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2014년 12월 21일 일요일

해수 온도차 발전이 경제성을 확보할 수 있을까 ?



 인류의 역사를 약간 비약해서 말한다면 자연으로부터 더 많은 에너지를 끌어내는 과정이었다고 할 수 있을 것입니다. 최초의 불의 발명에서 소가 끄는 쟁기, 증기 기관, 범선, 자동차, 발전소, 전기 같은 문명의 이기들은 결국 에너지를 더 많이, 그리고 더 효율적으로 사용하는 과정이라고 할 수 있겠죠. 

 18세기 이전까지 인류가 사용하던 대부분의 에너지는 결국 풍력, 수력, 혹은 동물의 힘 같은 자연 에너지였습니다. 하지만 산업 혁명 이후 인류의 주된 에너지는 화석 연료로 이동하게 됩니다. 아마도 화석 연료의 힘이 아니라면 인류는 지금 같은 산업 문명을 이루고 살 지는 못했을 것입니다. 그러나 21 세기에 이르러 과도한 화석 연료 사용으로 인한 대기중 이산화탄소 농도의 급격한 증가는 지구 온난화라는 달갑지 않은 문제를 일으키고 있습니다. 그리고 비록 당장 고갈 위기에 직면하지는 않았다고 해도 결국 화석 연료 자체가 언젠가는 고갈되는 1 회용 연료라는 점도 문제로 지적되고 있습니다. 

 따라서 이미 20세기에 인류는 화석 연료 이외의 방법으로 에너지를 얻는 방법을 다양하게 탐색했습니다. 풍력, 태양에너지, 수력, 원자력, 지열, 바이오 연료 등 아주 다양한 방법이 제시되었는데 각기 장점을 가지고 있는 반면 큰 단점들도 가지고 있죠. 앞에서 언급한 에너지들은 이미 모두 실용화 된 것이지만 오래전부터 꾸준히 그 원리가 제시되었음에도 불구하고 현재까지 실용화 되지 않은 대체 에너지들이 있습니다. 그 중 대표적인 것이 해수 온도차 발전이죠. 

 바닷물의 온도는 깊은 심해에서는 거의 비슷합니다. 물은 섭씨 4도 부근에서 가장 밀도가 높아져 아래로 가라앉기 때문이죠. 반면 표면 해수의 온도는 지역에 따라 다양합니다. 열대 지역에서는 해수의 표면온도는 높은 반면 중간층과 심해의 온도는 낮아서 이 온도차를 이용한다면 발전이 가능할 수 있습니다. 

 최근 리핑 리우 교수(Liping Liu, Associate Professor at Rutgers University)는 저널  New Journal of Physics에 이와 같은 해수 온도차 발전의 단가가 장래에 태양광 발전만큼 저렴해 질 가능성이 있다는 주장을 발표했습니다. 그가 구상하는 해수 온도차 발전의 핵심은 바로 열전효과(thermoelectric effect)에 있습니다. 


 일반적으로 열전효과는 열과 전기의 상호 작용에 대한 효과들로 제벡 효과, 펠티에 효과, 톰슨 효과를 합쳐서 부르는 용어입니다. 물론 발전에서는 열이 전기로 바뀌는 효과를 이용하는 것이죠. 열전 효과를 이용한 발전 방식은 매우 적은 온도차를 이용해서 발전이 가능하다는 장점이 있지만 현재 널리 쓰이지는 못하고 있습니다. 발전 장치를 만드는 건 어렵지 않은데 발전 효율이 낮고 발전양도 작으며 투자 비용에 비해 경제적이지 못하기 때문입니다.


 리우 교수의 제안은 열대 지역의 바다에 약 깊이 600 미터 정도 파이프를 만들고 이 물을 순환시켜 열전발전을 하는 것입니다. 그러면 온도 차이는 약 20K(켈빈) 정도 난다고 합니다. 펌프를 돌리는데 필요한 에너지는 파력 같이 다른 자연 에너지를 사용하고 열전 효과를 최대화하기 위해 미세 파이프라인에 물을 통과시킵니다. (아래 그림) 




(A thermoelectric power plant might use energy harvested from ocean waves to pump cold water up through a heat exchanger/generator near the surface. The heat exchanger is made of thermoelectric materials which can use the temperature gradient between the warm and cold water to generate electricity. Credit: Liu. (CC BY 3.0)


 이와 같은 발전 방식이 경제성을 가지기 위해서는 그 규모가 매우 커야할 것입니다. 거대한 파이프와 열/에너지 교환 튜브를 만들기 위해서는 기술적 문제는 물론이거니와 초기 비용이 막대하게 들 가능성이 높습니다. 하지만 현재의 기술 수준으로도 태양광 수준의 경제성은 확보할 수 있다는 것이 그의 주장입니다. 물론 이는 앞으로 검증이 필요한 부분이겠죠. 


 한가지 흥미로운 것은 같은 기술이 지열 발전소를 위해서 사용될 수도 있다는 것입니다. 이 경우에는 약 50K 정도 온도 차이로 발전이 가능할 것으로 예상했습니다. 땅속 깊이에서는 온도가 올라가고 지표에서는 공기에 의해 식혀진다는 기본적인 개념으로 발전소를 만드는 것입니다.   



(A thermoelectric power plant can also use geothermal sources to produce the temperature gradient. Here, hot water is pumped up to the heat exchanger/generator, where it is cooled by air. Credit: Liu. (CC BY 3.0))


 이와 같은 열전 효과 발전소는 낮이나 밤이나, 바람이 불든지 아니든지 간에 발전을 할 수 있다는 점에서 분명 유리하긴 하지만 매우 저렴하고 신뢰성 높은 열전 소자와 더불어 대규모 규모의 경제를 실현해야 한다는 점 때문에 초기 투자 비용이 막대하게 들 가능성이 높습니다. 개념은 흥미롭긴 한데 과연 실현 가능성이 있을지는 약간 회의적이네요. 


참고 

Liping Liu. "Feasibility of large-scale power plants based on thermoelectric effects." New Journal of Physics. DOI: 10.1088/1367-2630/16/12/123019

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