에너지
청정에너지를 위한 우주 기반 에너지 솔루션
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재생 에너지 확대
에너지 시스템의 탈탄소화와 전기화에는 풍력과 태양광을 비롯한 재생에너지가 중요한 역할을 한다. 지열과 원자력도 기여할 수 있다. 다만 각 기술에는 서로 다른 제약이 있다.
- 지열은 이미 상용화되어 있지만 개발 가능성과 비용은 지역의 지질 조건에 크게 좌우된다. 차세대 지열 기술의 대규모 확대에는 추가 검증이 필요하다.
- 원자력은 초기 투자비, 폐기물 관리와 사회적 수용성이라는 과제가 있다. 일부 과제의 완화를 목표로 하는 제4세대 원자로 기술도 개발 중이지만 모든 문제가 해결된 것은 아니다.
- 풍력과 태양광의 출력 변동에 대응하려면 전력망 확충과 수요 관리, 배터리 및 기타 에너지 저장 수단 등을 함께 고려해야 한다.
태양광은 밤에 발전하지 않으며 구름, 먼지와 눈도 출력을 낮출 수 있다. 그렇다면 태양광 발전 설비를 우주에 배치하면 이러한 제약을 줄일 수 있을까? 우주에서 지구에 에너지를 공급하는 다른 방법도 살펴보자.
우주 기반 태양광 발전
우주 태양광 발전은 햇빛을 오래 받을 수 있는 궤도에 발전 위성을 배치하는 구상이다. 정지궤도에서도 춘분과 추분 무렵에는 지구 그림자에 들어가는 시간이 있어 항상 무중단 발전하는 것은 아니다. 따라서 저장 장치나 보완 전원이 전혀 필요 없다고 단정할 수 없다.
지상 날씨의 영향을 받지 않고 긴 시간 햇빛을 받을 수 있다는 점은 안정적인 전력 공급에 유리하다. 실제 공급 안정성은 궤도와 송전 시스템의 설계에도 달려 있다.
대기는 구름이 없을 때도 일부 햇빛을 흡수하고 산란시킨다. 지상에서는 위도와 계절, 태양의 고도도 일사량에 영향을 준다.
궤도의 태양전지는 이러한 대기 영향을 피할 수 있다. 그러나 지상보다 얼마나 많은 전력을 얻는지는 궤도, 비교 장소, 패널의 효율과 송전 손실에 따라 달라진다. 모든 조건에서 40배의 전력을 생산한다고 일반화할 수는 없다.
작동 원리
태양전지는 이미 국제우주정거장과 많은 위성에 전력을 공급한다. 우주 태양광 발전소는 이를 훨씬 큰 규모로 확장하고, 생산한 에너지를 지상으로 전송해야 한다.
출처: Solar.com
주요 구상 중 하나는 전력을 마이크로파로 변환해 지상에 보내는 것이다. 2.45GHz 등의 주파수가 검토되며, 구름의 영향이 광학 방식보다 작다. 지상에서는 정류 안테나인 렉테나가 마이크로파를 받아 전기로 변환한다.
레이저로 전력을 전송하는 방식도 연구된다. 이 경우 구름과 대기 조건, 수신 장치와 안전 관리가 중요한 제약이다.
지상으로 에너지를 집중해 보내려면 빔의 출력 밀도와 방향 제어, 항공기와 생태계에 대한 영향을 평가해야 한다. 낮은 출력 밀도를 목표로 하는 설계가 있지만, 실제 안전성은 실증과 규제 검토를 통해 확인해야 한다.
태양전지가 생산하는 직류는 송신 장치에 공급할 수 있다. 다만 마이크로파로 바꾸고 다시 전기로 복원하는 과정에는 변환 손실이 있으며, 지상 전력망에 공급할 때는 교류 변환도 필요하다.
왜 지금인가?
태양광 비용
궤도 태양광 발전은 오래전부터 제안되어 왔다. 최근에는 태양전지와 발사 기술의 발전으로 경제성을 다시 검토하는 움직임이 나타났다.
