풍력 융복합발전 기술동향풍력 융복합발전 기술동향_29 제어를 담당하는 Power electronics, 시스템의 진공밀폐 및 안전을 위한 밀폐형 프로텍터와

풍력 융복합발전 기술동향_23

풍력 융복합발전 기술동향

한국에너지기술연구원 | 김현구 박사

Ⅰ. 개 요 ··········································································· 25

Ⅱ. 동향 분석 ··································································· 26

1. 국내 동향 ··································································· 26

2. 해외 동향 ··································································· 32

Ⅲ. 향후 전망 ··································································· 43

<참고문헌> ········································································· 44


풍력 융복합발전 기술동향

한국에너지기술연구원 | 김현구 박사

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

풍력발전 기술은 바람의 운동 에너지를 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를

회전시켜 기계적 에너지로 변환하고, 기계적 회전 에너지로 발전기를 가동하여 전력을 얻는다.

미국 Lazard 사에서 발표한 2013년판 균등화 발전원가(LCOE; levelized cost of energy)1) 분석결과에

따르면, 풍력발전은 재생에너지원 중 가장 경제성이 우수할 뿐 아니라 단위용량 당 차지하는 면적이 적기 때문에

기존 발전소 규모로의 확대가 용이하다. 그러나 바람의 변동성에 의해 간헐적으로 발전하는 단점이 있다.

풍력발전의 간헐성이라는 단점을 극복하기 위하여 풍력발전과 타 에너지원과의 융복합 또는

저장수단과의 융복합 기술개발이 적극적으로 진행되고 있다. 한편에서는 건축물에 친환경적 이미지를

부여하기 위하여 풍력발전과 건축물의 융복합을 시도하고 있으며, 풍력을 발전용도가 아닌 타 용도로의

활용성을 개발함으로써 재생에너지 기술 확산을 시도하고 있다. 본 보고서에서는 이러한 풍력 융복합발전

기술동향을 소개하고자 한다.

자료: Lazard Ltd., “Lazard’s Levelized Cost of Energy Analysis Version 7.0”, 2013

<그림 1> 재생에너지원별 균등화 발전원가(LCOE)

*균등화 발전원가(LCOE): 발전설비의 수명기간 동안에 매년 동일한 일정금액이 회수되는 것으로 가정하여 연도별 발전원가를 계산한 것

26_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

가. 풍력과 타 에너지원의 복합

1) 풍력․태양광 가로등

풍력과 태양광으로 생산된 전기를 축전지에 저장하였다가 야간에 가로등 전원으로 이용하는

풍력․태양광 가로등이 개발되고 있다. 풍력․태양광 가로등은 전설매설 및 배선이 곤란한 해안가,

산 정상, 농지, 등산로와 같은 원격지나 공원, 산책로, 정원, 광장, 학교, 공공시설의 입구 등

도시 미학적 효과를 기대할 수 있는 곳에 설치할 수 있다. 이미 많은 종류의 제품이 개발

되었으며, 국내에도 곳곳에 설치되었으나 도시환경에서 건물군에 의한 그림자 효과나 바람의

차폐(遮蔽)효과를 고려하지 않고 설치한 경우 제 기능을 발휘하지 못하는 사례가 빈번히 발생

하고 있다.

자료: www.icenertec.com

<그림 2> 풍력․태양광 가로등

2) 풍력․태양광 레저보트

풍력․태양광 레저보트는 군산대학교에서 개발하였다. 원격 풍력 세일(sail) 돛 제어 장치를

이용한 중형급 태양광 레저보트는 선박의 추진동력을 풍력 세일 돛으로 담당하고, 그 외에

사용되는 전기 에너지 부분을 태양광에너지로 대체하여 선박 내에서 사용되는 전체 에너지 소비를

대폭 감소시킬 수 있다. 현재 태양광을 이용한 보트 또는 요트에 보조전원으로 소형 풍력

발전기를 설치하는 경우는 있지만 제안된 아이디어와 같이 풍력과 태양광 에너지를 동시에 사용

하는 보트가 개발된다면, 경제적 효용성도 매우 높을 것으로 기대된다.


자료: 군산대학교 지역혁신인력양성사업단

<그림 3> 풍력․태양광 레저보트 디자인

나. 풍력발전과 에너지저장 장치의 융합

풍력과 태양광을 비롯한 신재생에너지원에 의한 전력생산은 기상조건에 따라 급변하는 단점이

있다. 현재 전력계통 시스템은 실시간으로 수요와 공급이 일치하는 중앙 집중형 시스템이다.

따라서 전력계통 운영 측면에서 가장 중요한 사안은 정확하게 수요를 예측하고 적시에 발전기를

가동하는 것이다. 그러나 신재생에너지의 발전특성은 전적으로 기상조건과 자연환경에 의존하기

때문에 임의로 발전량을 조절하기가 쉽지 않다.

