자이로스코프 파력 에너지 – 길들여지지 않은 바다의 잠재력을 활용하다

지구 표면의 약 70%는 바다로 덮여 있으며, 이는 방대한 재생 에너지원을 제공합니다. 그 잠재력은 엄청나며, 파력 에너지만으로도 상당한 양의 에너지를 생산할 수 있습니다. 예상 이 에너지를 완전히 활용할 경우 현재 전 세계 전력 수요를 초과할 것입니다.

하지만 이는 효율성 면에서 볼 때 아직 충분히 활용되지 않은 재생 가능한 자원입니다. 해양 파도의 에너지를 포착하다 이는 오랫동안 엔지니어들을 좌절시켜 온 문제입니다.

이 문제를 해결하기 위해 오사카 대학의 새로운 연구팀은 부유 구조물 내부에 회전하는 플라이휠을 사용하여 파력 운동을 전기로 변환하는 자이로스코프식 파력 에너지 변환기(GWEC)라는 새로운 방법을 개발했습니다.

연구 분석 결과, 이 장치는 원칙적으로 모든 파동 주파수에서 들어오는 파동 에너지의 최대 절반까지 흡수할 수 있어 막대한 양의 미개발 해양 에너지를 활용할 수 있는 가능성을 제시합니다.

세계 전력 구성: 재생에너지 증가, 화석 연료 여전히 선두

기후 변화로 끔찍한 혼란 전 세계적으로 우리는 화석 연료에서 벗어나야 합니다. 화석 연료는 수백만 년에 걸쳐 형성되고 심각한 환경 문제를 야기하는 비재생 에너지원입니다.

화석 연료에 대한 의존도를 줄이는 가장 효과적인 방법 중 하나는 태양열, 풍력, 수력, 지열, 바이오매스를 포함하는 재생 에너지원을 활용하는 것입니다.

이러한 자연적으로 보충되는 자원은 줄입니다 온실 가스 배출재생에너지는 국가의 에너지 안보를 강화하고 지정학적 혼란에 대한 취약성을 줄여줍니다. 이러한 이점 덕분에 재생에너지는 현재 전 세계 전력 생산에서 점점 더 큰 비중을 차지하고 있습니다. 2024년에는 재생에너지가 다음과 같은 성과를 거두었습니다. 전 세계 전력 생산량의 32%를 기록전체 전력 수요가 데이터 센터 증가에 힘입어 4% 늘어난 데 따라 전년 대비 2% 증가했습니다.

"각국이 안보와 에너지 안보에 대해 그 어느 때보다 더 많이 고민하고 있으며, 이는 풍력이나 태양광 같은 자국산 재생에너지가 점점 더 매력적으로 다가오고 있음을 의미한다고 생각합니다."

- 에너지 싱크탱크 엠버의 전력 및 데이터 분석가 유안 그레이엄 이야기 로이터는 작년에

재생에너지 산업이 2024년에 시스템에 858TWh의 추가 전력을 공급했지만, 석탄, 석유, 천연가스를 포함한 화석 연료는 여전히 중요한 역할을 했습니다. 전 세계 에너지 수요의 대부분을 충족합니다.현재 석탄은 전 세계 전력 생산량의 34%를 차지하는 최대 발전원이며, 가스 발전소는 22%를 차지합니다.

하지만 국제에너지기구(IEA)에 따르면 계획안2025년과 2030년 사이에 재생 에너지 발전 용량은 거의 4,600GW 증가할 것입니다.

모든 재생 가능 에너지원 중에서 태양열은 가장 빠르게 성장하고 있습니다 비용이 하락하고 전 세계적으로 도입이 가속화됨에 따라 풍력 발전 용량도 빠르게 증가하고 있으며, 수력 발전은 여전히 ​​가장 중요한 발전원 중 하나입니다. 가장 크고, 오랜 역사를 지닌 재생 가능 에너지 기여자입니다. 바이오에너지의 경우, 이미 시작 단계에 있습니다. 견인력을 얻다그리고 지열은 획득 기업 간 파트너십. 에너지의 미래는 점점 더 친환경적으로 변해가는 것 같습니다.

바다의 미개발 잠재력을 활용하다

재생에너지 분야에서 해양 에너지는 전 세계적으로 막대한 잠재력을 지닌 자원입니다. 해양 에너지는 파도, 조류, 해양열에너지 변환(OTEC), 해류 등 해양 자원을 활용하는 것을 포함합니다. 조력 에너지는 예측 가능한 조류를 이용하고, OTEC는 심해수의 온도 차이를 이용하며, 해류는 대규모 해양 흐름에서 에너지를 포착합니다.

