연과 드론을 하늘에 띄우다

하늘을 나는 발전장치가 풍력발전 신기원을 이룰 수 있을까. 그 첫 제품이 시장에 나올 준비를 마쳤다. 어떤 이들은 제트기류를 이용해 발전기 터빈을 돌리는 꿈을 꾼다.

필리프 베트게 Phililp Bethge <슈피겔> 기자

▲ 기존 풍차형 풍력발전기는 소음이나 안전 등 해결해야할 문제가 많다. 이 때문에 최근 날개가 아예 없거나 연모양을 한 풍력발전기가 속속 나오고 있다. 높은 고도의 바람을 이용하면 친환경 대규모 전력을 생산할 수 있다. REUTERS

땅 위에선 풍력 1의 아주 약한 바람이 불었다. 반면 같은 장소 높은 고도의 하늘에선 풍력 7의 강한 서풍이 불었다. 마르크 하우저가 경비행기 DHC-6 트윈오터 문을 열었다. 얼음장같이 찬 공기가 기체 안으로 들어왔다. 하우저가 재빨리 두 손으로 창 위 막대기를 잡고 스페인 카탈루냐 지역 코스타브라바 해변의 빛나는 바다를 내려다보았다. 그러고 나서 그는 5300m 상공에서 자기 몸을 아래로 던졌다. 낙하산을 지고 하강하던 하우저가 팔과 다리를 활짝 펴서 재빨리 균형을 잡았고 슈퍼맨처럼 속도를 냈다. 그는 땅에 닿기 20초 전 낙하산을 펼쳐 부드럽게 카탈루냐 암푸리아브라바에 있는 도착 지점에 착륙했다.

“고도 2천m에서 적절한 속도가 되는군요.” 하우저의 낙하 모험은 속도를 추적하기 위한 것이다. 낙하산을 메고 수평 하강할 때, 가장 빠른 속도에 이르려면 어떻게 해야 하는지 찾는 실험이다. 하우저는 2012년 시속 304㎞로 카탈루냐 상공을 날았다. 이후 그는 자신의 기록을 깨기 위해 노력했다. “상공 바람이 셀수록 가장 빠른 속도로 하늘을 날 수 있었다.”
하우저가 자신이 열정을 갖고 하는 일을 설명했다. 그는 스포츠와 자신의 비전 사이에서 연결고리를 찾았다. “고공에 있을 때마다 나 자신에게 묻는다. ‘왜 하늘 위에서 부는 바람을 에너지원으로 쓰지 않는가’라고 말이다. 고도 수천m 상공에선 세찬 바람이 밤낮으로 분다. 이 바람을 이용하면 전세계에 막대한 전기를 공급할 수 있다.”
스위스 베른 출신인 하우저는 높은 상공에서 부는 바람의 강한 힘을 알리는 외교관이다. 그는 “열정이 있기에 외롭지 않다”고 했다. 전세계 스타트업과 기업이 하늘 위 세게 부는 바람에서 전기를 생산하기 시작했다. 엔지니어들은 공중에서 에너지를 만들기 위해 거대한 연, 섬세하게 만든 날개형 구조물, 터빈 전체를 하늘에 띄웠다. 이들이 투자자를 끌어들이기 위해 허풍 치는 것이 절대 아니다. 공중 풍력발전 장치는 새롭고 전도유망한 발전 방식이다. 앞으로 ‘에너지 믹스’(에너지원 다양화) 정책의 중요한 부분이 될 것이다.
유럽에서만 10개 넘는 기업과 대학이 공중에서 바람을 이용하는 발전 장치를 연구하고 있다. 독일에선 경제에너지부가 이 기술에 1천만유로(약 129억원) 정도를 후원했다. 전력회사 에온(E.on)과 바덴뷔르템베르크전력회사(EnBW)도 투자했다.