첫 번째 요인은 태양전지의 효율 향상과 비용 하락이다. 이는 지상 태양광 발전의 보급에도 기여한 변화다.
출처: News Channel 3
2024년 무렵 일반적인 지상용 태양광 패널의 효율은 대략 20~23% 수준이었으며, 우주용 고효율 태양전지는 약 30% 또는 그 이상을 달성하기도 했다. 높은 효율은 필요한 면적과 발사 질량을 줄일 수 있지만 가격과 내구성도 함께 평가해야 한다.
“현재 우주에서 사용하는 패널은 햇빛을 전기로 바꾸는 효율이 약 30%이며, 앞으로 20년 동안 40%에 도달할 것으로 예상합니다.”
니콜라 로시, Enel 그룹 혁신 책임자
발사 비용
두 번째 요인은 재사용 로켓 등으로 인한 발사 비용의 변화다. SpaceX (SPCX )의 성과는 중요한 사례지만 실제 비용은 궤도와 탑재량, 계약 조건에 따라 다르다. Starship의 완전 재사용과 대량 운용은 2024년 당시 개발 목표였으며, 미래 비용을 확정할 수는 없었다.
출처: Ark Invest
원문은 발사비가 kg당 7,716파운드일 때 설치 비용 중 발사비만 W당 약 154파운드가 된다는 추산을 소개한다. 이는 특정 질량과 출력 가정에 따른 계산이며 지상 설비와의 비교에도 동일한 비용 범위가 필요하다. 일론 머스크는 장기적으로 kg당 100달러 수준의 발사비를 목표로 제시했다. 이는 달성된 상용 가격이 아니라 재사용을 전제로 한 전망이다.
우주 기반 태양광 발전 제한점
가격 및 발사 비용
경제성을 확보하려면 발사와 제작, 조립, 송전 비용을 함께 낮춰야 한다. 발사비가 앞으로 얼마나 빠르게 줄어들지는 불확실하다.
2024년 당시 제시된 2025~2030년경의 대형 실증 계획도 사업자별 목표 일정이었다. MW급 실증과 GW급 상용 발전소 사이에는 큰 규모와 기술적 격차가 있다.
궤도 혼잡
우주는 방사선과 극심한 온도 변화에 노출되는 환경이다. 태양전지와 전자 부품, 송신 안테나의 성능 저하와 교체 가능성을 검토해야 한다.
우주 잔해와 위성 수의 증가는 또 다른 과제다. 특히 저궤도 위성군의 확대는 충돌 회피와 궤도 관리의 중요성을 높인다.
면적이 수 제곱킬로미터에 이르는 구조물은 작은 잔해와 미소유성체에도 노출된다. 위험 수준은 궤도와 구조, 방호 설계에 따라 달라진다.
충돌이 새로운 파편을 만들고 추가 충돌을 유발하는 연쇄 현상은 케슬러 증후군으로 알려져 있다. 모든 궤도의 위성이 동시에 파괴된다는 뜻은 아니다.
이러한 연쇄 충돌은 해당 궤도의 통신, 지구 관측과 과학 임무 등에 큰 피해를 줄 수 있다.
전력 공급까지 우주 설비에 크게 의존한다면, 그 설비의 손실에 대비한 지상 전력망의 복원력도 중요해진다.
내구성 및 재활용
낮은 지구 궤도에서는 대기 저항으로 고도가 낮아질 수 있지만 수명은 고도와 구조, 태양 활동에 따라 크게 다르다. 정지궤도는 대기 저항이 작고 지상 수신소를 향한 송전에 유리하지만 발사와 배치에 더 많은 에너지가 필요하다.
대형 설비는 은 등 여러 자원을 사용하므로 수명 종료 후 처리와 자원 회수도 검토해야 한다.
우주에서의 수리와 재활용은 아직 해결해야 할 과제다. 궤도에 방치하거나 무계획하게 재진입시키는 방식은 잔해와 안전 문제를 초래할 수 있다.
