하늘을 나는 발전기 '공중풍력발전'

하늘을 나는 발전기 '공중풍력발전'

대학생신재생에너지기자단 27기 김계환

 

풍력발전의 중요성

최근 기후변화에 대한 우려가 커지면서 지속 가능한 에너지로의 전환이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 이에 따라 태양광, 수력, 풍력 등 재생에너지의 필요성도 점점 더 강조되고 있다. 특히 정부는 제11차 전력수급기본계획에서 2030년까지 신재생에너지 발전 비중을 21.7%까지 확대하겠다는 목표를 세우고 다양한 정책을 추진 중이다. 이 중 풍력발전은 태양광 다음으로 보급 확대 가능성이 큰 신재생에너지로 평가되고 있다. 이는 풍력발전이 재생에너지 기반 사회로 나가는 데 있어 핵심적인 역할을 하고 있음을 보여준다.

[자료 1. 신재생에너지 보급 전망]

출처 : 일렉트릭파워

 

육상풍력발전과 해상풍력발전

풍력발전에는 크게 육상풍력발전과 해상풍력발전이 있다. 육상풍력발전은 산과 같은 육상에 설치되어 고정식 풍력발전기를 통해 풍력에너지를 전기에너지로 변환하는 것을 의미한다. 하지만 육상풍력발전에는 다양한 단점이 존재한다.

[자료 2. 육상풍력발전]

출처 : 한국풍력산업협회

육상풍력발전의 단점으로는 첫째, 입지 선정의 어려움이 있다. 육상풍력발전은 고정식 풍력발전기를 사용하기 때문에 바람이 강한 지역에 설치해야 하지만, 이러한 지역은 산림에 위치하는 경우가 많아 종종 산림 보호구역이나 생태적으로 중요한 지역과 겹치는 경우가 많다. 또한, 주민들의 조망권 침해에 대한 우려도 존재한다. 둘째, 환경에 영향을 미친다. 풍력발전기를 설치하기 위해서는 발전기 부지, 운영시설, 변전소 건설에 필요한 면적뿐만 아니라 공사 장비 진입로 등을 위한 추가 면적이 필요하며, 이러한 시설로 인해 산림 훼손이 발생하게 되고, 훼손지와 주변 지역에서는 수목 및 토양의 이산화탄소 저감 능력 저하, 서식지 파괴 등 부정적인 영향이 발생하게 된다. 마지막으로, 전력 계통 연계의 어려움이 존재한다. 풍력발전소는 주로 산 정상 등 외곽 지역에 위치해 전력 소비지까지의 송전망 구축이 필요하다.

이러한 문제를 극복하기 위해 최근에는 해상풍력발전이 개발되고 있다. 해상풍력발전은 바다 밑에 지지체를 심거나, 바닥에 닻을 심어 특정 위치에 발전기가 떠 있게 만들어 해상에서의 풍력을 이용해 발전하는 방식이다. 해상풍력발전의 경우 육상풍력발전에 비해 입지 제약에서 자유롭다는 장점이 있다. 또한 수명이 길고 바람의 품질 역시 해상이 육상보다 좋아 에너지 효율이 높다. 정부에서도 '해상풍력특별법'을 제정하는 등 많은 관심을 가지고 있다.

[자료 3. 해상풍력발전]

출처 : 그린포스트

하지만 해상풍력발전 역시 단점이 존재하는데 첫째, 높은 설치 및 유지보수 비용이 발생한다. 해상풍력발전은 육상풍력발전에 비해 설계, 기초조사, 설치, 운전 등 제반 비용이 높다. 특히, 해상 전력망이 육상에서 멀어질수록 설치 및 보강 비용이 증가해 경제성이 낮아진다. 둘째, 해양 생태계에 영향을 준다. 풍력발전기의 건설 시에 수중소음과 부유사가 발생하게 되는데 이는 생물의 이동, 개체 간 소통, 그리고 먹이 활동에 영향을 준다.  

 

하늘을 나는 발전기 '공중풍력발전'

육상풍력발전과 해상풍력발전의 단점을 극복하고자 새로운 기술이 주목받고 있다. 바로 공중에서 바람을 직접 찾아다니며 전력을 생산하는 '공중풍력발전'이다. 공중풍력발전은 말 그대로 고고도에서 풍력을 전기에너지로 전환해 발전하는 방식이다.