▲ 배를 끄는 커다란 연을 생산하는 스카이세일즈는 세계최초로 하늘을 나는 풍력발전기를 상업화했다.REUTERS

하늘에서 전기에너지 얻는 실험
2019년 10월 중순 스코틀랜드 글래스고에서 에어본윈드 에너지학회가 열렸다. 이번 학회는 다른 해보다 더 긴장감이 넘쳤다. 조만간 상업적인 공중 풍력발전기가 최초로 설치될 것이기 때문이다.
“이 기술은 가까운 미래에 전세계 수많은 사람에게 지구온난화를 불러일으키지 않는 전기를 공급할 것이다. 게다가 생산원가가 저렴하고 대부분 지역에 설치가 가능하다.” 이렇게 말하는 알렉산더 폰 브라이텐바흐는 베를린공과대학에서 풍력발전을 연구하고 있다. 미국 캘리포니아에 있는 회사 마카니의 최고기술자인 파울라 에케베리도 차세대 풍력발전소 개발에 열을 올렸다. “전세계에 깨끗한 에너지 생산이 가능하다는 것을 보여주려 한다.” 마카니는 구글 모회사 알파벳에 속해 있다.
이제까지 풍력에너지는 전세계 전기 생산량의 4% 정도 차지했다. 고도가 높은 곳에서 부는 바람에서 얻을 수 있는 에너지양은 어마어마하다. 상공에서 부는 바람은 지상보다 더욱 세고 비교적 지속해서 분다. 바람이 만든 에너지는 풍력의 세제곱미터(㎥)에 비례한다. 풍력이 2배가 되면 에너지양은 8배가 된다. 이 분야 로비 그룹인 에어본윈드에 따르면, 고도 500m에서 바람이 세계 어디서나 잘 분다고 한다. 미국 델라웨어대학 연구자들 역시 하늘을 나는 발전소를 이용해 7.5테라와트(TW)의 전기 생산이 가능할 것으로 추정한다. 이는 현재 지구의 모든 발전소 발전량을 합친 것보다 많다.
이런 이야기는 기업을 끌어들이는 데 매력적인 내용이다. 하지만 어떻게 하면 전기에너지를 가장 잘 생산할 수 있을까? 현재 쓰이는 풍력발전기 날개 중심은 100m 높이에 설치된다. 이보다 더 높게 기둥을 설치하는 건 경제적으로 실현하기 어렵다.
이를 해결하기 위해 공중(비행식) 풍력발전기 개발자들은 놀라울 정도로 간단한 방법을 내놓았다. 땅에 세운 기둥을 없애버려서 거대한 풍차가 경관을 해치지 않게 만들었다. 동네 주민을 끝없이 짜증나게 하던 발전기 날개의 윙윙거리는 소리도 사라졌다.
아이들이 날리는 연처럼 하늘 저 먼 고도에서 발전기가 이리저리 비행하는 것이다. 이 분야에서 일하는 전문가들은 상공 바람이 확실한 에너지 생산지가 될 것이고, 풍력이 에너지 공급 정책에서 신뢰할 만한 구성 요소가 될 것이라는 비전을 내놓는다. 머잖아 풍력이 주요 에너지원인 화력이나 원자력 자리를 넘겨받을 수도 있다.
“100m라는 높이 제한에서 벗어나 높은 고도에서 만든 최초의 에너지가 될 수 있다”고 함부르크에 있는 스카이 세일스파워 대표 스테판 브라게가 말했다. “바람이 잘 안 부는 지역이라도 항상 300~500m 고도에서는 바람이 있다.”
스카이세일즈는 배를 끄는 큰 연을 생산해 성공한 기업이다. 이 연을 이용하면 대양을 운행하는 화물선 연료비를 줄일 수 있다. 현재 스카이세일즈는 세계 최초로 하늘을 나는 풍력발전기를 상업화해 팔았고, 이 풍력발전기는 조만간 마우리티우스섬 상공을 날 것이다. 인도양에 있는 이 섬나라는 그동안 석유와 석탄을 비싸게 수입해야 했는데, 2019년부터 세계 최초로 비행형 풍력발전기가 마우리티우스 상공을 날았다.

