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2014년 10월 12일 일요일

버려지는 열을 전기로 바꾸는 E1



 이전부터 많은 연구자들이 매달려왔으나 아직까지 상업적인 수준의 실용화 단계에는 이르지 못한 기술 중 하나가 바로 열전 효과 (thermoelectric effect : 제벡 효과, 펠티에 효과, 톰슨 효과의 세가지 현상을 총칭. 여기서는 간단하게 열을 전기로 바꾸는 개념) 를 이용해서 남는 열을 유용한 전기로 바꾸는 것입니다. 사실 열전소자의 원리는 19 세기에 알려져 있고 주로 반대의 효과  (전기를 흘려보내 열을 낮추는 것) 를 보기 위해서 널리 사용되고 있습니다. 


 그런데 현대 사회에서 사용되는 발전기나 엔진은 사실 에너지 낭비가 매우 심합니다. 자동차용 내연 기관의 경우 가솔린 엔진의 경우 대략 20 % 수준이고 최근에 대폭 연비가 개선된 디젤 엔진도 30 % 수준, 그리고 발전소는 대개 30% 수준에 머물고 있습니다. 나머지 열에너지는 전기나 동력 생산에 사용되지 못하고 그냥 버려지게 됩니다. 즉 70-80% 에 달하는 에너지가 사실은 버려지는 것이죠. 이는 환경 오염과 온실 가스라는 측면을 제외하고 생각해도 엄청난 낭비라고 단언할 수 있습니다. 여기에 발전소 이외에 공장, 건설 현장, 석유 및 가스 채취 부분에서 버려지는 열에너지도 엄청납니다. 


 만약 이렇게 버려지는 폐열 (waste heat) 를 간단하게 전기로 바꿀 수 있다면 그야말로 에너지 부분에서 혁신이 가능할 것입니다. 열전 소자는 그 구조가 매우 단순하며 내연 혹은 외연 기관과는 달리 많은 온도차이가 없어도 발전이 가능하기 때문에 폐열 발전에서 유력한 후보로 이전부터 연구되어 왔습니다. 따라서 시험적인 폐열 발전소가 여기저기 들어서고 있으나 아직까지 상업적으로 널리 사용되는 수준이라고 보기는 어렵습니다. 그런데 여기에 신생 기업 하나가 다시 도전장을 내밀었습니다.  


 미국의 유명 국립 연구소인 로렌스 버클리 국립 연구소 (Lawrence Berkeley National Laboratory) 에서 2009 년 설립된 알파벳 에너지 (Alphabet Energy) 는 상업적인 폐열 발전을 가능하게 할 시제품인 E1 Thermoelectric Generator 를 공개했습니다. 로렌스 버클리에서 개발되었던 기술을 상용화 시켰다는 이 E1 발전기는 널리 사용되는 컨테이너에 수납이 가능하며 내연 기관처럼 움직이는 파트가 없기 때문에 (그냥 높은 온도의 배기 가스를 통과시키는 연통 같은 구조) 긴 수명과 고장없는 작동을 보장한다는 것이 제조사 측의 설명입니다. 



(E1 의 실물 Credit : Alphabet Energy) 



(E1 Thermal Electric Generator )


 E1 은 매우 단순한 구조로 되어 있어 이를 설치할 고객들은 단지 두 부분만 연결을 시키면 된다고 합니다. 첫번째 부분은 높은 온도의 배기 가스가 나갈 통로이고 두번째 부분은 전력선입니다. 그러면 고온의 가스가 지나가면서 열이 전기로 바뀌게 됩니다. 차가워진 가스는 굴뚝과 배기구를 통해서 빠져나가게 됩니다. 


 이 회사의 CEO 인 매튜 스쿨린 (Matthew Scullin) 에 의하면 E1 은 1,000 kWe 엔진을 기준으로 25 kWe 의 전력 생산이 가능하다고 합니다. 이는 연간 52500 리터의 디젤 연료를 절약할 수 있는 수준이라고 하네요. 다만 E1 모듈 한개의 가격이 어느 정도인지는 공개하지 않았습니다. (아마도 이 부분이 제일 중요할 것 같은데 말이죠... ) 


 폐열 발전은 발전소에서 나오는 열폐수 및 배기 가스량을 크게 감소시킬 수 있을 뿐 아니라 산업 전반에서 매우 무궁무진한 가능성을 가지고 있습니다. 문제는 효율성과 비용이었습니다. 비용을 대폭 줄이고 효율성을 높인다면 폐열 발전은 대부분의 에너지를 낭비하는 현재의 에너지 소비 패턴을 극복하는데 큰 도움을 줄 것입니다. 국내에서도 폐열 발전소가 시도되고 있는데 향후 수십년 이내로 이런 문제들을 극복하고 더 효율적인 에너지 사용이 가능해 지기를 기대해 보겠습니다. 


 참고 





   

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