밀에서 메가와트까지: 우리는 어떻게 바람을 활용했을까?

 

풍력은 1990년대에 시작하여 2000년대 초에 전 세계 국가 에너지 시스템에 널리 도입된 최초의 기술이었다. 풍력은 현재 실행 가능한 에너지 생산 기술로 널리 받아들여지고 있지만 항상 그런 것은 아니었다. 풍력은 사용 가능한 가장 오래된 에너지 생산 형태 중 하나이다. 사람들은 수천 년 동안 바람을 이용해 일을 해왔다. 가장 오래된 예로는 범선이 떠오르고, 그 다음으로는 물을 퍼올리고 곡물을 갈아내는 초기 풍차가 뒤따랐다.

그렇다면 우리는 어떻게 오늘날의 위치에 도달했을까? 바람은 어떻게 농장에서 곡물을 갈아내는 것에서 전구 몇 개를 켜는 것으로, 그리고 어떻게 국가 전체에 전력을 공급하는 것으로 바뀌었을까? 기하급수적으로 감소하는 비용이 절반의 이야기이다. 예를 들어, 1990년대 이후로 새로운 풍력 발전 용량을 구축하는 비용(자본 지출)이 60% 감소했고 이 새로운 용량으로 전기를 생산하는 비용(에너지의 평준화 비용)이 85% 감소했다.

하지만 기술이 산업을 변화시키려면 해당 산업의 수요를 규모에 맞게 충족할 수 있는 역량도 필요하다. 기술이 충분히 좋지 않다면 아무리 저렴하더라도 유용하지 않을 것이다.

 

초기 실험

아주 초기의 풍차는 기계적 작업만 했다. 큰 천이나 갈대 돛이 바람을 이용했고, 바람은 축을 돌려 기어나 샤프트에 동력을 공급했고, 이는 다시 맷돌과 물 펌프와 같은 장비를 구동했다. 풍차는 유럽과 전 세계로 퍼져나갔고, 1700년대 후반 산업 혁명이 증기와 내연 기관을 도입할 때까지 주로 농업 목적으로 사용되었다. 이는 맷돌을 갈고, 물을 펌핑하고, 기계를 구동하고, 다른 종류의 유용한 작업을 하는 훨씬 더 효과적인 방법이었다.

 

전기를 생성하는 최초의 풍력 터빈은 1887년 스코틀랜드의 제임스 블리스와 1888년 오하이오의 찰스 브러시가 거의 동시에 건설했다. 1800년대는 전기를 이용한 세기였고, 전 세계 사람들이 전기를 생성하고 사용하는 다양한 방법을 실험하고 있었다. 이러한 원시적인 전기 생성 풍력 터빈은 물론 단순하고 비효율적이었다. 블라이스의 첫 번째 터빈은 전구 몇 개에만 동력을 공급했지만, 이를 통해 바람을 이용해 적어도 소규모로 전기를 생산할 수 있다는 사실을 의심의 여지없이 증명했다.

제임스 블리스(James Blyth)의 1891년 풍력 터빈 설계. 랭킨 케네디(Rankin Kennedy)의 1905년 책 The Book of Modern Engines and Power Generators, vol. I, London: Caxton, pp. fig. 35

 

유틸리티 규모로 가는 길

전기가 존재했던 1900년대 초반에는 주로 중앙 석탄, 석탄 가스, 수력 발전소에서 전기를 생산했다. 그러나 1차 세계 대전 중과 그 이후에는 에너지 부족으로 인해 에너지 자립에 대한 욕구가 불붙으면서 풍력에 대한 관심이 급증했다. 특히 유럽에서 그랬다.