현재의 전력계통 시스템은 신재생에너지의 간헐성과 변동성을 흡수하는데 한계가 있기 때문에,

장기적인 관점에서 이를 극복하기 위해서는 발전 능력과 소비 수요 사이에서 완충장치 역할을 할

전력 저장장치의 도입이 필요할 것으로 판단된다. 즉, 발전량이 많을 때는 전기를 충전하고,

소비량이 많을 때는 전기를 방전함으로써, 수요와 공급의 간극을 메워주는 개념이다. 또한 전력저장

장치는 짧은 시간 간격 내에서 신재생에너지의 발전량 변동에 의한 전력계통 교란을 최소화함

으로써 전력품질 및 안전성을 확보할 수 있다.

<표 1>은 에너지저장장치(ESS; Energy Storage System)의 유형을 정리한 것으로, 크게

물리적 에너지로 전환하여 저장하는 방법과 화학적 에너지로 전환하여 저장하는 방법이 있다.

물리적 에너지 전환의 예로는, 댐을 건설하여 전기가 남을 때 물을 퍼 올렸다가 전기가 모자라면

물을 방류하여 전기를 생산하는 양수발전, 동굴 또는 광물 채굴이 끝난 지하 광산에 공기를

압축했다가 필요할 때 이를 이용하여 전기를 만드는 방식의 CAES(Compressed Air Energy

Storage) 등이 있다. 화학적 에너지 전환의 예로는 납축전지, 대용량 NaS 전지, 리튬이온전지,

플로우 전지 등 2차 전지에 저장하는 방법이 있다. 최근에는 단시간에 큰 출력을 내는 전력

저장장치도 등장하고 있다. 그 예로는 슈퍼 커패시터, 플라이휠, 초전도 전력장치 등을 들 수

있다. 화학적 에너지 전환의 또 다른 방법으로는 수소와 같은 에너지 원료를 생산하는 것이다.

즉, 풍력발전으로 생산된 전기로 물을 전기분해하여 궁극적인 미래원료인 수소를 생산하는 것이다.


<표 1> 에너지저장 장치의 유형

구분 유형 개요

물리적

에너지로

전환

전자기 Ultra-capacitors정전기 현상 이용, 이중층에 전기 저장, 고출력,

빠른 충방전

운동 Flywheels운동에너지로 전환, 저장,

고출력, 빠른 충방전

열역학 Compressed Air 열역학에너지로 공기를 압축

위치 Pumped Hydro 물의 위치에너지로 전환, 저장

화학적

에너지로

전환

전기

화학

Rechargeable

Battery

화학에너지로 전환, Lead acid,

Ni-Cd/NiMH, Li-ion, NaS 등 다양

Flow Battery전해액을 펌프로 흘려주면서 이온교환막을 통해

전기를 저장. V-redox, Zn-Br 등

원료 수 소물의 전기분해로 수소를 생산, 활용.

궁극적 에너지 저장 형태로 평가

기타 기타 R&D 중인 다양한 혁신 Solution

자료: 한국에너지기술연구원, “자연에너지 연계형 양방향 수전해 원천기술 개발”, 2012.

산업통상자원부에서는 에너지저장 시스템(ESS)을 전력공급 안정화, 신재생에너지 확산 등의

부가가치를 창출하는 녹색분야의 핵심기술로 급격한 시장 확대가 예상되는 신 산업분야로 선정

하고 미래 ESS 시장선점을 위해 민관 투자계획을 마련하는 등 적극적인 기술개발을 추진하고

있다.

1) 풍력발전-플라이휠 에너지저장기술

플라이휠 에너지저장 장치(Flywheel energy storage system)는 잉여(剩餘) 전기에너지를

회전체의 관성에너지 형태로 저장한 다음, 필요시 이를 다시 전기에너지로 전환하여 사용하는

에너지저장기술이다.

기계적 에너지저장 장치인 플라이휠 에너지저장 장치는 에너지를 효율적으로 사용하기 위해

미국, 일본, 유럽 등 선진 각국에서 연구 및 개발이 활발히 진행 중인 환경 친화적인 에너지

저장장치의 하나로, 잉여 및 소실에너지의 저장을 통한 에너지 절약효과, 무공해 에너지의 재생을

통한 환경 보호 효과가 타 에너지 저장 장치에 비해 월등히 뛰어난 시스템이다. 또한, 순간적인

충전과 방전이 가능하고 수명이 거의 반영구적인 장점이 있으며, 단위 무게 당 가장 큰 파워성능을

갖고 있다.

플라이휠 에너지저장 장치는 <그림 4>와 같이 관성에너지를 저장하는 플라이휠 로터, 이를

지지하는 지지 베어링부, 회전 및 발전을 담당하는 전동/발전기, 전기에너지의 입/출력과


제어를 담당하는 Power electronics, 시스템의 진공 폐 및 안전을 위한 폐형 프로텍터와

같은 핵심부품으로 구성되어 있다.

자료: 한양대학교 융합기술사업화 산업협력단

<그림 4> 풍력터빈과 플라이휠 에너지저장 장치 개념도

풍력발전-플라이휠 에너지저장기술은 복합재료 휠 설계 및 제작기술, 고속회전체 설계 및

제어기술, 에너지 손실저감을 위한 자기베어링 설계 및 제작기술, 진공기 기술 등 첨단 기술

집약형(technology intensive)인 미래지향적 에너지 저장 기술이기 때문에 고부가 가치의 제품화

및 산업계로의 기술 파급 효과가 매우 큰 기술이다. 플라이휠은 기계적 플라이휠 외에도 전자석

플라이휠과 초전도 플라이휠이 있다.

