하이브리드로 태양열 수확·저장한다

과학기술

하이브리드로 태양열 수확·저장한다
초과분은 분자 에너지로 전환해서 저장

2019.11.26 11:38 심재율 객원기자

휴스턴 대학의 연구원들은 태양 에너지를 효율적으로 포집해서 필요할 때까지 저장할 수 있는 새로운 ‘하이브리드’ 장치를 개발했다고 발표했다. 이 새 장치는 발전에서부터 증류 및 담수화에 이르는 응용 분야에 대해 폭넓게 사용이 가능할 것으로 보인다.

태양광에서 직접 전기를 생산하기 위해 광전지 기술에 의존하는 태양전지 패널과는 달리 하이브리드 장치는 태양열을 포착해 열에너지로 저장한다. 제한된 일조 시간, 흐린 날 및 다른 제약이 생겨도 24시간 내내 태양 에너지를 사용할 수 있는 길을 제시한다. 게다가 더 넓은 규모의 태양열 응용을 막아 온 몇몇 문제들을 다루고 있다.

휴스턴 대학 연구팀이 개발한 태양열 포집 및 저장 장치 ⓒ 휴스턴 대학

줄(Joule) 저널 최신호에 발표한 논문에서 휴스턴대학(University of Houston) 연구팀은 “분자 에너지 저장 장치와 열 저장 장치를 결합하여 에너지 통합 수확 장치와 저장 장치를 만들었다”고 발표했다.

연구원들은 소규모 운영에서는 73%의 수확 효율을 거뒀으며, 대규모 운영에서는 90%의 높은 수확 효율을 냈다고 보고했다. 저장된 에너지의 최대 80%가 밤에 복구되었으며, 낮 동안의 회복률은 훨씬 더 높다고 연구원들은 말했다.

필요할 때 에너지 꺼내서 사용

논문의 교신저자인 휴스턴대학의 하디 가세미(Hadi Ghasemi)교수는 “이렇게 효율이 높은 것은 햇빛의 전체 스펙트럼을 포착하여 즉시 사용할 수 있도록 수확하고, 초과분을 분자 에너지로 변환해서 저장하기 때문”이라고 말했다.

이 장치는 노보나디엔-쿼드리시클레인(Norbornadiene-quadricyclane)을 분자 저장 물질로 사용하여 합성한 것이다. 이 유기 화합물은 저장 시간이 길어져도 에너지를 안정적으로 저장하면서도 뛰어난 열 방출량을 보여준다. 가세미 고는 다른 재료를 사용해서도 같은 개념의 장치 개발에 적용할 수 있어, 작동 온도와 효율성을 포함한 성능을 최적화할 수 있다고 말했다.

이 장치는 몇 가지 방법으로 효율성을 향상시킨다. 태양 에너지는 시간이 흐르면서 소멸되지 않고, 분자 에너지 형태로 저장된다. 통합 시스템 역시 저장한 에너지를 배관 라인을 통해 운반할 필요가 없기 때문에 열 손실이 줄어든다.

휴스턴 대학 텍사스 초전도센터의 랜달 리(Randall Lee) 박사는 “낮 동안 태양열에너지를 120℃의 온도에서 수확할 수 있다”면서 “태양 복사량이 적거나 없는 밤에는 분자 장치에 저장된 에너지를 꺼내다 사용한다”고 말했다.

태양열을 간단하게 포집해서 저장햇다가 사용하면 얼마나 좋을까. ⓒ 픽사베이

태양열을 간단하게 포집해서 저장했다가 사용하면 얼마나 좋을까. ⓒ 픽사베이

이럴 경우 저장된 에너지는 낮 보다 더 높은 온도에서 열에너지를 생산할 수 있어 해가 비치지 않을 때에도 사용할 수 있는 에너지의 양을 증가시킬 수 있다고 그는 말했다.

한편 과학자들은 수십 년 동안 에너지를 효율적으로 저장하는 기술을 찾아왔으며, 이 중 스웨덴 연구팀은 에너지를 병에 담아 액체로 보관하는 기술을 발표했다. 이들은 햇빛 에너지를 흡수하고 몇 달 혹은 심지어 몇 년 동안 유지한 다음 필요할 때 방출하는 특별한 액체를 개발했다고 지난해 발표했다.

스웨덴 대학도 액체연료 연구

스웨덴 차머스 공과대학(Chalmers University of Technology)의 카스퍼 모스-풀센(Kasper Moth-Poulsen) 연구팀은 새로운 태양열 연료를 시험할 수 있는 시제품 시스템을 구축했다. 이들이 개발한 액체 연료도 역시 노보나디엔-쿼드리시클레인을 이용한 것이다. 태양열이 노보나디엔 화합물과 콰드로시클레인 화합물을 오가면서 에너지를 보관했다가 다시 꺼내 쓰는 방식을 쓴다.

연구팀이 개발한 특수 용액이 투명한 관을 통해 흘러갈 때 태양에서 나온 자외선이 용액의 분자를 흥분시켜 용액에 있는 탄소·수소·질소의 분자 결합을 재배열해서 노르나디엔 화합물을 또 다른 화합물인 콰드리시클레인으로 바꿔준다. 이때 콰드리시클레인은 에너지를 강한 화학결합으로 묶어두기 때문에 온도가 내려간 다음에도 에너지를 저장하는 것이다.

반대로 에너지가 필요할 때 콰드리시클레인을 코발트 기반의 촉매로 통과시키면 노보나디엔으로 변하면서 온도가 올라간다. 차머스 대학 연구팀은 지난해 8월 이 같은 내용을 왕립화학회(Royal Society of Chemistry) 저널에 발표했다.

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