재생 에너지원으로 주목받는 파력 발전(Wave Power)

2024년 09월 30일

글/ 로버트 헌틀리(Robert Huntley), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

(출처: dtatiana / stock.adobe.com)

지난 10여년 사이에 재생 에너지원 도입이 대대적인 진보를 이루었다. 어느 지역을 가나 태양광 및 풍력 발전 인프라가 익숙한 광경이 되었으며, 친환경적인 에너지원으로서 전통적 에너지 생산 기법들을 보완하고 있다. 소비자들은 더 많은 재생 에너지원으로 전환해야 할 필요성에 대한 인식이 높아지고 있으며, 친환경 전력 요금(utility green tariff)을 제공하는 전기 사업자들을 선택하고 있다.[참고자료 1]

재생 에너지원을 개발하는 것은 정부 및 비-정부 기관들에게도 중요한 화두가 되었다. 미국은 2035년까지 자국의 전력망을 탈탄소화할 계획이라고 발표했다. 최근에는 재생 에너지 도입을 확대하고자 하는 계획들이 어떻게 계속해서 진보하고 있는지 볼 수 있다. 2024년 4월에 미국 내무부는 2025년도에 자국의 2억5천만 에이커에 달하는 공공 부지를 활용해서 25기가와트 이상의 청정 에너지를 생산한다는 프로젝트를 발표했다.[참고자료 2]

이러한 사업들이 추진되고 확대됨에 따라서 파력 발전(wave power)이 자연적 재생 에너지 솔루션으로서 부상하고 있다. 이 글에서는 파력 발전이 어떻게 바다 파도의 키네틱 에너지를 활용해서 전통적 에너지 기법들에 대한 지속가능한 대안을 제공하는지 알아본다.

파력 발전의 가능성

태양광과 풍력이 재생 에너지원으로 자리를 잡고 있는 가운데, 파도로부터 전력을 포집하는 것이 업계의 지지를 얻고 있다. 바다의 움직임을 활용해서 이 운동 에너지를 전기로 변환함으로써 기존 재생 에너지원을 보완하는 청정 에너지원을 제공할 수 있다. 전세계의 바다는 끊임없이 움직임으로써 전력을 포집할 수 있는 풍부한 전력원을 제공한다.

아울러 위성 원격 감지가 가능함으로써 전세계 바다의 행태를 지속적으로 모니터링할 수 있다. 이를 통해 파도와 조수 패턴을 신뢰하게 모델링하고 예측할 수 있다. 풍력이나 태양광 구축과 비교해서 파력 에너지 포집 기법은 통상적으로 환경적 영향이 더 낮으며, 적절히 설계하고 배치했을 때 해양 생물과 연안 지역 공동체에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

파력 에너지 포집 기법

파도의 키네틱 모션을 전기 에너지로 변환하는 데에는 여러 가지 기법이 있을 수 있다.

• 오실레이팅 워터 컬럼(oscillating water column): 이 접근법은 실린더나 워터 컬럼으로 파도의 상승과 하강을 사용해서 전기를 생산한다. 파도가 체임버 안으로 들어가면 컬럼 내에 갇힌 공기가 압축되고 이것을 사용해서 터빈 기반 발전기를 구동한다.

• 오버토핑 터빈(overtopping turbine): 대부분이 해안가에 설치되고, 높은 조수나 폭풍 시에 실(sill)이나 쓰레숄드(threshold)를 넘어서 흐르는 물로부터 에너지를 포착하도록 설계된다. 높은 수준의 저수량과 높은 조수 범위로, 하구의 해저에 탑재되는 버라지 스타일 터빈에 사용되는 기법과 비슷하다.

• 포인트 옵저버(point absorber): 플랩, 플로트, 발진 장치로 이루어지며, 통상적으로 해저에 닻으로 고정된다. 이러한 파도 에너지 컨버터(WEC)는 다양한 기계식 또는 유압식 시스템을 사용해서 파도의 움직임으로부터 전기를 생산한다.

사람의 심장에서 영감을 받은 파도 에너지 컨버터

포인트 옵저버 WEC의 경우에 주목할 만한 사례로서 CorPower Ocean을 들 수 있다.[참고자료 3] 항행 또는 표지 부이(marker buoy)와 같은 형태로 된 각각의 경량 CorPack을 해저에다 닻으로 고정시키고 아래쪽으로 프리텐션을 해서 파도와 너울에 의해서 위로 밀어올려지도록 한다. 저장된 압력이 복귀력(return force)을 제공한다. 이 접근법은 각 방향으로 동일한 에너지를 발생시키며 능동적으로 제어하지 않는 한은 바다의 파도에 대해서 자연적으로 투명하다.