2) 풍력발전-수전해 전력생산

한국에너지기술연구원에서는 자연에너지를 이용한 양방향 수전해 기술을 개발하고 있다.

풍력이나 태양열과 같은 자연에너지를 이용하여 발생된 전기 및 열을 수전해 시스템을 사용하여

수소를 생산한 후 생산된 수소를 가정/상업/발전/수송 분야에 이용하거나, 수소로 저장하여

필요 시 수소 및 전기로 다시 공급하게 된다. 즉, 양방향 수전해 설비를 이용하여 수소 생산과

전기 생산이 동일 설비에서 진행되므로 풍력발전이 전력계통에 미치는 불균일한 변동을 상쇄할

수 있다.2)


자료: 한국에너지기술연구원, 자연에너지 연계형 양방향 수전해 원천기술 개발

<그림 5> 양방향 수전해 기술 개념도

다. 풍력의 용도 다양화

1) 풍력-해수담수화 기술

해수를 담수로 전환하는 기술은 물 부족 문제를 해결할 수 있는 가장 현실적인 대안이다.

무한 자원인 해수에서 염분 등 각종 불순물을 제거해 사람이 마실 수 있을 정도의 깨끗한 물로

만들기 위해서는 상당한 에너지가 투입되어야 하는데, 담수가 부족한 도서에서는 전력수급이

어려운 반면 풍력자원이 우수하므로 에너지원으로 풍력발전을 활용할 수 있다.

한국에너지기술연구원에서 개발한 고효율 무방류 풍력발전 연계 MVR(Mechanical Vapor

Recompression; 기계적 증기 압축기) 해수담수화 파일롯 플랜트는 물 부족지역과 전력망

연결이 어려운 고립지역을 위해 설계된 중소규모의 해수담수화 플랜트로 담수 1톤 생산에

12kWh 에너지가 소요된다. 개발된 플랜트는 15°C의 용암해수가 예열기를 거쳐 온도 상승

(70~80°C) 후 열교환기를 통해 증발기로 보내지며, 증발기에서는 증발을 통해 생성된 100°C의

증기를 MVR에서 가온․가압해 110°C의 증기로 만들게 된다. 또한 110°C의 증기는 열교환기로

들어가 예열기를 거친 용암해수의 온도(70~80°C)를 상승시키고 응축수 탱크에 저장되며, 응축수

탱크에 저장된 응축수는 다시 예열기에서 15°C의 용암해수와 열교환을 통해 용암해수의 온도를

상승시킨 후 담수 탱크에 저장되는 순환 구조로 운전된다. 이때 사용되는 전력량이 풍력발전을

통해 공급되어 에너지 효율을 크게 높인 것이 특징이다.3)

개발된 풍력발전 연계 MVR 해수담수화 플랜트는 <그림 6>과 같이 한국에너지기술연구원

산하 제주글로벌센터(JGRC)에 설치되었으며, 하루 최대 75톤 용량의 용암해수를 처리할 수

있다. 자체적으로 실시한 실증운전 결과 기존 상용화된 증발법 해수담수화 설비 대비 에너지


효율이 우수한 것으로 평가되었다. 특히, 개발된 플랜트는 풍력발전의 시간대별 발전량에 맞춰

시스템이 운영될 수 있도록 설계함으로써 전력공급이 원활하지 않은 고립지역에서도 독립적으로

운전 가능하도록 하였을 뿐 아니라, 기존의 증발 담수화 과정과 달리 농축수를 방류하지 않는

친환경 담수시스템으로 농축방류수로 인한 해양생태계에 미치는 영향을 근본적으로 배제시켰다.

담수화의 부산물인 농축수를 유용한 자원으로 탈바꿈시켜 18% 이상의 농축염수를 제조하는

저 파울링 고농도 농축기술도 함께 적용하였다.

자료: http://energium.kier.re.kr/webzine230-0204

<그림 6> 한국에너지기술연구원 풍력-해수담수화 플랜트

2) 풍력-열 에너지 변환기술

풍력에너지를 열에너지로 변환할 경우, 전력을 생산하는 것에 비하여 에너지 변환시의 손실이

적으며, 시스템의 내구성이 높고 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 국내에서도 1990년대 중반

풍력에너지를 이용한 유압식 열변환 기술이 개발된 바 있다.4)

자료: 이일영, 공태희, “풍력에너지 이용을 위한 유압식 열변환 장치에 관한 연구”, 1995

<그림 7> 풍력 유압식 열변환 장치 개념도


풍력-열에너지 변환 기술은 풍차가 유압펌프를 회전시키면 풍차의 구동 토크에 비례하는

압력이 발생하며, 펌프 출구에서 송출되는 압력유가 관로속의 오리피스(orifice)를 지날 때 압력이

강하하면서 열이 발생하는 원리를 이용한 것이다. 이렇게 생산된 열은 온수탱크와 열교환하여

열에너지로 저장할 수 있다.

