한국전기연구원 공중 풍력발전 연구팀이 창원시 마산합포구 마산해양신도시 부지에서 공중 풍력발전을 시연하고 있다. 한국전기연구원 제공

공중에서 전기를 생산해 ‘하늘을 나는 발전소’로 불리는 공중 풍력발전기가 국내에서 개발된다. 최근 한국전기연구원(KERI)과 한국전력공사, 경남 창원시는 미래형 신재생 에너지로 주목받는 공중 풍력발전 개발에 나섰다.

우리나라에서 개발하는 공중 풍력발전은 연이나 글라이더와 같은 가벼운 비행물과 지상발전기를 줄로 연결해 연줄을 당기는 힘으로 전기를 생산하는 ‘지상 발전’ 방식이다. 하늘을 나는 연이 강한 바람에 요동치면서 줄을 잡아당기면, 그 힘으로 발전기와 연결된 원통이 돌면서 발전기를 구동해 전기를 생산하는 것.

날개를 돌려 전력을 생산하는 기존의 타워형 풍력발전기는 환경훼손과 공간제약으로 설치에 한계가 있었다. 반면 공중 풍력발전은 바람이 세게 부는 하늘에서 에너지를 얻을 수 있어 타워형 풍력발전보다 연간 발전량이 6배 이상 많고, 각종 구성품이 타워형 발전기의 10분의 1밖에 되지 않아 재료와 비용을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다. 공중에서 전기를 생산하는 해외의 발전소들을 살펴보자.

공중에서 전기 전송!

알트에어로스 에너지스’가 개발한 발전기가 달린 헬륨 비행선. 알트에어로스 에너지스 홈페이지 캡처


알트에어로스 에너지스’가 개발한 비행선의 가운데가 뚫려 있다

하늘에 둥둥 떠다니는 열기구에서 전기를 생산해 땅으로 보낸다면? 발전기가 땅에 있는 공중 풍력발전보다 환경훼손을 더욱 줄이고 공간제약은 덜 받을 수 있다.

미국 매사추세츠공대(MIT) 출신 엔지니어들이 만든 기업 ‘알트에어로스 에너지스’는 헬륨 비행선을 공중에 띄워 전기를 생산하는 방식을 개발했다. 항공기나 드론, 비행선에 프로펠러와 발전기를 장착해 하늘에서 전기를 생산한 뒤 모은 전력을 연결된 줄을 통해 지상에 있는 시설로 보내는 것.

업체가 개발한 지름 15m의 거대한 원통형 비행선은 도넛처럼 가운데가 뻥 뚫려있다. 뚫려있는 안쪽 면에는 날개가 3개인 발전기를 달아 비행선이 하늘을 날 때 가운데를 오가는 바람이 발전기를 돌리도록 만들었다. 비행선은 300∼600m 상공에 뜬 채로 전력을 생산한다. 600m 고도에서 나는 이 비행선은 같은 크기 타워형 풍력발전기의 두 배 이상의 에너지를 만든다.

비행선 바깥쪽에는 보조날개 4개가 달려 있어서 바람이 불어오는 방향을 비행선이 향하도록 길을 잡아준다. 이 비행선은 공간의 제약 없이 필요한 곳으로 쉽게 옮길 수 있고, 하늘에서 전력을 바로 생산할 수 있다는 장점이 있다.

알트에어로스 에너지스는 지리적으로 인터넷 공급이 원활하지 않은 곳에 비행선을 띄워 인터넷 망을 구축하는 기술을 가다듬고 있다.

바다 위도 문제없지

지난 2019년 ‘마카니 파워’의 해상 풍력발전기가 노르웨이 해안에 설치된 모습. 마카니 파워 홈페이지 캡처


‘마카니 파워’의 해상 풍력발전기가 날아오른 모습을 그린 그림

지구상에서 바람이 가장 센 곳은 아무래도 바다다. 바다 위 하늘을 날아오르는 풍력발전기도 있다.

지금까지 바다 한가운데는 수심이 깊은 탓에 풍력발전기를 세울 수 없었다. 바다에 타워형 풍력발전기가 세워지더라도 수심이 낮은 해변 인근에 설립되는 경우가 많았던 것. 그러나 구글의 자회사인 ‘마카니 파워’는 가벼운 풍력발전기를 이용해 바다를 공략했다. 부표에 줄을 달아 발전용 항공기를 하늘로 띄운 후 부표에 달린 닻을 바다 속으로 내려 고정하는 방식이다. 하늘에 떠오르는 풍력발전기가 매우 가벼워 부표에 고정할 수 있고, 부표는 바다위에 떠 있기 때문에 바람이 거세게 부는 바다 한 가운데에 수심과 상관없이 설치할 수 있는 것이다.

지상 풍력발전기보다 90% 가벼운 초경량 탄소섬유로 만든 발전기는 바다 밑바닥에 구조물을 세우지 않아도 전기를 생산할 수 있다는 것이 큰 장점이다. 부표에 연결된 항공기는 타워형 풍력발전기의 날개가 회전하는 것처럼 300m 고도에서 지름 145m의 원형을 그리며 비행해 전기를 생산한다. 생산된 전력은 전도성 알루미늄 소재를 입힌 줄을 통해 바다 위의 부표로 전달된다.