[비즈월드] 지난 2018년 기준으로 GDP(국내총생산) 세계 14위인 우리나라의 1차에너지 공급량은 282.3백만TOE로 세계 9위이다. 덩달아 석유소비 7위, 전력소비 7위의 에너지다소비 국가로 분류되고 있다. 

우리나라의 2019년도(잠정치) 에너지 수입액은 1267억 달러(약 149조245억4000만원)로 국가 전체 수입액의 25.2%를 차지하고 있다. 또 총 에너지 수입액의 55.4%를 차지하는 원유 수입의 경우 중동지역이 70.2%의 비중을 차지하고 있어 에너지 안보에 매우 취약한 구조를 가지고 있다.

환경문제가 전 세계적인 해결 우선 과제가 되고 있다. 이 가운데 대기오염과 온실가스 등의 문제가 있는 석유나 석탄을 이용하는 화력발전은 이미 쇠퇴의 길을 걷고 있으며 무공해이지만 방사능 등 안전 문제가 큰 이슈가 되고 있는 원자력발전도 눈총을 받고 있는 것이 사실이다.

이밖에 에너지 생산 방식으로는 태양광과 태양열, 풍력, 지열, 수력, 수열, 해양, 수소 이외에 바이오와 폐기물, 석탄가스·액화 등 우리에게 생소한 종류도 많다.

최근 전국적으로 태양광 사업이 붓물을 이루고 있지만 소모품인 태양전지판 처리와 부지조성에 따른 자연환경 훼손 문제가 대두되고 있다.

그렇다면 우리나라 적합한 신·재생에너지 방법은 무엇이 있을까?

우리나라는 바람이 많이 부는 산이나 해안선이 길어 풍력발전 설치 때 많은 전기를 생산할 수 있다는 장점이 있다. 

풍력발전 바람 힘을 이용한 것으로 바람이 풍차의 날개를 돌리면 날개는 전기 발생 장치인 발전기에 연결되어 전기를 생산하고 생산된 전기는 바로 사용하거나 전기를 보내는 전선망을 이용해 한국전력에 역전송해 전기를 판매하는 보내는 원리다.

한국에너지공단이 올해 5월 18일 펴낸 ‘2020 신재생에너지백서’에 따르면 바람은 강도와 빈도는 다양하지만, 지구상 어디에나 존재한다. 전 세계 풍력 발전량에 대한 스탠퍼드 대학의 연구에 따르면, 전 세계 가용 풍력의 20%만 활용해도 현재 글로벌 경제를 운용하는데 들어가는 것보다 일곱 배나 더 많은 전력을 생산할 수 있다고 한다. 더구나 바람은 공짜이므로, 한계비용이 제로에 가깝다.

전기를 생산하는데 사용된 최초의 풍력터빈(wind turbine)은 영국 글래스고의 제임스 블리쓰(James Blyth) 교수가 1887년 7월에 스코틀랜드에 설치한 것이다. 다음 해인 1888년에는 미국 오하이오주 클리블랜드의 찰스 브러시(Charles F. Brush)가 세계 최초로 백열등 350개를 켤 수 있는 풍력발전기를 개발해 운용했다. 이 터빈은 18m 높이의 타워에 무려 144개의 블레이드를 설치한 12kW 규모의 것이었다.

우리나라는 1975년 3월에 한국과학원에서 경기도 화성군 송산면 어도(엇섬)에 세운 2kW급 풍력발전기가 공식적인 국내 최초 풍력발전기로 기록되어 있으며, 1998년 8월에는 600kW급 풍력발전기 2대가 설치된 제주 행원 풍력발전단지가 국내 최초로 상업운전을 시작했다.

지난 1998년에 1.2MW가 설치된 이후 2003년까지는 설치용량이 미미했지만, 2004년부터 본격적으로 보급되기 시작해 2006년에 영덕풍력(39.6MW), 강원풍력(98MW)이 준공됨으로써 최초로 연간 신규 설치용량이 100MW를 넘어섰다.

지난 2015년에는 제주도의 가시리풍력(30MW), 동복북촌풍력(30MW), 김녕풍력(30MW), 전남 영광백수풍력(40MW), 화순풍력(16MW), 경북 영양풍력(59.4MW) 등이 준공됨으로써 연간 200MW를 넘어섰다. 

2019년 말 기준으로 1490MW(103개소, 690기)의 풍력발전이 설치되어 있다. 이는 국내 전체 발전시설 용량의 약 1.2%에 해당한다. 2019년의 신규 설치용량은 191MW(5개소, 55기)이다. 육상풍력은 현재 1418MW(99개소, 662기)가 설치되어 있으며, 해상풍력은 72MW(5개소, 28기)가 설치되어 있다.

2015년부터 2019년까지의 최근 5년간 신규 풍력발전기 설치용량의 연평균 증가율은 약 19.8%였다.