또 다른 풍력-열에너지 변환 방법으로는 유도자계의 변화 속도에 의한 와전류 발열방식이

있다. 도전성 재질의 외통 안에 있는 영구자석을 회전시키면 외통에서 열이 발생된다. 와전류로

인해 얻은 열에너지는 축열수조에 회수, 저장되어 난방 및 냉방의 열원으로 활용될 수 있다.

최근 군산대학교에서는 전류손실을 이용하여 유도가열방식으로 열원화 장치를 개발하고 회전자에

다른 자석배열들을 적용하였으며, 발열장치의 열변환 효율 성능과 토크를 측정하여 풍력-열변환

장치를 개발하였다.5)

2. 해외 동향

가. 풍력과 타 에너지원의 복합 발전

1) 풍력․태양광 복합발전

일본 토호쿠 공업대학에서 개발한 풍력․태양광 복합발전기는 지붕 설치형 태양광 패널과 함께

풍력터빈을 설치하는 방식이다.6)

<그림 8>의 개념도와 같이 지붕 설치형 태양광 패널은 경사각을 가지고 설치되므로 바람이

불 때 경사면을 타고 올라감에 따라 가속되어 지붕의 꼭대기 부분에서 최대 풍속 증가가 발생

한다. 연구에 의하면 경사각이 20∼40°인 경우 지붕 꼭대기 부근에서 20∼30% 정도 풍속 가속이

발생하였다.

자료: 월간 전기기술, “풍력․태양광 하이브리드 발전 시스템”, 2011

<그림 8> 풍력․태양광 복합발전시스템 개념도

태양광 패널은 지역 특성이나 겨울철의 태양 고도를 고려해 설치 각도를 결정하지만, 보통

경사각은 30° 전후로 설치된다. 즉, 태양광 패널의 경사진 부분에서 풍속이 증가하는 영역이

형성된다. 풍속이 증가하는 위치에 수평축 풍력터빈을 설치하면 태양광 발전과 함께 풍력발전을

동시에 할 수 있다.


2) 풍력․조력 복합발전

영국의 Green Ocean Energy사가 개발한 Wave Treader는 해상 풍력발전과 파력발전을

결합시킨 복합발전시스템이다. Wave Treader는 500kW 발전용량을 가지며, 유리강화 플라스틱으로

제작된 20m 길이의 부유체 2개로 구성되어 있다.7) 이 부유체들은 50m 길이의 움직이는 빔

(pivoting beams)에 의해 풍력터빈의 몸체에 연결된다. <그림 9>와 같이 부유체들이 파도에

의해 상하운동을 하면 부유체에 붙은 팔(arm)이 빔에 붙어 있는 유압 실린더를 구동시키고

이는 다시 발전기에 붙어 있는 유압 모터를 회전시켜 전기를 발생하게 된다.

Wave Treader는 발전효율을 극대화하기 위하여 파도의 방향에 맞춰 회전하고 조석(潮汐)에

따른 수위변화에 따라 높이가 조절되도록 설계되었다. 외해(外海)에는 연안에 비해 파도가 더

강하므로 파력발전기의 발전용량을 키울 수 있다. 또한 전력망과 발전시스템의 계류 장치를

풍력터빈과 공유하여 발전용량 당 투자비를 크게 낮출 수 있다. Wave Treader 시제품의 실 해역

시험이 조만간 진행될 계획이다.

이밖에 영국 Wavegen사는 연안 고정식 파력발전과 풍력발전 장치를 조합하여 3.5MW급

(WSOP3500) 발전장치를 제안하였으며, 일본은 초대형 해양구조물 상부에 태양광 및 풍력발전,

수면에서는 파력발전, 수면 아래에서는 조류발전을 수행하는 복합발전 방식을 제안하였다. 덴마크

역시 고정식 해상 풍력터빈에 파력발전을 추가한 포세이돈 복합발전시스템을 제안하였다.

자료: http://www.power-technology.com/projects/greenoceanenergywav

<그림 9> Wave Treader 개념도

한편 영국의 Energyisland사는 해상 풍력발전과 파력발전 외에도 해수 온도차 발전, 태양

광 발전 등 해양에서 이용 가능한 신재생에너지를 결합시켜 상호 보완함으로써 에너지 전환효

율을 극대화시킨 개념의 대규모 부유식 플랫폼 Energy Island를 제안하였으나 아직까지 구상

단계에 머물러 있다.8) <그림 10>은 Energy Island의 개방형 Otec 싸이클 체계를 보여주는

개념도이다.


자료: http://www.e-architect.co.uk/energy_island.php

<그림 10> Energy Island 개념도

3) 풍력․조류 복합발전

일본 Mitsui Ocean Development & Engineering Company에서는 해상에 설치하여 풍력과

조류(current)를 동시에 에너지원으로 사용할 수 있는 SKWID (Savonius Keel and Wind turbine

Darrieus) 시스템을 개발 중이다.9)

이 시스템은 고정된 부유식 플랫폼에서 수면 위쪽으로는 바람에 의해 회전하는 수직축 풍력터빈이

있으며, 수면 아래쪽에는 조류의 흐름을 이용하는 조류터빈이 설치되어 있다. 이 두 개의 터빈은

기어박스를 통해 발전기로 연결되어 있어서 둘 중 하나라도 작동하게 되면 발전이 가능하다.