[자료 4. 공중풍력발전]

출처 : Chat GPT

공중풍력발전은 프로펠러와 발전기를 장착한 비행기나 드론을 사용하여 하늘에서 전기를 생산한 뒤 지상으로 보내는 방식인 '공중발전 방식'과, 연 혹은 글라이더에서 발생하는 장력을 통해 지상의 발전기를 가동해 전기를 만드는 '지상발전 방식'으로 나뉜다.

[자료 5. 공중풍력발전의 두 가지 방식]

출처 : 조선비즈

공중풍력발전 시스템은 일반적으로 높은 구도에서 바람으로부터 에너지를 획득하는 '윙', 윙을 지지하고 윙이 획득한 에너지를 지상으로 전달하는 '테더', 테더를 지지하며 전력변환, 에너지 저장 등을 수행하는 '지상스테이션', 윙의 비행과 에너지 최적화를 위해 필요한 제어를 수행하는 '제어시스템'으로 구성된다.

[자료 6. 지상발전방식 공중풍력시스템의 구성]

출처 : KERI

지상발전방식의 경우 연 부분이 '윙', 로프 부분이 '테더', 지상발전장치 부분이 '지상스테이션'의 역할을 하게 된다. 윙이 바람에너지를 수집해 로프를 당기면 장력으로 변환된 에너지가 지상스테이션의 발전기에 전달되고 전기가 생성된다.

 

공중풍력발전의 장단점

공중풍력발전은 크게 구조적 특징에 따른 장점, 제어적 특징에 따른 장점 두 가지의 장점을 가지고 있다. 

먼저 구조적 특징에 따른 장점이다. 기존 풍력발전기의 기초는 시멘트와 철강으로 구성돼 있다. 타워는 철강, 블레이드는 유리와 탄소섬유로 이뤄져 있어 풍력발전기의 수요가 늘어나면 탄소배출량도 증가하게 된다. 또한 타워의 높이가 높기 때문에 대형 장비를 운송하는데 많은 온실가스가 배출되게 한다. 하지만 공중풍력발전은 기존 풍력발전기 건설에 비해 10% 수준의 원자재만 필요해 탄소발자국을 줄일 수 있다. 또한 기존 풍력발전과 다르게 공중풍력발전은 이동식 시스템을 기반으로 하기 때문에 선박과 차량에서도 운영할 수 있으며, 기초공사가 어려운 지역에서도 쉽게 접근할 수 있고, 만약 경제성이 떨어지는 기간이 존재하다면 단기간의 운영만으로 효율성을 증가시킬 수 있다. 또한 환경 문제를 줄일 수 있다. 기존 7MW 이상 대형 풍력발전의 경우, 타워 높이만 150m이고 로터의 직경은 200m이다. 따라서 날개에 새들이 부딪혀 죽는 경우도 발생하고 이러한 타워를 건설하면서 많은 환경 문제가 발생한다. 하지만 공중풍력발전의 경우 큰 타워가 필요가 없기 때문에 환경 파괴가 적고, 조류와의 충돌 역시 줄어든다. 

다음으로 제어적 특징에 따른 장점이다. 높은 고도의 바람에서 공중풍력발전이 획득할 수 있는 잠재적 총에너지는 1,800TW 이상으로, 타워형 풍력터빈 고도의 에너지양 대비 4.5배 이상 크다. 이 덕분에 기존 풍력 발전에 비해 발전 효율이 60% 이상 크다. 또한 바람에 대한 능동적인 대응이 가능하다. 풍속과 풍형은 계절별, 시간별로 변화하고 태풍과 돌풍과 같은 극한 상황으로 나타나기도 한다. 공중풍력발전의 경우 고도를 자유롭게 변경할 수 있어 능동적으로 최고의 효율을 가지는 고도로 변경해 효율이 향상한다.

[자료 7. 공중풍력발전의 장점]

출처 : greenium

 

미래의 풍력발전

기후위기에 대응하고 지속 가능한 에너지 체제로 전환하기 위해 풍력발전이 필요하다. 풍력은 발전 과정에서 탄소 배출이 거의 없고, 화석연료에 대한 의존도를 줄이는 데 효과적인 청정에너지다. 이러한 점에서 풍력발전은 태양광과 함께 미래 에너지의 두 축으로 자리 잡고 있으며, 정부의 정책과 함께 중요성이 더욱 커지고 있다.

