태양열 전기 대량생산 가까워진다

과학기술

태양열 전기 대량생산 가까워진다
세라믹-금속 재료로 고효율 열교환기 개발

2018.10.19 10:47 김병희 객원기자

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거의 무한한 태양에너지를 값싸게 활용할 수 있다면 환경과 산업을 비롯한 여러 면에서 획기적인 전환을 가져오게 된다.

특히 온실가스 배출이 줄어들게 돼 지구온난화에 따른 기상 재앙 예방에 큰 몫을 할 것으로 보인다.

이를 위해 많은 과학기술자들이 머리를 싸매고 있으나 아직은 태양열을 에너지화하는 기술이나 재료가 효율이 높지 않아 문제다.

미국에서 현재 태양에너지가 전력에서 차지하는 비중은 현재 2% 미만이다. 하지만 흐린 날이나 밤에도 사용할 수 있도록 에너지 저장 비용이 싸진다면 그 비중은 크게 늘어날 수 있다.

이런 와중에 미국 퍼듀대가 이끄는 연구팀이 더욱 효과적인 태양열 발전을 할 수 있는 새로운 재료와 제조 공정을 개발해 관심을 모으고 있다.

미국 퍼듀대가 이끄는 연구팀이 새로운 세라믹-금속 복합재료와 제조 공정을 개발해 더욱 효율적으로 태양열 전기를 생산하는 방법을 선보였다. CREDIT: Purdue University/Erin Easterling

이 혁신적인 성과는 태양열 변환 전기 발전이 화석연료와 직접 가격 경쟁을 벌일 수 있도록하는 중요한 교두보가 될 것으로 보인다. 미국에서는 현재 화석연료를 사용한 발전이 60% 이상을 차지한다.

태양열 발전 어떻게 하면 효율 높일까

퍼듀대 재료공학과 케네스 샌드허지(Kenneth Sandhage) 교수는 “태양에너지를 열로 저장하는 것은 에너지를 배터리에 저장하는 것보다 이미 단가가 싸게 먹힌다”라며 “다음 단계는 온실가스를 전혀 발생시키지 않는 부가가치를 얻으면서 태양열 전기 생산 비용을 줄이는 것”이라고 밝혔다.

조지아공대, 위스컨신-메디슨대, 오크리지 국립연구소와 공동으로 수행한 이번 연구는 과학저널 ‘네이처’(Nature) 17일자에 발표됐다. 관련 동영상

고온과 고압에서 열 전달을 효율적으로 할 수 있도록 만든 세라믹-메탈 판. CREDIT : Purdue University illustration/Raymond Hassan

이 연구작업은 퍼듀대 개교 150주년 기념사업으로 지속가능한 경제와 세계를 만드는데 기여한 퍼듀대의 노력과 발전을 자축하는 ‘거대한 도약(Giant Leaps)’ 행사와 맥을 같이한다.

이 행사는 퍼듀대가 현실 세계의 문제를 해결하는 지적 중심임을 나타내기 위해 기획된 축하행사 네 가지 테마 가운데 하나다.

핵심 열교환기를 새로운 재질로 개발

태양에너지 발전은 단지 농장이나 지붕 위의 패널을 통해서 전기를 생산하는 것만이 전부는 아니다. 열에너지를 사용하는 열 집적 발전시설(concentrated power plants)도 있다.

태양열 집적 발전소는 거울이나 렌즈로 많은 빛을 작은 지점에 모은 다음, 이렇게 집적된 태양에너지를 전기로 변환하는 발전시설이다. 이 과정에서 거울 등에 의해 모아진 태양열은 용융된 소금에 전달된다.

소금 안에 저장된 열은 이어 초임계 이산화탄소로 이루어진 ‘작업용(working)’ 유체로 전달된 다음 유체가 팽창하면서 전기를 생산하는 터빈을 돌린다.

태양열을 모으는 파워 타워 전경. 동영상 캡처. CREDIT: Purdue University/Erin Easterling

태양열 전기를 더 싸게 생산하기 위해서는 터빈 엔진이 동일한 양의 열에 대해 더 많은 전기를 생산해야 한다. 이것은 엔진이 더 뜨겁게 가동될 필요가 있음을 의미한다.

문제는 뜨거운 용융 소금으로부터 작업용 유체로 열을 전달하는 열교환기의 재질이다. 현재 스테인레스 스틸이나 니켈 기반 합금으로 만들어진 이 열교환기는 고온과 압력에 너무 취약했다.

샌드허지 교수는 이를 해결하기 위해 이전에 그의 그룹에서 사용했던 재료들을 떠올렸다. 그들은 고체연료 로켓 노즐과 같이 높은 열과 압력에 견딜 수 있는 합성(composite) 재료를 생성하기 위해 여러 재료를 실험했었다.

센드어지 교수는 이를 바탕으로 현재 매서추세츠 공대에 있는 아시건 헨리(Asegun Henry) 박사와 협력해 더욱 강력한 열교환기를 만들 수 있는 유사한 복합재료를 고안해 냈다.

열효율은 고온 고압에 견딜 수 있는 열교환기의 재질이 관건의 하나다. CREDIT: Purdue University/Erin Easterling

이 작업에서 주목받은 소재는 세라믹 지르코늄 카바이드와 메탈 텅스텐 두 가지다.

퍼듀 연구원들은 이를 활용해 세라믹-메탈 합성물 판을 만들었다. 이 판들은 조지아공대 디비쉬 란잔(Devesh Ranjan) 박사팀이 수행한 채널 시뮬레이션을 기반으로 열교환을 조절할 수 있는 맞춤형 채널 관리에 적용됐다.

“태양열 전기, 대규모 생산 가능”

오크리지 국립연구소의 에드가 라라-쿠르지오(Edgar Lara-Curzio) 박사팀이 시행한 기계적 테스트와 위스컨신-매디슨대 마크 앤더슨(Mark Anderson) 박사팀이 실시한 부식 테스트 결과, 새로운 합성 재료는 고온, 고압의 초임계 이산화탄소를 성공적으로 견뎌냄으로써 현재 쓰이는 열교환기보다 훨씬 효율적으로 전기를 생산할 수 있음을 보여주었다.