풍력터빈의 에너지 회수와 관련한 생애환경평가

미국의 한 연구진은 2MW규모의 풍력터빈(Wind Turbine)에 대한 생애환경평가를 실시해 그 결과를 발표했다. 

International Journal of Sustainable Manufacturing에 발표한 이번 논문에서 20년의 가동 수명을 가진 풍력터빈은 최초로 운영을 시작한 이후로 5~8개월 안에 순수한 이익을 발생할 수 있는 누적 에너지 회수에 도달하는 것으로 나타났다. 

여기서 에너지 회수란 관련 부품을 생산하고 설치하는데 있어 필요한 에너지를 풍력터빈을 통해 생산하는 데까지 걸리는 시간을 의미한다. 

연구진은 에너지 생산에 따른 순수 환경적 영향을 확인하기 위해 2MW 규모 풍력터빈의 LCA(Life Cycle Assessment)에 대해 연구를 이어왔다. 

LCA는 강철, 구리, 유리섬유, 플라스틱, 콘크리트 및 다른 물질과 같이 중요하게 사용되는 원료 물질 등을 고려해 진해됐다. 뿐만 아니라 연구에서는 터빈의 수송/제조/설치, 가동 이후 예상되는 약 20년간의 활용 시 필요한 유지 및 보수, 수명이 끝났을 때 필요한 재활용 방안이나 처리 방안 등 모든 변수가 적용돼 신뢰성을 높였다.

분석에 따르면, 환경적 영향에 가장 큰 요인은 물질 생산 및 제조 공정에서 발생하는 것으로 나타났지만 이와 연계된 에너지 사용과 관련하여 필요한 에너지를 생산하는 기간은 약 6개월 이내인 것으로 나타났다. 

가장 심각한 시나리오 하에서도 각각의 터빈에 대한 생애주기 에너지 수요는 가동 후 1년이면 확보되는 모습을 보였다. 따라서 예상 수명을 20년이라고 생각하면 에너지 회수에 필요한 1년을 제외한 19년 동안 풍력터빈은 일반 에너지원에서 발생하는 에너지원을 소비하지 않으면서 500가구에 전기를 공급할 수 있다는 것이다.

조력 에너지를 전기로 바꾸는 진자 발전기

일본 오카야마 대의 신지 히에지마 부교수는 조력 에너지를 전기로 바꾸는 혁신적인 진자 발전기 시스템에 대한 특허를 출원하고 상용화를 준비하고 있다.

일본의 경우는 일본 열도 주변에 있는 바다의 힘을 이용하는 연구로, 대체 에너지 원의 탐색 수단으로 높은 우선순위를 가지고 활발하게 이뤄져왔다. “시코쿠(Shikoku)에 있는 가가와(Kagawa)와 오카야마(Okayama)를 연결하는 세토 교(Seto Bridge)처럼 대형 교각들과 강한 바람 사이의 상호작용에 대한 나의 연구를 촉발시켰다”고 연구의 배경을 전한 신지 히에지마 부교수는 “초기 연구에서 나는 태풍처럼 강력한 바람을 만났을 때 대형 교각이 진동하는 이유를 분석하면서 조력 에너지를 안정적인 전기 원천으로 활용하는 방법에 집중했다”고 연구의 진행 과정을 설명했다. 

현재 유럽에서 시험되고 있는 프로펠러 방식의 터빈 시스템의 경우 ▲회전자 날개를 만드는 데에 사용되는 재료에 높은 강도가 요구됨에 따른 비용의 상승 ▲바다 쓰레기들이 회전자를 움직일 수 없게 만들어 파손 위험 증가 ▲회전자 날개가 가진 날카로운 모서리가 해양 생물에 미칠 영향 등의 문제가 거론되고 있는데, 이번 연구는 이를 극복할 수 있는 대안으로 떠오르고 있다. 

연구는 프로펠러에 기초한 조류 발전 시스템이 가진 이러한 한계점을 해결하기 위해 물속에서 수평으로 위치한 실린더에 진동을 야기하는 유동 발전 시스템에 대한 잠재력을 분석하는 것부터 시작됐다. 

