주메뉴바로가기.. 본문바로가기

[신재생에너지 기획⑤] 국가 에너지 안보와 풍력에너지의 중요성

네이버밴드 구글플러스

2014년 08월 18일 09:52 프린트하기

아톰스토리에서는 신재생에너지의 최신 흐름을 알아보고 ‘에너지안보’ 관점에서 국내 자력생산이 가능한 신재생에너지원을 살펴보기 위해 [신재생에너지] 기획을 마련했습니다. 총 10편으로 구성된 이번 기획을 통해 에너지원의 다변화 가능성을 알아봅니다.

 

 

21세기에 들어서면서 석유의 부존량이 감소하고, 석유 보유국의 자원민족주의 등의 확산으로 인해 신(新)고유가 시대를 맞이하고 있다. 따라서 21세기에는 다양한 에너지원의 확보와 에너지의 효율적인 사용이 국가 경쟁력을 좌우하는 결정적인 요소가 될 것으로 예상된다.

 

우리나라는 천연자원이 부족해 에너지의 해외의존도가 매우 높다. 2012년에 우리나라가 해외에서 수입한 석유와 LNG, 석탄, 원자력 등의 1차 에너지의 양은 약 2억8000만TOE(Ton of oil equivalent)인데, 이는 우리나라의 전체 1차 에너지의 96%에 해당된다.

 

 

[그림 1] 2012년 우리나라의 에너지 흐름

[그림 1]을 보면 1차 에너지에서 석탄, 석유, 도시가스 등과 같은 최종에너지로 변환하는 과정에서 7000만TOE의 전환 손실이 발생했다. 이는 1차 에너지의 25%에 해당하는 양이다. 이는 수입한 에너지의 25%가 전환과정에서 손실로 버려지게 된다는 뜻이다. 그 이유는 다음과 같다. 다른 최종에너지들은 변환과정에서 손실이 미미한 반면, 전기에너지는 전환 효율이 약 40%다. 즉, 전기에너지를 생산하기 위해서 소요되는 1차 에너지의 60%는 손실로 버려지게 된다는 뜻이다. 만약 재생에너지로 전기에너지의 20%를 공급할 수 있다면, 매년 12조 원의 에너지 수입을 감소할 수 있다.

 

2000년 이전, 재생에너지는 온실가스를 저감할 수 있는 가장 강력한 대안으로 대두돼 왔다. 하지만 2000년 이후부터 에너지 수입을 줄일 수 있는 방안으로 떠올라 EU, 미국 등 세계 각국에서는 많은 양의 전기에너지를 재생에너지로 공급할 계획을 세웠다. EU는 2020년 전기에너지의 34%를, 2050년 전기에너지의 100%를 재생에너지로 공급할 계획이다. 미국 역시 2050년 전기에너지의 80%를 재생에너지로 공급할 계획이다. 재생에너지 중에서도 풍력에너지가 가장 경제적이므로 유럽에서는 2050년 전기에너지의 50%를, 미국에서는 40%를 풍력에너지로 공급할 계획이다.

 

3000여 년 전 인류, 바람을 에너지로 이용하다

 

인류가 풍력에너지를 이용한지는 적어도 3000년 이상 됐다. 20세기 초반까지는 주로 물을 끌어올리거나 곡식을 갈기 위한 목적으로 사용되다가, 1891년 덴마크에서 풍력에너지를 전기에너지로 변환하는 풍력발전기를 처음으로 개발했다. 1, 2차 세계대전을 거치는 동안 에너지 부족을 해결하기 위해 풍력발전기의 성능은 계속 개선됐으며, 1940년대 초반에 이르러서야 현대의 풍력발전기가 개발됐다.

 

1970년대 초, 첫 번째 유류파동을 겪은 후부터 풍력발전기의 성능은 계속 향상돼 왔다. 1990년대 말에는 풍력에너지가 화력발전을 대체할 수 있는 가장 중요한 에너지원으로 각광받아 풍력발전기가 다른 재생발전기들보다 많이 설치됐다. 1990년대에는 3년마다 세계 풍력발전기의 설치용량이 2배씩 늘어났고, 2012년 말에는 그 양이 280GW를 넘어섰다. 이는 우리나라 총 발전용량의 3.4배에 달하는 양이다. 앞으로 풍력발전 용량은 점차 늘어나 2020년에는 832GW, 2050년에는 3,700GW에 이를 것으로 전망되고 있다.

 

 

[그림2] 자동으로 작동하는 최초의 현대적인 풍력발전기. 1887년 찰스브러시가 개발했다.

 

우리나라에는 2013년 말 기준, 475MW의 풍력발전기가 설치돼 있으며 2020년에는 10GW가 설치될 계획이다. 최근에는 풍력발전기로부터 대량의 전기에너지를 생산하기 위해서 한대의 풍력발전기의 용량이 5MW, 7MW로 대용량화되는 추세이며, 대량의 풍력에너지 생산을 위해서 세계적으로 해상풍력발전단지의 설치가 늘고 있다.

