최근 에너지 분야에서는 신재생에너지가 화두입니다. 신재생에너지가 주목을 받고 있는 것은 어제 오늘 일은 아닙니다. 환경문제, 지구온난화 문제들이 세계적으로 대두되면서 에너지의 친환경 기술은 진작 시작이 되었으나 하지만 지난 수십 년 동안 석유, 석탄, 가스 등의 사용이 지배적이었던 까닭에 재생에너지의 에너지 생산량이 많은 주목을 받지는 못했습니다. 하지만 오늘날 재생에너지의 비중은 과거와는 확실히 다른 위상을 가지고 있다 보아도 무방합니다. 통계에 따르면 이미 2010년 이전에 전 세계의 에너지 연료 중 재생에너지의 비중이 변곡점을 이루며 상승중임을 알 수 있습니다. 여전히 기존 연료들의 생산량이 대부분을 차지하고 있긴 하지만 향후 10년의 기간 안에 재생에너지의 생산량이 가파르게 증가할 것으로 보는 것을 보면, 점차 재생에너지 시장이 확대되고 기업 간의 기술 경쟁과 상업화가 촉발되는 시점이 머지않아 다가올 것으로 기대됩니다.

세계 1차 에너지 소비량 연료별 추세 (이미지 출처: BP Energy Outlook, 2018)

신재생에너지는 태양, 풍력, 지열, 바이오에너지, 해양 등의 다양한 에너지원을 사용하고 그로 인한 연관 기술의 폭도 매우 넓은데요. 여러 나라가 신재생에너지 주도권을 차지하기 위해 치열하게 경쟁을 하고 있습니다. 특히 신재생에너지중 수소의 생산·저장 시스템을 구축하는 것이 매우 어렵다고 하는데요. 부산대학교 건설융합학부의 권순철 교수 연구팀이 빗물로 제조한 정수를 전기 분해하여 수소를 생산하고, 연료전지에 저장하는 기술을 개발했다고 합니다. 또한 권순철 교수 연구팀은 저 영향 개발(LID\; Low Impact Development)기법으로 에너지 융합 시스템 고도화 연구까지 진행하고 있습니다.
저 영향 개발 기법 에너지 융합시스템이란 흡수된 빗물이나 누수를 재활용하여 깨끗한 물을 만들고, 그 물로 만든 수소를 이용해 연료전지를 구동하는 시스템입니다. 특히 이 연구는 저 영향 개발(LID)이라는 기술을 바탕으로 하고 있습니다. 연구를 통해 연구팀이 구축한 수전해 연료전지 기반의 자립형 에너지 시스템은 CO2 등의 온실가스, NOx와 SOx 등의 유해물질을 배출하는 기존의 발전방식과 달리 반응 이후 물(H2O)이 생성되는 특징을 갖고 있습니다. 이러한 특징은 근본적으로 오염원의 배출을 예방하여 자연과 인간을 공존할 수 있게 하는 기술이라 할 수 있습니다.

연구팀이 만든 제품은 약 300W대의 연료전지를 통해서 구동할 수 있는 시스템으로 현재는 이 보트에 2명 정도 탈 수 있습니다. 향후에는 5명에서 6명이 탈 수 있는 큰 보트를 만들어 속력도 10km/h에서 향후에는 30km/h까지 증가시켜 좀 더 빠르게 달리고, 큰 힘을 낼 수 있는 에너지 시스템을 만드는 것이 목표라고 합니다. 개발 중인 워터 보트는 단순한 연구개발용 실험체로만 활용하는 것이 아니라 인명구조, 해양조사, 해상 통신 중계, 양식장 관리, 레저용 보트 등으로 활용이 가능하도록 개발하고 있습니다.

워터스테이션으로 구동이 가능한 선박 (이미지 출처: 기계·건설공학연구정보센터)

물로 달리는 보트의 근간이 되는 핵심기술은 워터 스테이션인데요. 워터 스테이션은 말 그대로 수전해 통해서 수소를 생산하고 그 생산된 수소가 연료전지에 들어가 에너지원으로 사용됨으로 인해서 계속 전기를 생산해내는 겁니다. 생산된 전기는 배터리에 저장을 하고, 이 과정을 통해서 에너지를 만드는 시스템인데 이를 배에 적용을 시키면 물로 달리는 배가 되는 거죠. 만들어진 전기를 가지고 바로 모터에 힘을 전달시켜서 배가 다닐 수 있는 시스템입니다.