우리나라의 풍력발전 사업은 57%의 점유율을 가진 민간발전사들이 주도하고 있는 것으로 나타났다. 한전 자회사인 6개 발전공기업은 513MW 규모의 풍력단지를 운영하고 있어 34.5%를 차지하고 있으며, 그 외에 지자체(제주도청, 강원도청, 전북도청, 인제군청, 영암군청 등), 농어촌공사, 에너지기술연구원, 전력연구원, 제주대학교, 특성화마을 등이 단지를 운영하고 있다.

풍력발전시스템은 한때 의욕적으로 시장에 뛰어들었던 삼성중공업, 대우조선해양 등이 철수하고, 유니슨, 두산중공업 등 소수의 기업만이 영업을 계속하고 있다. 유니슨은 주로 육상풍력 터빈을 공급하고 있으며, 두산중공업은 제주도 탐라해상풍력, 서남해 해상풍력에 기자재를 공급했다.

두산중공업은 육·해상 공용의 3MW 및 3.3MW 터빈과 5.56MW 규모의 해상풍력 터빈을 개발했으며 8MW 해상풍력 터빈을 개발중인 것으로 알려져 있다. 2011년 3월에는 풍력발전 시스템 자체 개발 및 국제 공인인증 획득했다.

효성은 국제인증기관인 ‘UL DEWI-OCC’로부터 5.5MW 해상풍력발전시스템 형식인증 획득했으며 2016년 한반도를 강타한 태풍 ‘차바’에도 정상 가동돼 높은 안전성을 입증했다. 

또 유니슨은 2.3MW 및 4.2MW 육상풍력 터빈을 공급 중이며, 육·해상 공용 4.3MW 터빈도 개발했으며 국제인증기관인 ‘UL DEWI-OCC’로부터 4.2MW 육상풍력발전시스템 형식인증을 획득하고 국내 보급을 위해 KS 인증 추가 획득하는 등 기술력을 인정받고 있다.

풍력터빈의 핵심부품인 블레이드는 국내기업으로는 두산중공업의 협력업체인 휴먼컴퍼지트만이 영업을 계속하고 있다. 우리나라가 국제적으로 경쟁력을 갖추고 활발하게 수출을 하고 있는 풍력타워의 경우에는 씨에스윈드, 동국S&C, Win&P, 스페코가 국내·외에서 생산시설을 운영하고 있다. 이 중에서 씨에스윈드와 스페코는 해외 생산시설만 가지고 있는 상황이다.

육상풍력과 달리 해상풍력은 모노파일, 자켓과 같은 하부구조물을 필요로 하는데, 우리나라의 삼강엠앤티, 현대스틸산업이 이와 같은 구조물을 제작해 내수와 수출을 담당하고 있다. 

풍력터빈에 들어가는 베어링, 단조와 같은 부품들도 태웅, 씨에스베어링, 신라정밀, 서한이앤피, 현진소재와 같은 기업에서 생산하고 있다.

신·재생에너지 산업통계에 따르면 2018년 기준으로 풍력발전시스템, 블레이드, 타워, 전력변환장치, 부품 등의 제조산업에 종사하는 기업은 22개업체로 조사되었으며, 고용인원은 1580명, 매출액은 1조2000억원 규모로 나타났다.

우리나라 풍력산업의 정체와 함께 제조산업에 종사하는 기업체수는 2014년 34개에서 계속 줄어 2018년에는 22개로 나타났으며, 고용인원 역시 2014년 2424명에서 2018년 1580명으로 감소했다. 매출액은 2014년에 1조2139억원이었는데, 2018년에는 1조2062억원으로 큰 변화는 없었다.

풍력터빈은 블레이드(blade), 허브(hub), 주축(main shaft), 증속기(gear box), 발전기 
(generator), 전력변환장치(PCS), 타워(tower) 등의 부품으로 구성된다. 이 중에서 블레이드와 타워를 제외한 부분을 너셀(Nacelle)이라고 한다.

우리가 잘 알고 있는 3개의 날개를 가진 프로펠러형의 수평축 발전기는 간단한 구조로 되어 있어 설치하기가 쉽지만 바람의 방향에 따라 많은 영향을 받는다. 

수직축 발전기는 바람의 방향에 영향을 받지 않아 사막이나 평원에 설치하는 것이 가능하지만, 소재가 비싸고 수평축 발전기에 비해 효율이 떨어진다. 

현재는 중대형급 이상의 터빈은 수평축을 사용하고, 100kW급 이하의 소형 터빈은 수직축도 사용되고 있다.

이런 가운데 한 국내기업이 수평축 풍력발전기와 수직축 풍력발전기의 단점을 보완한 새로운 형태의 풍력 발전장치를 고안해 특허를 취득한 것으로 나타났다.

