에너지의 미래

에너지의 디지털화

필요한 시기에 필요한 장소에서 전력을 얻으려면 어떻게 해야 할까요?

중국이나 인도 같은 나라의 급격한 경제 성장으로 지구 전체의 에너지 소비는 2030년까지 최소 50% 이상 증가할 것으로 예상됩니다. 대규모 성장은 대부분 예전에 전기가 공급되지 않았던 원격지에서 일어나고 있습니다. 또한 기존에 전기 발전을 위해 의존하던 에너지원은 점점 부족해지고 있습니다. 이러한 모든 상황으로 인해 우리는 새로운 에너지원과 새로운 송전 방식을 공격적으로 찾아 나설 수밖에 없습니다.

재생에너지, 태양이 비추지 않거나 바람이 불지 않을 때 사용할 수 있도록 전력을 저장하는 혁신적인 수단을 찾고 이를 최대한 활용하기 위한 노력이 계속되고 있습니다. 이러한 목표를 달성하려면 소프트웨어와 센서, 전자 미터기, 인터넷을 사용하여 정보를 관리함으로써 전기 공급과 수요를 보다 효율적으로 처리하고 필요한 시간과 장소에 전력을 공급할 수 있는 스마트그리드가 필수적입니다.

다음 동영상과 기사, 인포그래픽에서는 전 세계의 전력 공급 방식을 변화시키기 위해 에너지 산업에서 추진하고 있는 거대한 변화 과정을 살펴봅니다. 이러한 변화는 중요한 의미를 가지며 우리가 전기를 생산하고, 측정하고, 수익화하고, 소비하고, 통제하고, 저장하고, 거래하고, 전송하는 모든 방식에 영향을 줄 것입니다. 스마트그리드는 이 과정에서 어떤 역할을 수행할까요? 3DEXPERIENCE 플랫폼은 기업이 에너지를 보다 효율적으로 생성 및 제공하며 협업 및 혁신하는 방법을 재고하는 데 어떤 도움을 줄까요?

태양 발전의 시대가 시작되었는가?

2035년 지구의 열대 지역과 사막 지역에 설치된 거대한 태양 전지판은 태양에너지를 모아 전기를 생산하고, 이를 무선 송전 방식의 ?대적인 스마트그리드로 전송할 것입니다. 일몰 후 야간에도 발전을 계속할 수 있도록 충분한 에너지가 저장될 것입니다.

수백만 가구와 사무실에서는 낮 시간 동안 저렴하고 효율적인 태양열판과 발전창으로 직접 소규모의 에너지를 생산할 수 있습니다. 사람들은 2010년에 주요 자동차업체인 Audi, BMW, Toyota, Honda 등이 개발한 무공해 자동차를 운전하며, 이 자동차는 태양에너지를 통해 폐수를 수소와 산소로 분리하여 얻는 수소 연료로 달립니다. 밤이 되면 궤도를 비행하며 24시간 끝없이 햇빛이 비치는 우주에서 에너지를 모아 이를 전자파 또는 레이저 광선을 통해 지면의 거대 수신기로 보내는 거대 태양 전지판 덕분에 반짝이는 별들 속에서 새로운 빛을 보게 될 것입니다.

공상 과학 영화 이야기 같다고요? 머지 않은 일입니다. 태양 발전의 개념과 지구의 주요 전력원이 될 수 있는 태양 발전의 잠재력은 기후 변화의 위협과 손쉽게 활용 가능한 화석 연료의 고갈 문제가 발생하기 훨씬 전부터 뿌리를 내렸습니다. 최초의 태양 전지는 1883년에 개발되었고, 작가 아이작 아시모프는 1941년에 발간한 단편소설 <Reason>에서 전자파 광선을 사용해 대량의 태양에너지를 지구로 쏘아 보내는 우주 정거장을 묘사한 바 있습니다. 미국 과학자 피터 글레이저는 1968년에 아시모프의 꿈을 현실로 이루기 위한 계획을 세웠지만, 당시의 기술적 한계에 봉착하여 단념했습니다.

태양 발전의 세계를 위한 기술은 이미 완성 단계에 이르러, 태양 발전이 햇빛이 많은 지역에서 그렇지 못한 지역으로의 장거리 전송 문제, 일몰 후 발전을 지속하는 데 필요한 저장 수단의 문제를 극복하지 못할 것이라는 주장은 점점 힘을 잃어가고 있습니다.

예를 들어 중국은 이미 태양 발전 시설이 풍부한 지역에서 전국의 광활한 영토로 전력을 분산 공급하기 위한 고전압 전선망을 구축하고 있습니다. 이 아시아의 대국은 2015년 1분기에만 5기가와트의 태양열 발전 용량을 기존 설비에 추가하였습니다. 이는 프랑스와 같은 주요 유럽 국가의 전체 태양에너지 공급 규모에 육박합니다.

