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부력을 신재생에너지원으로 사용할 수 있다고?!

유체 위로 떠오른 힘을 이용한 부력에너지저장시스템

김하종 | 기사입력 2021/10/07 [13:01]

부력을 신재생에너지원으로 사용할 수 있다고?!

유체 위로 떠오른 힘을 이용한 부력에너지저장시스템

김하종 | 입력 : 2021/10/07 [13:01]

앞으로 20년 후에는 에너지의 수요와 공급의 불균형으로 인해 문제가 발생하고 50년 후에는 화석연료가 거의 고갈될 것으로 예상한다. 화석연료 사용으로 배출된 온실가스는 지구온난화를 점점 가속화시켜 지구평균온도가 상승하고 있다. 이에 화석연료 사용량이 많은 국가에게는 불이익을 주는 등 화석연료의 사용을 줄이려는 움직임이 활발해지고 있다.

 

더구나 현실적으로 에너지 자원을 절약하는 것만으로는 문제를 해결하는 데에는 한계가 있기 때문에 화석연료를 대체할 신재생에너지를 개발할 필요가 있다. 우리나라에서도 3개 분야의 신에너지(연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지)8개 분야의 재생 에너지(태양열, 태양광, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)등 총 11개 분야를 신재생에너지로 지정하여 신재생에너지의 개발과 실용화를 위해 노력하고 있다.

 

신재생에너지는 몇 가지 두드러지는 특징이 있다. 우선 화석연료와 달리 재생할 수 있기 때문에 고갈되지 않는다. 오염물질이나 이산화탄소 배출이 적어 환경친화적이다. 화석 연료에 비해 비교적 지구 상에 고르게 분포하지만, 개발 초기에 투자 비용이 많이 든다.

 

  © PIXABAY

 

최근 자연에 존재하는 힘 중 하나인 부력을 신재생에너지의 하나로 활용하려는 연구가 진행되고 있어 주목을 끌고 있다. 부력(buoyancy)이란 물체를 둘러싼 기체나 액체가 물체를 위로 밀어 올리는 힘을 말한다. 기체나 액체 같은 유체 속에 물체가 존재할 때, 그 물체에는 중력과 반대 방향으로 뜨려고 하는 힘이 작용하는데, 이를 부력이라고 부른다.

 

오스트리아에 위치한 국제응용시스템분석연구소(IIASA) 소속 연구진은 부력을 이용한 새롭고 간단한 에너지 저장 시스템을 제안하였다. 풍선을 해저 바닥으로 끌고 내려갔다가 이를 다시 수면 위로 보낼 때 발생하는 부력에너지를 저장하여 신재생에너지로 활용하려는 것이다.

 

연구진은 이와 같은 원리를 이용하여 부력에너지저장시스템인 ‘BEST(Buoyancy Energy Storage Technology)’를 개발하였다. BEST 시스템의 운용방식은 다음과 같다. 우선 지름 10m 이내의 튼튼한 풍선을 길이가 100m가 넘는 고밀도 폴리에틸렌 파이프 틀에 집어넣는다. 이렇게 만들어진 틀은 에너지를 저장하고자 할 때, 해저 바닥으로 내려보낸다. 이후 저장했던 에너지를 사용할 시점이 되면, 풍선이 엮어져 있는 틀이 수면 위로 떠오르면서 발생하는 부력에너지를 전력으로 전환시킨다. 현재 연구진은 BEST 시스템을 활용하여 에너지 발생 비용을 MWh 50달러에서 100달러 수준으로 낮추는 것을 목표로 하고 있다.

 

▲ IIASA 연구진이 개발한 부력에너지저장시스템의 구조도  © IIASA

 

신재생에너지 연구에서 가장 큰 고민은 에너지 공급이 간헐적으로 이루지는 문제다. 예를 들어 태양광 발전의 경우 전력 수요가 낮은 낮에 발전량이 최고조에 도달하여 에너지가 초과하는 시간과 에너지가 부족한 시간이 번갈아 나타나는 문제다.

 

안정적인 에너지 시스템을 위해서 에너지 수요와 공급의 균형은 필수적이다. 간헐적인 재생에너지 공급의 경경우 에너지를 안정적이고 효율적으로 저장할 수 있는 방법을 도출하는 것이 매우 중요하다. 그런 측면에서 부력은 지열이나 파도처럼 1년 365일 내내 지속적으로 발전할 수 있는 에너지 중 하나다.

 

또한 BEST의 장점은 다른 신재생에너지들처럼 설치에 필요한 조건이 까다롭지 않다는 점이. BEST 시스템은 일정 깊이의 바다라면 어디든 설치가 가능하다. 물론 풍선이 견딜 수 있는 물리적 압력에 한계가 있는 만큼, 너무 깊은 바다에서는 에너지 생산이 어렵다. 지만 주로 연안의 얕은 바다 정도의 적당한 깊이에서 부력에너지 생산에 최적이다.

 

또한 BEST 시스템은 바다를 활용해 에너지를 생산하는 시스템인 만큼, 부력에 의해 만들어진 에너지 이외에도 풍력에 의해 발생하는 에너지도 저장할 수 있다는 장점이 있다. 수면 아래에서 발생하는 부력을 통해 지속적인 에너지 확보와 함께 수면 위에서 발생하는 해상풍력에 의한 간헐적 에너지까지 확보할 수 있는 시스템이다.

 

또한 IIASA 연구진은 BEST 시스템에 사용되는 풍선에 공기가 아닌 수소를 주입하려는 연구도 진행하고 있다. 수소는 밀도가 낮기 때문에 더 많은 부력을 만들어 낼 수 있기 때문이. 특히, 수소는 압축을 하는 데 상당히 많은 에너지가 들어가는 데 수소가 들어간 풍선을 해저 바닥으로 끌고 내려가면 강한 압력에 의해 수소를 압축시키는 과정이 수월하게 되어 일반 공기를 사용하는 것보다 더 많은 장점이 있다.

 

점차 주요 재생에너지원의 발전단가는 하락하고 있고 화석연료과 비교해 경쟁력도 조금씩 갖춰가고 있다. 국제에너지기구(IEA)는 태양광, 풍력 등 신재생에너지가 오는 2025년 세계 최대의 전력원이 될 것으로 전망하고 있을 정도로 신재생에너지는 빠르게 확대되고 있다. 르면 2022년부터 육상풍력과 태양광발전 비용이 화석연료를 대체할 수 있는 수준이 될 것으로 예상한다.

 

결과적으로 태양광 발전과 풍력발전 등 신재생에너지의 경제성이 높아지고 있지만 불안정한 전력생산(간헐성) 문제를 해결해야 하는 과제도 동시에 안고 있다. 이에 부력을 활용한 ‘BEST’시스템과 같이 새로운 신재생에너지원의 등장은 신재생에너지를 보다 빠르게 확대하고 지속가능한 사회로의 전환을 견인할 수 있는 강력한 힘이 되어 줄 것이다.

 

- 기사 요약 -

1. 화석연료 사용량이 많은 국가에게는 불이익을 주는 등 화석연료의 사용을 줄이려는 움직임이 활발해지고 있다.

2. 오스트리아에 위치한 국제응용시스템분석연구소(IIASA) 소속 연구진은 부력을 이용한 새롭고 간단한 에너지 저장 시스템인  ‘BEST(Buoyancy Energy Storage Technology)’를 개발하였다.

3. 부력을 활용한 ‘BEST’시스템과 같이 새로운 신재생에너지원의 등장은 신재생에너지를 보다 빠르게 확대하고 지속가능한 사회로의 전환을 견인할 수 있는 강력한 힘이 되어 줄 것이다.

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