청정 에너지 생산을 위한 풍력 터빈: 기술 및 문제점

청정 에너지 생산을 위한 풍력 터빈: 기술 및 문제점

김진이 : jin5176   Missouri Western State University

 

1. 머리말

지구 온난화 문제의 해결을 위한 대체 에너지 방안 중 하나로 '풍력 터빈(wind turbines)'을 이용한 청정 에너지의 생산이 최근 많은 관심을 끌고 있다. 풍력 터빈 기술의 급속한 발전과 함께 풍력 터빈은 지역 사회의 환경까지도 변화시키고 있다.
풍력 터빈은 전기를 생산할 뿐 아니라 지자체에게는 세수익을, 토지 소유자들에게는 약 25년에 걸친 리스 계약 기간 동안 수천 달러의 수익을 안겨준다.
풍력 발전 (wind power generation)은 지난 몇 년 동안 매우 빠르게 증가해 왔으며, 2002년 말까지의 통계에 따르면, 전체 미국 풍력 발전량은 4,685 메가와트(MW)에 달한다고 한다.

이에 본고에서는 '바람'에 의해 에너지를 생산하는 풍력 터빈의 다양한 기술적 발전 분야들에 대해 간략히 살펴보고, 미국 전역에서 최근 풍력 발전이 다시금 조명 받고 있는 현상을 짚어보고자 한다. 또한 풍력 터빈의 설치로 인해 주변 환경의 생태계를 우려하는 많은 환경 및 야생 단체들, 기존 지역 사회 주민들의 풍력 터빈 설치에 대한 입장에 대해서도 함께 살펴보도록 한다.

2. 본론

풍력 발전기는 크게 수직 축을 갖는 풍력 발전기와 수평 축이 있는 풍력 발전기로 분류된다. 현재 육상과 해상에 있는 풍력 발전소에서는 풍차와 풍력 터빈을 이용하여 상당량의 전기를 생산하고 있다. 풍력 에너지의 가치는 저비용으로 전기를 생산할 수 있다는 점으로, 제조업이나 재료 산업에게는 새로운 비즈니스 기회를 제공해 주고 있다.

1994년 이래 전 세계 풍력 발전 시장의 성장은 매년 30% 이상을 기록하고 있으며, 대규모의 풍력 발전소 (wind farm)에서의 에너지 비용은 좋은 위치에 설치했을 경우 $0.05/kW 에 미치지 않는 추세이다. 풍력 발전의 한 축인 풍력 터빈은 바람의 운동 에너지로부터 전기를 생산하는 데 사용된다. 역사적으로 보면 풍력 터빈은 종종 기계를 운전하기 위한 기계장치로 사용되어 왔다.

다양한 기술적인 발전 분야로는 풍력 터빈과 레이더 시스템의 연계, 터빈의 구성 부품 재료의 경량화 및 변속 장치에서의 기술 발달을 꼽을 수 있다.
먼저 '풍력 터빈과 레이더 시스템의 연계'는 국가 안전과 관련해 기술 발전이 요구되는 분야이다. 최근 미국 국방부는 풍력 발전소가 군사용 레이더 설치에 미치는 영향에 관한 보고서를 발간했다. 이 보고서는 미국 공군이 기존에 발표한 '풍력 발전이 군사용 레이더 설치에 미치는 영향은 미미하다'는 내용과 상이하다는 점에서 흥미롭다. 이에 미 국방부는 국가 안보에 관한 관심사항들을 해결하고 현재 시스템의 신뢰를 유지하기 위해 한층 더 노력하고 있다.
다음으로 '터빈의 구성 부품의 경량화'는 그간의 기술 발달에 힘입어 향상될 수 있는 분야라고 할 수 있다. 특히 블레이드와 타워에 소요되는 재료 비용은 상당히 중요하다고 할 수 있는데, 타워 무게는 지반 위 터빈의 무게 중 60% 가까이 차지하기 때문에 고도로 정련된 경량, 고강도 재료가 사용되고 있다.
마지막으로, 또 하나의 기술 발달이 요구되는 부분으로 구동렬(驅動列, drive train)에 있는 '변속 장치'가 있다(그림 1). 일부 경우에 변속 장치는 변속 발전기와 반도체를 이용한 전자 변환기를 사용하여 유틸리티 품질의 교류 전류 (AC) 전력을 생산하고 있다. 이것은 작은 기계에서 시작되었지만, 지금은 100 kW에서 3MW에 이르는 터빈 크기로 확산되고 있다.

미국 국가 조사 위원회 (National Research Council)는 풍력 발전소가 15년 내에 국가 전기량의 7%에 달하는 상당량의 에너지를 생산할 것으로 예측하고 있다. 1980년에 뉴 햄프셔에서 최초로 풍력 발전소가 세워진 이래 이 같은 성장은 실로 괄목할 만하다고 할 수 있으며, 현재는 총 36개 주에서 운영되고 있다.