 

전 세계의 엔지니어들은 더 많은 전기를 생산하고 풍력을 대규모 발전 기술로 실현 가능하게 하기 위해 다양한 블레이드 모양, 크기, 재료 및 구성을 탐구해 왔다. 터빈은 더 높고 넓어졌으며 강철 격자 타워로 지지되는 표준 수평축 설계로 추세를 보였다. 기어박스는 1920년대에 도입되어 블레이드의 느린 회전을 발전기가 가장 많은 전기를 생산할 수 있도록 더 높은 속도로 변환하여 터빈의 효율성을 높였다. 기어박스는 기계적 복잡성을 추가했기 때문에 고장 및 오류의 근원이 더 많았지만 다양한 풍속에서 설계 및 작동에 더 큰 유연성을 제공했다. 거의 비슷한 시기에 터빈 블레이드는 1920년대와 1930년대에 돛에서 날개로 바뀌었고, 새롭게 탄생한 항공 산업에 영감을 받아 곡선형이고 공기 역학적인 디자인으로 바뀌었다.

 

1930년대와 1940년대에 터빈은 유틸리티 규모에 접근하고 조금 더 많은 전력을 생산하기 시작했다. 전기 모터로 구동되는 기계식 요 시스템이 개발되어 터빈이 자동으로 바람을 향하도록 회전하여 보다 일관되게 최적의 에너지를 생성할 수 있었다. 이 무렵 터빈은 직류 전기에서 교류로 전환되어 그리드와 더 호환되었다.

 

이 초기 유틸리티 규모 터빈은 깔끔했지만 여전히 실행 가능한 에너지원은 아니었다. 기계적으로 신뢰할 수 없고 고장이 나기 쉽기 때문에 구축 및 유지 관리 비용이 많이 드는 독특한 개념 증명이었다. 이 초기 시스템은 고정 속도였고 이상적인 조건에서만 작동할 수 있었기 때문에 에너지 생성은 매우 간헐적이었고 이는 경제적 실행 가능성에 영향을 미쳤다. 당시로서는 거대한 2날개 터빈이었던 스미스-퍼트넘 풍력 터빈 중 하나는 1941년에 1MW를 생산했지만 작동 1,000시간 만에 고장났다. 전쟁으로 인한 부족으로 수리되지 않았고, 40년 동안 같은 크기에 도달한 터빈은 없었다.

 

1950년대에 요하네스 율과 그의 3날개 200kW 게저 터빈 덕분에 획기적인 진전이 있었는데, 이는 수년간 덴마크의 터빈 설계에 영감을 주었다. 이 터빈은 여전히 ​​고정 속도였지만, 강풍 시 생산을 줄이는 데 도움이 되는 스톨 제어라는 기능을 도입했다. 이를 통해 터빈은 더 탄력적이고 훨씬 더 안전해졌으며, 그리드와 더욱 호환되었다. 게저 터빈은 풍력이 비교적 저렴한 비용으로 의미 있고, 신뢰할 수 있고, 내구성이 뛰어나고, 안전하고, 그리드와 호환되는 전력원이 될 수 있음을 증명했다. 또한 덴마크를 풍력 발전의 선두 주자로 자리매김했다.

Gedser 풍력 터빈 © Bjerringbro 전기 박물관

1950년대부터 1970년대까지 덴마크, 독일, 미국과 같은 나라에서는 풍력 에너지에 대한 관심이 적당히 있었지만, 일반적으로 중앙집중식 전기가 왕이었고 도시와 농촌 지역에서 완전히 지배적이 되었다. 석유 발전소, 원자력 발전소, 수력 발전이 전력망에 전력을 공급했으며, 1973년 세계 석유 위기가 세계 정서를 바꿀 때까지 대체 에너지원에 대해 걱정하는 사람은 거의 없었다.

 

실현 가능해지다.

