3D 프린팅과 풍력 발전이 만났다!

3D 프린팅과 풍력 발전이 만났다!

대학생신재생에너지기자단 21기 정형인

 

[주목받는 3D 프린팅]3D

 4차 산업혁명 이후 굉장히 주목받는 산업 분야가 있다. 바로 ‘3D 프린팅’이다. 주목받는 이유에는 여러 가지 이유가 있다. CAD 등과 같은 소프트웨어 접근성이 좋고, 프린팅 장치 가격은 낮다. 또한, 이용되는 소재의 다양성이 높고, 획일화된 같은 제품이 아닌 각자 본인의 환경에 따른 혹은 필요나 취향에 따른 제품을 원하는 소비자들이 많아지며 그에 따른 정부의 관심 역시 높아졌기 때문이다. 현재 의학, 의류 등 이미 여러 분야에서 이용되고 있는데 과연 신재생에너지 분야에는 어떻게 쓰이고 있을까. 높은 유망성을 가진 3D 프린팅은 이제 풍력발전에도 쓰이고 있다.

[풍력 발전이란?]

[자료 1. 풍력발전]

출처 : 동아일보

 먼저 풍력 발전이란 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생하는 전력을 수요자나 전력계통에 공급하는 기술이다. 바람이 있는 곳이라면 어디서나 전력 생산이 가능하고, 설치가 쉽고, 가격이 저렴해 미래 에너지 산업으로 주목받고 있다. 풍력 장치는 바람이 가진 에너지를 흡수하고 변환시킬 수 있는 운동량 변환장치, 동력 전달장치, 동력 전달장치, 동력 변환장치, 제어장치 등으로 구성되어 있다. 

[3D 프린팅과 풍력 발전의 첫 번째 만남]

 첫 번째 사례는 미국이 세계 최대 3D 프린터로 해상풍력 날개를 제조한다는 것이다. 미국의 현 바이든 정부는 항상 친환경 에너지 가치를 고수해왔기에 미국 해역 곳곳에서 해상풍력발전이 활발해질 것으로 예상하고 있다. 이 와중에 최근 미국 에너지 효율 및 재생에너지국은 미 북동부 메인 주의 대학에 적층 제조를 통한 윈드 블레이드 개발 연구를 위해 280만 달러를 투자했다고 한다. 여기서 주목해야 할 점은 메인대학이 지난 2019년 세계 최대 폴리머 3D 프린터를 선보였었다는 점이다. 길이가 100피트 × 22피트 × 높이 10피트인 물체를 적층 제조할 수 있도록 설계되었으며 시간당 500파운드로 인쇄 가능하다고 한다.

 기본적으로 폴리머라는 재료는 제조성이 뛰어나 다양한 모양을 제작할 수 있고, 후공정이 쉽다. 또한, 합리적인 가격을 가지며 화학적 구조와 물리적 구조가 다양하다는 장점을 갖고 있다. 폴리머에는 다양한 종류가 존재하는데, 이 세계 최대의 폴리머 3D 프린터는 목재에서 추출한 셀룰로스를 포함한 바이오 기반 재료를 프린팅 원료로 사용한다. 메인대학 팀은 인터뷰를 통해 “목재가 50%인 3D 프린팅 플라스틱을 사용하면 틀과 부품을 훨씬 빠르고 경제적으로 만들 수 있다”라는 의견을 밝힌 바 있다.

[3D 프린팅과 풍력 발전의 두 번째 만남]

 두 번째 사례는 미국 GE가 3D 프린팅으로 풍력 터빈을 만든다는 소식이다. GE는 최근 초고층 풍력 터빈을 3D 프린팅으로 만드는 기술을 개발한다고 밝혔는데, 풍력 터빈은 바람의 운동 에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치다. 현 기술로 만들어낼 수 있는 풍력 발전기의 최대 크기는 약 80ｍ 정도이며, 이 크기가 커질수록, 높이가 높아질수록 그 효율이 향상한다. 고도가 높을수록 그만큼 강한 바람을 활용할 수 있기 때문이다. 사실 풍력발전은 가지고 있는 장점에 비해서 크기의 제한으로 인해 한계에 부딪혀왔다. 또한, 풍력 발전기를 구성하는 부품도 크기가 매우 크기 때문에 운반하고 설치하는 비용이 비싼 편이다. 그런데 여기서 3D 프린팅을 활용해 제조 방식을 개선한다면 이런 한계를 돌파할 수 있게 된다.

