제트기(jet airplane)가 이륙, 긴장 및 축축한 연기 기둥이 생길 때, 항공기에 앉아 있는 사람은 이러한 거대한 집합체가 하늘을 어떻게 날아오르고, 높은 고도에서 유지하는지 궁금하게 여길 것이다. 이와 관련된 지식은 거의 없다. 항공기는 뛰어난 동력 대 무게 비율 때문에, 제트기에 이상적인 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)으로 추진된다. 가스 터빈 엔진은 자체적인 가벼운 무게에 대하여 많은 동력을 생성하는 상대적으로 작은 터보 엔진이다.

스팀, 물 및 풍력 터빈 엔진보다 상대적으로 덜 알려진 가스 터빈 엔진은 주로 제트기(jet aircraft)와 발전소(electric power plants)에서 찾아볼 수 있다. 가스 터빈 엔진이 자동차 엔진이 경험하는 부하량처럼 변동하는 부하량이라기 보다는 장기적으로 일정한 부하량 조건에서 잘 운영되기 때문에, 이러한 사용에 적합하다. 가스 터빈이 2,000 ℉ 이상의 온도와 높은 속도에서 회전하기 때문에, 가스 터빈 엔진은 다량의 동력을 생산한다. 실제로 가스 터빈은 항공 분야와 전기 생산에 대하여 미국에서 사용되는 모든 에너지의 약 15%를 생산한다.

이러한 과정은 수많은 제트 연료의 연소를 필요로 한다. 가스 터빈 엔진 효율을 증가시키기 위한 방안을 찾고, 연료 연소를 억제하기 위하여, 미국 펜실베이니아 주립대학 공과대학(Penn State`s College of Engineering) 소속의 연구진은 에너지부(DOE; Department of Energy) 산하 국립 에너지 기술 연구실(National Energy Technology Laboratory), 항공 우주 분야 제조사인 Pratt & Whitney사 등과 팀을 이루어 START(Steady Thermal Aero Research Turbine) 시설에서 전체 규모의 테스트 터빈에 대한 실험을 수행했다. 미국은 연간 140만 배럴의 제트 연료를 사용하고 있으며, 연구팀의 목표는 이러한 수치를 5% 까지 삭감하는 데 있다고 펜실베이니아 주립대학 기계 및 원자력 공학과 교수이며 책임자인 Karen Thole은 밝혔다.

보다 더 큰 엔진 효율에 접근하는 한 가지 중요한 단계는 공기 시스템 밀봉(air system seals)을 개선하는 것이다. 가스 터빈은 계면에서 기류 누출을 생성하는 격차를 포함하는 회전하는 부품과 정지상 부품-각각 블레이드(blade, 날개깃)와 날개(vane)-을 모두 가지고 있다고 Thole은 설명했다. 그녀와 그녀의 연구팀은 누출을 줄이는 최적의 방안을 찾기 위하여 다양한 유형의 밀봉을 실험할 계획이며, 연구팀이 생성한 자료는 Pratt & Whitney사가 자사의 엔진 디자인 도구를 개선하는데 도움을 줄 것이다.

터빈 밀봉(turbine seals)에 대한 실험을 완성한 후, 연구팀은 연구의 초점을 가스 터빈을 추진하는 블레이드와 날개를 어떻게 더 잘 냉각할 수 있는지에 대한 냉각 기술(cooling technologies)로 전환할 계획이다. 가스 터빈 엔진은 공기를 흡수하고 압축하는 압축기(compressor), 연료를 연소시키는 연소실(combustor), 고압과 고속의 가스의 생성 및 가스로부터 에너지를 추출하는 터빈 등으로 이루어진다.

뜨거운 연소 가스는 2,000~3,000℉ 수준이라고 Thole는 밝혔다. 따라서 터빈의 날개와 블레이드가 극도로 높은 온도를 견딜 필요가 있으며, 날개와 블레이드를 보다 더 잘 냉각시킬수록, 보다 더 내구성이 있으며, 오래 지속되는 항공기 날개(airfoils)가 될 것이라고 Thole는 밝혔다.

가스 터빈 연구의 협력자인 DOE는 특히 개선된 냉각 디자인에 관심을 가지고 있다. DOE 화석 에너지부 터빈 기술 책임자인 Richard Dennis는 연구진이 발전소에서 보다 더 크고, 정지상의 가스 터빈에 개선된 냉각 기술을 적용하는 데 관심이 있다고 밝혔다. 이 프로젝트에서 연구팀의 목표는 에너지 효율성을 개선시키는 것이며, 냉각이 핵심 요소라고 Dennis는 밝혔다. 보다 더 우수한 냉각을 구현할수록, 더 높은 온도에서 보다 더 효율적으로 기계를 이용할 수 있다고 Dennis는 지적했다. 이러한 더 큰 효율은 더 적은 연료를 필요로 하고, 필요한 연료가 더 적을수록 대기 오염은 줄이고 전기 비용은 낮출 수 있다는 것을 의미한다.

