세계보건기구(WHO) 발표에 따르면 2013년 기준 공기오염에 따른 유럽 지역 손실을 화폐로 계량하면 매년 16조 달러에 달한다고 한다. 또 매년 50 만명의 사람들이 공기 오염으로 조기사망하고 있다. 우리나라에서도 '나는 자연인이다'라는 다큐멘터리가 중년 남성들에게 인기를 구가하고 있다. 이는 삶 가운데 스트레스로 인한 도피성 심리도 있겠지만 공기 좋은 곳에서 수준 높은 삶을 살고 싶은 이유도 있다. 설악산이나 지리산 골짜기에서 새벽 공기를 마시는 청량한 느낌은 상상만 해도 즐겁다.
필자가 맑은 공기 운운한 것은 새로운 에너지 저장방법을 제안하기 위함이다. 다소 엉뚱하게 들릴 지 모르겠다. 필자는 보안 반도체 기업인 네오와인 대표로 20년째 반도체 설계 및 수출을 하고 있다.
우리 나라의 전력 에너지는 전형적인 에너지 집약형 제조산업 형태다. 주간 시간대의 에너지 수요가 많으며 이것을 발전소에서 송전하고 수요를 맞추는 것은 한국전력과 산업통상자원부의 중요한 과제 중 하나다. 한국은 2026년부터 신재생 에너지 공급비율을 현재 9%에서 2026년까지 25%로 높일 계획이다. 신재생에너지란 석탄, 석유, 우라늄, 천연가스 대신 태양광과 풍력, 수력 등을 사용해 에너지를 얻는 방법을 의미한다.
자연에서 에너지를 얻는 방법이 최상이지만 문제는 이 에너지가 간헐적 소스라는 것이다. 바람과 햇볕에 에너지를 의존하니 구름이 끼거나 바람이 불지 않으면 기존의 발전 방법으로 즉시 보충해 주어야 한다. 미국 캘리포니아는 오후에 해가 진 후 태양광 발전이 멈추는 오후 5시경 갑작스럽게 필요한 화력발전 전력 부하가 문제가 된다. 이런 것을 전력수요 그래프가 오리 모양을 닮았다 해서 '덕커브'(아래 그림 참조) 라고 한다.
이런 간헐적인 에너지 사용문제를 해결하기 위해 에너지 저장 장치(ESS)나 그린수소 제조 등의 방법이 제안되고 있지만 값비싼 가격과 효율성 저하 문제가 있다. 그래서 필자는 우리나라같은 도심밀집형 에너지 사용형태에 적합한 '공기 압축 전송형 전력저장 시스템'을 제안한다. 이 방법은 청정지역의 공기를 압축해서 도심지로 전송하고 그 과정에 전기 에너지를 저장하고 필요시 사용하는 방법이다.
공기를 압축해서 에너지를 저장하는 방법은 CAES(compressed air energy system)라 해서 이전에도 많이 제안되었다. 이 장치의 문제점은 효율이 40%, 즉 반 이상의 에너지가 압축 신장과정의 열로 손실된다. 공기는 압축 과정에 엄청난 열이 발생하며(단열압축) 신장시에도 주변의 열을 흡수하는데(단열팽창 ) 압축시의 열을 식혀주고 팽창시에는 저온 문제로 고온의 가스를 태워 오히려 CO2를 발생시키는 문제가 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 CAES 와 양수발전을 결합하는 방식도 제안되고 있는데 이는 팽창 과정에 물 같은 매체를 결합해 저온문제를 해결하려는 것이다.
필자가 제안하는 '도심청정형 공기압축 에너지 저장 전송방식'은 위 하이브리드형 공기압축 에너지 저장방식에 공기전송 파이프를 사용해 청정 공기를 도심으로 전송하는 방법을 부가한 것이다. 서울시청과 북한산 국립공원은 직선거리로 2km 정도 된다. 필자가 제안한 방법을 사용하면 북한산 공기를 압축해 발전을 할 수 있을 뿐 아니라 북한산의 맑은 공기를 서울시청 지하철과 지하 상가에도 공급할 수 있다.
주간 지하철의 공기는 라돈 가스, 시멘트 냄새, 미세먼지, 사람이 내뿜는 CO2, 버스 등 교통수단의 배기 가스 등으로 매우 혼탁하다. 에너지가 남는 시간에 공기를 압축해 에너지를 필요로 하는 시간에 공기를 신장시키면 에너지가 재생되고 신선한 공기를 전송할 수 있다.
이런 '압축공기 전송형 에너지 저장시스템'의 장점은 매우 많다. 첫째 여유시간대 전력을 사용해 공기 압축과 전송 에너지를 축적할 수 있고 둘째, 공기 압축 과정에서 발생하는 열을 사용해 주변에 온수를 공급(단열 압축효과)할 수 있고 셋째, 도심지역에서 팽창과정의 냉각과 청정 공기를 공급(단열 팽창효과)하고 넷째, 도심과 청정에너지 지역간 전력 에너지 사용시스템을 공유할 수 있으며 다섯째, 청정공기 지역은 신재생 에너지 공급이 많은 지역이 될 수 있으며 여섯째, 송전선로, 공기 전송 등에 의한 건설 토목 발전 특수가 생기고 일곱째, 신사업 SOC 개발과 전력 산업에 새로운 일자리 창출이 가능하며 여덟째, 세계 모든 도시의 공통 문제이므로 지재권 확보로 해외수출이 가능하며 아홉째, 청정 공기 공급으로 도시민 삶의 질을 향상시켜주고 열번째, 공기압을 가변해 전력 저장용량을 가변 시킬 수 있는데, 예를 들면 통상 70 기압의 압축 공기 탱크에 700 기압 압축이 가능하다.
이런 장점에 비해 단점이라면 경제성과 효율이 검증되지 않았다는 것이다. 하지만 도시민에게 맑은 공기를 공급하는 것 만으로도 국가적인 경제성이 확보되지 않을까? 지하철 상가 카페에서 반가운 친구를 만나 두시간 이야기를 하다 집에 갈 때 북한산 공기를 마시고 가는 효과를 선사해 준다면 여유분의 전력에너지 사용에 이것보다 효과적인 것이 있을까? 상하수도 전력 뿐만 아니라 맑은 공기도 공급하는 SOC 사업을 검토해 보아야 한다.
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