이러한 접근 방법은 앞에서 언급한 프로펠러 방식의 발전이 가지는 단점들을 극복할 수 있었다. 하지만 이 시스템은 약 35%라는 낮은 전기효율을 해결해야 했다. 이를 위해 신지 히에지마 부교수는 병진 운동이 아닌 회전 운동으로 진동하는 새로운 모델을 고안했는데, 이는 76%의 전력 효율이 달성되면서 새로운 가능성을 제기했다. 

차세대 배터리의 개발

앨버타 대학 연구팀은 오늘날의 리튬-이온 배터리보다 더 빠르게 충전되고 더 오래 지속될 수 있는 차세대 배터리를 개발하는데 탄소 나노물질을 사용했다고 밝혔다. 연구진은 높은 에너지 밀도와 전력밀도를 가진 차세대 배터리를 개발하기 위해 새로운 전기화학적 기술을 적용해왔다. 

이번 연구에서는 ‘유도 불소화’라고 불리는 프로세스를 사용해서 새로운 에너지 저장 기술을 개발했는데, 통상적인 개념과는 다르게 재료를 사용했다. 일반적으로 탄소는 리튬-이온배터리 속의 양극으로 사용되지만, 연구진은 음극으로 탄소를 사용하면서, 유도 불소화로 배터리를 만든 것이다. 

이 방법은 전기화학적 유도 프로세스를 이용해서 전해질에 불소 이온을 가지게 한다. 탄소 나노튜브 어레이의 유도 불소화는 탄소 나노튜브 어레이 음극에서 가역적인 불소화/탈불소화 반응과 리튬-이온 저장/방출을 활성화했다. 이중-저장 메커니즘을 가진 재충전 가능한 배터리는 2174mAhg-1의 최대 방전 용량과 우수한 사이클링 특성을 가진 4113Whkg-1의 특정 에너지를 가졌다. 

비용 효율적이고 사용하기 안전한 탄소의 장점을 그대로 갖는 이 배터리는 에너지 출력 역시 시장에서 현재 출시되고 있는 리튬-이온 배터리보다 5~8배 더 높은 것으로 알려졌다. 또한 새로운 배터리는 리튬-황 배터리(현재 프로토타입 단계), 리튬-공기 배터리(현재 개발 중에 있음) 등의 차세대 기술보다 더 나은 성능을 가지는 것으로 나타났다.

연구진은 “탄소가 이러한 높은 성능을 가진 배터리의 음극으로서 이용될 수 있다고 어떠한 사람도 알지 못했다”며 “탄소가 이와 같은 독특한 특성을 가진다는 것을 확인하기 위해 3년이라는 시간이 걸렸다”고 연구과정을 전했다.

이동식 태양 발전기 PowerCube의 완성

미국 기업인 Ecosphere Technologies사는 이동식으로 배치할 수 있는 최초의 태양 에너지 발전기 Ecos PowerCube를 완성했다고 발표했다. PowerCube는 멀리 떨어져 있는 지역에 태양 발전으로 생산된 전기를 제공할 수 있는 이동식 소규모 유틸리티로, USPTO로부터 특허를 취득한 바 있다. 

PowerCube는 10', 20' 및 40' 표준 ISO 선적 컨테이너 발자국에서 가능한 태양 발전 생산의 전체 양을 극대화하기 위해 적층형 태양 패널의 배열을 통합함으로써 증가하는 에너지 수요를 충족하도록 고안됐다. 장치는 15kW까지 동력을 생산할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 무선 통신, 태양 발전 인터넷 및 이동식 수처리 시스템 등을 포함한 다양한 탑재 시스템에 동력을 제공하는 데 사용이 가능하다. 이번 연구의 책임자이자 특허 전략가인 Dean Becker는 “이러한 기술은 우리 세대의 가장 중요한 혁신 중 하나가 될 가능성이 있다”며 “Ecosphere Technologies사는 즉각적인 논증을 시작할 준비가 되어 있으며, 다양하고 폭넓은 산업과 전 세계적인 응용에 대한 전략적 파트너와 협력을 도모하고 있다”고 밝혔다.

