하늘을 나는 풍력발전기, 네덜란드의 공중 풍력 발전 개발

     

     

     

    

자료원: www.ampyxpower.com

 

□ 공중 풍력에너지(Airborne Wind Energy)란?

 

 ○ ‘풍력발전’이라고 했을 때 흔히 떠올리는 이미지는 발전기가 달린 높은 타워와 2~3개의 로터 블레이드가 있는 풍력발전 터빈이지만, 이런 풍력발전 터빈의 단점을 보완하는 2세대 풍력 발전기 형태가 개발되고 있음.

  - 기존 풍력발전 터빈 디자인은 거대한 타워를 세워야 하는 만큼 건설비용이 많이 들고, 타워와 발전기의 부품을 운반하는 데도 비용이 많이 든다는 단점을 가지고 있음.

  - 또한 지상에서 바람이 일정하게 불지 않기 때문에 설비용량 대비 발전 효율이 떨어짐.

  - 일각에서는 풍력발전 터빈이 시각적 공해와 소음을 일으키기 때문에 특정 지역에 설치를 반대하기도 함.

 

 ○ 이에 등장한 공중풍력발전은 상공에 비행체를 띄워 공중에서 부는 바람을 이용해 전력을 생산하는 방식

  - 고공에서는 지상보다 바람의 세기가 균일하며 5~8배가량 더 강력하다는 장점이 있음.

 

 ○ 한전전력연구원에 따르면, 공중풍력발전시스템은 지상 거치형과 고공 거치형으로 구분할 수 있음.

  - 고공 거치형은 부양체에 발전기가 설치돼 고공에서 전력을 생산하고 케이블을 이용해 지상으로 전력을 전송하는 구조임. 대표적으로 미국 알트에어로스(Altaeros energies)사의 공중 풍력터빈을 예로 들 수 있음. 알트에어로스사의 공중 풍력터빈(BAT)로 헬륨가스가 주입된 비행선의 안쪽에 터빈을 설치해 전력을 생산하도록 개발 중임.

 

알트에어로스사의 공중 풍력터빈

  

자료원: www.altaerosenergies.com

 

  - 지상거치형은 발전기가 지상에 설치되는 경우로 비행체에 연결된 케이블이 이완되면서 발전기 회전자를 구동해 전력을 생산하고, 이완된 케이블을 다시 모터를 이용해 되감기하는 방식. 네덜란드의 암픽스 파워(Ampyx Power)는 지상 거치형 공중풍력발전 시스템인 파워플레인(PowerPlane)을 개발하고 있음.

 

□ 네덜란드 암픽스 파워(Ampyx Power)의 공중풍력발전기 파워플레인(PowerPlane)

 

 ○ 암픽스 파워의 파워플레인 시스템은 원격조정 가능한 자동운전 글라이더를 이용해 풍력을 기계적인 에너지로 변환하는 방식임.

  - 글라이더는 반복적인 측풍(Cross-wind) 패턴으로 300~600m 고도를 비행하는데, 이때 글라이더와 지상의 발전기와 연결된 케이블(tether)이 팽팽하게 늘어나며 에너지가 생산됨.

  - 케이블이 모두 이완됐을 때, 글라이더를 낮은 고도로 비행하도록 조정하며 케이블을 되감는데, 이때 케이블을 푸는 단계에서 생산된 에너지의 일부를 사용함.

     

암픽스 파워의 파워플레인 시스템의 전력생산 원리

자료원: www.ampyxpower.com

 

  - 바람이 적거나 기상상황이 악화됐을 때를 대비해 파워플레인은 완전 자동 이착륙 시스템을 탑재하고 있음. 기상과 센서 정보가 시스템 제어기에 실시간으로 입력되며, 제어기는 자동 이착륙 시스템을 발동할지 원격 조정을 할지 결정함.

 

 ○ 암픽스 파워는 파워플레인 기술로 전력 생산에 필요한 자원을 최소화할 수 있다고 주장

  - 개발이 끝나면 파워플레인은 기존의 대형 풍력발전 터빈과 맞먹는 전력을 생산해낼 수 있을 것으로 예상됨.

  - 풍력발전터빈에서 전력을 생산하는 발전기와 모터 등 로터 블레이드의 뒤 공중에 달려있는 부분이 파워플레인 시스템에서는 지상에 설치되기 때문에 설치비용이 적게 들고 쉬움.

  - 파워플레인은 운반과 설치·분해에 드는 비용이 더 적으며, 운행과 유지에 드는 비용도 일반 풍력발전 터빈보다 적음.

 

 ○ 경제적인 면뿐만 아니라 시각적 공해와 소음 등의 문제를 완화시킬 수 있음.

