파리협정과 IPCC총회가 우려한 ‘지구온난화-평균 1.5℃상승’이 결국 현실로 다가왔다. 더욱이 첫 예상에서 10년이나 앞선 2040년 안에 화석연료사용을 획기적으로 감소시키지 않는다면, 인류는 머지않아 UN의 전망대로 그레이트 배리어리프, 남극얼음과 운명공동체가 되고 말 것이라 한다. 그러나 화력발전 가동중지와 원자력발전 대체, 그리고 대안인 신재생에너지와 친환경에너지인 풍력과 태양열발전도 가성비와 사용 이후 폐기물처리에서 결코 자유롭지 못하다. 이러한 상황에서 태양의 수명처럼 사실상 무한정한 ‘공기’, ‘번개’로부터 유래한 에너지에서 온 ‘공기열에너지’를 연구한 ㈜엔오엔그리드 주남식 회장은, ‘공기발전기’ 그리고 미니 ‘원자핵발전기’ 아이디어로 지구환경과 인류의 구제책을 만들 수 있다고 자신 있게 제안한다.
경제성과 경쟁력 겸비한 친환경에너지, ‘공기발전기’로 전력 대체가능
올해 산업통상자원부의 <2050 탄소중립에너지기술 로드맵>은 앞으로 8년 남은 온실가스감축기한과 ‘2050 탄소중립’선언을 앞두고 보다 적극적인 탄소중립산업과 에너지 R&D전략에 필요한 13대 분야 197개 핵심기술을 점검하는 자리였다. 이 13대 분야에서 비중이 큰 분야가 바로 청정연료발전 사업인데, 전국의 신재생/친환경에너지 전문사업체가 이 탄소중립 청정연료개발에 사활을 걸고 도전하는 가운데 전혀 새로운 발상의 ‘공기발전소’를 제안한 ㈜엔오엔그리드가 눈길을 끈다. 친환경에너지의 필수요건은 지속가능성이다. 하지만 하루 3-4시간만 가능한데다 배터리처럼 수명이 있는 패널폐기물과 식물서식지 훼손 가능성이 있는 태양광발전, 소음/진동/고가의 유지비가 해결되지 않는 풍력발전, 대안으로 나왔으나 오염물질이 해상생태계 생육에 영향을 끼치는 해상풍력발전처럼 친환경에너지의 단점이 대두되기 시작하면서, 친환경정책에도 수정을 바라는 여론이 점점 높아지고 있다.
이에 따라 기존의 화석연료를 충분히 대처할 수 있는 생산량과 경제성, 수급 안정성을 갖춘 에너지원을 찾는 이들에게, ㈜엔오엔그리드의 주남식 회장은 지구의 순환으로 생성된 공기에너지, 전기장 방전현상과 저기압 전하이동으로 발생하는 초밀집 전기에너지인 천둥번개를 에너지원으로 제안한다. 공기발전기는 바로 천둥번개 발생기전을 재현하여 저기압, 고습도환경에 맞춘 진공관 내의 전기에너지를 포집해 발전기로 만든 것이다. 이 발전기는 석탄/석유에너지처럼 태워 70%이상이 손실되는 에너지와 달리, 100%에 가까운 에너지효율로 생산비용 원가절감과 친환경성은 물론, 100년 이상의 수명까지 갖춰 미래 인류에게 필요한 에너지생산의 필요충분조건을 모두 갖추고 있다.
공기에너지, 신재생 청정에너지 로드맵에서 가장 이상적인 대안 예상
공기에너지의 가장 큰 장점은 최종 부산물이 재활용 가능한 ‘물’이며, 지구상 어디에도 대기와 구름이 없는 곳이 없기에 어디든 상용화할 수 있다는 점이다. 또 지구는 태양이 맥동변광성-백색왜성이 되기 전까지 대기권 안에서만 최소 174PW씩의 태양에너지를 얻을 수 있고, 전 세계 인류가 쓰는 전력은 이 에너지의 6만 분의 1도 되지 않는다. 에너지총량보존법칙에 따라 남은 에너지가 대기를 돌다가 때로는 토네이도와 번개로 인류를 대면하는 것이다. 따라서 친환경과 경제성 문제는 해결되고, 대량생산을 할 경우에도 중대형에서 포터블 사이즈까지 가능하기에 개발가치가 더욱 클 것으로 예상된다. 더욱이 생산원가가 1kW당 10만-3백만 원으로 초기투자비 1천만 원 선이면 태양광발전의 15분의 1, 풍력발전의 8분의 1 비용으로 최대 1백년 간 에너지를 생산할 수 있다고 한다. 주 회장은 내부의 인공번개생성에 필요한 코일과 자석, 터빈과 베어링 구조로 된 공기발전기를 제작할 때, 토네이도에서 아이디어를 얻은 베어링의 회전력과 내구성을 높이고자 자기부양 비접촉 원리로 플라스틱 터빈의 소모를 막아 수명을 높였다고 한다.