발사와 제작에 투입되는 에너지도 상당하다. 따라서 전체 수명 동안 생산하는 전력이 제조, 발사, 운영과 폐기에 필요한 에너지를 얼마나 상쇄하는지 평가해야 한다.
에너지 손실
우주에서 더 오랫동안 햇빛을 받더라도 지상 전력망에 도달하기까지 추가 변환 단계가 필요하다.
- 지상 태양광: 햇빛을 직류 전기로 변환 → 교류로 변환 → 전력망에 공급.
- 우주 태양광: 햇빛을 전기로 변환 → 마이크로파로 변환해 전송 → 수신한 마이크로파를 전기로 변환 → 교류로 변환 → 전력망에 공급.
각 변환과 전송 단계에서 손실이 발생한다. 따라서 태양전지 자체의 효율과 전체 시스템의 종단 간 효율을 구분해야 한다.
“실증에 사용한 시스템의 종단 간 효율은 약 5%였습니다. 햇빛이 무료여도 상업적으로 운영할 수 있는 수준은 아닙니다. 우주 태양광 발전소가 의미를 가지려면 효율이 적어도 약 20%는 되어야 합니다.”
장도미니크 코스트, Airbus Blue Sky 선임 관리자
자세 제어와 태양 복사압
발전 설비의 궤도와 자세를 유지하는 방법도 중요하다.
태양전지는 햇빛을 잘 받도록 방향을 조절해야 하며, 송신 빔도 지상 수신소를 정확하게 향해야 한다.
가볍고 면적이 큰 구조물에는 햇빛이 가하는 복사압이 영향을 준다. 태양돛은 바로 이 원리를 이용한다. 이는 태양풍 입자의 압력과 구분해야 한다.
대형 발전 위성은 이러한 힘을 고려한 궤도와 자세 제어 시스템이 필요하다.
우주 태양광 발전의 전망
우주 태양광 발전의 실현 가능성은 우주 산업 전반의 발전에도 달려 있다. 주요 조건은 다음과 같다.
- 발사와 제작 비용을 낮출 수 있는 산업 규모 확대와 기술 혁신.
- 발전 위성의 조립, 유지보수와 수명 종료 처리를 지원할 우주 기반 시설.
- 우주 잔해 관리, 국제 협력과 안전한 궤도 이용.
태양전지 방식의 대안
집광 태양광 및 궤도 거울
햇빛을 전기로 바꾸고 마이크로파로 전송한 뒤 다시 전기로 복원하는 과정에는 손실이 따른다. 이는 우주에서 얻는 높은 일사량의 이점을 일부 상쇄한다.
이 때문에 일론 머스크도 2012년에 우주 태양광 발전을 비판했다
“제가 특히 못마땅하게 여기는 것 중 하나인 우주 태양광 발전을 말씀드리죠. 정말 어리석은 생각입니다.
누구보다도 우주 태양광 발전을 좋아해야 할 사람이 있다면 바로 저일 겁니다. 로켓 회사와 태양광 회사를 갖고 있으니까요. 제가 적극적으로 추진해야 할 것 같죠.”
2012년 이후 태양전지와 발사 기술은 발전했다. 그렇더라도 지상 태양광과 저장 장치 등 대안과의 비용 비교는 여전히 필요하다.
다른 구상은 우주에서 전기를 생산하는 대신 큰 궤도 거울로 햇빛을 지상의 태양광 발전소에 반사하는 것이다.
반사막은 태양전지보다 단순하고 가볍게 만들 수 있다. 그러나 큰 구조물의 전개와 자세 제어, 지상 조명 범위와 환경 영향 등은 별도로 해결해야 한다.
이러한 구상은 Reflect Orbital의 창업자 벤 노왁, 글래스고대학교의 SOLSPACE 연구 사업과 에너지 기업 Engie’s Laborelec 등에서 검토되었다. SOLSPACE는 유럽연구위원회로부터 250만 유로의 지원을 받았다.