석유 위기 이후 풍력 기술에 대한 새로운 관심과 자금 지원으로 풍력 터빈의 평균 크기가 극적으로 증가했으며, 로터 직경은 약 30~65m에서 1980년대 후반에는 거의 100m로 증가했다. 강철 격자 타워는 이제 1960년대에 도입된 더 높고 매끈한 튜브 모양의 타워와 경쟁하게 되었고, 이로 인해 타워는 먼저 40~50m 높이에 도달한 다음 1980년대에는 80m를 넘어섰다. 이러한 개선으로 터빈은 더 많은 에너지를 포착하고 더 강하고 일관된 바람에 도달할 수 있었으며, 이는 더 큰 전력 출력으로 이어졌다.

 

1980년대 컴퓨팅과 전자 기술의 전성기 동안의 혁신은 엔지니어가 풍력 터빈에 전력 전자 장치를 통합한 컨버터와 인버터를 개발함에 따라 풍력 터빈에 매우 중요했다. 전력 전자 장치는 필수적이었다. 마침내 터빈이 전기 그리드와 완벽하게 호환되는 일관된 전력을 공급할 수 있었다. 이전에는 풍력 터빈이 풍속 변동으로 인해 가변적인 전력을 생산했는데, 이는 표준 그리드와 크게 양립할 수 없었다.

 

피치 제어는 이전의 풍력 터빈의 정지 제어를 대체하여 블레이드가 풍속에 따라 각도를 조정하여 다양한 풍속에서 에너지 포집을 최적화하고 효율성을 개선할 수 있었다. 가변 속도 터빈은 고정 속도 터빈을 대체하여 터빈이 회전 속도를 풍속에 맞게 조정하여 기계 구성 요소의 응력을 줄이고 에너지 출력을 증가시킬 수 있었다. 마지막으로 유리 섬유와 같은 새로운 소재로 인해 터빈 블레이드가 더 가볍고 강해졌으며 이전 터빈의 목재와 금속보다 풍화 및 휘어짐에 더 강했다.

 

이러한 필수적인 개발로 1980년대 내내 건설된 최초의 유틸리티 규모의 그리드 연결 풍력 발전소가 가능해졌다. 이러한 발전소는 현재 우리가 가지고 있는 발전소보다 훨씬 작았고 각 터빈은 훨씬 작고 덜 강력했다. 1981년에 건설된 세계 최초의 풍력 발전소는 각각 30kW인 터빈 20개가 있어 총 0.6MW였다(예를 들어 1980년대에 캘리포니아에 건설된 후속 발전소는 그보다 더 컸다). 이 기간 동안 덴마크와 캘리포니아와 같은 지역의 정부는 풍력 산업에 보조금을 지급하고 세금 인센티브를 제공하여 기술이 아직 경쟁력을 갖기에는 너무 비쌌지만 혁신을 촉진하는 데 도움이 되었다.

 

해상 및 온라인

1990년대에는 덴마크에서 1991년에 세계 최초의 해상 풍력 발전소가 건설되었다. 덴마크 해안의 얕은 물에서 각각 425kW를 생성하는 11개의 터빈으로 구성되었다. 해상 풍력은 육지의 바람보다 강하고 일정하여 터빈당 더 많은 에너지를 생성할 수 있는 기회를 제공했지만 해당 터빈이 조건을 견뎌내려면 훨씬 더 강해야 했다. 직접 구동 터빈은 기어박스가 있는 터빈보다 기계적으로 더 간단한 형태로 더 많은 충격을 받을 수 있기 때문에 다시 도입되었다. 터빈은 더 크고 강력해지기 시작했으며 풍속, 진동 및 온도를 감지할 수 있는 센서가 장착되어 에너지 생성에 대한 정교한 제어가 가능해졌다.

 

1990년대는 실제로 전 세계적으로 풍력 에너지가 시작되기 시작한 시기였으며, 여러 국가가 조기 채택자로서 앞서 나가 실제 용량을 설치했다. 2000년이 되자 독일은 연간 약 10TWh를 생산했고, 미국은 연간 6TWh, 스페인과 덴마크는 각각 연간 약 4TWh를 생산했다.

