신재생에너지원으로 주목받는 힘 ‘부력’

유체 위로 떠오르려는 힘 이용… 부력에너지저장시스템 개발

부력(buoyancy)은 물체를 둘러싼 유체가 물체를 위로 밀어 올리는 힘을 말한다. 기체나 액체 같은 유체 속에 물체가 존재할 때, 그 물체에는 중력(重力)과 반대인 위로 뜨려는 힘이 작용하는데 이를 부력이라고 하는 것이다.

물체에 작용하는 부력이 중력보다 크면 뜨게 되고, 작으면 가라앉게 된다. 예를 들어 무거운 배가 물 위를 떠다니거나, 물속에서 돌을 들어 올릴 때 힘이 덜 드는 이유는 바로 부력 때문이다.

무거운 쇳덩어리인 배가 뜰 수 있는 이유는 부력때문이다 ⓒ quora.com

액체인 물을 예로 들었지만, 기체인 공기 중에서도 부력은 작용한다. 공기보다 밀도가 큰 물체는 가라앉고 공기보다 밀도가 작은 물체는 뜨기 때문에 입으로 분 풍선은 바닥에 가라앉는 반면에 헬륨기체가 들어있는 풍선은 뜨게 되는 것이다.

이와 같이 부력은 자연에 존재하는 힘 중에 하나인데, 최근 들어 이 힘을 새로운 신재생에너지의 하나로 활용하려는 연구가 진행되고 있어 주목을 끌고 있다.

부력을 이용한 에너지 저장 시스템 개발

누근든지 한 번쯤은 물속에서 비치볼을 잡아 본 적이 있을 것이다. 비치볼은 약한 비닐 튜브안에 공기만이 주입되어 있는 단순한 형태이지만, 어느 누구도 비치볼을 물 아래로 끌고 들어갈 수는 없다. 그만큼 ‘부력’은 강력한 힘을 갖고 있다.

이런 부력의 강력한 힘을 눈여겨 본 과학자들은 오스트리아에 위치한 국제응용시스템분석연구소(IIASA) 소속의 연구진이다. 이들 연구진은 부력을 이용하여 새로우면서 간단한 에너지 저장 시스템을 제안하여 과학계의 비상한 관심을 끌고 있다.

신재생에너지 연구를 맡고 있는 연구진의 가장 큰 고민은 에너지 공급이 간헐적으로 이루어진다는 이라는 것이다. 즉, 해당 시간의 에너지 공급이 그 시점의 수요를 반드시 충족할 필요는 없다. 예를 들어 태양광 발전의 경우 전력 수요가 낮은 낮에 발전량이 최고조에 달하여 에너지가 초과하는 시간과 에너지가 부족한 시간이 번갈아 가며 발생한다.

비치볼을 수면 아래로 넣으려고 하면 부력에 의한 저항을 받게 된다 ⓒ weebly.com

에너지 공급과 수요의 균형은 안정적인 에너지 시스템의 전제 조건이다. 간헐적인 재생 에너지 공급의 경우, 에너지를 저장하는 안정적이며 효율적인 방법이 이러한 기술의 성공적인 응용을 위해 매우 중요하다.

따라서 연구진은 신재생에너지 중에서도 간헐적 발전이 아닌 지속적 발전이 이루어질 수 있는 에너지를 중심으로 상용화 가능성을 연구하고 있다. 태양광이나 풍력이 간헐적 발전을 대표하는 신재생에너지라면 지열이나 파도처럼 1년 365일 내내 지속적으로 발전할 수 있는 에너지도 있다. 부력 역시 그런 지속적 발전이 가능한 에너지 중 하나다.

사각의 거대한 틀에 풍선 고정하여 부력에너지 생산

연구진이 구상하고 있는 부력에너지 모델은 앞에서 언급했던 비치볼의 사례와 유사하다. 공기를 넣은 비치볼을 수면 아래로 끌고 내려가 해저 바닥에 단단한 케이블로 묶어 둔다고 가정해보자. 부력을 받은 풍선은 수면 위로 올라가기 위한 힘이 발생하게 된다.

부력에너지는 바로 이처럼 유체 위로 떠오르려는 힘을 이용하는 에너지다. 풍선을 해저 바닥에까지 끌고 내려갔다가 이를 다시 수면 위로 보낼 때 발생하는 에너지를 저장하여 신재생에너지로 활용하는 것이다.

연구진은 이같은 원리를 이용하여 부력에너지저장시스템인 ‘BEST(Buoyancy Energy Storage Technology)’를 개발했다. 지름 10m 이내의 튼튼한 풍선들을 거대한 틀에 집어넣는데, 이 틀은 길이가 100m가 넘는 고밀도 폴리에틸렌 파이프로 이루어져 있다.

이렇게 구성된 틀은 에너지를 저장하고자 할 때, 해저 바닥으로 내려보낸다. 이후 저장했던 에너지를 사용할 시점이 되면, 풍선이 엮어져 있는 틀을 수면 위로 부상시키면서 발생하는 부력에너지를 전력으로 전환시킨다.

현재 연구진은 BEST 시스템을 활용하여 에너지 발생 비용을 MWh 당 50달러에서 100달러까지 낮추는 것을 목표로 하고 있다. BEST의 장점은 다른 신재생에너지들처럼 설치에 필요한 조건이 까다롭지 않다는 점이다. 일정 깊이의 바다라면 어디든 설치가 가능한 것이다.

IIASA 연구진이 개발한 부력에너지저장시스템의 구조도 ⓒ IIASA

물론 풍선이 견딜 수 있는 물리적 압력에 한계가 있는 만큼, 너무 깊은 바다는 에너지 생산에 부정적일 수 있다. 따라서 적당한 깊이의 바다가 부력에너지 생산에 최적의 장소인데, 여기서 적당한 깊이란 주로 연안의 얕은 바다 정도라는 것이 연구진의 설명이다.

이 외에도 BEST 시스템은 또 다른 장점을 갖고 있다. 바다를 무대로 에너지를 생산하는 시스템인 만큼, 부력에 의한 지속적인 에너지 저장 외에도 풍력에 의해 발생하는 에너지까지 저장할 수 있다는 점이다.

이에 대해 연구 책임자인 IIASA의 ‘줄리안 헌트(Julian Hunt)’ 박사는 “부력과 해상풍력은 모두 바다에서 일어나는 신재생에너지원들”이라고 밝히면서 “수면 아래에서 발생하는 부력을 통한 지속적인 에너지 확보와 함께 수면 위에서 나타나는 해상풍력에 의한 간헐적 에너지까지 확보할 수 있다”라고 강조했다.

한편 IIASA 연구진은 BEST 시스템의 풍선에 주입하는 기체를 공기가 아닌 수소로 대체하는 연구도 진행하고 있다. 수소를 사용하려는 이유에 대해 헌트 박사는 “수소는 밀도가 낮기 때문에 더 많은 부력을 만들 수 있다”라고 말했다.

특히 수소는 압축을 하는데 있어 상당히 많은 에너지가 들어가는데, 수소가 주입된 풍선을 해저 바닥으로 끌고 들어가면 강한 압력에 의해 수소를 압축시키는 과정이 수월하게 되므로 공기를 사용하는 것보다 더 많은 장점이 있다는 것이 연구진의 생각이다.

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