사업 구상은 밤에도 지상 발전소에 햇빛을 보내 발전 시간을 늘리고, 그 조명 서비스를 판매하는 것이다.
구름이 빛을 막을 수 있어 모든 지역과 날씨에 적용되는 것은 아니다. 건조 지역에서도 실제 발전량과 비용을 검증해야 한다.
궤도 반사경은 우주 태양전지의 집광에도 이용할 수 있지만, 열 관리와 정밀 제어 등의 설계 문제가 추가된다.
2018년에는 중국에서 궤도 반사경으로 2022년까지 야간 가로등을 대체하겠다는 구상이 보도되었다. 그러나 이 일정에 맞춘 상용 시스템은 실현되지 않았다. 도시 조명에 이용하려면 안전과 생태계, 천문 관측에 대한 영향도 평가해야 한다.
우주 공장
대형 발전소를 만들려면 막대한 질량을 우주로 보내야 한다. 이를 줄이기 위한 장기 구상은 우주 자원으로 태양전지나 반사경을 현지에서 제조하는 것이다.
이 방식도 공장과 채굴 장비, 운송과 정비 설비가 필요하다. 발전소 전체를 지상에서 발사하는 비용을 줄일 가능성은 있지만 모든 발사 비용이 없어지는 것은 아니다.
소행성 자원을 채굴해 궤도에서 구조물과 부품을 만드는 방법도 제안된다.
그러나 2024년 당시 소행성에서 자원을 상업적으로 채굴해 발전소를 제조한 사례는 없었다. 이는 장기적이고 불확실한 구상이다.
달 기지
우주에서 제조하더라도 복사압, 충돌 위험, 수리와 수명 종료 처리 문제는 남는다.
대안은 달 표면에 발전소를 설치하고 생산한 전력을 지구로 전송하는 것이다. 직접 송전이나 중계 장치 등 여러 설계가 제안되지만 장거리 빔의 확산과 정밀 조준이 큰 과제다.
달 표면 발전에는 다음과 같은 잠재적 장점과 제약이 있다.
- 중력: 달의 중력은 지구의 약 6분의 1이다. 완전한 무중력과는 다른 제조 환경을 제공하지만 지상 공정을 그대로 적용할 수 있다는 뜻은 아니다.
- 대기가 없는 환경: 구름과 비로 인한 손실은 없다. 그러나 긴 밤, 먼지, 극심한 온도 변화와 지형에 의한 그림자는 중요한 제약이다.
- 유지보수: 달 기지가 실현된다면 사람이 일부 작업을 지원할 수 있다. 다만 미국과 중국 등의 기지 계획은 미래 계획이며, 발전소 유지보수를 위한 인력이 확보된 상태는 아니다.
- 자원: 달의 토양에는 규소, 알루미늄과 철을 포함하는 광물이 있다. 이를 산업적으로 추출하고 제조에 사용하는 공정은 별도로 개발해야 한다.
규소, 알루미늄과 철을 달 토양에서 얻어 태양전지와 구조물에 활용하는 구상이 있다. 필요한 일부 첨가 원소와 장비는 지구에서 가져와야 할 수 있다.
데이비드 R. 크리스웰은 특정 달 자원 활용 가정 아래 지구에서 운반한 자재 1kg당 지구에 공급할 수 있는 에너지가 발전 위성 방식보다 훨씬 클 수 있다고 추산했다. 원문에 제시된 200배는 검증된 운전 실적이 아니라 해당 설계의 전망이다.
달 표면 발전에는 한계도 있다. 태양을 기준으로 한 달의 낮과 밤 주기는 약 29.5일이며, 대부분의 지역은 약 2주씩 어둡다. 연속 공급에는 저장 장치, 다른 전원 또는 여러 지역의 발전소를 연결하는 방안 등이 필요하다.
