세상에서 가장 강한 바람을 찾는 연

바람이 가장 빨리 부는 높이에서 풍력 에너지를 수확하려면 연을 날리는 것이 핵심일 수 있습니다. 모리셔스의 백사장을 올려다보면 거대한 돛을 볼 수 있습니다. 패러글라이더나 카이트 서퍼가 사용하는 것과 비슷하지만 침실이 3개 있는 아파트 크기로 머리 위로 8자형이 반복됩니다. 돛은 관광명소가 아니라 아프리카 동부 해안에 있는 이 섬나라의 전력망에 전기 를 공급하고 있습니다.

독일 회사 SkySails Power가 2021년 12월에 출시한 거대한 날개는 세계 최초의 완전 자율 상용 "공중 풍력 에너지" 시스템입니다. 회사는 지난 2개월 동안 일반적으로 최대 50가구에 전력을 공급할 수 있는 100kW라는 목표에 약간 못 미치는 전력을 공급하고 있다고 밝혔습니다. 이것은 섬의 전력 수요의 아주 작은 부분에 불과하지만 SkySails는 이것이 앞으로 일어날 징조가 되기를 희망합니다.

전 세계가 순배출 제로(net-zero emission)를 향해 나아가면서 미래 전력 생산을 위한 거의 모든 경로에서 풍력의 큰 역할이 예상됩니다. 국제 에너지 협회 ( International Energy Association)는 풍력 에너지가 2050 년까지 11배 급증할 것으로 예측하고 있으며, 풍력과 태양열이 함께 지구의 전력 수요의 70%를 차지할 것으로 예상합니다. 전 세계적으로 들판과 장식용 능선을 장식하는 풍력 터빈의 수가 증가함에 따라 풍력 발전 비용은 지난 10년 동안 약 40% 하락했습니다.

높은 고도에서의 풍력 발전의 이론적 전지구적 한계는 지상에서 수확할 수 있는 것보다 약 4.5배 더 큰 것으로 추정되었습니다.

그러나 일부 전문가들은 이러한 거대한 터빈이 항상 최상의 솔루션은 아니라고 말합니다. 비용이 많이 들거나 원격 위치나 깊은 물에 설치하는 것이 물류상 불가능할 수 있으며 바람이 가장 세게 부는 높은 높이에 도달할 수 없습니다. 이 지점을 수확하려면 연을 날리는 것이 핵심일 수 있습니다. 수십 개의 회사와 소수의 학술 기관이 현재 과다한 항공 옵션을 조사하고 있습니다. 연줄을 잡아당기고 잡아당기는 부드러운 날개부터 유용한 에너지로 변환하는 부드러운 날개부터 전기를 밧줄로 운반하는 선상에서 터빈과 발전기를 운반하는 복잡한 고정 선박에 이르기까지 다양합니다.

지상에 연결된 연은 강하고 안정적인 바람에 접근하기 위해 기존 터빈보다 더 높이 도달할 수 있는 가능성이 있습니다(제공: SkySails Group)

2019년에 설립된 산업 협회 Airborne Wind Europe의 이사인 밀라노 폴리테크닉 대학의 엔지니어인 Lorenzo Fagiano는 항공 시스템에는 몇 가지 주요 이점이 있다고 말합니다. 일부 국가에서는 풍력 발전 단지에 적합한 토지가 점점 좁아지고 있습니다. : 풍력 발전소는 일반적으로 메가와트를 생성하기 위해 무려 71에이커(29헥타르)가 필요하며, 화석 연료 플랜트의 경우 12에이커(5헥타르)가 필요하며 이상적인 위치는 결국 고갈될 것입니다. 델라웨어 대학의 바람 연구 센터 소장인 크리스티나 아처(Cristina Archer)는 "최초의 농장은 가장 좋은 위치에 있고 가장 좋은 위치는 제한되어 있습니다.

또한 일반적으로 높이 올라갈수록 바람이 빨라집니다. "풍속이 2배 증가하면 출력은 8배가 됩니다."라고 Fagiano는 말합니다. 공중 시스템은 가장 높은 풍력 터빈의 200~300m(660~980피트) 팁보다 훨씬 높은 800m(0.5마일) 높이까지 도달할 수 있습니다. 높은 고도에서 풍력 의 이론적인 전지구적 한계 는 지상에서 수확될 수 있는 것보다 약 4.5배 더 큰 것으로 추정되었습니다.