  - 네덜란드가 풍력발전에 주력하는 정책을 안 좋게 보는 시각 중 하나가 바로 자연경관을 해칠 수 있다는 점임.

  - 파워플레인은 풍력발전 터빈에 비하면 크기가 매우 작고, 높은 고도에서 비행하기 때문에 이런 단점을 해결할 것으로 기대됨.

 

 ○ 파워플레인 개발단계

  - 암픽스 파워는 완전 자동화된 프로토타입으로 2012년 11월 콘셉트 입증(Proof of concept) 실험을 수행했음.

  - 2013년에는 날개 길이가 5.5인 프로토타입으로 장거리 비행과 자동 이착륙의 기본 콘셉트를 테스트했으며, 1차 실험보다 더 많은 양의 전력을 생산할 수 있다는 것을 입증했음.

  - 2013년에는 첫 번째 상업용 모델을 설계하기 시작했으며, 지금은 기본적인 기술개발이 완료된 상태로 시스템 성능과 안전성 등을 개선하고자 함.

  - 2017년에는 호주와 캐나다의 인구밀도가 적은 지역에 파워플레인 시범단지가 조성될 예정임. 또한 이 회사는 산림자연관리청위원회(Staatsbosbeheer)와 협조해 네덜란드 내에서 PowerPlane을 실험하고 전력을 생산할 부지를 물색하고 있음.

 

암픽스 파워의 공중 풍력 발전기, 파워플레인

자료원: www.ampyxpower.com

 

 ○ 차세대 풍력에너지 개발에 투자 이어져

  - 암픽스 파워는 유럽의 Horizon 2020 프로그램으로 250만 유로의 보조금을 지원받았으며, 추가로 470만 유로를 지원 신청한 상태임.

  - 2013년 크라우드 펀딩을 통해 270명의 민간투자가로부터 33만 유로를 유치했으며, 같은 해 약 20명의 개인 투자가들이 150만 유로를 투자했음. 또한 Wereld Natuur Fonds(World Wildlife Fund), KLM, Schiphol, Rabobank, 델프트 공대 등이 이 회사에 투자하고 있음.

  - 네덜란드 경제신문 Financieel Dagblad에 따르면, 암픽스 파워는 2015년 3~5월 비공식 투자유치 라운드에서 60만 유로의 투자를 유치했음. 이밖에도 전문 투자가로부터 500만 유로의 지분투자를 받을 예정임.

  - 실제 파워플레인을 상용화하기 전까지 2500만 유로의 비용이 들 것으로 예상되며, 암픽스 파워의 대표 Wolbert Allart씨는 2015년까지 투자유치를 완료할 것이라 확신했음.

  - 암픽스 파워는 직원 8명에서 시작해서 현재 36명까지 성장했고, 캐나다와 호주에 지사를 두고 있음. 앞으로는 직원이 50명 이상으로 늘어날 것으로 예상됨. 델프트 공대와 National Aerospace Laboratory(NLR; Het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium)이 기술개발에 긴밀히 협조하고 있음.

 

□ 시사점

 

 ○ 공중풍력발전기술은 아직 상용화되지는 못했지만 미국, 유럽 등지에서 틈새시장을 노린 기술개발이 이뤄지고 있음.

  - 공중풍력발전은 알래스카와 같이 인적이 드물고 전력망이 닿지 않는 곳을 위한 유용한 전력생산방식으로 인식됐으나, 네덜란드와 같이 인구밀도가 높은 지역에서도 기존 풍력발전방식의 단점을 보완할 새로운 방식으로 각광받고 있음.

 

 ○ 공중풍력발전의 기술동향은 델프트에서 6월 15~16일간 열린 공중풍력발전 컨퍼런스 AWEC 2015(Airborne Wind Energy Conference)에서 파악할 수 있음.

  - 네덜란드의 암픽스 파원뿐만 아니라 미국의 Makani Power, 독일의 Enerkit에서 연사로 참여

  - AWEC는 2009년부터 개최됐으며, 2015년 AWEC는 처음으로 마리 퀴리 초기 트레이닝 네트워크(ITN; Marie Skłodowska-Curie Initial Training Network)인 AWESCO(Airborne Wind Energy System Modelling, Control and Optimisation)가 주관했음.

  - AWESCO는 EU의 Horizon 2020 프로그램과 스위스 정부가 지원하는 네트워크로, 암픽스 파워·델프트 공대·Enerkite, SkySais(독일)·스위스 로잔공과대학·Xsens Technologies(네덜란드) 등이 참여

 

 

자료원: www.ampyxpower.com, Financieel Dagblad, www.altaerosenergies.com, http://awec2015.tudelft.nl, www.awesco.eu, 및 KOTRA 암스테르담 무역관 자료 종합