특히 이 장치는 육상, 대기 또는 해양 등으로 수송될 수 있으며 자급자족의 군대, 재난 구조, 인도주의적 원조 및 이동식 통신 운영 등을 지원하는데 적합하게 사용될 수 있다. 상용 태양 발전 배열과는 달리, 태양 모듈은 전쟁 지역에 우세한 적대적 환경 또는 나쁜 날씨로부터 태양 모듈을 보호하기 위해 철회도 가능하도록 설계되었다. Ecosphere Technologies사 CEO인 Dennis McGuire는 “기업의 사업 모델과 일치하도록, Ecosphere Technologies사는 군대를 위한 장비와 전 세계 다양한 재난 구조 기관에 제공하는 기업뿐 아니라, 미국 지사와 전 세계 군대를 포함한 폭넓은 독립체에 PowerCube의 특허권 협약을 체결할 수 있는 방안을 모색하고 있다”며 향후 계획을 전하기도 했다.

강풍에 견디는 2MW의 신형 풍차

일본 H사는 2015년도 상반기 완성을 목표로 아키타시에 출력 2MW의 풍력발전소를 건설한다고 발표했다. 이 발전소에는 종래 설비보다 강한 바람에 견딜 수 있는 신형 풍차가 처음 도입되는 것으로 알려졌다. 이번 발전소 건설의 목적은 총 두 가지로 살펴볼 수 있는데 첫 째는 신형 풍차를 이용하여 생산한 전력을 판매하는 것이고, 다른 하나는 신형 풍차의 성능 데이터를 얻어 외부기관의 인증을 취득하고 앞으로 실제 채용을 확대시키는 것이다. H사가 아키타현을 선택한 이유는 현의 풍차 유치정책과 일치하기 때문이다. 회사는 풍차의 성능 데이터를 얻고 현은 풍차의 시험장을 유치하면서 Win-win 관계가 성립하게 된다. 건설예정지는 동해 해안에서 약 500m 떨어진 지점으로, 바람의 상황이 좋은 곳이다. 자위대 연습장과 해안 사이에 위치하고 있으며, 근린주택도 없으므로 성능시험에 적합하다고 할 수 있다. 면적 약 1만 8,000m2의 현이 소유한 부지를 20년간 임대하였다. 이번 풍력발전소에 설치하는 풍차는 정격출력 2.1MW의 ‘HTW 2.1-80A’이다. 발전기를 내장하는 나셀의 풍하측에 블레이드를 설치한 다운 윈도우형 풍차로, 이번이 첫 번째 설비이다. 관계자는 “종래 기종과 차이는 세 가지이다. 첫째는 출력을 2MW에서 2.1MW로 높인 것, 둘째는 강한 바람에 대한 성능을 10% 높게 한 것, 셋째는 의무화된 순간 전압저하 시의 운전계속기능(FRT, Fault Ride Through)을 표준 탑재한 것이다”라며 풍차의 성능을 설명했다.

일본은 태풍 등과 같은 강풍은 물론 지형에 따라 바람이 격변하기 쉬우며, 세계에서도 드문 풍차에 혹독한 환경이다. 이 때문에 풍차는 IEC(국제전기표준회의)가 정한 Class IA에 준거해 개발됐다. 

종래 설비는 극지 10분 평균속도 50m/초에 견디나, 신형 설비는 55m/초로 성능을 높였으며, 3초 평균 풍속에 대해서도 70m/초에서 77m/초로 성능이 향상되었다. 

높은 효율을 유도하는 태양전지 구조 변화

프라운호퍼 태양광 에너지 시스템 연구소 연구진은 집중기 표준 검사 조건(Concentrator Standard Testing Conditions) 하에서 36.7%의 태양전지 모듈 효율을 달성하는 새로운 태양전지 구조를 발표했다. 이것은 새로운 태양전지 구조를 집광 렌즈에 적용함으로써 달성된 결과이다. 연구진은 다중접합 태양전지 위에 태양광을 집속시키는데 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)를 사용해 지난 몇 년 동안 집광형 태양광발전 기술을 개발해왔다. 이들이 개발한 다중접합 태양전지는 빛을 전기로 전환시키는 데에 높은 효율을 달성했다. 다중접합 태양전지 속의 서브-셀은 특정 영역 빛을 흡수하여 전환하게 되며, 각 서브-셀은 적층형으로 구성되고, 가장 높은 밴드갭을 가진 서브-셀이 최상부에 존재하게 된다. 

