최초의 태양열 발전, '태양 엔진'의 탄생과 그 잊혀진 역사

최초의 태양열 발전소는 미국의 발명가 프랭크 슈만(Frank Shuman)에 의해 지금으로부터 110년 전인 1913년 이집트에서 처음으로 세워졌다. 철선을 유리 안에 넣어 유리의 내화성을 강화하고 사고 시 위험을 방지하는 기술의 특허를 가지고 있던 슈만은 당시 석탄 연소에 의한 도시 공기 오염을 심각하게 우려했으며, 이를 극복하기 위해 태양열의 이용을 적극적으로 고려했다. 이미 1910년 이전에 '태양 엔진'을 시험적으로 개발해 소규모의 장난감 기차를 구동할 수 있었던 그는 대규모 태양열 발전소를 건설하여 "야만적"인 화석연료 시대를 종식할 수 있다고 보았다. 그의 실험은 비록 1차 세계대전과 당시의 기술적 한계로 잊혀졌지만, 그가 구현하고 예측했던 태양열 기술의 핵심과 골격은 오늘날의 재생가능한 태양열 에너지 이용으로 계승되었다. 이 글은 BBC Future 4월 21일 자 기사 The forgotten 20th Century 'Sun engine'의 번역으로 최초의 태양열 발전의 기원, 미국의 발명가 프랭크 슈만(Frank Shuman)이 그 최초의 태양열 발전을 위한 '태양 엔진'을 발명하게 된 계기, 그리고 그것이 잊혀진 비운의 역사에 대해 설명하고 있다.

잊혀진 20세기 '태양 엔진'

세계 최초의 태양열 발전소는 더 깨끗한 공기에 대한 비전을 가진 사람에 의해 세계 1차 대전 전에 지어졌다.

Stephen Dowling

슈만(Shuman)의 발명품은 1913년 이집트에서 화석연료를 태우지 않고 나일강에서 물을 퍼낼 수 있는 방법을 보여주었다. 사진: Alamy

1900년대 초는 석탄과 철의 시대였다. 산업은 석탄을 태우는 연기를 사방으로 내뿜으며 시끄럽고 불결했다.

미국 동부 해안의 산업 중심지 중 하나인 필라델피아에서는 이미 상황이 참을 수 없게 되었다. 1955년 대기오염법이 제정되기 약 50년 전인 1904년, 시 행정관들은 더 깨끗한 공기를 위한 자체 규정을 만들었다. 연통, 굴뚝, 녹지 등에서 연기의 양을 제한하고, '어느 정도 검은' 그을음을 내뿜는 사람들을 과태료로 처벌했다.

이 세계에 태양의 열을 이용해서 기계에 동력을 공급할 수 있도록 하는 간단한 계획을 가진 미국 발명가가 등장했다.  그와 같은 아이디어가 임계점을 달성하는 데는 한 세기 이상이 걸렸지만, 우리는 전환점에 있을 수 있다. 4월 초, 엠버(Ember, 에너지 관련 싱크 탱크[ember-climate.org] - 역자 주)의 에너지 분석가들은 화석 연료로부터의 에너지 생산이 올해 정점에 이를 것이라고 예측하는 보고서를 발표했다. (청정에너지에서 그러한 전환점의 중요성에 대해 자세히 읽어보시오.)

이 전환점을 추진하는 데 도움이 될 기술은 1980년대에 성숙해졌을지 모르지만, 태양의 힘을 이용하기 위한 프랭크 슈만(Frank Shuman)의 탐구에 대한 이야기는 씨앗이 훨씬 더 일찍 뿌려졌다는 것을 보여준다.

1890년대에 슈만은 철선으로 유리를 강화하는 방법을 발명했다. 이 유리는 더 내화성이 강했고 금이 갈 때도 함께 붙어서 위험할 정도로 날카로운 파편을 만들 가능성이 적었다. 학교나 교도소 같은 기관들은 그것을 좋아했다. 버지니아주에서 경력을 시작한 슈만은 필라델피아에 있는 삼촌의 금속 세공 공장에서 일을 시작했는데, 이 공장은 펜실베이니아주의 설립자 윌리엄 펜(William Pen)의 동상을 주조하고 있었고 시청의 높은 곳에서 오염으로 막힌 공기로부터 그것을 보호하기 위해 알루미늄으로 전기 도금하는 방법을 찾아야 했다. 동시에, 그는 자신의 특허를 받은 "세이프-티 글라스"(Safe-tee Glass)를 판매하는 회사를 시작했다.