1990년대 후반 소프트웨어 붐으로 인한 혁신으로 엔지니어는 이제 원격으로 실시간으로 풍력 터빈 성능을 모니터링하고 제어할 수 있게 되었고, 이는 2000년대 초반에 표준이 되었다. 이러한 발전으로 풍력 발전소는 더 효율적으로 가동 중단 시간을 줄여 운영할 수 있게 되었고, 이는 에너지 출력을 극대화하고 운영 비용을 절감했다. 풍력 에너지는 2000년대 후반/2010년대 초반에 많은 지역에서 화석 연료와 그리드 패리티(일부는 보조금을 받고 일부는 보조금을 받지 않음)를 달성할 수 있었다. 이는 여러 지역에서 기하급수적으로 채택을 촉발한 중요한 이정표였다.

 

확립된 추세에 따라 풍력 터빈의 크기와 용량은 계속 증가했다. 블레이드는 탄소 섬유로 강화되어 블레이드 길이가 각각 50m가 넘고 로터 직경은 100m가 되었다. 콘크리트와 강철로 만든 하이브리드 타워는 높이가 100m가 넘었고, 용량은 육상 설비의 경우 1~3MW, 해상 터빈의 경우 최대 5MW에 달했다.

2010년까지 여러 국가에서 상당한 규모의 풍력 발전을 했으며, 그 이후로 풍력 발전은 계속 증가했다.

오늘날의 풍력 터빈

오늘날의 현대식 터빈은 다양한 분야에서 100년간의 기술 개발의 정점이며, 그 어느 때보다 더 크고 강력하다. 풍력 발전 용량은 이제 전 세계에 설치되어 있다. 이는 글로벌 전기 믹스의 중요한 부분으로, 2023년 말 현재 총 발전량의 약 8%를 차지한다. 중국은 압도적으로 선두를 달리고 있으며, 연간 885TWh 이상을 발전한다.

오늘날 육상 터빈의 주요 특징 중 일부는 강철 또는 하이브리드 소재로 만들어진 특징적인 흰색 타워로, 2023년에는 높이가 평균 100m가 조금 넘었다. 대부분 유리 섬유로 만들어져 다양한 속도와 방향에 걸쳐 풍력 에너지를 효율적으로 포착하는 3개의 공기 역학적 블레이드는 현재 평균 직경이 130m이다. 육상 터빈은 현재 터빈당 평균 3.5MW이다. 참고로 축구장의 길이는 110m이다. 이러한 터빈은 모든 면에서 거대하며 매년 더 커지고 있다.

 

반면 해상 터빈은 절대적으로 거대해졌다. 중국 회사인 Minyang은 9월에 로터 직경이 260m인 컨셉 20MW 터빈을 설치했다고 밝혔다. 아직 모두 이렇게 크지는 않지만 직경이 160m 이상이고 높이가 100m가 넘는 10MW 이상의 해상 터빈이 상업적으로 설치되었다. 아직 상업적으로 도입된 지 얼마 안 되었지만 부유 플랫폼 기술을 사용하면 해상 터빈이 해안에서 더욱 멀리까지 뻗어 나갈 수 있어 해저가 너무 깊어 정박할 수 없는 곳에서도 더 좋은 바람을 이용할 수 있다.

Minyang의 거대한 터빈의 예. © Minyang Smart Energy

115m 길이의 풍력 터빈 블레이드 © Vestas

오늘날의 터빈도 매우 똑똑하고 점점 더 똑똑해지고 있다. 센서와 AI 기반 제어를 갖춘 고급 모니터링 시스템은 실시간 날씨 및 물류 데이터를 제공하여 예측 유지 관리를 가능하게 하고 가동 중지 시간을 최소화할 수 있다. 유사한 모니터링 시스템은 새와 박쥐와 같이 터빈과 충돌한 적이 있는 동물을 감지하는 데도 사용되고 있다. 이러한 시스템은 동물이 지나가는 동안 블레이드 속도와 방향을 관리하여 충돌을 방지할 수 있다. 사람이 들을 수 없는 초음파 방지 장치도 개발되어 동물을 보호하기 위해 사용되고 있다.