하늘 날며 전기 생산하는 ‘파워 카이트’
스카이세일즈가 만든 100㎡에 이르는 파워 카이트는 처음에는 일반 연처럼 올라간다. 그러다 200~800m 상공에 이르면 8자를 그리면서 하늘을 가로질러 비행하면서 지상 드럼에 연결된 줄을 당긴다. 이 줄은 발전장치에 연결됐다. 줄이 완전히 다 풀리면 연은 더 이상 바람을 타지 않고, 줄이 다시 감기기 시작한다. 이 과정이 반복되면서 전기가 생산된다. 스테판 브라게에 따르면 이 연을 다시 당기는 데 연이 생산한 에너지의 4%만 쓴다.
이 발전기는 200㎾를 생산하는데, 이는 동시에 12가구에 전기를 공급할 만한 양이다. 비용은 ㎾/h당 5~10센트 정도 될 것이라고 브라게는 예상한다. 이를 200㎾ 생산 수준에서 본다면 기존 풍력발전보다 훨씬 저렴하다. 장차 규모가 큰 발전기에서 ㎿급 생산이 가능해지면 비용은 3.5센트로 내려갈 것이다.
스카이세일즈의 파워 카이트에는 조만간 자율 작동 기능이 추가될 것이다. 예를 들어 폭풍이 다가오면 스스로 지상에 착지하는 것이다. 하지만 신기술 개발에는 항상 많은 연구비가 필요하다. 독일 연방경제부가 후원하는 프로젝트 ‘스카이 파워 100’에는 전기회사 EnBW, 연안 에너지 전문기업 EWE, 하노버대학이 참여하고 있다.

▲ 마카니사가 개발한 공중 풍력발전기. 마카니 누리집 화면 갈무리

초경량 카본 날개로 풍력발전
브란덴부르크주에 있는 기업 에너카이트가 이와 유사한 기술을 연구하고 있다. 하지만 이들의 풍력발전 모델은 연 모양이 아니라 천으로 덮인 초경량 카본 날개를 이용한다. 이 날개에는 줄 3개가 발전기 윈치와 연결됐다. 에너카이트는 2012년부터 클라인마흐노브에서 30㎾ 시스템으로 시험 작동하고 있다. 현재는 100㎾ 시스템을 개발 중이다.
알렉산더 보어만 에너카이트 대표는 이 기술이 미래 풍력발전 에너지 공급원이 될 것이라고 예상한다. “모든 발전 시스템 중 가장 뛰어난 요소, 즉 연을 이용한 기술, 태양광발전, 축전지를 합쳐놓았다. 풍차형 발전장치로 경제성이 없는 곳에도 전기를 공급할 수 있다. 카본 날개에 태양열발전기를 결합할 수도 있고, 축전지가 있는 상공에 띄울 수도 있다. 특히 섬이나 사람이 거의 살지 않아 안정적인 전기 공급망이 없는 곳에서 커다란 디젤발전기 대신 사용할 수도 있다.”
보어만은 기존 풍력발전 터빈은 지구 표면의 2% 정도만 상업 가치를 가질 수 있었다고 설명했다. 하지만 높은 고도에 설치하는 풍력발전기는 설치 가능한 장소의 80%에서 경쟁력 있게 전기를 생산할 수 있다. 연안에도 성공적으로 풍력발전기를 설치할 수 있다. 혁신 실험실인 구글X 산하 마카니는 노르웨이의 섬 카르뫼위에서 최근 풍력발전 시험 비행을 마쳤다. 시험 비행 중 한 번 충돌이 일어났지만 2020년 여름부터 상업 시스템이 시범 운영될 계획이다. 파트너는 석유회사 셸이다. 연안 시설 기술 경험이 많은 셸이 마카니에 기술을 전수하고 있다.

