[Remake] 버려지는 에너지를 잡아라: 에너지 하베스팅의 혁신과 가능성

[Remake] 버려지는 에너지를 잡아라: 에너지 하베스팅의 혁신과 가능성

대학생신재생에너지기자단 25기 윤영서

 

23기 김용대 선배님의 "에너지도 재활용이 가능하다고요? 버려지는 것에 생명을 불어넣는 '에너지 하베스팅' " 기사의 Remake 버전입니다. 기사 작성에 도움을 주시고 배려해주신 김용대님께 감사드립니다.

 

[에너지 하베스팅의 원리와 현재 기술적 성과]

에너지 하베스팅은 주변 환경에서 발생하는 미세한 에너지를 수집해 전력으로 변환하는 기술로, 최근 몇 년간 다양한 산업과 분야에서 주목받고 있다. 에너지 하베스팅의 가장 큰 장점은 외부 전원이나 배터리 교체 없이도 주변 환경에서 쉽게 얻을 수 있는 에너지를 활용해 전력을 공급할 수 있다는 점이다. 이는 기후 변화와 에너지 자원의 고갈이 현실화되는 가운데, 기존 전력 자원에 대한 의존도를 줄이고, 환경에 대한 영향을 최소화할 수 있는 친환경적이고 지속 가능한 전력 솔루션으로서의 가능성을 제공한다.

[자료 1. 에너지 하베스팅 이미지]

출처: elec4

특히 사물인터넷(IoT)과 웨어러블 기기의 확산은 에너지 하베스팅 기술의 필요성을 더욱 부각시키고 있다. IoT 기기와 웨어러블 기기는 일반적으로 배터리로 구동되며, 배터리 교체나 충전의 한계로 인해 사용성에 제한이 따른다. 에너지 하베스팅은 이를 해결하는 대안으로 등장해, 자가 충전이 가능하고 유지 보수 비용을 줄일 수 있는 전력 공급 방식으로 자리 잡았다. 또한 스마트 시티 구축을 목표로 하는 도시에서는 보도, 교량, 빌딩 등에서 발생하는 미세 에너지를 수집해 도시 전반의 에너지 효율을 높이고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 에너지 하베스팅 기술은 그 자체로 혁신적인 전력 공급 방식을 제안할 뿐 아니라, 환경오염 문제와 에너지 절약에 기여하는 해결책이기도 하다. 본 글에서는 에너지 하베스팅의 기본 원리와 현 기술적 성과를 설명한 후, 이를 활용한 구체적인 사례들을 살펴보고, 나아가 에너지 하베스팅이 발전하기 위해 해결해야 할 과제와 미래 전망을 심도 있게 논의하고자 한다. 이를 통해 에너지 하베스팅 기술이 어떻게 현대 사회와 미래의 지속 가능성에 기여할 수 있을지에 대해 고찰해 보고자 한다.

 

[에너지 하베스팅의 원리와 현재 기술적 성과]

에너지 하베스팅은 주로 빛, 열, 진동, 전자기파 등의 에너지원에서 에너지를 수집하는 방식으로 작동한다. 각 에너지원은 독자적인 변환 기술을 통해 전력을 생성하며, 이를 통해 다양한 환경에서 전력 공급이 가능하다. 현재 상용화된 에너지 하베스팅 기술로는 태양광, 열에너지 하베스팅, 진동 에너지 하베스팅이 있으며, IoT 기기 및 웨어러블 기기의 자가 전원으로 활용되고 있다.

[자료 2. Garmin smart watch]

출처: Walmart

태양광 에너지 하베스팅은 가장 널리 알려진 하베스팅 기술 중 하나로, 웨어러블 기기와 IoT 기기에 자주 적용된다. 태양광 에너지 하베스팅의 대표적인 사례로는 스위스의 가민(Garmin)이 출시한 태양광 스마트워치를 들 수 있다. 이 스마트워치는 빛을 받아 지속적으로 충전되며, 자주 충전하지 않고도 장시간 사용이 가능하다. 예를 들어, 야외에서 운동을 즐기는 사용자는 스마트워치가 태양광으로 자체 충전되기 때문에 더 오래 사용할 수 있으며, 자주 충전할 필요가 없다. 이러한 태양광 에너지 하베스팅은 특히 자가 전력이 요구되는 웨어러블 기기에 적합해 전력 자급성을 확보할 수 있게 한다.

[자료 3. Panasonic 공장 모습]

출처: Panasonic

열에너지 하베스팅은 주로 온도 차이를 이용해 전력을 생성하는 방식으로, 특히 산업 기기와 같은 열원이 많은 환경에서 유용하다. 일본의 파나소닉(Panasonic)은 열에너지 하베스팅 기술을 통해 산업용 무선 센서의 자가 충전을 가능하게 하는 기술을 개발 중이다. 파나소닉의 무선 센서는 공장 내부의 기계에서 발생하는 열을 수집해 자가 충전이 가능하며, 이를 통해 배터리 교체가 어려운 원거리 센서들이 장기간에 걸쳐 안정적으로 동작할 수 있도록 한다. 예를 들어, 고온 환경에서 작동하는 센서들은 배터리 교체가 어렵기 때문에 열에너지 하베스팅을 통해 전력을 자급하는 방식으로 운영된다. 이를 통해 유지 보수 비용을 크게 절감할 수 있다.