그리고 마모될 수 있는 코일에도 에나멜을 코팅하여 내부 구동 기대수명이 1백 년에 달한다고 한다. 이렇게 발전기를 구동할 때는 저기압 환경조성에 필요한 전력만을 사용하며, 최종 산물인 물과 함께 유입공기가 배출될 때는 덤으로 세균과 바이러스가 머무는 유기화합물까지 정화되는 자동 공기청정효과도 볼 수 있다. 따라서 주 회장은 “진공관 내의 작은 번개가 만든 전력에너지와 물은, 한국의 농경지는 물론 사막에서도 매우 유익한 친환경에너지가 될 것으로 예상되며 향후 대량생산체제로 들어가면 제작원가를 최대 1/10까지 줄일 수 있을 것”이라는 긍정적인 전망을 내놓았다. 또 고압 고전력에서 분산되는 전력시스템이 전자파와 감전사고의 원인인데다, 포터블 공기발전기를 소비자가 직접 만들어 사용하면 탄소발자국을 줄이듯 전력발자국도 줄어든다는 것이 주 회장의 설명이다. 덕분에 이 기술은 2019년 ‘제7회 태양광융복합창의혁신 공모전’ 아이디어부문 대상과 산업부장관상까지 수상했다.
원자력발전 대체 징검다리, 냉각수 없는 극소형 원자력발전기 연구도
친환경에너지 전문석학들은 한국이 ‘2050 탄소중립국’의 요건을 갖추려면 적어도 2030년까지 연구용URL 운영, 2040년 경 한국형 처분시스템의 최적화, 2060년에는 본격적인 핵연료처분시설 운영가동 과정이 필요하다고 본다. 따라서 산업통상자원부에서도 내년부터 2060년까지 방사성폐기물인 핵연료처분시설운영에 관련해, 104개 요소기술과 343개 세부기술확보를 위해 약 1조 4천억 원을 투자할 예정이다. 하지만 더 중요한 점은 이 시스템이 가동되고 원전이 영구폐쇄 된다면 필요물량을 친환경에너지만으로 수급해야 한다는 점으로, 주 회장은 이미 사용후핵연료 대책 과제로 2017년 경 원자로와 터빈발전기 간의 액상냉각재 순환이론을 제시한 바 있다. 무엇보다 후쿠시마원전 오염수 바다방류가 세계해양관계자들의 우려를 샀듯 냉각수 관리여부가 원자력발전기의 관건이다.
따라서 주 회장은 공기발전기처럼 단순한 구조인 구심노즐-터빈과 초공동영역, 그리고 원심디퓨저-터빈으로 비등냉각가속기능을 갖춰 냉각수가 없는 극소형 포터블 원자력발전기 ‘K-사이클 SMR(소형모듈원자로)’를 제안한다. 동작온도가 상온 이하라 재료선택이 자유로우며, 내부압력이 대기압 이하라 차폐가 쉬우며 폭발위험을 낮추고 최대수명이 1백 년에 달하는 이 제품은 경제적이기까지 하다. 반응열을 모두 전기에너지로 전환출력할 수 있어 송전과정이 필요 없으며 1kW당 설비비 1백만 원 이하, 에너지생산 원가는 10원 미만이기 때문이다. 오는 2024년 상용화를 앞두고 있는 이 SMR분야에서도, 주 회장은 “이론상으론 조만간 달과 화성에서도 작동하는 대형 참치캔만한 포터블 사이즈, 10년 수명의 전기생산장비를 만들 수 있을 정도”라 언급하며, “앞으로 공기발전기가 ‘1원/1kWh시대’를 열고 사용후핵연료대책과제의 일환인 원자로와 터빈발전기 간의 액상냉각재 순환원리로 만든 SMR이 방사성폐기물 문제를 해결하게 된다면 인류는 물과 공기, 에너지에 관한 큰 골칫거리를 해결하게 될 것이다. 그래서 발전기 설비교체에 필요한 공전원 발행같은 현물교환혜택 시스템도 고려하며 국내 발전기들을 공기발전기로 전환해 가는 전략도 세우고 있다“라며 기업의 사업화 계획이 다각도로 진행 중임을 전했다.