헬륨-3, 핵융합 및 달 전력 발전소
달의 헬륨-3도 미래 에너지원으로 거론된다. 지구에서 드문 이 동위원소는 특정 핵융합 반응의 연료 후보로 연구된다. 다만 채굴과 연료 처리, 반응 조건을 모두 해결해야 하며 초고효율 상용 발전이 입증된 것은 아니다.
2024년 당시 핵융합 발전은 여전히 연구와 실증 단계였다. 달 자원 채굴이 에너지 공급의 핵심이 된다는 전망은 장기적인 가능성이다.
목성과 토성 등의 자원을 핵융합 연료로 이용하자는 구상도 있지만, 채굴과 운송의 어려움 때문에 훨씬 더 추측적인 단계에 있다.
달에 원자력 발전소를 설치해 전력을 지구로 보내는 구상도 가능하다. 그러나 위험이 사라지는 것은 아니며, 건설과 운영 비용 및 송전 손실을 지상 발전과 비교해야 한다.
태양광 우주 기업
1. Space Solar
영국 기업 Space Solar는 CASSIOPeiA라는 대형 우주 태양광 발전 개념을 개발하고 있다. 2024년 당시 제시한 상용 설계의 목표 출력은 약 2GW였으며, 아직 건설된 발전소는 아니었다.
출처: Space Solar
당시 제안된 설계는 수만 개의 태양전지 모듈과 약 2,000톤 규모의 구조물을 정지궤도에 배치하는 구상이었다. 세부 사양은 개발 과정에서 달라질 수 있다.
전력 전송에는 위상 배열을 이용해 빔 방향을 전자적으로 조절하는 방식이 제안된다. 수 km 규모의 지상 수신 시설도 필요하다. 회사는 2024년 HARRIER 실증 장치로 360° 방향의 무선 전력 전송을 시연했다고 발표했다. 이는 움직이는 부품 없이 빔 방향을 바꾸는 기술의 지상 실증이며, GW급 궤도 발전소의 실증과는 다르다.
이 위성 개념은 두 개의 반사경으로 햇빛을 중앙의 집광부에 모으는 구조를 이용한다.
출처: Space Solar
원문은 첫 시스템에 170억 파운드, 후속 시스템에 36억 파운드가 필요하다는 사업 구상상의 추산을 소개한다. 이러한 목표 비용과 원자력 발전소의 실제 건설비를 직접 비교하려면 발전량, 수명, 금융비용과 전력 공급 안정성 등 같은 조건을 적용해야 한다.
2. Reflect Orbital
Reflect Orbital은 궤도에서 전기를 생산하는 대신 지상 태양광 사업자에게 일몰 후의 햇빛을 제공하는 사업을 구상한다.
일몰 직후 전력 수요와 가격이 높아지는 시장에서는 추가 발전 시간이 가치가 있을 수 있다. 다만 반사 가능한 지역과 시간은 궤도와 날씨에 좌우되며, 어느 국가든 자유롭게 조명을 전환할 수 있는 것은 아니다.
따라서 전력 변환과 마이크로파 송전 대신 광학 반사를 이용하는 대안으로 살펴볼 수 있다. 경쟁력은 실제 전달되는 빛과 발전량, 비용 및 환경 영향을 검증한 뒤 판단해야 한다.
2024년 당시 회사는 위성을 개발하고 자금을 조달하고 있었다. 개념을 소개하기 위해 약 3km 높이의 열기구를 이용한 시연도 진행했다.
출처: Reflect Orbital
당시 회사는 2025년경 위성 시제품을 시험하겠다는 목표를 제시했다. 소개된 설계는 약 16kg의 위성에 한 변이 약 10m인 반사막을 펼치는 방식이었다. 이는 예정된 사양과 일정이며 달성된 실적은 아니다.
반사경 방식은 완전한 우주 발전소보다 구조가 단순할 수 있다. 그러나 대형 반사막의 전개, 정밀 제어와 조명 영향 등은 여전히 검증해야 하므로 기존 기술을 사용한다는 사실만으로 사업 위험이 낮다고 단정할 수 없다.