 

Fagiano는 연 날개를 원격 위치로 가져오는 것이 상대적으로 저렴하고 쉽습니다. 이러한 시스템은 컨테이너로 제공되며 도로나 부두가 있는 곳이면 어디든지 떨어뜨릴 수 있습니다. 그들은 또한 전통적인 풍력 터빈이 견고하게 서 있을 수 없는 깊은 물에서 정박된 바지선에 묶일 수 있습니다. 높이 조절이 가능하여 계절에 따라 바람이 가장 많이 부는 곳이면 어디든지 위아래로 움직일 수 있습니다. "정말 좋은 생각입니다."라고 Archer는 동의합니다. "매력은 재료와 비용면에서 단순합니다."

그러나 연은 기존 풍력을 대체하지 않을 것이라고 Archer는 덧붙입니다. 옹호자들은 멀리 떨어진 심해의 바지선에 떠다니는 수백 개의 연을 호스팅하는 풍력 발전소를 구상하고 있으며, 단일 날개 또는 더 작은 어레이는 산에서 외딴 섬, 임시 군사 시설 또는 광산 작업에 전력을 공급하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이러한 아이디어는 수십 년 동안 존재해 왔지만 바람 에너지를 포착하기 위해 연, 날개 또는 드론을 사용하는 경로는 험난했습니다. 예를 들어, 2020년 Google이 인수한 항공 풍력 에너지 회사는 기술 상용화 문제로 인해 사업을 접었습니다 . 그러나 SkySails와 같이 더 가볍고 단순한 버전의 기술을 추구하는 다른 기업은 이제 상업화되고 있습니다. 의회에 제출 한 2021년 미국 에너지부 보고서 는 공중 풍력이 많은 잠재력을 가지고 있다고 결론지었습니다. 이러한 시스템은 미국의 지상 기반 풍력 시스템과 같은 규모의 에너지를 수확할 수 있을 것 같습니다. 그러나 보고서는 이 기술이 국가 에너지 솔루션의 중요한 부분이 되기까지는 갈 길이 멀다고 덧붙였다.

해양 산업은 대형 선박의 연료 사용을 줄이기 위해 연을 사용하는 데 관심을 보이고 있습니다 (Credit: Alamy)

SkySails는 실제로 다른 목적으로 2001년에 시작되었습니다. 바로 바다에서 배를 끌기 위한 부드러운 연 날개를 만드는 것이었습니다. 해운 산업은 전통적으로 벙커 연료 라고 하는 오염된 원유 화석 연료에 의존해 왔으며 날개가 옛날 돛과 마찬가지로 선박의 연료 요구 사항을 극적으로 줄이는 데 도움이 될 수 있다는 아이디어였습니다.

이제 선박에 대한 UN의 국제해사기구(International Maritime Organization)의 요구사항이 더욱 엄격해짐에 따라 Airbus에서 분사 한 회사를 비롯한 다른 회사 들이 거대한 선박을 예인하는 데 도움이 되는 날개를 만들고 있습니다. 그러나 2015년으로 돌아가서 SkySails는 SkySails Power를 통해 전기를 생산하는 데 초점을 옮겼습니다.

개발 중인 다른 여러 시스템과 마찬가지로 SkySails의 시스템 은 바람을 타기 위해 약 150제곱미터(1,600제곱피트)의 낙하산 모양 날개에 의존합니다. 공중에는 터빈이 없고 밧줄도 전선이 아닙니다. 대신, 에너지는 줄의 잡아당김에서 지상에서 생성됩니다. "윈치의 브레이크가 전기를 생성하고 있습니다."라고 Fagiano는 말합니다. 소프트웨어는 에너지를 생산할 수 있는 가장 강력한 힘을 얻기 위해 8자 모양의 패턴으로 자동으로 연을 날립니다. 그런 다음 이 시스템은 날개의 비행 패턴을 변경하여 저항을 최소화하여 끌어당길 수 있도록 하여 약간의 에너지를 소비하여 다시 감습니다. 이 패턴이 반복되어 소비하는 것보다 훨씬 더 많은 에너지를 생성합니다.

간단하게 들리고 발전 시스템은 꽤 표준적입니다. 그러나 SkySails의 최고 기술 책임자인 Stephan Brabeck은 특히 날개가 자동으로 안전하게 착륙하고 발사될 수 있도록 비행 소프트웨어를 완성하는 데 팀이 약 7년이 걸렸다고 말합니다. 그들은 현재 5개의 유닛을 만들어 판매했다고 Brabeck은 말합니다 . 그들은 폭우, 부적절한 바람 또는 뇌우 때문에 날개가 일년에 약 14번 착륙해야 한다고 생각합니다. 항공 우주 엔지니어인 Brabeck은 공중 시스템이 지상에 숨어 있든 없든 간헐적으로 발생하는 허리케인이 이 섬을 전통적인 풍력 터빈에 적합하지 않게 만드는 원인이라고 말합니다.