해상 풍력터빈은 사보니우스 수직축 풍력터빈을 사용하여 어떠한 방향에서 바람이 불어오더라도

발전이 가능한 구조이다. 해수면 아래에 위치한 조류터빈은 직경이 15m이며, 한 방향으로 회전

하지만 불규칙적인 조류의 흐름도 모두 잡아낼 수 있도록 설계되어 있다. 조만간 시제품을 일본

근해에 설치하여 실 해역 테스트를 진행할 예정이다.

자료: http://www.modec.com/fps/skwid/index.html

<그림 11> 풍력․조류 복합발전기 디자인


4) 천연가스․풍력․태양열 복합발전

신재생에너지원을 묶어서 운영하는 복합발전은 신재생에너지를 전력계통에 연계하기 위한

가장 경제적이면서 편리한 방안이 될 것으로 보인다. 최근 GE는 천연가스와 함께 풍력 및 태양열을

통합하는 전 세계 최초의 발전소 프로젝트를 발표하였다. 즉, 530MW 규모의 발전소를 터키에

건설하여 2015년부터 가동한다는 것으로, GE의 고효율 천연가스 복합발전 기술과 GE가 투자한

eSolar사가 제작한 태양열 전력시스템을 활용하여 건설될 예정이다.10)

태양열 발전을 천연가스 발전과 결합하는 것은 새로운 아이디어는 아니다. 그러나 GE는 새롭게

개발한 복합발전용 터빈과 기술을 적용하고 풍력을 융합함으로써 정부 지원금 없이도 경쟁적인

기술이 될 수 있다고 주장하였다. 즉, 풍력단지는 일부 천연가스 발전소의 제어 시스템과 전력

계통 연계부분을 공유할 수 있을 뿐 아니라 천연가스 발전이 풍력발전에서 발생하는 바람의

간헐성에 의한 전력의 변동성을 제거하는데 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

태양열 발전은 반사경으로 집광한 태양열로부터 스팀(steam)을 생산하여 천연가스 복합발전소의

스팀 터빈에 공급하여 발전출력을 증가시키게 된다. eSolar가 개발한 태양 집열기(solar concentrator

array)는 두 가지 면에서 비용 절감에 도움을 준다. 즉, 모듈식으로 되어 있는 집열기 시스템은

설치가 쉽고 발전 형태에 따라 손쉽게 변경이 가능하다. 또한 과거 태양열 시스템 대비 더 높은

온도의 스팀을 생산할 수 있어서 출력을 증가시킬 수 있다.

eSolar의 CEO인 Jon Van Scoter는 태양열 시스템을 천연가스 발전소에 결합하는 것은

개별적인 스팀 터빈과 관련 장치를 구입할 필요가 없어서 최대 50%까지 추가비용을 절감할

수 있다고 언급하였다. GE Thermal products 부회장인 Paul Browning는 이러한 시스템이

현존하는 가장 비용-효율적인 시스템이라고 강조했다. <그림 12>는 태양열 발전 및 풍력발전의

출력 변동성을 보완하여 빠른 출력 변화가 가능하도록 설계된 GE의 고효율 가스터빈이다.

자료: http://www.forbes.com/sites/toddwoody/2011/06/07/the-worlds-first-wind-solar-natural-gas-power

-plant/

<그림 12> 풍력-태양-천연가스 발전소 개념도(좌) 및 출력 변동성 추종 가스터빈(우)


나. 풍력발전과 에너지저장 장치의 융합

1) 풍력발전-압축공기 저장기술

압축공기 저장(CAES; Compressed Air Energy Storage) 기술은 잉여전력이 생산될 경우

그 전력을 이용해 공기를 압축해서 저장했다가 다시 전기가 필요할 때 압축공기로 터빈을 돌려

전기를 생산하는 시스템이다. 그러나 압축공기 저장발전소를 건설하는 비용이 많이 들어서 개발된

압축공기 저장발전소는 소수에 불과하다.

압축공기 저장기술은 이미 독일 Huntorf, 미국 Alabama Mclntosh 등의 암염 채광굴에 압축

공기 발전플랜트를 건설한 바 있는 오래된 기술이지만, 미국 에너지부(DOE, Department of

Energy) 산하 Pacific Northwest National Laboratory (PNNL)에서는 지층 확보가 더 쉬운

현무암과 같은 암석 사이에 압축공기를 저장하는 방식을 연구 중에 있다.11)

현재 미국 내에서 풍력-압축공기 저장기술의 실증이 검토되고 있는 두 곳의 후보지는 <그림 13>과

같이 (a) 인근 천연가스 자원 활용이 가능한 Columbia Hills Site와 (b) 천연가스 자원 활용이

불가능한 Yakima Minerals Site이다. 천연가스 자원 활용이 가능한 경우에는 풍력․천연가스․압축공기 저장기술의 복합시스템을 구성할 수 있는데, 압축된 공기를 쉽게 빼내기 위해서는

열을 가해야 하므로 천연가스 연소열을 이용할 경우 경제성을 향상할 수 있는 이득이 있다.