START 시설은 두 가지 특성을 자랑한다. 첫째, 이 시설은 전체 규모의 엔진 조건 하에서 운영된다. 이러한 조건은 정확한 연구 결과를 얻는데 중요하다. 가스 터빈이 실제적인 엔진 규모와 속도에서 운영될 예정이기 때문에, START 시설이 보다 더 연료 효율적인 상용 및 군용 제트 엔진을 구축하는 데 필요한 상응하는 자료를 연구팀에게 제공할 것이라고 Pratt & Whitney사 소속의 책임 공학자인 John Wiedemer는 밝혔다.

START 연구실의 두 번째 뛰어난 특성은 정지상의 오랜 내구성을 갖춘 설비라는 점이며, 이러한 사실은 지속적으로 운영될 수 있다는 것을 의미한다. 다른 가스 터빈 실험실은 블로 다운(blowdown, 배기 밸브 또는 배기구가 열리기 시작하고 실린더 내의 가스가 뿜어 나오는 현상) 시설이라고 연구 부교수인 Mike Barringer는 밝혔다. 이것은 블로 다운 시설이 1초 또는 수 밀리 초 동안 공기를 날려 보낼 것이며, 엔진을 운영할 때 단기 흐름이 자체적으로 구축될 기회가 없다는 것을 의미한다. START 시설에서 연구팀은 문제없이 몇 시간 동안의 테스트 동안 공기 분사(air blowing)를 유지할 수 있다. 그리고 연구진은 보다 더 실제적으로 완전하게 개발된 흐름 조건을 생성할 수 있다.

밀봉과 냉각에 대한 연구뿐 아니라, 부가적인 3D 프린팅 제조에 대한 실험이 START 시설에서 가스 터빈 디자인과 개발을 개선할 것이다. 현재의 산업 실제에서, 가스 터빈 날개는 먼저 주조되고, 이후 공학자들이 날개에 냉각 구멍을 뚫기 위하여 레이저를 이용하는 터빈 제조사에 선적된다.

그러나 공학자들은 레이저에 대한 조준선을 필요로 하기 때문에 연구진이 구멍을 뚫는 장소가 제한적이라고 연구진은 밝혔다. 따라서 START 시설은 모든 테스트를 수행하는 데 중요한 역할을 하고 다양한 연구 프로젝트의 시험대가 될 것이다. 모든 터빈은 온도와 압력을 모니터링하는 센서를 요구한다고 Thole은 밝혔다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

이스트 앵글리아 대학(University of East Anglia)의 연구진은 박테리아로부터 청정에너지의 생성을 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다.

이 연구결과는 박테리아 단백질의 전기적으로 절연 영역을 가로질러서 전자들이 어떻게 도약하는지를 증명하였다. 전기 전달 속도는 전기적으로 전도성을 가진 ‘징검다리’의 방향과 근접성에 따라서 달라진다.

이런 천연 프로세스는 휴대폰, 태블릿, 랩톱과 같은 휴대용 장치에 에너지를 제공할 수 있는 ‘바이오 배터리’를 향상시키는데 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 바이오 배터리는 인간 또는 동물 폐기물로 전력을 생성한다. 대부분의 미생물은 인간과 달리 산소 없이 살아남을 수 있다. 일부 박테리아는 ‘숨쉬는 바위(breathing rock)’ 특히 철 미네랄에서 생존한다. 그들은 세포 내부 속에서 섭취한 연료 분자를 연소함으로써 에너지를 얻는다.

이런 반응의 부산물은 박테리아의 외부 멤브레인으로 유도되거나 자연 환경 속의 바위, 연료전지 속의 흑연 전극으로 전달될 수 있는 전류이다. 이것은 가전 플러그 속의 중성선(neutral wire)과 같이 박테리아가 미네랄 속의 세포 속에 전하를 방출할 수 있다는 것을 의미한다.

이번 연구팀은 쉬와넬라(Shewanella) 종과 같은 ‘바위와 호흡하는’ 박테리아 속에 포함된 ‘멀티-햄 시토크롬(multi-haem cytochromes)’이라고 불리는 단백질을 조사했다. 이 연구를 이끌었던 Julea Butt 교수는 다음과 같이 말했다: “이런 박테리아는 적절한 환경에서 전기를 생성할 수 있다.”