진동 에너지 하베스팅은 진동을 전기로 변환하는 기술로, 주로 교량, 철도, 도로 등 다양한 인프라에 적용할 수 있다. 예를 들어, 영국의 Pavegen이라는 회사는 보행자가 밟을 때 발생하는 진동을 에너지로 변환해 전력을 공급하는 기술을 개발했다. 이 기술은 런던의 보행로에 설치돼 보행자의 발걸음에서 에너지를 수집하고, 수집된 에너지는 거리 조명, 광고판, 혹은 스마트 센서 등에 사용된다. 이처럼 Pavegen의 진동 에너지 하베스팅 기술은 도시 인프라의 에너지 효율을 높이고, 스마트 시티 구축에 기여하는 데 큰 역할을 한다.

 

[에너지 하베스팅의 주요 응용 분야와 실제 사례]

에너지 하베스팅은 다양한 응용 분야에서 활용 가능성이 크다. 특히 IoT와 웨어러블 기기, 스마트 시티 인프라에서 핵심적인 역할을 하고 있으며, 각 분야에서 독특한 방식으로 에너지 하베스팅 기술이 적용되고 있다.

IoT 기기에서의 응용은 자가 충전이 어려운 원거리 센서나 인프라에서 유용하다. 예를 들어, 한국의 한 연구팀은 해양 부유물에서 발생하는 미세한 진동을 수집해 해양 센서의 전력으로 사용하는 기술을 개발했다. 해양 환경에서는 배터리 교체가 어렵고 고가의 비용이 발생하기 때문에 이러한 하베스팅 기술이 실용적이다. 또한, 농업용 센서에서도 이러한 진동 에너지를 활용해 수분이나 온도 데이터를 지속적으로 측정할 수 있는 자급형 시스템이 도입되고 있다.

[자료 4. EnOcean 기기 구동 과정]

출처: EnOcean

웨어러블 기기에서도 에너지 하베스팅은 필수적이다. 예를 들어, 프랑스의 에너지 하베스팅 전문 기업인 EnOcean은 체온을 활용한 하베스팅 솔루션을 제공한다. EnOcean의 스마트 헬스케어 제품은 사용자의 체온에서 발생하는 미세 에너지를 수집해 헬스케어 데이터를 장기간 모니터링할 수 있도록 한다. 이 제품은 병원에서 사용되며, 지속적인 데이터 수집이 필요한 환자들에게 적합하다. 이를 통해 병원 내 환자들의 데이터가 실시간으로 모니터링 가능해져, 의료 서비스의 질을 크게 향상시킨다.

스마트 시티 인프라에서는 진동 에너지 하베스팅이 필수적이다. 진동 에너지는 보행자의 발걸음, 차량의 이동 등 도시 환경에서 쉽게 발생하는 에너지 원천이다. Pavegen의 진동 에너지 하베스팅은 런던, 파리 등 주요 도시의 보도블록과 도로에 설치돼 있으며, 도로조명이나 보도 조명을 자가 전력으로 공급하는 데 활용된다. 이러한 시스템은 도시의 에너지 소비를 줄이고, 유지 관리가 간편하며, 장기적으로 스마트 시티 구축에 기여할 수 있다.

 

[에너지 하베스팅의 발전 과제와 미래 전망]

에너지 하베스팅이 더욱 널리 사용되기 위해서는 몇 가지 과제를 해결해야 한다. 특히 효율성 향상, 여러 에너지원 통합, 에너지 저장 및 관리의 문제는 지속적인 기술 개발이 필요한 분야이다.

우선 전력 변환 효율의 향상이다. 현재 에너지 하베스팅 장치는 대부분 낮은 변환 효율을 보이며, 수집된 에너지가 실질적인 전력으로 사용되기 어려운 경우가 많다. 이를 해결하기 위해 초소형 고효율 전력 변환 기술이 연구되고 있으며, 특히 나노 기술과 신소재 개발을 통해 높은 변환 효율을 유지하는 장치들이 연구되고 있다. 일본의 TDK는 이러한 고효율 소재를 개발 중이며, 이를 통해 소형 IoT 기기에서도 효율적으로 전력을 변환하는 데 기여하고 있다.