저장 수단의 경우 세계적으로 두 가지 방법이 성공적으로 실용화되고 있습니다. 그중 하나는 태양에너지로 용융염을 만들고 용융염의 열 지속력으로부터 밤새 전기 터빈을 가동시킬 동력을 얻는 것입니다. 햇빛을 이용해 가스를 압축했다가 일몰 후 이를 방출하여 터빈을 돌리는 태양열 발전소도 있습니다.

더욱 높게

우주에 발전소를 차린다는 아이디어는 해가 진 후에도 전기를 생산하려면 어떻게 해야 할지에 대한 매우 급진적인 발상에서 기인합니다. 일본과 중국은 모두 기존의 유사한 프로젝트를 축소판으로 기획하여 2030년까지 우주 기반 태양열 발전(SBSP) 정거장을 띄울 계획입니다. 중국과학원의 Wang Xiji는 "우주 발전소가 경제적 가치를 가지려면 전체 태양 전지판 면적이 5~6제곱킬로미터에 달할 정도로 거대한 규모여야 합니다"고 말합니다.

그렇다면, 발전소를 우주에 세워야 하는 이유는 무엇일까요? 주된 이유는 우주에서 다량의 태양 광선을 24시간 얻을 수 있기 때문입니다. 지구에 도달하는 태양에너지는 지구의 대기에서 반사 및 흡수되어 60% 이상 손실된다는 점을 감안하면 더욱 엄청난 양입니다. 중국의 우주 엔지니어 Duan Baoyan은 "우주에 태양 전지판을 설치하면, 지표면에서 사용하는 것보다 단위 면적당 10배에 달하는 전기를 생산할 수 있습니다"라고 말합니다.

SBSP를 실제로 사용하는 데는 여러 가지 큰 문제가 있습니다. 특히, 초강력 광선이 지표면의 토지를 태워버리지 않도록 매우 세밀하게 에너지를 전송할 수 있어야 합니다. 일본 JAXA 우주국의 Yasuyuki Fukumuro는 "전기를 전자파로 전송할 경우 이를 지표면의 수신 영역에 정확하게 전송해야 하는 과제를 해결해야 합니다. 36,000km의 고도에서 지표면으로 3km 직경의 전자파를 전송하는 것은 마치 바늘구멍을 통과하는 것과 같습니다"라고 말합니다.

일본의 Shimizu Corporation은 훨씬 더 놀라운 SBSP의 대안을 제시합니다. 바로 11,000km에 달하는 달 표면 둘레를 400km 너비의 태양 전지 벨트로 감싸는 것입니다. '달의 고리'라는 별명의 이 띠는 지구의 에너지 수요를 즉시 충족해줄 것입니다.

또 다른 당면 과제는 우주의 혹독한 환경에서 시스템을 유지보수하는 방법과 SBSP 정거장을 궤도에 진입시키는 방법을 도출하는 문제입니다. 상업적으로 실현 가능한 우주 발전소의 무게는 10,000톤이 넘지만, 현재 로켓으로 운송할 수 있는 최대 무게는 100톤 정도에 불과합니다.

SBSP 정거장을 건설하기 위해서는 수많은 커다란 문제를 해결해야 하며, 이는 1960년대 인류 최초의 우주 탐험을 방불케 합니다. 인간이 우주에 나가야 할 이유가 무엇인지 의문을 제기하는 이는 많지만, 우주와 관련된 각종 어려움을 극복함으로써 얻을 수 있는 무한한 기술과 지식의 잠재력은 현대 사회에서도 적잖은 반향을 불러일으킵니다.

지상관제

SBSP 정거장은 기술을 통해 새로운 한계에 도전하는 개척자 정신을 불러일으키지만, 실질적인 잠재력은 지표면에서 개발되는 기술에 있습니다. 날씨에 따라 달라질 수는 있지만, 지구 표면에는 인간의 전력 수요를 몇 번이나 채우고도 남을 만큼 많은 양의 태양에너지가 도달합니다. 영국의 선도적 에너지 전문가들이 발표한 2015년 글로벌 아폴로 프로그램에 따르면, 태양은 현재 인간이 사용하는 에너지의 약 5,000배에 해당하는 에너지를 지구 표면에 공급하고 있습니다.

게다가 태양열 전기는 해가 지날수록 꾸준히 가격이 내려가고 있습니다. 태양 전지판의 가격은 25년 전에 비해 20분의 1로 떨어졌지만 효율은 더 높아졌습니다. 현재의 실리콘 기반 패널은 햇빛의 약 20%를 전기로 변환하는데, 이는 초기 패널의 3배에 해당하는 수준이며, 갈륨비소(실리콘보다 전도율이 높음)와 같은 화합물 기반의 새로운 패널은 전기 변환율이 이보다 더 높습니다. 태양 전지판의 최종 효율은 재질의 반사와 전도성으로 인한 에너지 손실과 같이 다양한 요인으로 인해 물리적 한계(쇼클리-퀘이서 한계)를 가질 수밖에 없습니다.

