20세기 들어 부족한 에너지 자원을 효율적으로 활용하기 위해 개발되기 시작된 ‘에너지 하베스팅(Energy harvesting)’ 기술은 최근의 에너지 문제와 맞물려 거의 1세기가 지난 오늘 날에 이르러 다시 한 번 주목을 받고 있다.

특히, 에너지 하베스팅 기술은 학계와 산업계 전반에 걸친 지대한 관심과 집중적인 연구개발로 과거의 기술 수준과는 비교할 수 없을 정도로 하루가 다르게 급성장하고 있는 상황이다.

에너지 하베스팅이란 ‘수확한다’라는 뜻을 가진 영단어 ‘harvesting’의 의미처럼 주변에서 버려지는 에너지를 수확해 사용 가능한 전기에너지로 변환하여 이용하는 시스템을 말한다. 이 산업이 스마트그리드 및 유비쿼터스의 발전과 맞물려 에너지 산업에서 커다란 비중을 차지할 것으로 예상되고 있다.

주변 모든 것에서 에너지를 확보하는 기술

최근 에너지산업 전문 매체인 ‘에너지 하베스팅 저널(energy harvesting journal)’은 ‘에너지 하베스팅 기술의 개발과 도전, 그리고 미래’라는 제목의 심층보도를 통해 에너지 하베스팅 기술의 오늘과 내일을 재조명하는 기회를 가졌다. 

에너지 하베스팅 저널은 에너지 하베스팅에 대해 압전 재료의 진동을 이용하는 것 외에도 태양과 온도변화, 소음과 같이 주변에 흩어져 있는 환경에서 에너지를 생산할 수 있는 기술이라고 소개하고 있다. 또한 하베스팅 시스템의 신뢰성과 출력 성능이 개선되기 위해서는 요소 기술들의 기술적 융복합이 이뤄져야 앞으로 에너지 시장 발전을 견인할 수 있을 것으로 전망했다.

에너지 하베스팅은 현재 선진국을 중심으로 정책적 보급이 촉진되고 있다. 실례로 영국은 모든 학교 교실에 CO 센서를 설치하도록 의무화하는 새로운 법률을 제정했고, 미국은 2007년 부터 모든 신차에 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS) 장착을 의무화해 센서 및 시스템에 에너지 수확 기술을 적용하는 연구를 추진중이다.

에너지 하베스팅의 대표 기술, 압전 발전

에너지 하베스팅 기술 중에서도 가장 기술개발이 활발한 분야는 압전 하베스팅(Piezoelectric harvesting) 기술이다. 여기서 압전이란 압력이나 진동과 같은 일상적인 동작만으로도 전력을 얻을 수 있는 것을 말한다.

그동안 압전 하베스팅 기술은 낮은 출력 때문에 경제성이 낮다고 인식되어 왔다. 그렇지만 최근 들어 초절전 반도체 기술들이 비약적으로 발전하면서, 에너지 하베스팅 분야에 획기적인 기여를 할 것으로 전망되고 있다.

신발에 장착한 압전 발전기가 단위체적당 330μW를 출력한다는 분석결과에서 보듯, 압전 하베스팅 기술은 이미 마이크로와트(μW)급의 파워 출력이 가능하다는 것을 증명하고 있다. 수년 안에 밀리와트(mW)급의 압전 에너지 하베스팅 기술로 향상될 것으로 보인다.

특히, 이러한 에너지 압전 하베스팅 시스템은 전자노이즈가 발생하지 않을 뿐만 아니라 반영구적으로도 사용할 수가 있어 효과적이면서도 바람직한 대체 에너지 기술로 재조명받고 있다.

다만 압전 발전기가 안고 있는 문제라면 최적의 공진 주파수를 만들어내는 것이다. 공진 주파수에서 약간만 벗어나도 에너지 생산 효율은 급격히 감소하는 특성이 있기 때문에 이런 특성을 개선하기 위한 연구가 미국이나 유럽의 연구기관을 중심으로 현재 활발히 진행 중이다.

열과 풍력 등 다양한 하베스팅 분야

에너지 하베스팅 기술에서 압전 발전 만큼이나 기술개발 속도가 빠른 분야가 바로 열전 하베스팅(Teermoelectric harvesting) 기술이다. 열은 우리 주위의 여러 장소에서 사용되고 버려지는 만큼 회수율도 더 높을 것으로 기대하고 있다.

열전 하베스팅은 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 기술이다. 고온부분과 저온부분의 온도 차에 의해 열이 이동할 때 발생하는 에너지를 전기에너지로 변환하는 것이 바로 열전 하베스팅의 기본 개념이다.

온도 차는 어떤 곳에서도 존재하기 때문에 자연계에 있는 열인 태양열과 해양열, 그리고 지열과 인체열 등을 모두 이용할 수 있다. 그 밖에도 공업 폐열과 자동차 폐열, 쓰레기소각 폐열 등 인공적인 열도 사용이 가능하기 때문에 열전 하베스팅의 이용한도는 거의 무한대라는 것이 전문가들의 공통된 의견이다.

이와 관련하여 일본의 이화학연구소는 최근 아침부터 저녁까지 태양광의 열에너지를 높은 효율로 회수하여 축열탱크에 저장된 물을 가온하고, 필요에 따라 이 열을 방출시켜 발전과 급탕할 수 있는 열전병합시스템을 개발했다고 발표했다.


이화학연구소의 발표에 따르면, 이번에 개발된 시스템은 태양광 추적장치 및 구동부가 필요하지 않은 태양광 열회수 시스템으로, 태양광을 전기에너지로 변환하는 시스템의 비용 대비 효과를 크게 개선할 수 있을 것으로 보고 있다.

이 밖의 에너지 하베스팅 기술로는 풍력과 파력 에너지가 각광을 받고 있지만 이들 기술은 경제성 면에서 아직 해결해야 할 부분이 많이 남아있는 분야다. 

풍력 에너지의 경우 현재의 기술로는 설계와 제작, 그리고 조립과 운송에 따른 제약 때문에 120m가 훨씬 넘는 지름의 회전장치를 가진 터빈을 제작하기가 쉽지 않다. 폭이 더 넓고 긴 풍력발전용 블레이드의 경우, 이동시키고 조작하기가 더 단단한 유리섬유를 만드는 비용에 수백만 달러가 소요되기 때문이다.

이런 문제들은 현재 GE사가 개발중인 새로운 소재에 기반을 둔 기술을 통해 해결이 될 것으로 기대하고 있다. 풍력발전용 블레이드를 제작하는 이 새로운 접근법을 통해 부품은 현장에서 건설되고 조립되기 때문에 더 이상 제작과 수송 상의 제약 때문에 풍력발전이 어렵다는 말은 나오지 않을 것이라는 게 회사 측의 설명이다.

이 외에도 파력을 이용한 하베스팅 기술은 Neptune Wave Power사가 개발한 파력에너지 변환장치(WEC, Wave Energy Conversion)가 중요한 결과를 거둬 관심을 모으고 있다. 이 장치는 어레이(array) 형태로 설치되어, 다양한 분야의 수요를 만족시키도록 크기들이 완벽하게 조정할 수 있는 것으로 알려졌다.