 

풍력 에너지를 태양열 및 배터리와 통합하고 종종 함께 배치하는 것은 에너지 시스템의 미래에 중요하며, 이의 일부는 풍력 에너지를 여러 규모에서 사용할 수 있도록 하는 것이다. 유틸리티 규모의 풍력은 태양열 및 배터리 저장 장치와 함께 점점 더 많이 설치되고 있지만 소형 터빈 설계, 저소음 블레이드, 경량 소재 및 수직축 구성의 발전은 특히 주거 및 상업 환경에서 소규모 풍력 에너지의 확장에 기여할 것이다.

 

부분의 합보다 더 큰

오늘날 풍력 터빈의 가장 중요한 특징은 모든 규모에서 태양광 및 배터리와 완벽하게 통합될 수 있다는 것이다. 풍력은 그 자체로 전기의 보충 형태에 불과할 수 없다. 바람 자체가 간헐적이라는 피할 수 없는 사실 때문이다. 항상 불지는 않으며 일부 지역은 다른 지역보다 더 많이 불기도 한다. 그러나 통합된 SWB 시스템은 풍력을 지구상의 다른 어떤 에너지 시스템보다 훨씬 더 깨끗하고 저렴하며 풍부한 글로벌 에너지 시스템의 기반으로 끌어올린다.

 

풍력 터빈과 함께 태양광 패널과 배터리 에너지 저장은 모두 발명된 이후 지난 100년 동안 비용과 성능 면에서 모두 개선되었다. 이 세 가지가 모두 융합된 지금인 2020년대에 이르러서야 SWB 시스템을 전 세계에 유틸리티 규모로 신속하고 비용 효율적으로 배포할 수 있게 되었다.

SWB 시스템은 부분의 합보다 더 큰 것입니다. 태양광과 풍력은 모두 간헐적인 에너지원인 태양과 바람에 의존하지만, 이들은 상호 보완적인 경향이 있다. 종종 바람은 태양이 비치지 않을 때, 예를 들어 밤이나 폭풍우 때와 그 반대의 경우에 불고 있다. 각각은 에너지 생성에 큰 빈틈을 남길 수 있지만, 함께라면 일년 내내 훨씬 더 일관되게 발전한다. 배터리 저장은 이를 매끄럽게 하는 마지막 요소로, 태양과 풍력 에너지를 사용할 수 있을 때 저장하고 사용할 수 없을 때 방출한다. SWB 시스템을 구축할 때 핵심은 해당 지역의 태양과 풍력 자원을 고려하여 일년 중 가장 어려운 기간 동안 적용 범위를 보장할 만큼 충분한 발전 및 저장 용량을 구축하는 것이다. 이러한 균형이 적절하게 이루어지면 이러한 에너지 시스템은 나머지 기간 동안 유용하고 잉여 에너지를 엄청나게 생산하여 국가 전체, 마을 또는 단일 가구를 살펴보든 번영을 개선할 수 있다.

 

풍력 터빈(및 태양광 패널, 배터리)의 규모, 성능 및 다양성이 극적으로 증가함에 따라 이전에는 불가능했던 일이 이제 가능해졌다. 혁신은 누군가의 앞마당에 전구 몇 개만 켜던 겸손한 풍력 터빈을 바다 위로 축구장 크기의 날개를 휘두르며 온 나라에 전력을 공급하는 것으로 바꾸었다. 이러한 현대의 강국은 똑같이 인상적인 현대의 태양광 패널과 배터리와 결합하여 기존의 화석 연료를 파괴함으로써 글로벌 에너지 시스템을 변화시킬 수 있는 역량을 갖추고 있다. 그리고 그들은 누구도 예상하지 못한 속도로 그렇게 할 것이다.