그렇다면, 현재 태양에너지로 공급되는 전기가 전체 수요의 1%에 불과한 이유는 무엇일까요? 글로벌 아폴로 프로그램 및 MIT 2015 보고서 '태양에너지의 미래'에 따르면 주원인은 기술적 제약이 아니라, 거대 화석 연료 사업의 기득권에 기인한 정치적 관성과 부족한 투자에 있습니다. 이들의 주장에 따르면, 정부가 막대한 규모의 보조금을 투입함으로써 화석 연료로 생산되는 전기의 실제 비용 산정이 상당히 모호해지고, 이러한 발전 방식으로 인한 환경적 비용과 건강에 대한 위해 비용이 제대로 부과되지 않는다고 합니다.

다쏘시스템의 에너지, 프로세스 및 공공부문 산업총괄 부사장인 Stéphane Declée에 따르면 문제의 또 다른 본질은 "입법자와 규제 및 기술 기업 간의 불일치"에 있습니다.

"고객은 변화하는 규제와 요건에 맞춰 적응해야 합니다. 태양에너지 기업은 당사의 3DEXPERIENCE 플랫폼을 사용해 자사 솔루션의 실행 가능성과 안전성을 규제 및 금융 기관, 지역 사회와 미디어를 비롯한 수많은 관계자들에게 입증할 수 있습니다."

Declée에 따르면, 또 다른 어려움은 "태양열과 같이 간헐적인 재생 가능 에너지원의 비율이 높아지고 있지만, 고객의 수요가 급증하는 시기에는 생산량이 수요를 따라가지 못할 수 있다"는 점입니다. Declée가 언급한 해결책은, 예를 들어 나중에 사용하기 위해 재생에너지의 일부를 저장하는 스마트그리드와 같이 수요를 유연하게 조절하고 간헐적 공급의 균형을 맞춰 수요를 보다 정확하게 통제할 수 있는 시스템을 개발하는 것입니다.

생생한 사례

중국 또는 일본 등의 국가에서 진행하는 프로젝트와 함께 수많은 기업이 보다 효율적이고 비용 효율적인 방식으로 에너지를 생산 및 저장하기 위한 혁신 프로그램을 진행 중입니다. 애리조나의 거대한 Solana 공장은 미래의 태양열 발전을 위한 집광형 태양열(CSP)의 좋은 예입니다. 이곳에 설치된 3,000장의 거대한 유리 거울은 사막의 광선을 집중시켜 물을 증기로 가열하고 이 증기가 거대 터빈을 돌려 약 7만 가구에 공급할 수 있는 대량의 에너지를 생성합니다. Solana의 거대한 탱크 안은 용융염으로 채워져, 일몰 후 6시간 동안 터빈이 완전히 가동할 수 있도록 낮 시간에 충분한 열을 저장해 둡니다. 이러한 성능을 보면, 2018년에는 전 세계의 CSP 발전소 수가 2배로 늘어날 것이라는 전망도 놀랍지 않습니다.

소규모의 기술 발전 역시 태양열 발전의 미래로 가는 길을 마련해줍니다. 새로운 투명 폴리머 태양열 전지(PSC)는 적외선을 흡수하는 동시에 가시광선을 통과시켜 전기를 만드는 '태양열 창'의 기본 기술이 되었습니다. PSC를 개발한 UCLA 팀의 리더 Yang Yang은 "우리가 개발한 PSC는 가볍고 유연하며 저비용으로 대량 생산이 가능하다"고 설명합니다. "태양열 창은 그야말로 판도를 바꾸는 아이디어죠."

운송 산업의 판도 역시 변화하고 있습니다. 2015년 Solar Impulse 비행기는 주류 항공사가 태양열을 활용한 수소 연료를 사용할 가능성이 높다는 점을 보여줌으로써 전 세계 태양 발전의 진일보에 서광을 비추었습니다. 전기 자동차는 태양열로 만들어진 수소 연료를 사용하며 이미 도로 위에서 존재감을 드러내고 있습니다. 독일의 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems 연구소장 Eicke Weber는 태양 발전 수소 '펌프'에서 단 5분간 충전하여 300km를 달릴 수 있는 자동차를 운행하고 있습니다.

기존의 기술은 이미 태양열 발전의 미래로 가는 길을 닦아 놓았으며, 우주 정거장에서는 최고의 엔지니어들이 현재의 기술적 한계를 초월하기 위한 과제에 도전하고 있습니다. 이제 우리에게 필요한 것은 이 잠재력 있는 에너지 혁명에서 태양이 밝게 빛나게 해줄 정치 및 경제적 우선순위를 해결하는 일뿐입니다.

여러 개의 점을 연결하고 미래에 이룰 수 있는 일들의 명확한 비전을 공유하는 다쏘시스템과 함께라면 태양 발전의 미래에 대한 꿈이 좀 더 빠르게 현실로 이뤄질지도 모릅니다.

동영상, 인포그래픽 및 기사는 본래 bbc.com의 특집 광고로 방영되었으며 BBC 상업 광고 제작 팀이 다쏘시스템과 제휴하여 제작한 것입니다.