그러나 안정성 및 환경오염 등의 가능성에 대해서도 고려해야 할 것이다. 천연가스 활용이 불가능한

경우에는 지열을 이용해서 공기를 팽창시키는 방식을 적용할 수 있다. 이 방식은 전자에 비해

환경오염 가능성이 적고 온실가스 배출이 없다는 장점이 있다.

(a) Columbia Hills Site

(b) Yakima Minerals Site

자료: Pacific Northwest National Laboratory

<그림 13> 풍력-압축공기 저장시스템


2) 풍력발전-수전해 수소생산

수소를 양산하는 방법으로는 현재 석유나 메탄으로부터 개질을 통하여 추출하는 기술이

유력하지만 제조 시 이산화탄소를 발생시킨다는 문제점이 있다. 이에 반해 물을 전기분해하여

수소와 산소를 만드는 방법은 이산화탄소 뿐 아니라 어떠한 환경에 위해한 물질이 부가적으로

생성되지 않기 때문에 가장 청정한 수소생산 방식이다. 수전해 특성상 풍력발전의 간헐성에

의해 전기 도의 변동이 있다 하더라도 온도장, 전기장, 냉각수 유동장이 균형을 이룰 때 전해조에서

물의 전기분해 효율에 거의 영향을 주지 않는다. 따라서 풍력발전의 변동성을 해결하기 위한

적합한 수단으로 수전해 수소 생산은 기술적인 장점이 있다. 즉, 풍력터빈의 불안정한 출력은

수소 생산에만 영향을 주고 계통설비 성능에는 영향을 주지 않는다.12)

미국 재생에너지연구소(NREL; National Renewable Energy Laboratory)에서는 Xcel Energy사와

공동으로 풍력+태양광+수소생산 파일롯 프로젝트 Wind2H2를 수행하였다.13) Wind2H2 프로젝트는

신재생에너지원만으로 수소 생산을 시도한 전세계 첫 번째 실증연구로, 계통연계, 태양광 모듈과의

직접연결, 풍력발전기 출력정보를 이용하여 실시간으로 수전해 스택조정, 태양광과 풍력 연계형

수소생산 시스템이다. 실증에 활용된 풍력터빈은 Bergey 10kW 소형 풍력터빈과 NPS

100kW 중형 풍력터빈이며, 10kW 태양광 모듈로부터 생산된 전력을 이용하여 알카라인 수전해를

통해 수소를 생산하고 5kW 연료전지를 이용하여 전력을 생산한다. Wind2H2 프로젝트의 주요

관점은 경제성 있는 수소생산 설비를 개발함에 있으며, 미국 NREL은 연계 프로젝트를 통하여

풍력+수소생산의 경제적 효용성을 평가하고 지향하여야 할 목표 생산단가를 달성하기 위한

요소기술 및 시스템 기술 개발에 주력하고 있다.

자료: http://www.nrel.gov/hydrogen/proj_wind_hydrogen.html

<그림 14> Wind2H2 시스템 운영방식 개념도


다. 풍력과 건축물의 융합

1) 건축물 융복합형 풍력발전

신재생에너지 기술을 건축물에 효과적으로 적용함으로써 보급을 확대시키기 위한 시도가 계속되고 있다.

특히 고층 건축물은 단순히 높이의 랜드마크(landmark) 경쟁에서 벗어나 환경 친화적이라는 상징성

까지 제공해야 한다는 패러다임이 확산되고 있다. 아울러 발전 시스템이라는 기능성 외에도 건물과 조화

롭게 일체화시키는 BI(Building Integrated) 즉, 건물 일체화가 새로운 기술 분야로 떠오르게 되었다.

건축물 융복합형 풍력발전의 개념은 단순히 기존의 건축물에 풍력터빈을 설치하는 소극적

개념의 BMWT(Building Mounted Wind Turbine)로부터 발전하여 적극적으로 건물의 외형을

변형시켜 풍력발전에 유리한 풍환경을 제공하는 BIWT (Building Integrated Wind Turbine)

또는 BAWT(Building Augmented Wind Turbine)로 발전하고 있다. 건축물 융복합형 풍력에

대해서는 녹색기술정보포털에서 기술보고서가 발간된 바 있기 때문에, 본 보고서에서는 갱신 또는

추가된 사례에 국한하여 소개하였다.14)

○ 바레인 국제무역센터

풍력발전기가 설치죈 바레인 국제무역센터는 단순히 상징성뿐만 아니라 초고층 빌딩에서 요구하는 엄청난

전력사용량을 일부라도 자급하기 위한 실용적인 대안으로서의 가능성을 보여준 사례로 CTBUH(Council

on Tall Buildings and Urban Habitats)로부터 최고의 고층건물 중 하나로 선정되었다.15)

국제무역센터는 높이 240m의 대칭을 이루되 각도를 갖는 직각 삼각형 두 동의 건물 사이의 상, 중,

하측에 세 개의 다리가 두 동을 연결하며, 각각의 다리 중간에 블레이드 지름이 29m인 225kW급 수평축

풍력발전기를 설치하였다. 해안에 위치한 국제무역센터는 해풍이 불어올 경우 바람이 건물 사이 중앙부로

수렴되어 가속되는 벤츄리(Venturi effect) 효과를 나타내도록 형상설계가 되어 있으며, 총 설비용량

675kW로부터 연간 1.3GWh의 전력을 생산함으로써 연간 전력사용량의 13%를 자급할 수 있다.