 

신(新)고유가시대의 대안, 풍력발전

 

풍력에너지는 온실가스를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 에너지의 수입량도 줄일 수 있기 때문에 전기에너지를 많이 사용하는 나라를 중심으로 풍력에너지 수용기술 개발에 박차를 가하고 있다. 현재 풍력에너지의 발전단가는 태양광에너지의 발전단가보다 낮지만, 가스발전의 발전단가와는 유사한 수준이다. 따라서 풍력에너지를 경제적으로 공급하기 위해서는 풍력발전의 발전단가를 더욱 감소시켜야 한다.

 

풍력발전은 연료가 필요하지 않기 때문에 연료비용은 없지만 설치비용 등 초기 투자비용이 비싸다. 따라서 풍력발전기를 설치하는 경우에는 많은 에너지를 생산할 수 있도록 경제성을 확보할 수 있는 방법을 강구해야 한다. 풍력발전기가 생산한 에너지는 풍속에 따라 달라지기 때문에 각 나라마다 동일한 조건이 아니며, 같은 나라에서도 지역에 따라 다르다.

 

만약 유럽의 풍속에 맞는 풍력발전기를 우리나라에 설치하면 경제성을 확보하기 어렵다. 우리나라와 같이 풍속이 낮은 지역에서 경제성을 확보하려면 회전날개(블레이드)의 길이가 긴 풍력발전기를 설치해야 한다. 블레이드의 길이가 긴 풍력발전기의 경우에는 제작비용이 다소 증가하지만, 많은 에너지 생산을 기대할 수 있기 때문에 경제성을 확보할 수 있다.

 

또한 전력망에서 대량의 풍력에너지를 안정적으로 수용하기 위해서는 풍력에너지의 변동성과 간헐성을 충분히 보상할 수 있어야 한다. 이를 위해서는 순간적으로 출력을 높이거나 낮추는 능력이 뛰어난 수력발전이나 가스발전이 많아야 한다. 그런데 국내 전력망에는 원자력발전과 석탄발전이 주를 이루고 있다. 이들 발전기는 순간적으로 출력을 조절하는 능력이 현저히 낮다. 따라서 대용량의 풍력에너지를 수용하기 위해서는 변동에 신속하게 대응하는 속응성이 좋은 발전원의 양을 늘리거나, 풍력에너지의 변동성과 간헐성을 완화할 수 있는 기술이 필요하다.

 

[그림 3] 풍력발전의 원리

풍력에너지의 변동성과 간헐성을 보상하기 위해 풍력발전기, 또는 풍력단지에 에너지저장장치를 도입하려는 연구도 진행되고 있다. 하지만 에너지저장장치의 비용이 매우 비싸고, 이를 사용한다 하더라도 풍력단지에서 생산하는 총에너지양은 증가하지 않는다. 이는 즉, 비용은 늘어나는 반면 에너지 생산량은 같으므로 풍력에너지의 발전단가가 올라가 경제성을 악화시킨다. 따라서 유럽이나 미국 등에서 변동성과 간헐성을 보상하기 위해 대용량 풍력발전단지에 에너지저장장치를 설치하는 경우는 없다.

 

오늘날 풍력에너지는 온실가스 저감을 위한 수단을 넘어서, 우리나라와 같이 에너지 빈곤국의 에너지 안보를 구현할 수 있는 실질적인 대안으로 대두되고 있다. 하지만 아직까지는 풍력에너지의 발전단가가 충분히 낮지 않아, 국내 전력망에서 저비용으로 대량의 풍력에너지를 수용할 수 있는 기술이 필요하다. 이러한 기술은 국가의 에너지 안보에도 필요하지만 향후 세계 풍력에너지산업을 주도할 수 있는 기술이 될 전망이다. 따라서 이를 위해 정부, 학계, 연구계, 산업계 모두가 지혜를 모아야 할 때이다.

 

[글쓴이] 강용철 전북대학교 교수/풍력에너지전력망적응기술연구센터(ERC) 소장

 

 

※출처 : 아톰스토리 '에너지자료'(http://atomstory.or.kr/p/38423/)

아톰스토리(http://atomstory.or.kr/)에서 원자력, 에너지와 관련된 더 많은 자료를 볼 수 있습니다.


네이버밴드 구글플러스

2014년 08월 18일 09:52 프린트하기

혼자보기 아까운 기사
친구들에게 공유해 보세요

네이버밴드 구글플러스

이 기사가 괜찮으셨나요? 메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

14 + 9 = 새로고침
###
과학기술과 관련된 분야에서 소개할 만한 재미있는 이야기, 고발 소재 등이 있으면 주저하지 마시고, 알려주세요. 제보하기