“우리는 박테리아 세포가 어떻게 전하를 전달할 수 있는지와 그들이 수십 나노미터의 거리까지 세포 내부에서 세포 외부까지 전자를 어떻게 움직일 수 있는지를 알기 원했다.”  “단백질은 전기적으로 절연된 구조를 통해서 전자를 도약시킨다. 즉, 디딤돌과 유사한 활동을 하는 금속 센터(햄)를 위치시킴으로써 전기를 전도할 수 있다. 이 연구는 이런 센터가 전자를 도약하는 디스크(disk)로서 활용될 수 있다는 것을 보여주었다.

“이웃한 센터의 상대 배향과 그들의 근접성은 전자가 단백질을 통해서 이동하는 속도에 영향을 끼친다. 이것은 일부 박테리아 종들이 세포의 내부에서 외부까지 전자를 이동할 수 있는 방법을 이해하는데 큰 도움을 주고, 강한 전자 전달 모듈로서 그들의 동작을 이해하는데 도움을 줄 수 있다”고 Julea Butt 교수가 말했다.

“우리는 이런 천연 프로세스가 작용하는 방법을 더 잘 이해함으로써 지속 가능한 에너지 생산을 위해서 미생물 연료 전지에 적용할 수 있는 맞춤형 단백질의 디자인에 영감을 줄 수 있을 것이라고 기대하고 있다.“ 이 연구결과는 저널 INTERFACE에 ”Multi-haem cytochromes in Shewanella oneidensis MR-1: structures, functions and opportunities“라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1098/rsif.2014.1117).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

A*STAR의 연구진은 리튬인산철(lithium iron phosphate)의 중공(中空) 결정 입자들이 리튬 이온을 더 쉽게 유동시킴으로써 리튬-이온 배터리의 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 발견했다.

리튬-이온 배터리는 휴대 전화, 노트북, 기타 휴대용 전자 기기에 폭넓게 사용되고 있고, 전기 자동차에도 점점 더 많이 사용되고 있다. 충전 동안에, 배터리 속의 리튬 이온들은 음극을 떠나고, 액체 전해질을 통해서 이동하고, 양극(주로 탄소로 만들어짐)으로 들어간다. 이런 이온 흐름은 방전 동안에 반전된다.

기존의 음극 재료들은 심각한 단점을 가진다: 예를 들어, 리튬 코발트 산화물은 독성이고 고가이다. 그러나 리튬인산철은 더 저렴하고 비독성이지만 낮은 전기 전도성을 가진다. 이번 연구진은 더 나은 성능을 가진 음극으로 활용될 수 있는 새로운 형태의 리튬인산철 입자들을 개발했다. 다이아몬드 형상의 입자들은 작은 멜론 씨처럼 보이고, 중공이고, 리튬 이온을 더 쉽게 들어올 수 있게 하는 결정질 구조를 가진다.

이번 연구팀은 테트라(에틸린글리콜)(tetra(ethylene glycol), TEG)를 사용해서 이런 입자들을 만들었는데, 이것은 성장하는 결정 속에 철 원자와 결합된 산소 원자들을 포함하였다. 이것은 TEG의 축을 따라서 결정 성장을 확산시키고, 궁극적으로 재료 속에 확산될 때 리튬 이온들이 더 짧은 이동 거리를 가지게 한다. 입자들이 중공을 가지고 있기 때문에, 리튬 이온들은 양극 재료의 내부 및 외부 표면과 상호작용하고, 반응 면적을 증가시킨다.

이번 연구팀은 TEG를 가진 인산이수소리튬(lithium dihydrogen phosphate)과 황산철을 혼합하고 그 후에 수산화리튬을 첨가하고 10 시간 동안 180℃로 혼합물을 가열함으로써 약 3.5 마이크로미터의 길이와 1.5 마이크로미터의 폭을 가지는 입자들을 만들었다.

멜론 씨 모양의 LiFePO4 중공 마이크로 및 서브 마이크로미터 플레이트는 폴리올(polyol) 보조 수열 방법에 의해서 합성되었다. 제조된 LifePO4 중공 재료는 큰 ac 표면을 가진 단일 결정질 쉘(shell)로 구성되었다. 시간 의존성 분석을 기반으로 해서, 성장 메커니즘은 핵생성, 이방성 성장(anisotropic growth), 선택적 에칭, 반전된 재결정화를 포함한다. LiFePO4 재료의 성장을 위한 선구물질의 피딩 시퀀스(feeding sequence), 반응 온도, 피롤 농도의 영향이 조사되었다. LiFePO4 중공 재료의 전기화학적 특성들은 음극 재료로 조사되었다.