해양 에너지 중 가장 널리 연구되는 형태는 파력 에너지로, 파도의 운동 에너지를 전기로 변환하는 기술입니다. 파도는 풍부하고 강력하며 끊임없이 발생합니다. 또한 풍력이나 태양광보다 간헐성이 적습니다. 이러한 높은 예측 가능성 덕분에 표면 파도의 움직임을 24시간 내내 활용할 수 있어 전력망 계획 및 안정성 향상에 매우 유리합니다.

이 무공해 에너지원은 상업적 활용도가 제한적이며, 태양광과 같은 성숙한 재생에너지에 비해 훨씬 뒤처져 있습니다. 현재 재생에너지 시장에서 가장 작은 비중을 차지하고 있습니다. 2024년에는 전 세계적으로 추가될 예정입니다. 1.6메가와트(MW) 해양 발전 용량을 추가하여 총 운영 용량을 약 513MW로 늘렸습니다.

이처럼 도입이 더딘 이유는 높은 초기 투자 비용, 현장별 제약 조건, 전력망 통합과 같은 기술적 난관 등 여러 요인 때문입니다. 인력의 숙련도와 규제 불확실성 또한 원인으로 작용합니다. 진행을 방해하다 해당 분야 전반에 걸쳐 문제가 되고 있습니다. 또한, 혹독한 해양 환경에서의 장치 유지 관리는 에너지 변환 효율과 더불어 여전히 주요 과제로 남아 있습니다.

그 결과, 학계와 산업계의 연구원들은 이러한 시스템을 개선하여 내구성을 높이고 파도 불규칙성에 더 잘 대처할 수 있도록 만드는 연구를 지속하고 있습니다. 그중에서도 특히 주목받는 시스템은 파력 에너지 변환기(WEC)로, 파도의 운동 에너지를 전기로 변환하는 장치입니다.

여러 혁신가들이 이 기술을 발전시키기 위해 노력하고 있습니다. 예를 들어, 스웨덴 기업인 CorPower Ocean은 노르웨이에 본사를 둔 OPS Solutions와 COMPACT 프로젝트를 통해 풍력 발전기의 비용과 무게를 줄이기 위해 협력하고 있습니다. 개발 프리텐션 실린더(PTC) 프로토타입. 유럽경제지역(EEA) 보조금 "블루 성장 프로그램"의 지원을 받는 이 프로젝트는 초기 투자 비용과 장치 내구성을 개선하기 위해 경량 압력 케이스를 개발하고 있습니다.

동시에 개발자들은 눈에 띄는 성능 향상을 달성했습니다. 노르웨이 회사인 Havkraft가 그 예입니다. 신고 최근 축소형 해상풍력발전 모델의 실험실 테스트에서 80% 이상의 에너지 변환 효율을 달성했는데, 이는 이전 시험보다 15% 향상된 수치입니다. 이 단계를 통해 위험 요소를 파악하고, 품질을 보장하며, 성능을 이해할 수 있어 상용화를 향한 규모 확장에 도움이 될 것입니다.

"이번 결과는 우리 연구가 성과를 내고 있음을 보여주며, 상용화 솔루션에 한 걸음 더 다가섰습니다."

- 운영 관리자 니콜라이 할데인

한편 스코틀랜드에서는 AWS Ocean Energy가 전진하는 이 회사는 수중 압력 감지 부표인 "아르키메데스 웨이브스윙"을 개발했는데, 이 장치는 해수면 아래의 파동 운동을 에너지로 변환하도록 설계되었습니다. 이 장치는 중간 정도의 파도 조건에서 평균 10kW 이상의 전력을 기록했고, 최대 80kW 이상의 전력을 생산했는데, 이는 회사 예상치보다 20% 높은 수치입니다.

높이 7미터의 수중 장치는 풍력 10등급의 강풍을 포함한 가혹한 해양 환경을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 단일 흡수체 설계 덕분에 내구성이 필수적인 외딴 지역의 전력 공급에도 적합합니다.

기술적 성능을 넘어, 보다 광범위한 시스템 통합이 주목받고 있습니다. 최근 타당성 조사 결과에 따르면¹ 풍력 발전기 설치가 관광이나 어업과 같은 해안 활동을 희생시킬 필요는 없다는 것입니다. 실제로 제대로 설계된 시설은 해안 보호 기능을 제공할 수 있습니다.

"해안을 해양 환경의 영향으로부터 보호하는 동시에 청정 전기를 생산하여 포르투갈의 에너지 전환과 자급자족을 지원할 수 있습니다."

– Paulo Rosa Santos, CIIMAR 공동 리더

이러한 발전은 해당 분야가 실험적인 시제품에서 실용적인 솔루션으로 전환하고 있음을 반영합니다.