Brabeck은 돛이 기존 터빈보다 스카이라인을 덜 거슬리고 더 조용하다고 말합니다. 그리고 현재 디젤 발전기에서 킬로와트시당 0.30달러(23p) 이상을 지불하고 있는 사람에게는 경제적으로 타당하다고 그는 말합니다. 하지만 도전 과제가 있습니다. 풍력 터빈은 이동하는 새를 죽이거나 다칠 수 있으며 새가 이러한 연에 어떻게 반응하는지 "아직 잘 연구되지 않았습니다"라고 Fagiano는 말합니다. SkySails는 연구를 진행 중입니다. Archer는 그러한 시스템의 밧줄이 이론적으로 드론이나 심지어 소형 항공기를 넘어뜨릴 수 있다고 말합니다. 밧줄이 끊어지거나 안내 시스템이 고장나면 시스템이 땅에 떨어질 수 있습니다.

부드러운 날개에게는 별 문제가 아닐 수도 있지만 다른 회사에서는 패러글라이더보다 행글라이더처럼 단단한 날개를 추구하고 있습니다. 이것들은 더 효율적이고 더 나은 통제력을 가질 수 있지만 충돌은 더 큰 문제가 될 수 있으므로 연안에서 사용하기에 더 좋습니다. "기본적으로 그것들은 항공기입니다."라고 Fagiano는 말합니다. "그들은 민간 항공기에 가까운 수준의 신뢰성에 도달해야 할 것입니다."

단단한 날개를 가진 공중 시스템도 전력을 생산할 수 있지만 추락할 경우 더 큰 위험이 따릅니다(제공: Alamy)

세 번째, 보다 야심찬 옵션은 무거운 풍력 터빈과 발전기가 탑재된 단단한 날개 드론을 만들고 전기를 밧줄로 보내는 것입니다. 이 옵션은 더 일관된 에너지를 생산하지만(에너지 생산과 에너지 소비 사이를 순환할 필요 없이), 분해하기 어려운 너트입니다.

"우리는 많은 측면을 가진 완전히 새로운 기술에 대해 이야기하고 있습니다"라고 Fagiano는 말합니다. "새로운 터빈. 새로운 모든 것." Google은 2013년 Makani Technologies가 주도하는 그러한 프로젝트 중 하나를 선택했습니다. 그들은 몇 가지 성공적인 테스트 실행을 수행했지만 경제성은 합산되지 않았고 2020년에 Makani 프로젝트 는 중단되었습니다 . Google 은 경험에 대한 YouTube 동영상을 공개하고 Makani의 모든 R&D 및 특허를 무료로 제공 했습니다.

많은 다른 회사들이 현재 Google이 중단한 부분을 다시 시작하거나 더 나은 솔루션을 찾기 위해 경쟁하고 있습니다. 여기에는 카리브해에서 프로젝트가 있는 네덜란드 기반 Kitepower 와 메가와트 규모 시스템을 만드는 것을 목표로 하는 노르웨이 기반 Kitemill이 포함됩니다 . 다른 사람들은 동일한 원리로 작동하는 유사한 시스템을 설계하고 있지만 공중 대신 수 중에서 바람 대신 해류를 사용하여 8자형 잠수함 글라이더를 운전합니다. SkySails는 시스템이 연안으로 이동하기 전에 미국 중서부에서 공중 풍력 발전 단지의 개념을 테스트할 계획입니다. Brabeck은 "많은 공간이 필요합니다.

상업 활동이 증가함에 따라 가장 큰 장애물 중 하나는 규제라고 Fagiano는 말합니다. 영공 규칙은 이러한 날개를 수용하도록 설계되지 않았습니다. "그것은 닭고기와 계란입니다."라고 그는 말합니다. "기술이 없으면 규제를 하지 않는다. 규제가 없으면 기업이 자금을 조달하기 어렵다."

Fagiano는 "원격 위치에서 비용이 이미 꽤 경쟁력이 있는" 첫 상용 파일럿 제품을 출시했습니다. 공중 풍력 시스템이 대량 생산되기 시작하면 저렴한 에너지를 생산할 수 있다는 데 의심의 여지가 없다고 그는 믿습니다. "문제는 우리가 대량 생산에 도달할 수 있는지 여부입니다."라고 그는 말합니다.