[자료 5. 에너지 하베스팅 시스템]

출처: allied market research

복합 에너지 하베스팅 시스템의 구축 또한 중요한 과제이다. 다양한 환경에서 에너지를 수집하기 위해 복합 에너지원 수집 기술이 요구된다. 예를 들어, 태양광, 진동, 열에너지를 동시에 수집하는 시스템을 구축하면 한 가지 에너지원에 의존하지 않고 안정적인 전력 공급이 가능해진다. 한국의 LG전자는 복합 에너지 하베스팅 시스템을 개발 중이며, 이를 통해 외부 환경 변화에 유연하게 대응할 수 있는 IoT 기기 전력 시스템을 연구 중이다.

마지막 과제는 에너지 저장 및 관리 기술이다. 미세 에너지를 수집하더라도 이를 안정적으로 저장하고 사용하기 위해서는 전력 저장 장치의 개선이 필요하다. 이에 따라 고용량 전력 저장 장치와 초소형 배터리 기술이 함께 발전하고 있으며, EnOcean과 같은 기업은 수집한 에너지를 효율적으로 관리해 필요한 시점에 안정적으로 사용할 수 있도록 하는 전력 관리 시스템을 개발 중이다. 이러한 기술 발전을 통해 에너지 하베스팅이 더욱 다양한 환경에서 상용화될 수 있을 것으로 기대된다.

 

[에너지 하베스팅, 지속 가능한 미래로 나아가는 핵심 기술]

에너지 하베스팅은 단순히 에너지를 수집하는 기술을 넘어서, 지속 가능한 전력 자급을 가능하게 하고, 자원 절약과 환경 보호에 기여할 수 있는 미래 지향적 기술로 발전해가고 있다. 기후 위기와 에너지 부족 문제로 인해 에너지 하베스팅의 중요성은 점점 더 커지고 있으며, 다양한 응용 분야에서 그 가능성이 입증되고 있다. 특히 IoT와 웨어러블 기기, 스마트 시티 인프라와 같은 기술에서는 에너지 하베스팅을 통해 효율적이고 자급형의 전력 공급 체계를 구축할 수 있다. 이는 단지 전력 소비를 줄이는 데 그치지 않고, 탄소 배출을 줄이고 자연과 공존할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한다.

에너지 하베스팅 기술은 향후 전력 변환 효율 향상, 다양한 에너지원의 통합, 저장 및 관리 기술의 발전을 통해 더욱 넓은 범위에서 적용될 수 있을 것이다. 이를 통해 일상생활과 산업 전반에서 자급형 에너지원으로 자리하게 될 것이며, 우리의 생활과 환경을 보다 지속 가능한 방식으로 전환하는 데 중요한 역할을 할 것이다. 궁극적으로 에너지 하베스팅은 기술 혁신을 넘어 생태계와 인간의 공존을 추구하는 미래 사회로 나아가는 데 기여할 수 있는 주요한 기술적 기반이 될 것으로 기대된다.

미래에는 에너지 하베스팅이 적용된 제품과 인프라가 더욱 보편화되고, 우리 사회 전반에 걸쳐 자원 절약과 에너지 효율성을 높이는 시스템이 갖춰질 것이다. 이 기술은 기후 변화 대응, 에너지 자립성 확보, 경제적 효율성 증대를 통해 인간과 환경의 조화를 이루는 데 중요한 기여를 하게 될 것이다. 앞으로도 에너지 하베스팅의 발전은 산업계와 사회 전반에 깊은 영향을 미치며, 인류가 지속 가능한 미래로 나아가는 데 있어 필수적인 역할을 할 것으로 전망된다.

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1. "에너지도 재활용이 가능하다고요? 버려지는 것에 생명을 불어넣는 '에너지 하베스팅'", 22기 한예림, 23기 김용대, 김태현, 송태현, https://renewableenergyfollowers.org/3970

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2. "버려지던 폐열, 그 화려한 변신!", 18기 최별, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3187

버려지던 폐열, 그 화려한 변신!

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참고문헌

[에너지 하베스팅의 원리와 현재 기술적 성과]

1) 강형원, 한승호, 이형규, 박정욱, "압전 에너지 하베스팅의 이해", 전기의세계, 2014.08. 

2) 유병곤, "MEMS 기술을 이용한 에너지 하베스팅 기술", ETRI 전자통신동향분석, 2008.12.

[에너지 하베스팅의 주요 응용 분야와 실제 사례]

1) 김태완, 문승필, "LCOE 전망을 통한 에너지 하베스팅기술의 효과 및 전망", 대한전기학회 스마트그리드연구회 추계학술대회, 2015.10.

2) 오유경, "에너지 하베스팅, 버려진 에너지의 재발견", 카이스트신문, 2019.02.

[에너지 하베스팅의 발전 과제와 미래 전망]

1) 이수진, 김상우, 함영복, "압전에너지 하베스팅 기술동향 및 전망", 한국과학기술정보연구원 정보분석연구소, 2013.10.2.

2) 전황수, 장문규, "열전소자 시장 및 개발동향", 한국전자통신연구원(ETRI) 전자통신동향분석, 2014.02.