풍력 터빈의 설치로 에너지 생산뿐 아니라 지역 사회에 안겨주는 주는 혜택 또한 증가하고 있다. 예를 들어, 미국 미주리 주에서는 상업용 풍력 발전소의 설치에 힘입어 관광객이 늘어나면서 약 30만 달러에 달하는 새로운 세수입이 생겼고 이에 대한 자부심과 함께 관심 또한 증가하였다. 262 피트에 달하는 풍력 터빈의 웅장함은 이렇듯 주변 환경마저 바꾸어 놓고 있는 것이다.

미국 Department of Energy는 최근 대규모 풍력 터빈 (Large wind turbine, LWT) 연구에 대한 성능 목표를 제시했다. 이는 2012년까지 Class 4 (5.8 m/s at 10m)의 바람에 적용 받는 대규모 풍력 시스템의 전기 비용을 3.6 cents/kWh까지 낮추고, 2014년까지 Class 6 (6.7 m/s at 10m)의 바람에 적용 받는 전기 비용을7 cents/kWh까지 낮춘다는 것이다.

현재 풍력 터빈은 미국 전역에 걸쳐서 Class 4 바람 지역에서 0.04~0.09 cents/kWh를 생산할 능력을 갖고 있다.
한편Department of Energy는 미국 풍력 에너지 기술을 적용할 수 있는 분야와 풍력 에너지 시스템의 사용에 따른 제한 사항 및 기회들을 아래와 같이 정리했다 (표 1)

풍력 에너지는 청정 에너지이지만 풍력 발전소 인근에 사는 지역 사람들에게 있어 소음은 해결되어야 할 문제이다. 현재 풍력 터빈은 거주자들과 풍력 발전소가 평화롭게 공존할 수 있도록 부분 하중 하에서 강제적으로 운영되도록 하고 있다.
하지만 부분 하중 (partial loading) 하에서의 운영은 결국 저에너지 생산과 연결되기 때문에 또 다른 문제를 낳게 된다.

현재 많은 제조업자들은 풍력 에너지의 단점인 소음을 개선하기 위해 부단한 노력을 기울이고 있다. 소음의 주요 원인은 로토 블레이드와 톱니바퀴의 회전에 기인한다 (그림 1). 이런 소음들이 풍력 터빈으로 전달되어 밖으로 방출되면서 주변의 거주자들은 마치 모기들이 일정하게 윙윙거리는 소리처럼 불편함을 느끼게 되는 것이다. 풍력 터빈에서 발생하는 소음과 이로 인한 지역 주민의 불편함은 풍력 터빈의 설치 자체를 막는 원인이 되고 있다.

3. 맺음말

풍력 터빈을 이용한 청정 에너지의 생산은 지구 온난화 문제 해결을 위한 에너지 자원의 대체제로, 상당한 기술의 발전이 요구되는 장치라고 할 수 있다. 기존 석탄에 의존해 전기를 생성하는 발전소는 탄소를 배출하는 데 반해, 풍력 발전소는 탄소를 배출하지 않는다. 이는 지구 온난화에 잠재적으로 기여할 수 있다.

본문에서 살펴보았듯이 풍력 터빈의 기술적인 발전에 있어 요구되는 것은 1) 경량 재료의 개발, 2) 소음 문제의 해결, 3) 레이더 기술과의 연계, 4) 변속 장치의 발전, 5) 새들에 의한 위험요소 해결이라고 할 수 있다.

최근에는 풍력 터빈 주변 환경의 생태계를 우려하는 많은 환경 및 야생 단체들, 기존 지역 사회 주민들의 풍력 터빈 설치에 대한 인식이 많이 달라지긴 했지만, 여전히 소음 문제는 지역 사회 주민들의 불만의 대상이 되고 있는 것이 현실이다. 하지만 이 같은 문제는 풍력 터빈의 기술적인 발전에 의해 해결 가능하리라 생각한다.

참고문헌
1. E. Muljadi and C. P. (2003). “Butterfield, Dynamic Simulation of a Wind Farm With Variable-Speed Wind Turbines,“ Journal of Solar Energy Engineering, 125(4): 410-418.
2. D. A. Griffin, D. Berry, and M. Zuteck. (2004). “Development of Prototype Carbon-Fiberglass Wind Turbine Blades: Conventional and Twist-Coupled Designs.“ 2004 ASME Wind Energy Symposium, Reno, NV, 5-8 January 2004. American Society of Mechanical Engineers; pp. 1-12.
3. US Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, http://www1.eere.energy.gov/windandhydro/wind_research.html. Retrieved on Sep. 14, 2008.
4. http://www.alternative-energy-news.info/technology/wind-power/wind-turbines/. Retrieved on Sep. 14, 2008.