주사 전자 현미경(Scanning electron microscopy)과 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy) 관찰로, 입자들이 중공이고 매우 얇은 벽을 가진다는 것을 확인하였다. X-선 회절 실험들은 결정 성장이 예상대로 억제되었다는 것을 증명했다. 배터리 속에서 테스트되었을 때, 이런 입자들은 상용 리튬인산철 나노입자보다 더 우수한 안정성과 유사한 용량을 가진다는 것을 발견했다.

이번 연구진은 더 많은 TEG와 더 높은 온도를 사용해서 더 작은 입자들을 만들 수 있다는 것을 발견했다. 이 입자들은 중공을 가질 가능성이 낮았다. 황산철에 수산화리튬을 추가함으로써, 이번 연구진은 중공이고 더 높은 방전 전압을 가지는 더 작은 입자들(1 마이크로미터의 길이 이하)을 생성했다. “우리의 마이크로 이하의 플레이트는 상용 나노물질과 비교했을 때 더 높은 용량과 유사한 안정성을 가진다”고 Ying은 말했다.

이번 연구팀은 중공 구조와 심지어 더 높은 전기 용량을 가진 리튬 망간 오소실리케이트(lithium manganese orthosilicate)와 같은 다른 음극 재료들을 개발하고 있다. 이 연구결과는 저널 ChemSusChem에 “Hollow Melon-Seed-Shaped Lithium Iron Phosphate Micro- and Sub-Micrometer Plates for Lithium-Ion Batteries”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/cssc.201400152).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

스웨덴, 노르웨이, 우크라이나의 원자력 규제기관들이 우크라이나원자력규제국(State Nuclear Regulatory Inspectorate, SNRIU)의 원자력 규제 지침 향상을 비롯하여 보다 엄격한 원자력 안전 시스템을 구축하기 위해 협력하기로 합의했다.

스웨덴방사선안전국(Swedish Radiation Safety Authority, SRSA)과 노르웨이방사선방호국(Norwegian Radiation Protection Authority, NRPA) 및 SNRIU는 11월 18일 노르웨이 총리 에르나 솔버그(Erna Solberg)가 우크라이나를 공식 방문한 가운데 이와 같은 내용의 공동성명을 발표했다. 스웨덴도 SRSA 부국장 프레드릭 하셀(Fredrik Hassel)이 키예프에서 열린 회의에 참석했다.

올해 3월 헤이그에서 열린 핵안보정상회의(Nuclear Security Summit)에서 솔버그와 스웨덴의 당시 외무장관이었던 칼 빌트(Carl Bildt)는 스웨덴-노르웨이가 원자력 안보 및 안전에 관해 우크라이나와 협력하는 내용을 담은 성명을 발표한 바 있다. 이 새로운 협력의 진행 상황은 2016년 미국에서 열리는 차기 핵안보정상회의에서 보고될 것이다. 핵안보정상회의 버락 오바마 대통령의 구상에 따라 2010년부터 2년마다 개최되고 있는 국제 회의다.

솔버그는 우크라이나 방문 기간 동안 아르세니 야체뉴크(Arseniy Yatsenyuk) 총리와 1,500만 달러(약 167억 원)에 달하는 예산을 지원하는 정부간 협정에 서명했다. 야체뉴크는 성명에서 우크라이나가 원자력을 이용한 발전량을 늘리는 목표를 설정했다고 밝히면서, 이번 협정에서 언급된 원자로의 안전이 이 목표 달성을 위해 극도로 중요한 것이라고 강조했다. 원자력 발전량을 늘리는 것은 국영 원자력 기업인 에네르고아톰(Energoatom)이 노르웨이 기업과 일본 도시바가 대주주로 있는 웨스팅하우스와 협력을 통해 진행될 것이다. 에네르고아톰은 우크라이나 수요의 거의 65%에 달하는 전기를 공급하고 있으며, 우크라이나의 모든 원자로를 운영하고 있다.

이 외에도 솔버그와 야체뉴크는 정부간 무역, 기업활동 및 경제 분야에서 협력하는 위원회를 구성하는 것에 관한 협정에도 서명했다. 야체뉴크는 나프토가즈 우크라이니(Naftogaz Ukrayiny)와 노르웨이 기업 스타토일(Statoil)이 체결한 협정을 언급하면서 우크라이나가 에너지 시장을 선도하는 기업으로부터 가스를 구매할 수 있게 되었으며 러시아의 가즈프롬(Gazprom)과 체결한 어떤 계약보다 훨씬 우호적인 계약 조건을 확보했다고 말했다.

