에너지의 효율적 사용이 중요한 이슈로 등장하면서, 다양한 에너지하베스팅(Energy Harves-ting) 기술이 개발되고 있다. 에너지하베스팅이란 버려지는 에너지를 모아 유용한 에너지로 변환하는 기술을 의미한다.
캐나다의 벤처기업인 바이오닉파워(Bionic Power)사는 최근 사람이 걷거나 뛸 때 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 바꿔주는 ‘파워워크-M(PowerWalk-M)’이라는 기기를 선보여 화제가 되고 있다.
파워워크-M이 특히 주목을 받고 있는 이유는 군수용품으로 사용될 수 있기 때문이다. 현재 파워워크-M의 상용화 가능성을 검토하고 있는 미 해병대는, 테스트 결과에 따라 그동안 군인들이 들고 다녀야 했던 배터리를 파워워크-M으로 대체한다는 계획이다.

하이브리드 자동차의 원리를 적용

파워워크-M은 운동할 때 사용하는 무릎 보호대를 닮았다. 한 개의 무게가 약 850그램 정도이고, 유연한 재료를 사용했기 때문에, 사용자는 편안한 상태로 걸어 다닐 수 있다.
평균적으로 파워워크-M은 12와트의 전력을 생산할 수 있지만, 내리막길에서 걸을 때는 20와트까지도 전력을 제공할 수 있다. 특히 군인들에게는 인대를 보호해 무릎 부상을 감소시키는 추가적인 편익도 제공한다.
파워워크-M은 자연스러운 걷기 동작에 방해가 되지 않으면서도, 다양한 종류의 군사용 기기들을 충전할 수 있다. 이를 위해, 바이오닉파워사의 연구진은 하이브리드 자동차에 사용되는 회생제동(Regenerative Braking) 시스템을 적용했다.
회생제동 시스템이란 브레이크로 제동 시 천천히 제동함으로써 전기에너지를 충전하고, 이 후 주행 시에 이 에너지를 재사용하여 연비를 향상시키는 기술이다. 하이브리드 자동차가 고연비를 발휘할 수 있는 비밀의 열쇠인 회생제동 시스템은, 고속열차나 전동차 등에 먼저 적용돼 효과를 입증한 바 있다.
파워워크-M도 회생제동 시스템처럼 다리의 움직임을 이용해서 전기를 생산한다. 제조사의 설명에 따르면 파워워크-M의 에너지는 앞으로 나갈 때가 아니라, 돌아오는 동작에서 에너지를 회수하는 것으로 파악됐다. 따라서 보행 시 불편함이나 추가적인 에너지 소모는 크지 않은 것으로 드러났다.
파워워크-M을 테스트해 본 에너지 분야 전문가들은 바이오닉파워사의 에너지하베스팅 기술에 대해 “한 마디로 말해 인텔리전트(Intelligent)하다”고 평가했다. 그리고 그 이유에 대해 “군인들이 다리를 내디딜 때마다, 파워워크-M의 마이크로프로세서가 걸음의 패턴을 분석해 일정한 전력을 생산할 수 있도록 도와주기 때문”이라고 설명했다.
즉, 실제의 보행 속도는 계속해서 변하기 때문에 일정 수준의 전기를 생산하기는 어렵지만, 파워워크-M은 가장 최적의 보행 상태를 측정해서 그 순간 만의 에너지를 하베스팅 하기 때문에 안정적인 전기 생산이 가능하다는 것이다.
파워워크-M 개발에 참여한 바이오닉파워사의 댄 헤플러(Dan Hepler) 연구원은 “파워워크-M에 적용된 하드웨어는 무릎 관절의 동작을 편안하게 해주기 위해 경량의 탄소섬유 보호대를 포함하고 있다”고 밝혔다. 그러면서 “특히 하드웨어 중 하나인 기어박스의 경우, 낮은 보행 속도로도 높은 토크의 전력이 가능하도록 설계됐다”고 덧붙였다.