작가 크리스토퍼 R 도허티(Christopher R Dougherty)가 필라델피아 웹사이트 히든 시티(Hidden City)의 슈만에 대한 프로필에서 언급했듯이, "전기도금과 철선을 넣은 유리 공정은 매우 혁신적이어서 사이언티픽 아메리칸 잡지는 1892년에 각각 2주 간격으로 기사를 게재했습니다. 슈만은 자신의 발명품에 풀타임으로 집중하기 위해 직장을 그만두었습니다."

끈질긴 발명가인 슈만은 오랫동안 전기를 만들기 위해 자연의 힘을 사용하는 개념에 흥미를 느껴왔다. "슈만은 항상 존재하는 석탄 연기의 성가신 문제를 잘 알고 있었습니다, "라고 도허티는 BBC에 말했다. "직동식(direct-acting) 태양열 엔진에 대한 홍보 자료에서 그는 자신의 기술의 부산물이 '도시의 공기가 건강하고 순수하게 할 것'을 의미한다고 주장했다.

"우리 강변은 석탄 저장고와 정유소, 값싼 화석 연료로 가득 차 있었기 때문에 슈만이 이 자원의 종말을 상상하는 것은 시대를 훨씬 앞서 있었습니다."

1906년 슈만은 안전유리 자산 덕분에 자유롭게 일할 수 있게 되었고, 필라델피아 타코니 북동쪽 교외에 있는 자신의 집에서 태양 광선으로 구동되는 엔진을 만들기 위해 작업을 시작했다. 반사경은 절연 상자 주위에 배치되었고, 이 상자들은 낮 동안 반사경이 태양의 경로를 따를 수 있도록 회전식으로 만들어졌다. 태양의 광선은 끓는점을 낮추기 위해 진공 상태의 물 용기로 향했고, 이 물 용기는 저압 증기 기관에 연결되었다. 1910년까지 슈만은 이 개념을 기화된 에테르로 작은 장난감 기차를 운행할 수 있을 정도로 개선했고, 이 깨끗한 형태의 동력의 이점을 듣는 모든 사람들에게 극찬했다.

1913년 슈만은 자신의 기술을 선보이기 위하여 이집트로 갔다

슈만이 태양 엔진을 연구하는 동안, 또 다른 미국 발명가 오브리 에니어스(Aubrey Eneas)는 1906년 캘리포니아의 타조 농장을 위해 거의 1,800개의 거울로 줄을 세웠고 지름이 33피트(10m)에 달하는 거대한 금속 태양 엔진을 만들었다. 이 장치는 땅을 관개하기 위해 펌프를 가동했지만 궁극적으로 실행 가능성을 증명하기에는 너무 비싸고 번거로웠다.

슈만의 계획에 대한 소식은 결국 대영 제국의 군사 점령 하에 있던 이집트로 전해졌다. 이집트는 광대한 목화밭을 가지고 있었지만 손으로 물을 대는 것은 힘든 과정이었고 석탄으로 움직이는 엔진을 사용하는 것은 비용 효율적이지 않았다. "슈만은 영국 자본가들에게 석탄 비용을 절감하는 방법으로 자신의 태양 전지판에 투자하도록 호소했습니다."라고 도허티는 말한다.

1913년 슈만은 자신의 기술을 시연하기 위해 이집트로 여행을 떠났다. "샴페인을 홀짝이면서 치즈와 캐비어를 간식으로 먹으며 파나마모자와 헬멧을 쓴 콧수염 난 남자들과 파라솔을 든 우아한 숙녀들이 정원을 거닐며 길고 빛을 내며 줄지어 있는 여물통 모양의 거울을 보고 놀랐다. 이 거울들은 각각의 여물통 길이의 주철 보일러에 햇빛을 모으고 있었다."라고 제레미 셰어는 그의 책 '재생가능: 대체 에너지의 세계를 바꾸는 힘'(Renewable: The World-Changing Power of Alternative Energy)에서 회상했다. "200F(93C) 이상으로 가열된 보일러의 물은 특별히 설계된 75마력 엔진을 구동하기 위해 저압 증기로 변환되었다. 마치 마술처럼 햇빛만으로 작동하는 엔진은 나일강에서 수천 갤런의 물을 끌어올려 메마른 땅을 흠뻑 적셨다."

