으로 이용하여 시속 56km 이상을 달리는 것을 보여준다. 바람과 연의 힘이 장난감의 수준이 아니다.  1827년 조지 포콕이 마차 경주에서 연을 동력으로 이용하고, 그레이엄 벨이 하늘을 날기 위해 연을 사용하였다. 위의 이야기만 봐도 연은 우리가 생각한 것 외로 여러 가능성을 가지고 있다. 그리고 그런 가능성을 미리 본 마일즈 로이드가 에너지 학회에 논물을 제출했으나 무시를 당했다. 하지만 논문의 내용은 흥미롭다. 비행기에 끈을 달아서 엄청난 양의 전기를 생산하는 방식에 관한 것인데 가장 중요한 것은 자유 비행하는 날개가 고정날개를 가진 터빈에 비해 더 많은 공기를 통과하고 단위 시간당 더 많은 전기를 생산하는 것에 대한 발견이다. 

[그림 1. 고도에 따른 발전량]

출처 : TED (High-altitude wind energy from kites!)

 위의 사진과 같이 고도가 높아지면 바람이 강해지고 연이 쓸고 가는 면적이 증가하기 때문에 많은 전력 발생량을 얻을 수 있다. 하지만 어쩌면 획기적인 방식에도 문제는 존재한다. 연이 감았다가 풀어지면서 터빈에 의한 전력이 발생하는데 감을 때 에너지를 소비한다는 것이다.

 이와 같은 문제를 해결하고 실험적인 발전 방식을 채택하여 여러 생각을 실험해보는 회사가 있다. 일반적인 풍력 발전용 터빈의 높이인 지상 약 80m에서 바람의 평균 속력은 대략 초속 4.6m이고 이용 가능한 풍력의 양은 바람의 속력과 직접 관련되어 있는데, 이 높이에서라면 ㎡당 약 58W의 전력이 생산된다. 그런데 더 많은 에너지 발전을 위해서는 고도가 높아질수록 더욱 안정적이고 강해지는 바람을 이용해야 하는데 풍력 발전용 터빈을 그 정도나 높이 세운다는 것은 기술적으로 거의 불가능한 일이라는 것이기 때문에 카이트젠은 연을 발전의 중심 축으로 생각하고 발전 방식에 대한 실험을 진행중 이다.

[사진 2. 카이트젠 발전 모식도]

출처: NAVER TV (연을 이용한 풍력 발전의 원리)

 카이트젠의 시물레이션에 따르면 100㎡ 넓이의 연 하나를 300m 길이의 줄에 매단 경우 평균 620KW의 전력을 얻을 수 있다고 한다. 만약 넓이가 약 500㎡인 연 60~70개가 직경이 3Km인 회전판에 매달린 채 800m 높이에서 휘날린다면 이 풍력 발전 플랜트 1기는 평균적으로 연간 9테라Wh의 전기를 생산할 수 있다고 한다. 그리고 추정되는 비용은 MWh당 15~20달러 정도에 지나지 않는다고 한다. 동일한 양의 에너지를 일반적인 풍력 발전용 터빈으로 생산하려면 2,250개의 터빈이 필요하므로 MWh당 140~160달러의 비용이 들어가므로 약 10분의 1이다.

 카이트 젠의 연을 이용한 풍력 발전은 지면의 넓이가 훨씬 작아도 된다는 또 하나의 이점이 있다. 앞에서 설명한 것과 같은 풍력 발전 단지 하나는 땅 넓이가 고작 8k㎡면 되는 데 비해, 일반적인 풍력 발전 단지는 300k㎡나 되는 땅이 필요하다.

 

 그뿐 아니라 연을 이용한 풍력 발전 단지는 일반적인 풍력 발전 단지로는 부적합하거나 접근 불가능한 곳에도 세울 수 있다. 왜냐하면 연이 높이 날기 때문에 지면 가까운 곳에서 바람이 예상 밖으로 변화를 일으키더라도 영향을 덜 받기 때문이다. 이미 다른 구조물이 차지하고 있는 땅 위에도 연을 이용한 풍력 발전 단지를 지을 수 있으며, 심지어 원자력 발전소 상공의 비행금지구역에도 설치할 수 있다.