재생에너지
재생에너지는 태양과 바람 물, 등 자연의 힘을 전기에너지로 만들어 사용하는 발전 방식이다. 탄소 배출을 하지 않으며 미세먼지 등 대기오염 물질을 발생하지 않는다. 세계적으로 기후변화 대응을 위해 탄소배출을 줄이기 위한 노력이 본격화되면서 재생에너지가 주목받고 있다. 발전단가가 점차 낮아지고 관련 투자가 증가하면서 글로벌 전력시장의 전체 발전량 중 재생에너지 비중은 점점 늘어나는 추세이다.
재생에너지 (2021년 기준) (출처 : 한국전력)
발전비중 : 7.5%
발전량 : 43.085GWh
재생에너지는 다양한 발전방식이 있다. 가장 쉽게 접할 수 있는 태양에너지는 열을 이용하는 태양열 에너지와 빛을 이용하는 태양광 발전이 있다. 태양열 발전은 거울을 이용해 한 점으로 태양빛을 모아서 집중된 열로 물을 끓인 후, 여기에서 발생하는 증기로 터빈을 돌려서 발전한다. 여러 개의 거울을 IT 기술로 제어해 태양빛을 모으기 때문에 넓은 부지와 햇빛이 강한 사막 지역에 많이 건설된다.
태양광발전은 빛의 입자가 특정한 물질에 닿으면 전자가 튀어나오는 ‘광전효과’를 기본원리로 한다. 전자가 튀어나오면서 N형 반도체와 P형 반도체를 결합시켜 만든 태양광 셀이 각각 다른 전하를 지니게 되는데 이 차이를 활용해 전류가 흐르게 하는 것이 태양광 발전이다. 태양광발전의 기본 단위인 태양광 셀은 크기가 작아 이를 타일처럼 배열해서 커다란 판으로 만든 것이 태양광패널, 또는 태양광모듈이다. 여러 장의 태양광패널을 직렬로 연결해서 사용하며 생산된 전기를 필요한 전압이나 주파수로 변환하는 인버터, 전체 전력시스템을 조율하는 컨트롤러로 구성된다. 태양광발전의 장점은 별도의 연료비가 필요 없고, 태양광 이외의 연료를 사용하지 않아 환경에 해로운 오염물질이 나오지 않는다는 점이다. 반면 날씨나 기후의 영향을 크게 받는다는 것은 태양광발전이 해결해야 할 과제다.
풍력발전은 바람으로 돌아가는 회전날개가 직접 터빈의 역할을 한다 간단한 구조로 자연의 힘을 이용할 수 있기에 재생에너지 중 가장 먼저 산업적 규모로 운영되기 시작했다 풍력발전기는 회전날개, 축, 발전기, 전선 외에도 발전기가 일정한 회전수로 돌아가도록 도와주는 기어 박스로 구성된다. 또 바람이 너무 강하게 불면 제동장치가 작동해 과열을 막아준다 풍력은 다른 에너지원에 비해 오염물질이나 온실가스 배출량이 현저히 적고 유지보수가 간편하나 소 음과 부피가 크다는 과제가 있다. 해상풍력발전은 이러한 단점을 해결할 수 있는 방법 중 하 나이다. 영국 등 세계적으로 해상풍력발전 시장이 증가하고 있는 추세이다.
해양에너지는 다양한 종류가 개발되고 있는데 바닷물 이용방식에 따라 조력에너지, 조류에너지, 파력에너지, 해수온도차 에너지로 분류할 수 있다. 조력에너지는 밀물과 썰물의 차가 큰 연안에 바닷물을 막는 댐과 수문을 설치해 수위 차이로 터빈을 회전시키는 방식이다. 연료가 불필요하고 발전량을 정확하게 예측 가능하나 바닷물의 염분에 발전설비가 노출되어 유지관리비가 많이 든다. 조류발전은 밀물과 썰물로 인한 바닷물의 흐름을 직접 이용하며 풍력과 유사한 방식으로 전기를 만든다. 비교적 안정적이나 대량의 조류가 충분한 빠르기로 흐르는 곳이 많지 않다. 파력발전은 파도의 운동에너지와 위치에너지를 이용해 터빈을 돌리는 방식이다. 설치 장소나 발전기의 유형 제약이 덜해서 소규모 발전도 가능하나 출력 변동이 심한 편이며 배의 운항이나 어업에 방해가 되므로 대규모 조성이 어렵다는 한계가 있다. 해수온도차 발전은 해수 표면의 온도와 심층의 온도 차이를 이용해 냉매를 증기로 만들어 터빈을 돌린다. 터빈을 돌리고 난 증기는 찬 바닷물로 다시 냉각, 액화하여 순환 사용이 가능하다.