노르웨이는 유럽연합 회원국이 아니지만 유럽의 가치를 완전히 공유하고 있으며, 우크라이나 가스 수송 시스템에 대한 투자를 결정한 것은 노르웨이 기업이 우크라이나 가스 시스템을 현대화하고 협력하는데 직접적인 투자를 수행할 수 있게 해주었다고 말한 야체뉴크는 농업 분야에서도 협력하는 것을 목표로 하고 있다고 덧붙였다.     

          
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

지금까지 역사적으로 볼 때 유럽의 가정용 전기가격은 미국의 가정용 전기가격을 앞질러왔으며, 이 차이는 최근 몇 년간 더욱 증가한 것으로 나타났다. 지난 2013년 유럽연합의 평균 가정용 전기가격은 미국 대비 2배의 비율로 높아진 것으로 나타났다. 여기에는 세금과 다른 사용자 요금, 재생가능 에너지 기술에 대한 투자, 연료 혼합 및 비용 등을 포함한 규제적인 구조는 이러한 전기가격에 영향을 주고 있다.

지난 2013년 EU의 가정용 전기의 평균 가격은 kWh당 0.2유로 수준이었으며, 미 원화로 환산하면 kWh당 26.57 센트이다. 이는 지난 2006년 평균 가격이 kWh당 18.80센트인 것과 비교할 때 43% 증가한 것이다. 동시에 미국에서의 가격은 kWh당 10.40 센트에서 kWh당 12.12센트로 17%만이 증가했을 뿐이다.

이러한 평균 가격은 유럽연합 내 국가별로도 차이가 있다. 2013년의 전기가격을 보면 불가리아는 kWh당 11.99센트인데 반해 덴마크는 39.42센트였다. 덴마크와 독일은 유럽에서 가장 높은 전기가격을 형성하고 있었으며, 불가리아는 2013년도에 유럽연합 28개국 중 가정용 전기가 미국 평균보다 낮은 유일한 국가였다.

미국내 전기가격 범위 또한 확대되고 있다. 2013년 미국의 평균 가정용 전기가격은 kWh당 12.12센트였다. 48개주 중에서 워싱턴 주는 kWh당 8.67센트로 가장 낮았으며, 뉴욕은 kWh당 18.84 센트였다. 하와이는 kWh당 46.99 센트로 가장 높은 가정용 전기가격이 형성되어 있었다. 이는 발전용 연료를 하와이까지 운송하는 비용이 높기 때문이다. 이들의 가정용 전기세는 덴마크의 전기세에 근접하였다.

세금과 추가부담금은 유럽 국가의 전기 가격이 높은 이유를 잘 설명해준다. 유럽연합의 국가들은 2013년 평균 31%의 가정용 전기가격에 세금을 부여하였으며, 이는 2006년 대비 평균 23%가 상승한 것이다. 이러한 상황은 국가별로 다양하였다. 영국의 2013년 세율 증가율은 최소 5% 선이었고, 덴마크는 57%까지 높아졌다.

전력 소매가격의 약 절반 가량이 세금과 추가부담금인 독일에서 송전 시스템 운영사는 가정용 전기 소비자들에게 재생가능 에너지에 대한 추가 부담금을 부여하고 있다. 이 부담금은 특정한 재생가능 발전 설비에 보조금을 부여하기 위해 사용된다. 전체적으로 유럽연합에서 비수력 재생가능 발전은 2006년 6%에서 2013년 12% 이상으로 비중이 늘어난 반면 미국은 2.5%에서 5%이상으로 증가한 것으로 나타났다. 또한 독일은 자국 내 가동 중인 원자력발전소의 수를 줄이고자 노력하고 있으며, 석탄에서 발전을 줄이는 것에 대한 정책적 인센티브를 추구하고 있다. 이러한 설비와 연료를 새로운 발전원으로 대체하는 것은 전기가격을 상승시키는 요인이기도 하다.

천연가스는 미국 발전원 중 비중이 증가한 자원이기도 하다. 이는 자국 내 천연가스 생산이 증가하여 비교적 낮은 가격대를 형성했기 때문이다. 비록 2012년 EU 발전의 약 18%가 천연가스로부터 얻어지고 있으나 대부분의 EU 국가들은 이들이 생산하는 천연가스보다 많은 양을 소비하고 있으며, LNG 수입 등에 의존하고 있다. 2006~2013년까지 미국의 헨리 허브(Henry Hub)에서의 천연가스 가격은 45% 감소한데 반해 영국 및 독일의 무역허브에서 천연가스 가격은 1/3 이상 증가한 것으로 나타났다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』