CorPower Ocean의 이 에너지 솔루션은 파도의 움직임을 증폭하는 웨이브 스프링(wave spring), 파도의 선형적 모션을 회전 모션으로 변환하는 캐스케이드 기어박스(cascade gearbox), 닻으로 고정된 복합재료 부이 구조 내의 프리텐셔닝 실린더로 이루어진다. 혁신적인 위상 제어 기술을 사용해서 이 부이의 모션을 튜닝할 수 있으므로 변화하는 바다 조건에 따라서 대응할 수 있다.

각각의 CorPack이 최대 300kW를 생산할 수 있으며, 클러스터로 구축하면 15MW/km²의 공간적 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 그러므로 통상적으로 7.2MW/km² 밀도인 오프쇼어 풍력 단지와 비교해서 이 솔루션이 얼마나 유망한지 알 수 있다.

전자장치 설계 고려사항

WEC 용으로 지원 제어 기술을 설계하기 위해서는 구축하는 장소의 환경적 측면을 세심하게 고려해야 한다. 어떤 장비가 되었든 바다 환경에서 사용되는 것은 염수에 노출되는데, 염수는 고도로 부식성이 강한 액체로서 금속 표면으로 영향을 미칠 수 있으며 실제적으로 전도물로서 작용한다.

그러므로 WEC를 설계할 때 설계 엔지니어는 다음과 같은 요소들에 면밀한 주의를 기울여야 한다:

• 환경적: 염분이 가득한 환경이 미치는 영향은 많은 고려 사항 중의 하나일 뿐이다. WEC가 겪게 되는 온도 범위가 넓으며, 높은 습도까지 더해져서 차가운 표면으로 수시로 응결을 일으킬 수 있다. 그러므로 IP69K 같은 높은 IP(ingression protection) 등급으로 PCB와 인클로저를 컨포멀 코팅하는 것이 권장된다. 심한 경우에는 모듈 및 PCB 캡슐화를 통해서 원소들에 대해서 추가적인 보호를 할 수 있다.

• 기계적: 바다 환경은 적대적이다. 바다의 격렬한 움직임에 노출되는 WEC는 특히 더 그렇다. 구축 과정에서 현장으로 운반하거나 해저에 고정시킬 때 WEC 제어 유닛으로 기계적 충격과 진동력이 가해질 수 있다. 이 유닛은 작동 수명 동안 내내 지속적으로 상당한 파도의 충격을 받기 때문에 케이블에서부터 커넥터와 부품들에 이르기까지 모든 것들로 스트레스를 가한다. PCB와 케이블을 단단히 조이면 휨과 진동을 피할 수 있는데, 이 힘이 시간이 경과하면서 연결 결함을 일으키고 PCB 트레이스를 손상시킬 수 있다.

WEC가 극단적인 조건으로 작동하고 수리를 하려면 비용이 비싸기 때문에 모든 전자장치를 고품질 부품들을 사용해서 장기적으로 신뢰하게 작동하도록 설계해야 한다. 더불어, 중복적 시스템과 센서들을 포함함으로써 좀더 내구성과 회복성이 뛰어난 제어 시스템을 설계할 수 있을 것이다.

맺음말

새로운 지속가능한 에너지 솔루션을 추구하는 여정이 계속되는 가운데, 파력 발전(wave power)이 유망 주자로 부상하고 있다. 바다 에너지를 활용해서 기존의 재생 에너지 옵션들을 보완하면서 고유의 이점들을 제공할 수 있다. 기술이 계속해서 발전하고 환경적 지속가능성에 대한 인식이 높아짐으로써 파력 발전이 청정 에너지 전환에 있어서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

참고자료

1. https://www.epa.gov/green-power-markets/utility-green-tariffs

2. https://www.doi.gov/priorities/clean-energy-future

3. https://corpowerocean.com/.

로버트 헌틀리(Robert Huntley)는 HND 자격 엔지니어이자 테크니컬 라이터이다. 텔레콤, 내비게이션 시스템, 임베디드 애플리케이션 엔지니어링에 있어서 축적된 경험을 바탕으로 Mouser Electronics를 위해서 다양한 기술적 및 실무적 기사를 저작하는 일을 하고 있다.