깊은 바다에도 설치 가능한 발전기
전기 생산 터빈이 지상에 있는 에너카이트나 스카이세일즈와 달리, 마카니는 비행 물체 안에 터빈을 장착했다. 소형 비행기와 비슷하게 생긴 이 기계는 26m 크기의 날개가 있고, 날개 안에 회전 날개 8개가 달려 있다. 회전 날개는 이착륙 때 동력장치 구실을 한다. 발전이 가능한 높이에 이르면 원형 항로를 그리면서 바람을 타고 움직이며, 이를 통해 터빈에서 전기를 생산한다. 생산된 전기는 비행기를 땅에 고정한 줄을 통해 지상에 공급된다.
현재 마카니 풍력발전기는 600㎾를 생산한다. 풍차처럼 생긴 현재의 연안 풍력발전기(12㎿ 생산 가능)와 비교하면 적은 양이다. 하지만 현재 시스템에 견줘 큰 장점이 있다. 바로 깊은 바다에서도 설치와 작동이 가능하다는 것이다.
마카니에서 최고기술자인 에케베리는 “연안 풍력발전기 대부분은 해저에 기저부를 설치해야 했다”며 “이 때문에 기존 풍차형 발전기는 40m 이상 수심에는 설치가 불가능했다”고 말했다. 이에 반해 마카니 기술은 거대한 부표에 비행 발전장치가 달려 작동하고, 이 부표가 해저 수백m 깊이에 닻으로 고정돼 수심의 한계를 극복할 수 있다. 에케베리는 “연안의 3분의 2 이상이 기존 풍차형 풍력발전소를 설치하기에는 너무 깊다”며 “하지만 우리 시스템은 수심이 깊은 지역에서도 설치가 가능하다”고 말했다.
폰 브라이텐바흐 베를린공대 연구원은 하늘을 지배하는 새 발전기가 뛰어난 가능성이 있다고 주장한다. “독일에서 기존 풍력발전 장치는 정체기를 맞았다. 그런데도 에너지 변환 시대에 안정적인 에너지원으로 풍력의 필요성이 점점 더 커지고 있다.”
인류에 필요한 에너지가 늘면서 새롭게 환경친화적 발전소를 세울 공간이 점점 더 부족해졌다. 하늘로 눈을 돌리는 것 외에 다른 선택지가 없다. 폰 브라이텐바흐는 “우리는 3차원을 열었다”며 “하늘로 더 높이 올라갈수록 더 강력한 바람을 만난다”고 말했다. 몇몇 혁신적인 연구자는 지상에서 가장 바람이 센 지역에 프로펠러를 설치할 날을 꿈꾸고 있다. 세계 대부분 지역 해상 7~12㎞에는 항상 세찬 바람이 분다. 이 고도에선 제트기류가 시속 500㎞로 거대한 공기 더미를 밀어낸다.

▲ 마카니사가 개발한 공중 풍력발전기는 4개 또는 8개 프로펠러를 단 소형 무인비행기로, 프로펠러에 전력을 공급해 일정 고도에 올려놓으면 바람의 힘만으로 바퀴가 굴러가듯이 큰 원을 그리면서 회전한다. 이때 풍력이 모터에서 발전기를 거쳐 전기를 생산한다. 마카니 누리집 화면 갈무리