이를 토대로 연구진은 집광형 태양광발전을 위한 4-접합 태양전지를 새롭게 개발하는 성과를 거두기도 했다. 웨이퍼 본딩 기술을 기반으로 탄생한 4-접합 태양전지는 연구소의 FLATCON 모듈 개념으로 최근에 구현되었다. 모듈 개구 면적(Aperture Area)은 832cm2에 이르는데 이 개구 면적은 빛에 노출되는 표면적을 의미한다. 빛은 52.16cm2의 프레넬 렌즈의 도움으로 52.7mm2 소형 태양전지 위에 집속되었다. 

연구진의 성공적인 실험은 새로운 4-접합 태양전지의 높은 효율이 모듈까지 전달될 수 있다는 것을 증명해냈다. 연구진은 “이 기술의 핵심은 태양전지 효율과 집속 광학의 적용”이라며, “새로운 4-접합 태양전지는 ORAFOL Fresnel Optics GmbH of Apolda Germany의 프레넬 렌즈와 결합되었다”고 주요 내용을 전했다. 또한 연구진은 “상용 제조 모듈을 이런 높은 효율의 모듈로 전환하는 것은 1~2년에 가능할 것으로 예상된다”며 향후 상용화에 대한 기대를 높였다.

재생 에너지의 저장 효율과 비용 절감을 향상하는 새로운 방법

스위스 연구진이 재생 에너지의 저장 효율을 향상시키고 비용을 절감시킬 수 있는 새로운 연구결과를 발표했다. 저장은 재생 에너지가 해결해야할 주요 문제로, 일반적으로는 재생 에너지로 물을 산소와 수소로 분리한 후, 분리된 수소를 연료로 사용해 왔다. 이 때 물 분해의 효율은 촉매라고 불리는 고체 물질에 의해 결정되는데 대부분 촉매는 표면만이 반응에 사용되며, 나머지 촉매 부분은 활성화되지 않는다는 한계가 있었다.

이에 연구진은 활성 표면만을 화학적으로 박리해 나머지 부분을 버림으로써 촉매의 기여를 극대화할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 연구는 물 분해 효율을 2.6배에서 4.5배까지 증가시킬 수 있다는 것을 증명했는데, 이것은 더 저렴하고 더 효율적인 재생 가능한 에너지 저장을 위한 새로운 길을 열어 줄 것으로 전망된다. 연구진이 발표한 저장 방법은 박리라는 프로세스를 포함하는데, 이는 유기 용매를 사용한다. 기존의 금속 산화물 촉매들은 용매 속에 배양되고, 외부 표면(3개의 원자 두께)의 아주 얇은 층은 박리된다. 연구실에서 조사된 결과에 의하면 단일층 표면들은 원래 구조를 유지하지만, 증가된 촉매 특성을 가지고 있었다. 

이번 연구에서는 이리듐 산화물을 포함하는 7개의 일반적인 금속 산화물 촉매가 조사된 것으로 알려졌다. 이리듐 산화물은 물 분해를 위한 가장 뛰어난 촉매 중 하나로 고려되지만 비용이 많이 든다는 한계가 있다. 다른 촉매들은 철, 코발트, 니켈을 기반으로 하는 더 저렴한 금속 산화물이 포함됐다. 

이 데이터는 박리된 금속 산화물이 전체 촉매를 포함하는 반응과 비교할 때 2.6배에서 4.5배까지 반응 속도를 증가시켰다는 것을 증명해냈다. 이것은 박리 방법이 재생 가능한 에너지 시스템 속에서 구현된다면 에너지 저장을 매우 증가시킬 수 있다는 것을 의미한다.

고에너지 밀도, 고안전성, 저비용 이차전지 개발

교토대학 대학원 인간환경학연구과와 고휘도광과학연구센터는 공동으로 기존 리튬이온전지에 교체할 수 있는 고에너지 밀도 마그네슘 금속 이차전지의 개발에 성공했다. 개발한 이차전지는 매장량이 많은 마그네슘, 철, 실리콘이 주요 구성 원소로 이뤄져 저비용화가 기대된다. 또한 융점이 높은 마그네슘 금속으로 교체됨으로써 전지의 열적 안전성이 개선되어 종래 리튬이온전지보다 비약적으로 안정성이 향상됐다. 

연구에서는 마그네슘 이차전지 정극재료의 설계지침을 전면 재검토하는 한편, Si-O결합에 의한 결정구조가 안정화된 폴리 아닐린 화합물을 정극재료로 사용하는 방법을 시도했다. 전기화학처리에 의한 정밀 결정구조 제어를 수행함으로써 마그네슘 이온의 확산을 확인하고, 사이클 특성이 높은 정극재료를 제작한 것이다. 

