번개·태풍 모으면 돈된다
‘태풍 등 자연현상은 인류에 대한 위협이 아닌 새로운 기회다.’ 현재 인류는 땅속에 묻힌 동·식물의 유해가 화석화한 석유·천연가스 등 화석연료를 주로 사용하고 있다. 그러나 한국에너지기술연구원에 따르면 석유는 43년, 천연가스는 66.4년, 석탄은 328년 후면 각각 고갈된다. 물론 오일샌드(oil sand) 등이 추가로 개발되고 있지만, 화석연료는 환경오염의 원인인 만큼 효용 가치는 갈수록 떨어지고 있다. 이에 따라 인류는 원자력 등 대체에너지 개발에 이어 태양열·지열·풍력·조력 등 자연에너지로 눈을 돌리고 있다. 나아가 번개·태풍·지구자기 등 자연현상까지 에너지원으로 만들려는 연구에도 뛰어들 태세다. 정부도 최근 이같은 미개척 에너지분야에 대한 연구를 지원하겠다고 밝혔다.
●번개치면 100W 전구 10만개 1시간 ‘가동’
공기는 위로 올라갈수록 부피가 커지기(단열팽창) 때문에 온도가 하강, 구름(적란운)을 만들어낸다. 구름을 형성하는 작은 물방울과 얼음 알갱이들은 전기를 생성하는 힘(전하)을 갖고 있다. 얼음 알갱이 중 작은 것은 ‘-’극, 큰 것은 ‘+’극을 띠는데 서로 끌어당기면서 충돌, 순간적인 방전현상이 일어난다. 이것이 바로 번개다. 번개는 강력한 전하를 지닌 구름 덩어리가 다른 구름 덩어리와 만날 때에도 발생한다.
이처럼 번개는 반드시 구름이 있어야 한다. 따라서 상승기류에 의해 지상에서 증발하는 수증기가 많은 고온다습한 지역에서 번개가 많이 친다. 우리나라에서는 한강·낙동강·금강·영산강 유역 등이 대표적인 번개 발생지역이다.
또 번개는 물과 마찬가지로 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 때문에 전압이 높은 구름 사이에서 발생한 번개는 전압이 거의 없는 땅으로 떨어질 경우 벼락(낙뢰)이라고 한다. 기상청에 따르면 우리나라에는 매년 1300차례 이상의 벼락이 떨어진다.
번개의 전기량은 전압이 1∼10억V, 전류가 수만A에 달할 것으로 추산된다. 이 때문에 번개가 한 번 칠 때 전기에너지는 100W 전구 10만개를 1시간가량 켤 수 있는 양(1만㎾/h)으로 알려졌다.
국내 최대 화력발전소인 영흥발전소 발전용량이 80만㎾인 점을 감안하면, 산술적으로는 번개가 80번 치면 영흥발전소를 1시간 가동한 만큼의 전기를 얻을 수 있다.
●초속30m 바람동반 태풍엔 ㎡당 2만7000J 풍력에너지 포함
그러나 현재로선 1000분의 몇 초 단위로 일어나는 번개의 전기에너지를 순간적으로 저장할 수 있는 장치는 없다.
한국전기연구원 초전도응용기술개발사업단 성기철 박사는 “전류(에너지)를 무한대로 흐르게 하려면 저항을 ‘0’에 가깝게 하는 초전도 저장장치가 필요하다.”면서 “게다가 번개의 에너지는 구름의 양에 따라 불규칙하고, 불특정지역에 떨어지기 때문에 경제성을 확보하는 게 관건”이라고 설명했다.
이 때문에 현재 상용화를 앞두고 있는 초전도 저장장치는 낙뢰 등의 영향으로 이상전압이 생겨 전기 품질이 나빠지는 현상을 막기 위한 수단으로 우선 활용될 예정이다.
성 박사는 “국내 반도체·섬유·정유공장 등에서 낙뢰로 인한 연간 피해액이 4000억∼6500억원으로 파악되고 있다.”면서 “지금은 번개의 피해를 최소화하는 데 연구를 주력하고 있지만, 번개 에너지를 이용하려는 시도도 본격화될 것”이라고 전망했다. 번개는 또 천둥을 동반한다. 번개는 태양의 표면온도(절대온도 6000K,273K=섭씨 0도)보다 훨씬 높은 2만∼3만도의 열을 발생시킨다. 주변 공기는 이 열에 의해 팽창과 수축을 반복하면서 진동이 생겨 소리로 전달되는데 이 현상이 천둥이다. 즉 번개를 통해 전기에너지뿐만 아니라, 열에너지도 얻을 수 있다는 얘기다.
●초전도 저장장치등 상용화가 관건
태풍은 여름철 열대 지방에 축적된 막대한 열에너지를 고위도 지방으로 분산시키기 위해 나타나는 자연스러운 현상이다. 이같은 태풍은 일반적으로 2차 세계대전 당시 일본 히로시마에 투하된 원자폭탄의 10만배에 달하는 에너지를 포함하고 있다.
우리나라에서는 북태평양 남서해상(북위 8∼15도)에서 발생한 열대성 저기압 중 중심 부근 풍속이 초당 17m 이상일 때 태풍이라 부른다. 예를 들어 초속 30m의 바람을 동반한 태풍은 ㎡당 2만 7000J(1J=1W의 전력을 1초에 소비할 수 있는 양)의 풍력에너지를 포함하고 있다.
특히 풍력에너지는 속도의 세제곱에 비례하고, 태풍의 지름이 200∼1500㎞에 달하기 때문에 태풍으로부터 얻을 수 있는 에너지는 어마어마하다.
한국에너지기술연구원 풍력연구센터 경남호 박사는 “태풍은 경로 예측이 쉽지 않은 데다 우리나라를 통과하는 기간도 짧다.”면서 “또 태풍에 견딜 수 있는 장비 개발도 이뤄져야 하기 때문에 에너지원으로 활용하기 위해서는 상당한 연구가 진행돼야 할 것”이라고 말했다. 태풍은 매년 25∼30개가 발생하며, 이 중 우리나라에 영향을 미치는 것은 평균 3개 정도다. 또 현재 건설된 풍력발전소는 경제성 등을 고려, 바람의 속도가 초속 25m 이상일 경우 자동적으로 멈춘다. 강한 바람에도 견딜 수 있는 튼튼한 구조로는 아직 경제성 확보가 어렵기 때문이다.
장세훈기자 shjang@seoul.co.kr