하지만 풍력발전은 많은 한계를 가지고 있다. 육상풍력발전은 환경 파괴와 입지 선정의 어려움, 송전 인프라 구축의 비효율성이라는 문제를 가지고 있으며, 해상풍력발전은 높은 초기 비용과 해양 생태계에 미치는 영향이라는 문제를 가지고 있다. 이러한 상황에서 공중풍력발전은 새로운 가능성을 가지고 등장했다.

공중풍력발전은 기존의 문제점을 극복할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 더 높은 고도에서 안정적이고 강한 바람을 활용할 수 있고 설치와 운영에 필요한 자원이 적어 환경적 부담이 적다. 또한 제어 시스템을 통해 유연한 대응이 가능해 다양한 제약에서 자유롭다.

하지만 공중풍력발전 역시 아직 초기 상용화 단계에 머물러 있고, 다양한 기술은 추가적인 연구가 필요하다. 따라서 공중풍력발전의 미래는 단순한 기술의 발전을 넘어, 기후변화 대응이라는 목표를 달성하기 위한 중요한 요소가 될 수 있다.

결국 지속 가능한 에너지는 기존 한계를 넘어서는 기술 개발을 통해 가능할 수 있다. 공중풍력발전이 이를 가능하게 할 기술 중 하나이며, 이를 실현하기 위해 정책적, 기술적 투자가 필요하다. 또한 공중풍력발전을 넘어서는 새로운 기술 개발 역시 지속되어야 한다.

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풍력발전에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "새바람, 바람 없이 풍력 발전하다", 20기 서범석, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3816

새바람, 바람 없이 풍력 발전하다

2. "3D 프린팅과 풍력 발전이 만났다!", 21기 정형인, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3682

3D 프린팅과 풍력 발전이 만났다!

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참고문헌

[풍력발전의 중요성]

1) 박윤석, "2038년 풍력 등 재생에너지 발전비중 29.2% 목표", 일렉트리파워, 2025.03.07, https://www.epj.co.kr/news/articleView.html?idxno=35900&utm_source

[육상풍력발전과 해상풍력발전]

1) 김종성, “해상풍력발전의 득과 실”, 2022.04.07, 현대해양, https://www.hdhy.co.kr/news/articleView.html?idxno=16773&utm_source

2) 임호동, “LS, 영국 기업 손잡고 '미래 에너지원', 부유식 해상풍력발전 선점 나선다”, 그린포스트, 2025.02.13, https://www.greenpostkorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=224089

3) 한국환경정책평가연구원, "[국가R&D연구보고서] 풍력발전단지 환경평가 방안 연구: I. 육상, II. 해상", 2011.03, https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=TRKO201800042464&dbt=TRKO&rn=

4) 해양수산부, "'해상풍력특별법' 내년 3월 시행…"정부 중심 발전단지 개발"", 2025.03.18, https://www.korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148940682

[하늘을 나는 발전기 '공중풍력발전']

1) 이주훈, “공중풍력-100% 재생에너지화를 위한 고고도 바람에너지 이용기술”, 전기의세계, 71, 5, 28-35

2) 한국전기연구원, “'하늘을 나는 발전소' 공중풍력발전의 원리는?”, 더사이언즈타임, 2021.10.08, https://www.sciencetimes.co.kr/nscvrg/view/menu/253?nscvrgSn=226368

[공중풍력발전의 장단점]

1) 이주훈, “공중풍력-100% 재생에너지화를 위한 고고도 바람에너지 이용기술”, 전기의세계, 71, 5, 28-35

2) 하태상, “나보다 더 높은 곳에 있는 ‘연’을 활용한 공중풍력 발전”, greenium, 2022.02.18, https://greenium.kr/news/19162/?utm_source

3) 한국전기연구원, “'하늘을 나는 발전소' 공중풍력발전의 원리는?”, 더사이언즈타임, 2021.10.08, https://www.sciencetimes.co.kr/nscvrg/view/menu/253?nscvrgSn=226368