비즈월드가 확인한 결과 서울 금천구에 위치한 ㈜파미르는 올해 1월 11일 ‘풍향을 스스로 추종하는 수직형 풍력발전장치’라는 특허를 출원(출원번호 제1020210003357호)해 지난 6월 30일 등록(등록번호 제102273393호)을 받았다.

해당 발명에 대해 이 회사 연구진은 “스스로 바람의 방향을 추종해 풍향의 변화가 잦거나, 풍속이 느린 환경에서도 블레이드(blade, 풍차날개)에 지속적으로 바람의 압력을 전달할 수 있는 풍향을 스스로 추종하는 수직형 풍력발전장치를 개시한다. 이 발명에 따른 수직형 풍력발전장치는 지면에 대해 수직으로 배치되고, 내부에 바람이 통과 가능한 유로가 마련되는 하우징을 포함하고, 하우징은 외부로부터 불어오는 바람에 의해 원주방향을 따라 회전하면서 바람이 불어오는 방향을 스스로 추종하여, 항상 유로의 입구를 바람이 불어오는 정방향을 향하도록 배치시킨다”라고 요약 설명했다.

해당 특허는 종래의 수직축 풍력발전장치의 경우 반원통 모양의 회전날개가 외부공간에 노출되어 전 방향에서 바람의 영향을 받도록 설계됨에 따라, 풍향이 수시로 변화하거나, 풍속이 느린 지역에서는 회전날개의 주변에서 바람이 분산되어 회전날개의 전면으로 바람이 정확히 전달되지 못하고, 이에 따라 회전날개가 충분히 회전되지 못한다는 한계를 극복한다.

이를 통해 지속적이고 안정적인 전력생산이 어렵다는 단점을 해결하고 풍력발전 과정에서 블레이드, 회전부품, 발전기 모터 등에서 발생하는 다양한 소음이 너무 커서, 주거밀집지역에 설치운영이 어렵고, 폭넓은 상업적 용도로 풍력발전기를 활용하는 것에 대한 제약이 많았던 문제를 해결하는데 목적을 뒀다.

새로운 발명은 발전기 내부에 유체가 한 방향으로 이동 가능한 유로를 형성하고 하우징이 외부 바람에 의해 원주방향을 따라 회전하면서 풍향계에서 지시된 바람이 불어오는 방향을 스스로 추종해 항상 유로의 입구를 바람이 불어오는 방향을 향하도록 배치하는 방식이다.

이를 통해 풍향의 변화가 잦거나, 풍속이 느린 환경에서도 유로에 배치된 블레이드를 지속적으로 회전시킬 수 있고, 이를 통해 적어도 하나의 블레이드의 회전력을 충분히 확보해 안정적으로 전력을 생산하는 효과를 주게 된다.

또 하우징 내에 벨 마우스 형태의 가이드를 구비해 유체가 한 방향으로 이동 가능한 유로를 형성하고, 유로 내에 블레이드를 배치함으로써 해당 블레이드에 정확한 유체의 압력을 전달할 수 있도록 했다.

유로에 배치된 블레이드는 한 방향에서만 유체의 영향을 받음에 따라, 유체의 압력 손실없이 블레이드의 전면부에 유체의 압력을 집중시킬 수 있고, 이를 통해 풍차날개의 회전력을 향상시킬 수 있도록 구성했다.

유체를 적어도 하나의 블레이드의 전면 측으로 안내하는 가이드와 블레이드 사이의 간격을 최소화해 블레이드를 가압하지 않고 블레이드를 통과하는 유량손실을 감소시키고, 이를 통해 블레이드에 작용하는 유체의 압력을 상승시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있다는 것이다.

이와 함께 풍향 조절판을 통해 외부로부터 유로로 유입되는 유체를 특정 방향으로 유도함으로써, 블레이드를 지정된 방향으로 회전시킬 수 있고, 이를 통해 지속적으로 전력을 생산할 수 있다.

또 벨 마우스 형태의 가이드에 유로를 외부공간과 선택적으로 연통시키는 배기 구조를 적용해 유로 내부의 압력이 상승될 경우 유로 내부에 흐르는 유체를 외부공간으로 배출시켜 유로의 내부 압력을 일정하게 유지할 수 있고, 이를 통해 과도한 압력과 과속으로 인한 회전부품들의 손상을 예방할 수 있다는 장점도 있다고 연구진은 설명했다.

회전커버 안에 배치된 구동계는 구동에 따른 소음이 외부로 누설되는 것을 방지하고, 발전기를 베이스 안에 배치시켜 발전기 모터작동에 따른 소도을 방지하며, 블레이드의 회전에 따른 풍절소음을 발전장치 외부와 차단하기 위해 반개폐 형태의 하우징을 채택, 주거밀집지역에서도 해당 풍력발전기의 사용 가능해 다양한 상업용도로 사용할 수 있다는 효과도 가지게 된다.