슈만의 장치는 나일강에서 물을 끌어와 이집트의 매우 중요하고 물이 부족한 목화밭에 관개했다. 사진: Getty Images

군중들 중에는 1890년대에 수단을 대영 제국의 지배하에 두었던 영국의 군사 지도자 키치너 경(Lord Kitchener)이 있었다. 도허티에 따르면, 키치너는 그것을 "이집트의 인프라 개선 프로그램에 필수적인 것으로 보았다. 키치너는 슈만에게 엔진을 복제하기 위해 수단에 3만 에이커(121평방 킬로미터)의 목화 농장을 제공했다."

태양 여왕 간과된 태양열 발전의 선구자 마리아 텔케스(Mária Telkes)는 태양열 발전에 매우 중요한 역할을 했기 때문에 그녀의 별명은 "태양 여왕"(The Sun Queen)이었다. 11953년, 텔크스는 태양열로 움직이는 오븐을 발명하는 것을 도왔고, 1960년대에 태양광 전지에 대한 연구를 수행했다.

그러나 슈만의 발명은 곧 이중의 타격을 입었는데, 그것은 제1차 세계 대전의 도래와 중동과 다른 지역에서의 값싼 석유의 발견이었다. 슈만의 디자인은 주류(mainstream)에서 사용하기에 충분히 세련되지 않았을 수도 있다고 도허티는 말한다. "엔진은 더 광범위한 매력을 찾지 못했지만 시스템은 기술적으로 다소 복잡했으며 이는 아마도 채택을 좌절시켰을 것이다."

그럼에도 불구하고 슈만은 그러한 "태양열 엔진"이 대량으로 만들어졌을 때 어떻게 더러운 연료를 대체할 수 있는지에 대한 선견지명이 있었다. 1911년 사이언티픽 아메리칸(Scientific American)에 글을 쓰면서 그는 오늘날 우리가 볼 수 있는 거대한 태양열 농장의 종류를 예측했다.

"태양 발전소가 실행 가능하려면 먼저 높은 효율성, 낮은 설치 및 유지 관리 비용, 우수한 서비스 기간, 그리고 그 운영을 위해 특별히 훈련된 기계공이 필요하지 않아야 한다... 이와 같은 방식으로 최대 10,000마력 이상의 태양 전력 생산은 완전히 실행가능하다. 이상적인 발전소는 사고가 거의 없어야 하며, 따라서 폭풍과 바람의 영향을 받지 않도록 땅 가까이 있어야 한다. 각 장치는 작동을 중단하지 않고 수리할 수 있어야 하며, 일반 증기 엔지니어가 구조를 간단하고 쉽게 이해해야 하며, 마모가 최소화되어야 합니다."

슈만은 1919년에 세상을 떠났고, 1973년 석유 위기의 충격으로 값싼 석유 시대가 종식된 후 그의 아이디어가 다시 한번 퍼지기 위해서는 50년이 더 걸렸다. 그로부터 10년도 채 지나지 않아 최초의 본격적인 태양 에너지 발전소인 태양 에너지 발전 시스템(Solar Energy Generating Systems, Segs) 시설이 캘리포니아의 모하비 사막에서 공개되었다. Segs는 결국 936,000개 이상의 거울(또는 "수집기")을 포함하여 자연 강도의 70~80배로 햇빛을 반사하여 합성 오일을 끓이고, 이는 전기를 생성하는 터빈을 구동한다. 원래의 Segs의 대부분은 광전압판으로 대체되었지만, 그 시설은 절정기에 230,000 가구 이상의 가정에 충분한 전력을 생산할 수 있었다.

1914년 슈만은 인류가 태양 에너지를 사용하지 않는 한 "야만주의"로 전락할 것이라고 썼다.

2013년, 두 명의 스위스 예술가인 크리스티나 헤마우어(Christina Hemauer)와 로만 켈러(Roman Keller)가 슈만의 광범위한 디자인의 일부를 이집트의 설치 예술의 일부로 재창조했다. 1913년의 태양 엔진의 일부와 함께 1914년에 쓰여진 슈만의 인용문이 있다: "내가 확신하는 한 가지는, 인류가 마침내 태양의 직접적인 힘을 이용하거나 야만으로 돌아가야 한다는 것이다."

슈만의 실험이 있은 지 100년 이상이 지난 지금, 세계는 마침내 청정 연소 태양엔진의 약속을 따라잡은 것 같다. 사실, 이집트는 아스완 댐에서 북서쪽으로 약 40km 떨어진 곳에 현재 세계에서 네 번째로 큰 태양열 발전소를 열었다. 벤반 태양 공원(Benban Solar Park)은 37 평방 킬로미터 (14.4 평방 마일) 이상의 면적을 차지하며 우주에서 볼 수 있을 정도로 크다.