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‘에너지 하베스팅’, 압전소자의 현재와 미래

  • 2017.02.14.
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과거부터 에너지를 만드는 가장 기초적인 방법은 ‘연소’였습니다. 연료를 태어 발생하는 열에너지를 통해 우리는 추위를 극복하고 전기를 만들어왔습니다. 그러고 보면 우리가 음식물을 섭취해 운동에너지를 얻는 과정도 “호흡과 소화 작용을 통해 음식물을 태운다”라는 표현을 합니다.

최근 에너지 시장은 유한한 자원과 기후변화 등의 문제점을 해결하기 위해 에너지 효율에 관심을 기울이고 있습니다. 지금까지는 연료를 태워 에너지를 만드는 데 집중했다면, 점차 만들어낸 에너지를 보다 잘 쓰는 방법을 고민하고 있는 셈입니다. 이러한 노력은 더 나아가 그동안 우리가 무심코 버려왔던 에너지를 모아 재활용하는 단계에까지 다다르고 있습니다. 에너지 업계에서는 이를 ‘에너지 하베스팅’이라고 합니다.

버려지는 에너지 재활용하는 사례는 지금도 많이 곳에서 찾아볼 수 있습니다. 발전소에서 나오는 온배수를 활용해 농경 난방과 양식장을 운영하거나, 냉각수로 소수력발전기를 돌리는 것이 대표적입니다. 하이브리드 자동차와 전기차들이 제동시 전기를 생산하는 회생제동시스템도 에너지 재활용 사례입니다.

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에너지공단 ‘에너지나눔챌린지’ 참가자들이 자전거발전기로 전기를 만들고 있다.

에너지 하베스팅은 이보다 더 광범위하고 일상적인 영역에서의 에너지 재활용을 의미합니다. 예를 들어 인간의 생활에 필수적으로 수반되는 운동에너지, 체온, 상수도 사용 후 버려지는 물의 낙하에너지 등을 말할 수 있습니다. 사이클 운동기구에 발전기를 연결해 전기를 생산하는 기구는 과학관이나 박물관 등에서 많이 만나본 에너지 하베스팅 사례입니다.

에너지 하베스팅에서 가장 많이 언급되는 기술로 ‘압전소자’가 있습니다. 압전소자는 기계적 외력을 받게 되면 전기를 발생시키고, 반대로 전기를 가하면 형태가 변하는 소재기술을 이용한 일종의 나노발전기입니다. 주변 외력을 전기로 바꾸는 특성 때문에 많은 연구자들이 이를 활용해 생활에서 발생하는 미세 진동으로 전기를 생산하는 방안을 구상했습니다.

가장 많은 관심을 받는 곳은 운전과 도보를 사람들이 이동 중에 소비하는 에너지의 활용입니다. 보도블록이나 도로에 압전소자를 배치하면 이동시 버려지던 압력을 모두 전기에너지로 만들 수 있다는 구상이었고, 실제로 시도되고 있는 작업입니다.

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부산서면역에 설치됐었던 에너지블럭

국내에서는 2011년 부산 서면역에서 설치된 에너지블럭이 대표적인 사례입니다. 한국세라믹기술원과 압전소자 전문기업 센불 등이 함께 압전소자 보도블록 실증사업을 벌인 바 있습니다. 최근에는 보다 규모를 키운 프로젝트가 구상 중입니다. 정부는 범부처 차원에서 에너지신산업 육성 목표를 세우고 그중 하나로 압전도로 계획을 추진할 예정입니다. 압전소자를 고속도로에 매설해 차량 통행으로 발생하는 압력을 전력으로 전환·저장하고 이를 독립 전력원으로 활용하는 기술을 개발하는 것이 목표입니다.

하지만 압전 기술에도 한계는 있습니다. 바로 발전효율과 내구성, 유지보수 문제 등입니다. 압전소자에서 발생하는 전기는 매우 소량입니다. 때문에 압력이 발생할 때마다 조명을 키우는 등의 용도로는 사용할 수 있지만 이를 발전용으로 활용하기에는 아직 한계가 있습니다. 에너지저장장치(ESS)를 통해 전기를 저장하기에도 전기 발전량이 부족하다는 게 일반적인 평입니다.

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세라믹기술원이 개발한 플렉시블 압전소자

여기에 외력을 가해야 전기를 생산하는 압전소자의 특성은 내구성에 약점으로 작용합니다. 부산 서면역 에너지블록도 전력생산 발전장치를 개념으로 해 추진된 사업이었지만, 발전효율과 내구성, 유지보수비 문제 등 경제성이 떨어쳐 지금은 철거한 상태입니다.

압전소자가 도로에서 상용화 수준의 발전능력을 발휘하기까지는 발전효율과 내구성 부문에서 아직은 획기적인 발전이 필요한 상황입니다. 그럼에도 이를 이용한 에너지 생산 연구는 계속되고 있습니다. 태양이 뜨고 바람이 불어야만 전기를 만드는 태양광·풍력과는 또 다른 제3의 친환경 에너지로서의 역할이 그만큼 기대되기 때문입니다.

조정형 에너지 전문기자 jenie@etnews.com

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