<그림 15> 바레인 국제무역센터 전경(좌) 및 건물배치에 의한 벤츄리 효과(우)


<그림 15> 우측의 그림은 건물 배치에 의한 인위적인 벤츄리 효과에 의하여 풍력발전기가

설치된 건물 사이의 공간에서 발생하는 풍속 가속현상을 전산유체역학적으로 해석한 결과

이다.16)

○ 텍사스 헤스 타워

2010년에 준공된 미국 텍사스 휴스턴에 위치한 헤스 타워(Hess Tower)는 건물 옥상에 수직축

풍력발전기를 2열로 총 10개 설치하여 전력을 생산하는 총 29층, 147m 높이의 건물이다.17)

<그림 16>은 (a) 헤스 타워 전경과 (b) 건물 옥상부의 풍환경 평가를 위하여 1:300 축소모형을

이용한 풍동실험 사진이다.18)

최근 보도 자료에 따르면 헤스 타워의 풍력발전기 시범 운전 기간 중 파손된 부품이 인도로 추락

하는 사고가 발생하여 고층건물 융합형 풍력발전의 안전성에 대한 심각한 문제가 제기된 바 있다.19)

자료: http://www.houstonarchitecture.com/Building/3174/The-Discovery-Tower.php

<그림 16> 텍사스 휴스턴 헤스타워 전경(좌) 및 풍환경 풍동실험 모형(우)

○ 광저우 펄리버 타워

2010년 중국 광저우에 건설된 펄 리버 타워(Pearl River Tower)는 건물 내부 공간에 풍력

발전기를 설치하는 새로운 개념을 도입하였다. 건축설계회사인 SOM이 설계한 펄 리버 타워는

71층, 309m 높이이며, <그림 17>의 개념도와 같이 건물 중앙 상․하단에 건물을 관통하는 총

4개의 노즐형태 수평유로를 설치하여 유입풍속을 가속시켜 풍력발전에 유리한 풍환경을 만드는

아이디어가 적용되었다.20)

펄 리버 타워는 BIWT 개념보다는 BIPV(Building Integrated Solar Power)의 개념을 위주로

설계되어 건물 전력사용량의 5%를 재생에너지로 공급하며, 2013년 MIPIM Asia로부터 최우수

혁신적 그린빌딩(Best Innovative Green Building) 선정된 바 있다.


자료: https://www.som.com/project/pearl-river-tower

<그림 17> 광저우 펄리버 타워 전경(좌) 및 건물 내부 유로에 의한 풍속가속 효과(우)

○ 런던 스트라타 SE1

2010년 영국 엘러펀트(Elephant)와 캐슬(Castle) 지역에 건설된 43층 148m 높이의 스트라타

(Strata) SE1은 <그림 18>과 같이 옥상부에 수평축 풍력발전기를 설치하였다. 풍력발전기 블레이드

지름은 9m이며, 세 개의 풍력발전기로부터 50MWh의 전력을 생산하여 건물 전력사용량의 약

8%를 자급하게 된다. 건물배치는 주풍향인 남풍에 맞추어져 있으며, 건물 상부의 경사로가 벤츄리

형태의 원형 통로로 연결되어 풍속을 가속하도록 설계되었다. 특히, 소음감소에 설계의 주안점을

둔 것으로 보도된 바 있다.21)

자료: http://www.archdaily.com/70142/

<그림 18> 런던 스트라다 SE1 전경(좌) 및 전산유체역학 해석결과(우)


최근 보도에 따르면 지역주민들은 스트라다 타워의 풍력발전기가 작동하는 것을 거의 보지

못했기 때문에 건물 융복합형 풍력발전에 회의적인 여론이 형성되었다고 한다.22) 그러나 스트라타

타워 풍력발전기의 설비 이용율을 추정하여 보면 10% 수준이기 때문에 설계 시 부터 언제나

풍력발전기가 가동되는 것은 아님을 고려하였다고 판단되며, 이는 도시 풍환경의 특성상 대부분의

도시에서 유사할 것으로 추정된다.

○ 오클라호마 의학연구재단

오클라호마 의학연구재단(Oklahoma Medical Research Foundation)은 42m 높이의 건물

옥상부에 2열로 6m 높이의 헬리컬 모양의 수직축 풍력발전기 총 18기를 설치하였으며, 이를

통해 연간 85.5MWh의 전력을 생산하여 건물 전력사용량의 36%를 충당하도록 설계되었다.23)

자료: http://omrf.org/2012/06/19/omrf-unveils-rooftop-wind-farm/

<그림 19> 오클라호마 의학연재단 전경(좌) 및 옥상에 설치된 수직축 풍력터빈(우)

2) 풍력․태양광발전을 적용한 교각

풍력․태양광을 교각에 융합한 아이디어는 Solar Park Works-Solar Highway 국제경연대회에서

2등을 차지하였다. 이탈리아 디자이너들이 이탈리아의 Bagnera와 Scilla 사이의 계곡을 배경으로

디자인했다.24)

오래된 교각을 현대화하면서 친환경 에너지인 태양광과 풍력을 융합하였는데, 20km에 이르는

도로 표면은 아스팔트 대신 플라스틱으로 코팅된 태양전지로 구성하여 연간 11GWh를 생산하며,

교각 기둥 사이에 26개의 다양한 크기의 풍력터빈을 설치하여 연간 36GWh의 전기를 생산할

수 있다. 또한 도로 옆으로 공원과 온실을 조성하여 지역의 전망과 함께 볼거리를 제공한다.