다양한 에너지하베스팅 기술들이 선보여

미 해병대는 최근 자체 방송 매체인 마린(Marine) TV를 통해 파워워크-M의 현장 테스트 상황을 보도하면서, 미 해병대가 이 기기를 테스트 하는 목적은 배터리를 구매하는 비용 및 군용 장비의 무게를 줄이기 위한 것이라고 밝혔다.
마린 TV는 방송을 통해 현대전에서의 첨단 무기에 대한 의존도가 점차 높아지면서, 기기들의 무게가 상당히 증가했다고 전했다. 그리고 기기 무게가 증가한 원인에는 배터리 무게의 증가가 결정적이라고 보도하며, 이는 국군의 새로운 골칫거리라고 지적했다.
미 해병대의 발표에 따르면 야시경과 레이저 포인터, 그리고 GPS와 무전기 등의 통신기기를 사용하기 위해서는, 가지고 다니는 배터리의 무게가 최대 13킬로그램 까지 증가하는 경우도 발생하는 것으로 드러났다.
이와 관련하여 미 해병대 대변인은 “증가하는 배터리 무게가 군인들의 이동거리와 주행속도를 상당히 제약하는 것이 현실”이라고 말했다. 그러면서 “군대에서 에너지하베스팅 기술을 평가함에 있어 가장 중요한 키는, 배터리의 무게를 대폭 감소시키거나 새로운 개념의 충전 방식을 개발하는 것”이라고 설명했다.
파워워크-M을 테스트한 미 해병대는 군인들이 한 시간 보행으로 4개의 스마트폰을 충전할 만큼의 전력을 생산할 수 있었다고 발표했다. 또한 충전이 필요할 때만 파워워크-M을 착용해서 사용하면 되기 때문에 간편성 면에서도 합격점을 받았다.
미 해병대는 파워워크-M의 충전 효율이 지금보다 더 높아지게 되면, 배터리 구매 비용이 대폭 줄어드는 것은 물론, 더 나아가 배터리 자체를 휴대할 필요가 없을 것으로 예상했다. 마린 TV의 보도에 따르면 연간 최대 2억 7천만 달러를 절약할 수 있는 것으로 나타났다.
한편 바이오닉파워사는 무릎 관절을 이용한 보행 방식의 파워워크-M 외에도, 압전(Piezoelectric) 효과를 이용하여 신발에 장착하는 에너지하베스팅 기술도 개발했다고 밝혔다. 그러나 압전 방식보다는 보행 방식이 훨씬 더 많은 전기를 생산했기 때문에, 파워워크-M을 보행 방식으로 개발한 것으로 알려졌다.
압전 방식이란 압력이나 진동과 같은 일상적인 동작의 효과만으로도 전력을 얻을 수 있는 것을 말한다. 에너지하베스팅 기술 중에서도 가장 기술개발이 활발한 분야지만, 워낙 낮은 출력 때문에 경제성이 낮다고 인식되어 왔다.
이 외에도 에너지하베스팅 기술에서 압전 분야 만큼이나 기술개발 속도가 빠른 분야가 바로 열전 하베스팅(Teermoelectric Harvesting) 기술이다. 열전 하베스팅은 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 기술이다.
고온부분과 저온부분의 온도 차에 의해 열이 이동할 때 발생하는 에너지를 전기에너지로 변환하는 것이 기본 개념이다. 온도 차는 항상 존재하기 때문에 자연계에 있는 열인 태양열과 해양열, 그리고 지열과 인체열 등을 모두 이용할 수 있다.
특히 열은 우리 주변 어디서나 사용되고 버려지는 만큼 에너지 회수율도 더 높을 것으로 기대하고 있다. 공업 폐열과 자동차 폐열, 그리고 쓰레기 소각열 등 인공적인 열도 사용이 가능하다. 따라서, 열전 하베스팅의 이용한도는 거의 무한대라는 것이 전문가들의 공통된 의견이다.