자이로스코프를 활용하여 최대 에너지 흡수율 달성

파력 에너지 장치(WEC)는 지속적인 파동 운동을 효율적으로 사용 가능한 전기로 변환하는 것을 목표로 합니다. 국가 혁신 계획, 기술 발전 및 지역 인프라와의 통합에 힘입어 전 세계 파력 에너지 변환기 시장은 성장할 것으로 예상됩니다. 2025년 21.6만 달러에서 2034년 38.2만 달러로 증가CAGR 6.5%로 성장했습니다.

풍력 발전기는 기술적, 경제적, 규제적 문제로 인해 아직 완전히 상용화되지 못했기 때문에 최적의 단일 솔루션은 아직 존재하지 않습니다. 점 흡수식, 진동 수주(OCW), 월류 방지 장치, 감쇠 장치, 자이로스코프 시스템 등 다양한 유형이 제안되었습니다.

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자이로스코프식 파력 발전기는 동력 추출 시스템(GPTO)에 자이로스코프를 사용하여 파동 운동으로부터 에너지를 추출합니다. GPTO는 짐벌 프레임에 장착된 전기 발전기와 플라이휠로 구성됩니다. 특히, GPTO는 부유체 내부에 설치되어 있어 파도의 움직임에 따라 구조물도 함께 움직입니다. 이 움직임은 회전하는 플라이휠에 의해 전기 에너지로 변환됩니다. 자이로스코프처럼 작동하기 때문에, 플라이휠의 동작을 조정하여 좁은 주파수 대역에 국한된 다른 파력 발전기와 달리 넓은 주파수 범위에서 에너지를 수확할 수 있습니다.

이 시스템은 플라이휠의 회전과 부유체의 피치 운동에 의해 유도되는 자이로스코프 세차 운동을 이용합니다. 자이로스코프 세차 운동은 회전하는 물체가 외부 힘에 반응할 때 발생합니다. 파도로 인해 플랫폼이 움직이면 회전하는 플라이휠의 방향이 바뀌고, 이 움직임이 발전기에 연결되어 전기를 생산합니다. 선체 내부에 설치되어 있어 해수로부터 장치를 보호하므로 유지 보수 및 안전상의 이점이 있습니다.

자이로스코프 변환기는 특정 조건에서만 효율적인 기존 풍력 발전기의 한계를 극복하려는 노력의 일환입니다. 오사카 대학의 연구원인 이이다 타카히토는 적응성이 뛰어난 중력파 발전기에 주목했습니다. 그의 연구에서, 유체역학 저널에 게재됨²이이다는 이 설계가 대규모 발전을 지원할 수 있는지 여부를 평가했습니다.

이이다는 "파력 발전 장치는 해양 환경이 끊임없이 변화하기 때문에 어려움을 겪는 경우가 많습니다."라고 말했습니다. "하지만 자이로스코프 시스템은 파도의 주파수가 변하더라도 높은 에너지 흡수율을 유지할 수 있도록 제어할 수 있습니다."

시스템의 작동 방식을 이해하기 위해 그는 선형 파동 이론을 활용하여 해양 파도, 자이로스코프 및 구조물 간의 상호 작용을 모델링했습니다. 분석을 통해 연구팀은 회전 속도와 발전기 제어에 대한 이상적인 설정을 찾아낼 수 있었습니다. 적절히 조정하면 GWEC는 모든 파도 주파수에서 이론상 최대 에너지 흡수 효율인 1/2에 도달할 수 있습니다.

이이다 교수는 "이러한 효율 한계는 파동 에너지 이론의 근본적인 제약 조건입니다."라고 언급하며, "흥미로운 점은 이제 이 한계가 단일 공진 조건뿐만 아니라 광대역 주파수 대역에 걸쳐 나타날 수 있다는 사실을 알게 되었다는 것입니다."라고 덧붙였다.

연구팀은 시간 영역과 주파수 영역 모두에서 수치 시뮬레이션을 통해 연구 결과를 검증했습니다. 이러한 결과는 해당 장치가 공진 주파수 근처에서 높은 효율을 유지하며, 움직임이 자연 파동 패턴과 일치할 때 최상의 성능을 발휘함을 입증했습니다. 작동 매개변수에 대한 이러한 명확한 이해는 기후 목표 달성에 기여할 수 있는 효율적인 파력 에너지 시스템 개발 가능성을 보여줍니다.

재생 에너지 투자

투자 관점에서 볼 때, 파력 에너지에만 전념하는 상장 기업은 드뭅니다. 파력 에너지는 여전히 초기 단계의 성장 동력이며, 높은 인프라 구축 비용과 제한적인 프로젝트 시행으로 어려움을 겪고 있습니다. 파력 에너지 기술 자체가 상업적 규모의 경제성을 입증하는 초기 단계에 머물러 있기 때문에, 순수 파력 에너지 관련 상장 주식은 일반적으로 저조한 성과를 보여왔습니다.