강한 바람이 지속적으로 부는 높은 고도에 위치하도록 설계하였으며, 교각 기둥에 풍력터빈을

장착한 개념이 높은 점수를 받았다.


자료: http://www.gizmag.com/solar-wind-bridge-concept/17771/

<그림 20> 풍력․태양광 교각 디자인

라. 풍력발전의 용도 다양화

1) 풍력-열에너지 변환기술

스마트폰, 데스크톱 컴퓨터, 노트북 등으로 유명한 미국의 애플사는 풍력에너지를 열에너지로

변환하는 새로운 개념을 제시하였다.25)

애플사가 최근 출원한 특허에 따르면, 하나 이상의 패들과 연결된 축을 휘발성 유체가 들어 있는

드럼 내에 설치한다. 그리고 풍력터빈은 바람의 힘을 받아 연결된 축을 회전시킨다. 그렇게 되면

축에 연결된 패들은 저열용량 유체를 교반, 순환 및 가열시킨다. 즉, 풍력터빈에 의해 만들어진

회전에너지를 저열용량 유체의 열에너지로 전환하는 것이다. 이 열에너지는 작동유체에 전달

되며, 이 열을 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 전달된 열은 작동유체의 낮은 끓는점으로 인하여


유체를 끓일 수 있으며, 이 때 발생하는 증기를 이용하여 터빈을 가동할 수 있다. 터빈은 전기

발전기를 구동하고 발전기에서 얻어지는 전기는 자동차, 가정, 사무실, 건물 및 전력 그리드에

공급된다. 저열용량 유체에 저장된 에너지가 전기 수요를 충족시킬 필요가 없어지게 되면 전달된

열에서 전기를 발생시키는 것뿐만 아니라 저열용량을 가진 유체에서 작동유체로 열을 전달하는

과정이 중단된다. 이러한 온 디멘드(on-demand) 방식의 발전시스템이 풍력발전의 변동성을

상쇄하여 계통운영 비용을 절감할 수 있으며, 배터리를 이용하는 일반적인 에너지 저장기술을

대체할 수 있다.

자료: http://cleantechnica.com/2013/01/05/apple-designs-a-wind-energy-storage-concept

<그림 21> 애플사의 풍력-열에너지 변환시스템 개념도

Ⅲ. 향후 전망

풍력발전은 대규모 발전설비로서의 입지를 확보하였으며, 빠르게 기존 화석연료 및 원자력에

의한 발전설비를 대체해나가고 있다. 그러나 풍력발전은 전력계통 연계측면에서 간헐성이라는 단점이

존재하며, 이를 극복함으로써 전력계통 수용성을 확대하기 위하여 풍력과 타 에너지원과의 융복합

또는 저장수단과의 융복합 기술개발이 적극적으로 진행되고 있다. 미래 수소사회에서는 풍력발전

및 재생에너지원이 수소생산의 필수적인 에너지원으로 활용될 전망이다.

한편에서는 건축물에 재생에너지라는 친환경적 이미지를 부여하기 위하여 풍력과 건축물의 융복합을

시도하고 있으나, 일부에서는 건축물 융복합형 풍력발전의 단점을 지적하고 있다. 즉, 풍력발전기가

건축물의 지붕 모서리나 각진 형상부에서 발생하는 소용돌이 기류를 증폭할 수 있으며, 풍력터빈의

소음과 진동은 건축물에 피로하중의 요인이 될 뿐 아니라 거주자에게도 불편한 환경을 유발할

수 있다는 것이다. 또한 기계적인 고속 구동부가 있는 풍력터빈의 고장 및 파손, 낙뢰 등에 의한


안전성 문제가 있으며, 지속적으로 제기되는 풍력발전의 효율성 문제가 있다. 로렌스 버클리 국립

연구소에서 2009년 2월 발표한 보고서에 따르면 BIWT 설비는 kW당 6,500~9,000달러의 비용이

소요되고 연간 750kWh에서 1,500kWh의 전기가 생산된다고 분석하였다. 이는 BIWT의 경제성이

BIPV(Building Integrated Photo Voltaic)와 유사한 수준으로 효율성 측면에서 풍력발전의 장점이

나타나지 않는다는 것이다.

BIWT 뿐만 아니라 소형 풍력발전의 경우 경제적 타당성 문제가 지속적으로 제기되고 있다.

이에 풍력을 발전용도가 아닌 타 용도로 활용성을 확대하든지 기계적 에너지를 직접 열에너지로

전환하여 에너지 전환효율을 높여 소형 풍력발전 시장을 확대하려는 노력도 지속적으로 시도될

전망이다.

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