Special Report l Energy Harvesting / 시장현황

주변환경에서 에너지 얻는 에너지 ‘수확’ 기술 각광

올해 5월 중순 베를린 개최된 IDTechEx ‘에너지 하베스팅 및 WSN 콘퍼런스(Energy Harvesting & WSN conference)’는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)기술에 초점이 맞춰졌다. 그만큼 시장성에 대한 관심의 폭발이었다.

에너지 하베스팅은 풍력, 파도, 태양광, 온도변화, 진동 등 주변 환경으로부터 에너지를 얻어내는 에너지 획득방식을 의미한다.

최근 도로분야에서도 매우 중요한 이슈이자 에너지 기술 분야의 주요 목표로 주목받고 있다. 차량이 도로를 주행할 때 진동으로 인한 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 압전(壓電)기술은 도로교통분야에서 반드시 응용해야할 기술로 꼽힌다.

연 평균 22%씩 성장하는 시장성 갖고 있어

시장조사 전문기업인 IDTechEx에 따르면 에너지 하베스팅 응용기기 시장규모가 한해 평균 21.87% 는 2020년 43억7,000만달러 규모에 이를 것으로 전망했다. 특히 열전소자분야의 시장규모는 2억3,600만달러로 예상했다.

석탄과 석유와 같은 화석연료의 고갈로 인한 가격 상승과 CO2 등 유해가스 배출 억제를 위한 노력으로 신재생 청정 에너지 기술 개발에 대한 노력이 지속되고 있다.

특히 대체 에너지 기술은 지금까지 인공위성이나 화성탐사선 등의 특수 전원용으로 이용되어 왔다. 하지만 환경문제에 대한 경각심과 더불어 저전력 설계기술의 발전과 스마트폰과 같은 이동식 전자기기의 급속한 보급으로 대규모 발전이 아닌 소규모 분산전력의 수요가 늘고 있다.

이는 기존의 대체 에너지 기술의 주된 한계로 지목되어왔던 낮은 발전효율이 더 이상 한계가 아닌 소규모 분산 전력원으로써 역할을 다할 수 있다는 것이다. 인간이 편리를 위해 만들어낸 기계는 하나의 에너지를 유용한 형태의 다른 에너지로 변환시켜주는 장치이다. 예를 들어 선풍기는 전기 에너지를 시원하게 해주기 위한 풍력 에너지로 바꾸고 자동차는 화석 에너지를 운동 에너지로 전환한다.

하지만 에너지 형태의 전환 과정에서 에너지의 일부가 버려지게 된다. 선풍기의 모터나 자동차의 엔진은 에너지를 변환할 때 진동과 열의 형태로 에너지를 낭비하게 된다. 더 나아가서 사람이 이동하거나 대화하는 동안에도 불필요한 열 에너지와 운동 에너지의 낭비가 항상 발생하게 된다. 이처럼 인간을 포함한 기계장치들에서는 인식하지 못한 사이에 끊임없이 버려지는 에너지들이 생겨난다. 에너지 변환과정을 통해 낭비되는 것뿐만 아니라 자연계에는 태양광, 지열, 파도, 바람 등 항상 버려지는 에너지가 존재한다.

이와 같이 주면환경의 에너지를 유용한 에너지로 돌려놓기 위한 노력을 에너지 하베스팅 기술이다. 마치 논과 밭에서 농작물을 재배하듯 에너지를 수확(Harvest)한다는 개념에서 지어진 이름이다.

하지만 현재 수확장치의 제작 및 설치에 따른 비용대비 효율이 아직 만족할 만한 수준이 못되기 때문에 상용화까지는 지속적인 연구개발이 필요한 분야이다. 에너지 하베스팅 기술의 발전을 위해 소자의 구조, 에너지 변환 기전, 시스템의 설계 등 많은 고려사항이 있다.

특히, 에너지 하베스팅 기술의 원리, 열전, 압전, 전기활성고분자, 바이오 연료전지 전극 등 소재 기술, 에너지 하베스팅 소재의 변환 성능 평가지수, 나노기술 기반의 새로운 에너지 하베스팅 소재, 하이브리드 에너지 하베스팅 등이 해당 기술이다.

도로교통분야, 에너지 하베스트 활용 넓어

에너지 하베스트 응용기기 사례로 이스라엘 업체인 이노와텍(Innowattech)이 대표적이다. 이노와텍이 개발한 압전발전장치(Innowattech Piezoelectric Electric Generators, 이하 IPEGs)는 무게, 움직임, 진동, 그리고 온도의 변화에 의해 야기되는 기계적 에너지를 전자의흐 름으로 변환할 수 있는 압전 결정체이다.

압전발전장치에서 발생된 에너지는 전자축전기에 저장되며 교통신호등, 거리 조명등 도로시설물의 운영을위한 에너지원으로 사용된다. IPEGs는 도로표면아래 6cm, 차량으로부터 약 30cm 간격으로 설치된다. 이를 차량이 통과하면서 발생시키는 압력 또는 진동으로부터 에너지를 생산한다. 이미 상용화 실험을 통해 그 효용성이 입증된 상태이다.

IPEGs는 가격이 저렴하고 설치가 용이한 특징이 있다. 또한, 도로 신설 또는 기존 도로의 일상적인 유지·보수 업무시에도 설치가 가능하기 때문에, 설치비용측면에서 태양광이나 풍향을 통한 에너지 하베스팅보다 저렴하다.

이노와텍 연구결과에 따르면, 1대의 트럭이 압전소자가 설치된 도로구간을 주행할 경우 2,000볼트의 전력량을 생산할 수 있다. 그러나 충분한 전력량을 생산하기 위해서는 도로구간에 많은 교통량과 수백미터에 걸쳐 IPEGs를 설치해야 한다는 전제조건이 붙는다.

압전소자를 이용한 전력생산이 상용화될경우, 투자금액에 대한 환수기간은 6~12년 정도로 추정된다. 한편 IPEGs의 전력생산량은 시간당 600대의 교통량이 있는 도로구간 1km에 걸쳐 압전소자를 도로포장체에 설치할 경우, 약 400kwh의 전력이 생산될 것으로 보고있다. 이정도의 양이면, 600~800가구에 필요한 전력량과 맞먹는 수준이다.

도로교통분야 에너지 하베스팅의 발전 가능성과 개발연구의 필요성

우리나라의 경우, 압전기술에 대한 연구의 저변이 넓지 못하고, 현재 주로 센서노드로서의 1차적인 응용만을 보이고 있다. 이는 실질적으로 전력을 생산하기보다는 녹색성장에 대한 상징적인 의미 부여에 불과하다.

그러나 향후 압전소자를 이용한 에너지 하베스팅 기술의 적용, 특히 도로교통 분야에서의 적용 범위 및 발전가능성은 무궁무진할 것으로 판단된다. 따라서 에너지 하베스팅 관련기술에 대한 면밀한 검토를 바탕으로 기술 도입과 개발연구를 해야 할 필요가 있다.