[자료 2. 3D 프린팅을 활용한 GE의 풍력 터빈 단면] 

출처 : 전자신문

 GE는 지난해 2019년 10월 콘크리트 3D 프린팅 기술로 첫 풍력 터빈 시제품을 완성했고, 2023년부터 양산에 들어간다는 계획을 하고 있다. 현재 기술로 160m 높이의 5㎿ 터빈을 건설할 수 있을 것으로 보고, 3D 프린팅 기술을 활용하기에 터빈 설치에 필요한 시간과 노동력을 줄일 수 있게 된다.

 GE가 사용한 콘크리트 3D 프린팅 기술은 다른 금속 프린팅, 세라믹 프린팅 등에 비해 덜 알려져 있으나 플라스틱과 금속만이 3D 프린팅 산업에 사용되는 것은 아니다. 3D 프린팅의 재료로 콘크리트가 등장하며 특히 건설업에도 많은 변화가 오고 있다. 기존의 재료를 분사하는 잉크젯 프린팅과 유사한 윤곽 형상 적층(contoue crafting) 공법을 개발하여 건축구조에 적용하기 시작하였다. 이 방법은 넓은 구경의 노즐을 통해 고압의 콘크리트 페이스트를 압출하는 방식이다.

[결론]

 지금까지 3D 프린팅을 활용한 풍력발전 사례를 알아보았다. 미래 산업들이 함께 발전해나가는 것은 매우 긍정적인 효과를 불러일으킬 것으로 예상된다. 다만 활용 사례들이 전부 외국대학 혹은 외국 기업에서 진행된 것들이 거의 대다수라는 것이 아쉬웠다. 미국은 3D 프린팅을 굉장히 선도하고 있는 국가라고 한다. 우리나라도 선진국 반열에 오른 만큼 이런 트렌디한 기술 분야에서 앞으로 활발히 두각을 나타내기를 기대해본다. 

 

---

3D 프린팅에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "3D 프린팅, 에너지 분야의 가능성을 넓혀주다.", 16기 이서준, 임상현 단원, https://renewableenergyfollowers.org/2941

2. "3D 프린팅(3D printing)과 태양에너지, 어떻게 미래를 만들어 갈 것인가?", 장익성 단원, https://renewableenergyfollowers.org/1051

---

참고문헌

1) 3D 프린팅 연구조합 정우민 주임, “콘크리트 3D 프린팅, 건설업계 트렌드 변화 이끈다”, <3D 프린팅 연구조합>, 2020.08.14., http://www.3dpro.or.kr/bbs/board.php?bo_table=industrial&wr_id=7

2) 강해령 기자, “[IT 핫 테크] GE, 3D 프린팅으로 풍력 터빈 만든다”, <전자신문>, 2020.06.21., https://www.etnews.com/20200619000198

3) 곽노필 기자, “3D 프린터로 보트도 3일 만에 `뚝딱'”, <한겨레>, 2019.10.12., https://www.hani.co.kr/arti/science/technology/912948.html

4) 김보라 기자, “에너지산업에 3D 프린팅 등 첨단기술 융합한다”, <비즈니스 와치>, 2017.02.06., http://news.bizwatch.co.kr/article/industry/2017/02/06/0023/prev_ver

5) 신태수 기자, “[포커스] 3D 프린터로 인쇄한 집 판매 시작…해상풍력 날개에 인공치아까지 제조”, <AI라이프 경제>, http://www.aifnlife.co.kr/news/articleView.html?idxno=6645

6) 정헌 한국 에너지기술연구원 부원장, “[기고] 신재생에너지, 세계시장의 문을 두드려라”, <에너지 신문>, 2017.05.24., https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=47937

7) 최정훈 기자, “美 세계 최대 3D 프린터로 해상풍력 날개 제조 나선다”, <인더스트리 뉴스>, 2021.02.01., https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=41227

8) 한국전력공사, “신재생에너지”, https://home.kepco.co.kr/kepco/KE/htmlView/KEDBHP012.do