[신재생에너지] 성층권을 누비는 태양광 드론
ⓒ 클립아트코리아
태양광으로만 비행하는 드론이 있다는 사실 모두 알고 계신가요?
현재 드론의 가장 큰 문제점 중 하나는 바로 배터리입니다. 배터리 지속시간이 드론의 비행시간과 직접적으로 연관되기 때문인데요. 배터리 용량을 키우면 무게가 늘어나고 그럼 또 더 큰 배터리 용량이 필요하게 되는 과정을 반복하죠. 현재 수소연료전지와 같은 여러 방식이 개발되고 있지만, 배터리 용량이 한정적이라 드론이 날 수 있는 시간에 비해 배터리를 충전하는 시간이 더 길다고 해요. 따라서 오랜 시간 비행하고 싶어도 충전을 위해 계속해서 지상에 착륙해야 한답니다. 그래서 사람들은 드론이 비행 중에도 배터리 충전을 할 수 있고 몇 주, 몇 달을 비행할 수 있는 드론을 개발했는데요. 바로 성층권 태양광 드론입니다! 함께 알아볼까요?
ⓒ한국천문학회
성층권은 아직까지 우리가 활발히 사용하고 있지 않은 하늘의 한적한 영역인데요. 성층권이라 불리는 고도 10~50km에는 구름이 없기 때문에 기후변화도 없답니다. 따라서 일반적인 지상의 태양광 발전소와는 달리 24시간 태양광을 받을 수 있어요. 따라서 방해 요소가 없어 효율이 높기 때문에 태양광을 에너지원으로 사용하기에 성층권은 아주 적합한 장소랍니다. 또한, 공기 밀도가 대류권보다 낮아 저항이 작아서 적은 에너지로도 더 멀리, 더 빨리 드론을 날릴 수 있답니다.
ⓒ 클립아트코리아
태양광 드론은 기체에 태양전지를 설치하여 태양광 에너지로 배터리를 충전하며 비행하게 됩니다. 따라서 중간에 따로 연료를 공급할 필요가 없어 최대 몇 달 동안 계속해서 비행할 수 있답니다. 낮 동안 태양전지로 전기를 생산하고 충전된 배터리를 밤에 사용하여 24시간 떠 있을 수 있는 거죠. 이러한 특성 덕분에 고고도 유사 위성(HAPS: high altitude pseudo-satellite)이라고 불린답니다.
태양광 드론의 태양전지는 날개와 동체, 꼬리의 표면을 덮고 있는데요. 태양전지의 면적이 넓을수록 더 많은 전력공급이 이뤄지며, 공기 밀도가 낮은 성층권에서도 충분한 양력을 얻을 수 있도록 한 긴 날개가 특징입니다.
ⓒ 클립아트코리아
태양광 드론은 인공위성과 비교했을 때 매우 많은 장점을 갖고 있답니다. 첫째, 위성보다 고도가 낮으므로 지상을 더 자세히 관측할 수 있습니다. 둘째, 움직이는 위성과는 달리, 같은 장소를 계속해서 감시할 수 있어 대기 측정이나 기상현상, 재난 등을 관측하기에 유리합니다. 셋째, 필요할 때 바로 띄우고, 원하는 곳으로 이동시킬 수 있으며 지상에서 조작하기도 쉽습니다. 넷째, 드론의 비행 고도인 18km 이상은 관제탑의 통제를 받지 않아 정해진 항로 없이 자유로운 비행이 가능합니다. 다섯째, 기존 위성보다 제작비, 운영비, 발사비가 매우 저렴합니다. 태양광 드론은 이 밖에도 통신위성과 지상국 사이에서 데이터 전송 능력을 높여주는 보완기능도 수행할 수 있답니다.
프랑스 '에어버스'사의 ‘제퍼S’는 2018년, 21km 상공에 약 26일을 비행하였는데요. 한국 항공우주연구원의 ‘EAV-3’도 미국과 유럽에 이어 세계 세 번째로 18km 상공에 태양광 드론 시험비행에 성공하였습니다.
전 세계는 성층권 태양광 드론의 시장 규모가 앞으로 계속해서 커질 것이라며 주목하고 있습니다. 2020년대에는 대류권과 우주 공간 사이의 틈새 하늘이 새로운 시장으로 열릴 것이라고 합니다. 앞으로 등장할 태양광 드론이 매우 기다려지네요!
정책
(단위 : %. 2015년 기준)
자료 : 국제에너지기구 (IEA)
민간과 공공기관이 제안한 프로젝트 가운데
5GW 규모의 프로젝트를 집중 추진
대형발전사의 재생에너지공급의무화(RPS) 비율을 단계적으로 상향 조정하여 대규모 프로젝트 추진 유도