충방전곡선 실험자료를 살펴보면, 기존 리튬이온전지 정극의 용량밀도는 160mAh/g정도인데 비해, MgFeSiO4 정극재료에서는 2배로 향상되었다. 높은 사이클 특성을 가지는 것도 특징이다.

이번에 실증한 폴리아닐린 화합물 정극과 그라임계 전해질을 조합한 마그네슘 이차전지의 각 구성재료는 상호간 최적화를 도모함으로써 차세대 이차전지의 개발이 가속되는 동시에 실용화를 앞당길 것으로 기대를 모으고 있다. 연구에서는 고휘도 방사광 X선을 이용함으로써 어떠한 메커니즘에서 높은 성능을 발현하고 있는지에 대하여 규명했으며, 이 방법은 전지재료의 개발에서 상당히 의미 있는 연구로 남을 전망이다. 

향후 반응 메커니즘 해석, 구조제어를 기초적인 원리에 기초하여 지속적 연구를 진행한다면 세계에서 선두적인 새로운 고에너지밀도, 고안전성, 저비용 이차전지의 실용화를 실현할 수 있을 것으로 기대된다.

연결방법에 따라 저항하는 힘도 변한다

실제의 회로에서는 여러 개의 저항이 복잡하게 연결되어 있는 경우가 대부분이다. 이렇게 여러 개의 저항을 연결하는 데는 직렬연결(直列連結)과 병렬연결(竝列連結)이란 두 가지 연결 방법이 있다. 이 경우 여러 개의 저항을 연결했지만 실제로는 하나의 저항과 같은 역할을 하기 때문에 이 하나의 저항으로 환산한 값을 합성저항(合成抵抗)이라고 한다.

2개의 저항을 직렬연결하면, 저항을 2개 거쳐야 하는 결과가 되어 저항이 1개일 때보다도 전류가 통하기 어렵게 된다. 따라서 합성저항의 값은 저항이 하나일 때보다도 늘어나 2개의 저항을 합한 것과 같다.

반면 2개의 저항을 병렬연결하면 하나의 전류가 양쪽으로 나뉘어 통과하는 결과가 되므로 전류의 흐름도 그만큼 쉬워진다. 그 때문에 합성저항의 값도 저항이 1개일 때보다 감소하여 두 저항의 역수의 합이 합성저항의 역수가 된다. 

한 바퀴 돌아오는 전기의 길

전기도 흐르는 길이 있다. 

전기를 내보내는 소스 즉 전원(電源)에서 흐르기 시작해 도중에서 작업을 하고 다시 출발점인 전원으로 되돌아오는 것이다. 이렇게 전기가 한 바퀴 돌아서 다시 출발점으로 되돌아오는 순환회선을 루프(回路)라고 한다.

도로에 포장된 넓은 길, 좁고 울퉁불퉁한 골목길 등 다양하듯이, 전기에도 이와 비슷한 현상이 있는데 이것을 바로 저항(抵抗)이라고 한다.

전원에서 나온 전기는 전구나 라디오, 세탁기, 냉장고 등 전기기구를 만나 이들을 작동하게 하는 작업을 하며, 이때 전기를 사용해 작동하는 물체를 부하(負荷)라고 한다. 이렇게 전원에서 나와 부하를 거쳐 다시 전원으로 돌아가는 루프를 전기회로라고 한다. 전원이란 구체적으로 전지나 발전기를 의미한다. 

우리는 흔히 ‘전기를 쓴다’는 식으로 표현한다. 그 때문에 전원에서 나온 전기가 전기기구를 작동시키게 되면 점점 전류가 적어져서 전원으로 돌아간다고 생각하는 사람도 있을 것이다. 그러나 전원에서 나간 전류의 크기와 전원으로 돌아오는 크기는 항상 같다. 즉 회로의 도중에서 만들어지거나 소멸하지 않는다는 것이 전류의 중요한 성질이다.

전기회로를 구성하는 요소로서 이미 전지, 저항 등이 나왔지만, 실제의 회로에는 이밖에도 스위치, 콘덴서, 코일 등  여러 가지가 있으며, 이들을 능률적으로 나타내기 위해 회로도를 그린다. 이 회로도를 결선도(結線圖)라고도 한다.