제트기류 활용한 에너지 가능성도
측정이 불가능할 만큼 어마어마한 에너지가 제트기류에서 만들어질 수 있다. 하지만 이런 일이 가능할까. 높은 고도에 열렬한 팬인 마르크 하우저는 제트기류를 잘 알고 있다. 그는 딱 한 번 제트기류 안에 들어간 적이 있다. 하우저는 자기 기록을 깨기 위해 2018년 오스트레일리아에서 열기구를 타고 7400m 상공까지 올라갔다. 등 뒤에 제트기류를 두어 속도를 높이려는 심산이었다. 정말 말 그대로 승천하는 것과 다름없었다.
“7천m 상공까지 열기구는 아무 문제 없이 올라갔지만, 이후 갑자기 온도가 떨어졌다.” 하우저가 그날의 기억을 더듬었다. 산소 시스템 부품 한쪽이 얼었다. 조금 뒤 버너 중 3개가 꺼졌다. 열기구 조종사가 다시 불을 붙이려고 했으나 실패했다. 곧이어 조종사가 하우저에게 뛰어내리라고 했다. 하우저는 영하 40도 상공에서 허리케인만큼이나 강한 바람 소용돌이 속에 하강했다. 속도가 너무 빨라 집중할 수 없었다. “그럼에도 나는 여전히 열기구 조종사들을 걱정하고 있었다.”
버너가 없으면 조종사들은 거친 착륙을 해야 한다. 하우저의 공중 하강은 낙하산을 이용해 안전하고 부드럽게 끝났다. 90초 뒤 양을 기르는 목초지에 착륙했다. 15분 뒤 그의 모든 걱정을 해소하는 전화가 왔다. 조종사들이 버너에 다시 불을 붙이는 데 성공한 것이다. 하우저는 “운이 정말 좋았다”고 말했다.
이렇게 극한적인 조건에도 발전장치가 공중에 매달릴 수 있을까? 전문가들은 회의적이다. 스테판 브라게 역시 “높은 상공에서 만들어내는 에너지는 당연히 어마어마하다”며 “하지만 지금까지 이것을 가능하게 할 원료를 발견하지 못했다”고 했다. 전선을 품은 몇㎞ 길이의 줄은 무거울 수밖에 없고, 이를 공중에 유지하기는 더 어렵기 때문이다. 브라게는 “경제적으로도 몇천㎞ 높이에 발전기를 들어올리는 일은 가까운 미래에는 절대 실현 불가능할 것”이라고 말했다.
같은 고도에서 이뤄지는 항공교통을 어떻게 규제할 것인가도 풀어야 할 과제다. 폰 브라이텐바흐는 “우선 이 기술을 해상 1천m 이하에서 시험해봐야 한다”며 “아직 많은 연구가 더 필요하다”고 말했다. “가장 필요한 것은 자율비행 조절이다. 그래야 발전용 비행기를 연결한 끈이 끊어지거나 바람이 잦아들 때도 발전기가 추락하지 않기 때문이다.”
폰 브라이텐바흐를 비롯한 베를린공대 연구진은 높은 상공에서 풍력발전 장치를 최적화하기 위해 풍압 측정 장치와 250m 길이 예인 장치 안에서 실험하고 있다. 연구자들은 비행형 발전기의 안정적인 작동을 위해 날개 구성을 연구하고, 조종 소프트웨어 개발에 한창이다.
하우저는 스페인 암푸리아브라바의 높은 상공에서 바람을 타는 실험을 계속하고 있다. 지상에서 최적화된 속도에 도달하려면 하우저는 45도 각도로 하강해야 한다. 동시에 그는 일직선으로 하강하려고 노력 중이다. 움직임 하나하나, 작은 커브가 속도를 늦추기 때문이다.
취재 당일 하우저가 비행기에서 시도했던 잘 조종된 낙하 실험은 60초 만에 끝났다. 그가 몸에 부착했던 위성항법장치(GPS)는 최고 속도가 시속 244㎞였음을 보여줬다. 기존 기록을 깨지는 못했다. 그럼에도 그는 포기하지 않을 것이다. “바람이 뒤에서 제대로 불어만 준다면 더 빠른 속도를 낼 수 있다는 것을 이미 잘 알고 있다.” 그가 구름 한 점 없는 카탈루냐 하늘을 바라보며 말했다. “저 상공에는 어마어마한 양의 에너지가 있다. 우리는 이제 막 그것을 이용하기 시작했다.”

ⓒ Der Spiegel 2019년 41호
Himmelsstürmer
번역 이상익 위원