대신, 우리는 장기적으로 해양 에너지 성장의 혜택을 받을 수 있는 강력한 재생 에너지 포트폴리오를 보유한 기업에 집중할 것입니다. NextEra 에너지, Inc. (NEE ) 이 회사는 광범위한 해상 풍력 및 전력망 통합 경험을 보유한 미국의 주요 재생 에너지 선도 기업입니다.

이 회사는 NextEra Energy Resources(NEER)와 Florida Power & Light(FPL)를 통해 사업을 운영합니다. FPL은 요금 규제를 받는 전력 회사로, 순 발전 용량 35,052메가와트를 보유하고 있으며, 고객 수(12만 명) 기준으로 미국 최대의 전력 회사입니다. 이러한 규제 사업은 안정적인 수익과 현금 흐름을 창출하여 배당금 증가를 뒷받침합니다.

NEER은 발전 시설을 운영하고 재생 연료, 천연가스 파이프라인, 배터리 저장 장치와 같은 청정 에너지에 투자합니다. 넥스트에라 에너지 리소스(NEER)는 세계 최대의 재생 에너지 발전 기업으로, 프로젝트 파이프라인을 지속적으로 확장하고 있습니다. 견조한 수익 성장과 전략적인 기술 계약은 향후 상승 여력을 뒷받침하지만, 시장 변동성에 취약한 측면도 존재합니다. 재생에너지 반대 정책 트럼프 행정부 하에서.

현재 넥스트에라(NextEra) 주가는 90.79달러로 신고가 부근에서 거래되고 있으며, 연초 대비 13.63%, 지난 1년 동안 32% 상승했습니다. 이 회사의 주당순이익(EPS, 최근 12개월 기준)은 3.30달러이고 주가수익비율(PER, 최근 12개월 기준)은 27.63배입니다.

넥스트에라(NextEra)는 2.73%의 배당 수익률을 제공합니다. 최근 회사는 주당 0.6232달러의 분기 배당금을 발표했는데, 이는 전년 동기 대비 10% 증가한 금액입니다. 넥스트에라는 2025년 4분기 조정 순이익 11억 3,300만 달러, 연간 순이익 76억 8,300만 달러를 기록했습니다. 넥스트에라는 7.2GW 규모의 신규 발전 설비를 가동하고 13.5GW 규모의 수주 잔고를 추가하여 총 30GW에 달하는 발전 설비를 확보했다고 발표했습니다. 여기에는 구글과 함께 듀안 아놀드 원자력 발전소를 재가동하는 계획이 포함됩니다.

존 케첨 CEO는 “미국의 급증하는 에너지 수요를 안정적이고 저렴하게 충족하는 데 필요한 에너지 인프라를 구축하는 데 있어 우리 회사보다 더 유리한 위치에 있는 기업은 없다고 확신합니다.”라고 말했습니다. 회사는 조정 주당순이익(EPS)이 2032년까지 연평균 8% 이상 성장할 것으로 예상하고 있으며, 전략적 인수합병을 통해 천연가스 공급 솔루션을 확대하고 있습니다.

넥스트에라는 2026년 조정 주당순이익(EPS)이 3.92달러에서 4.02달러 사이가 될 것으로 예상하며, 배당금은 2028년까지 매년 6%씩 증가할 것으로 전망합니다.

맺음말

극한 기상 현상과 AI 데이터 센터 증가로 전 세계 에너지 수요가 상승함에 따라, 온실가스 배출량 감축을 위해 재생 에너지 성장이 더욱 중요해지고 있습니다. 태양광과 풍력이 현재 가장 널리 보급되고 있지만, 파력 에너지는 예측 가능하고 고밀도의 자원을 제공함으로써 청정 에너지로의 전환을 가속화할 잠재력을 지니고 있습니다.

자이로스코프 파력 에너지와 같은 기술 연구는 이 분야를 제한하는 기술적 장벽을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 발전은 지원 정책 및 전략적 투자와 함께 상당한 새로운 역량을 창출하는 데 기여할 수 있습니다.

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참고자료

1. Clemente, D., et al. 연안 500MW 파력 발전소의 전력 생산 및 해안 보호 평가. 응용 에너지 379, 124950(2025). https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.1249502
2. Iida, T. 광대역 주파수에서 파동 에너지의 절반을 흡수하는 자이로스코프식 파동 에너지 변환기의 선형 분석. 유체 역학 저널 1029, A20(2026). https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11172