연료전지의 작동 원리 개념도 (이미지 출처: 기계·건설공학연구정보센터)

워터 보트는 ’물로 구동이 가능한 선박’으로 태양광 집열판을 이용한 수전해 기법을 바탕으로 연료전지의 에너지원인 수소가스(H2)를 발생시키고, 이때 생산된 수소를 이용해 연료전지를 구동하여 에너지를 생산· 저장시키는 원리를 가지고 있습니다. 연료전지 구동을 통해 생산된 에너지의 일부는 보트의 엔진을 구동시키는 데 사용되며, 남은 에너지는 배터리에 저장하는 방식을 사용하고 있습니다. 외부로부터의 에너지 공급이 제한되는 환경에서도 구동이 가능한 워터 보트는 활용 목적에 맞는 설계 변경 등을 통해 다양한 활용성을 갖춘 보트를 개발하고 있습니다.

워터보트 조감도 (이미지 출처: 기계·건설공학연구정보센터)

’저영향 개발 기법 기반 에너지 융합 시스템 고도화’ 연구 결과를 바탕으로 개발된 워터 스테이션은 ’수전해 파트(Water Station System)’와 ’에너지 저장 파트(LID Energy Storage System)’로 구성되어 있습니다. 워터 스테이션의 기본 원리는 먼저 건물 주변에 저장된 물을 일차적으로 LID 요소기술을 통해 정수 처리하고, 이 물을 수소 전기기분해 하는 과정에서 발생하는 수소가스를 이용해 연료전지를 구동하며, 에너지를 생산하고 저장하는 방식을 적용하였습니다.
워터 스테이션은 상기 일련의 과정 간 연계를 통해 친환경적이면서도 에너지 생산 및 저장이 가능하도록 만들어진 에너지 시스템으로, 에너지 자립형 발전시스템인 워터 스테이션 기술에 대한 지속적인 연구개발이 이루어진다면 전기 공급이 제한적인 도서 산간지역과 재해 재난 발생 지역 등에서 에너지 생산과 저장을 위한 대안으로 충분한 활용이 가능할 것으로 기대하고 있습니다.
현재는 실험실 베이스로 되어 있지만 향후에 좀 더 상용화할 수 있는 기술을 갖게 된다면 도서 산간지역에서 외부 전기의 공급이 없어도 섬 내에서 태양열과 바닷물로 에너지를 만들어 에너지 자립형 섬을 만들 수가 있습니다. 이 같은 경우에는 비가 훨씬 더 많이 내리는 동남아지역, 그 중에서도 특히 전력공급이 어려운 지역에서는 정말 큰 효과가 있을 것으로 생각합니다. 지금 기술로는 천명 이하의 도서 산간지역에는 충분히 공급할 수 있는 전기를 자립으로 생산할 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

개발된 워터보트 실물 (이미지 출처: 기계·건설공학연구정보센터)

또한 권순철교수 연구팀은 공기청정기에도 자립형 에너지 시스템을 적용하였는데요. 기본적인 작동 원리는 수전해를 통해 발생하는 수소는 전력 생산을 위한 연료전지의 원료로 사용합니다. 이때 발생하는 산소를 대기로 배출해 실내 산소 농도를 높이면서 가습기를 통해 실내 습도조절이 가능한 ’에너지 자립형 산소 발생 공기청정기’를 개발하고 있습니다. 개발된 공기청정기는 깨끗한 공기와 일정한 습도 유지가 필요한 병원, 도서관, 관공서, 요양 시설 등에서 유용하게 활용될 것으로 기대됩니다. 공기청정기처럼 사이즈를 많이 줄이면 전동 휠체어나 전동카트에도 기술을 적용시킬 수 있으며, 차후에는 물로 가는 자동차를 만들 수 도 있지 않을까 기대해봅니다.

참고 자료
1. 기계·건설공학연구정보센터(2019). [연구동향: M-Terview] 에너지 자립형 해양시스템 개발 및 운용기술 연구. 기계·건설연구정보센터, 9월 2일. www.materic.or.kr/community/mterview/content.asp?f_id=125
2. 손영준(2019). [전문가 연재] 신재생에너지의 현재와 미래. 기계저널, 59(5), 52-54.

※ 본 내용은 MATERIC(www.materic.or.kr)에서 제공받은 연재 내용 중 일부를 인용하였습니다.
인용 출처: http://www.materic.or.kr/community/mterview/content.asp?f_id=125