태양 연못(Solar Pond)과 태양 광화학 반응으로 에너지화

태양연못(Solar Pond)은 일종의 태양열 집열체로서 기존의 태양열시스템과 비교하여 보다 적은 비용으로 저온의 열에너지를 얻을 수 있다.

깊이가 2~3M 정도이고 넓이가 수 천m2인 연못의 바닥에 농도가 짙은 소금물을 담아, 대류를 억제하여 표면수의 온도를 낮추고 바닥 온도를 높여 그 열에너지 또는 온도차를 이용하는 것이다.

연못 속에 소금물을 넣어 태양열에 의해 뜨거워진 물이 소금의 농도차에 의해 층이 형성되게 하여 축열을 하는 방식으로 이 물의 온도는 약 70℃ 정도가 되어 계란을 익힐 수 있을 정도의 온도이다.

태양연못은 여름 동안에 태양열을 축열시켜 놓았다가 겨울철에 저장된 열을 이용하여 난방은 물론 높은 바닥온도와 표층의 낮은 온도에 따른 온도차를 이용하여 저온 터빈으로 발전할 수 있는 특징이 있다.

태양연못은 보통 세 개의 층(Layer)으로 나누어지는데 소금물의 밀도에 따라 맨 위층은 밀도가 0～5%인 자연대류층, 중간층은 밀도가 포화상태인 23% 정도에 이르기까지 약 1m 깊이에 걸쳐 구배(Gradient)되어 비대류특성을 갖는 층, 그리고 맨 아래층은 포화하여 있는 대류층이 그것이다.

바닥층으로 도달하는 일사에너지에 의하여 일단 상당한 부피의 온도구배(Tempreture Graident)를 형성하게 되지만, 이 온도구배는 소금물의 밀도구배가 안정할 수 있는 조건을 초과하기 때문에 자연스레 대류가 일어나게 된다. 또한 바닥층은 바로 위에 형성되어 있는 비대류층으로 인하여 외부, 즉 상단으로부터 열적으로 차단되기 때문에 열저장층(Storage Layer)이라고도 불린다. 따라서 저장층은 태양에너지를 받아 우리에게 열원을 제공해주게 되며 그 깊이 등을 조절해 보다 효과적인 운영을 가능케 한다.

연못의 표면층이 대류작용을 하는 것은 외부현상에 노출되어 있기 때문에 바람이 일어난다거나 다른 여러 가지 원인 즉, 비나 눈이 올 때의 경우 혼합현상과 물결현상 등으로 불안정한 상태가 일어나기 때문이다. 이 경우 표면층이 두꺼워지면서 전체 시스템의 깊이에 영향을 주게 되기 때문에 일사에너지의 침투율과 관계, 시스템의 효율저하를 야기시킨다.

이렇게 세 개의 층으로 나누어져 있는 태양연못은 앞의 설명과 같이 층별로 온도분포가 다르게 형성된다. 즉, 상하대류층은 전 두께(깊이)에서 일정한 값을 가지게 되지만, 대류작용이 없는 중간층은 깊어질수록 밀도와 함께 온도도 층화되어 구배를 이루고 있다.

거품의 발생도 대류를 촉진하여 온도차를 교란하기 때문에 바람직하지 못하다. 이 태양연못은 바닥의 열을 뽑아내지 않고 방치해 두면 비등하는 일이 있으나 그것을 사전에 방지하는 기술의 성공으로 값싼 태양열에너지를 대량으로 공급하는데 유망하다.

태양 광화학 반응,

광에너지에 의한 화학적 반응

광화학반응은 오래전부터 광합성반응과 새로운 물질을 합성하거나 기질의 변화를 주는 화학반응으로 많은 연구가 진행됐다. 이러한 광화학반응이 태양에너지를 활용하여 폐수나 대기, 토양 등에 오염된 유독한 유기물질의 산화 분해에 응용되기 시작한 것은 근래이다.

수용액에 용해된 대부분의 유기물질은 스스로는 태양광을 흡수하지 못하고 다른 물질의 도움이 필요하다. 따라서 태양광을 이용하여 수용액상의 유독성 유기물질을 분해하려면 태양광을 흡수하여 변이상태(Transition State)를 거쳐 광에너지에 의한 화학적 반응을 일으키는 데 도움을 주는 보조물이 필요하다.

이와 같은 물질들이 참여하는 화학적 반응을 광화학반응(Photochemistry)이라 하고 광화학반응을 유발하는 필수적인 보조역할을 하는 물질을 광촉매(Photocatalyst)라고 한다.

이러한 광촉매제들은 대개 n형 반도체적 특성을 지니고 있는 것이 많이 사용되고 있다. 이와 같은 광촉매의 역할은 반응의 활성에너지(Activation Allergy)를 낮추어서 유기물질의 산화 반응이 더 빨리 진행되게 도와주는 것이다.

따라서 광촉매가 태양광을 흡수하지 못하고 통과 또는 반사한다면, 광에 의한 반응은 발생할 수 없다. 왜냐하면 광반응이 일어나기 위해서는 물질의 분자들이 태양광을 흡수하여 최소한 활성에너지 이상의 광에너지 hv가 필요하기 때문이다.

이러한 광에너지의 흡수는 분자에 의한 한 개의 광양자(Single Photon)를 잡는 과정에 해당하는데, 분자에 의하여 흡수된 양자가 초기 광화학(Photochemical)반응을 야기시킨다. 여기에서 하나의 광자가 흡수되었을 때 반드시 하나의 분자가 생성된다는 것이 아니라 한 광자의 흡수로 인하여 여러 분자를 생성시킬 수도 있다는 의미이다.

재생이 아닌 '신에너지'가 뜬다

연료전지, 석탄액화, 수소, MHD, 태양연못 등 기술과 시장 확대 예상

지난 7월호 신재생에너지 특집 1탄에 이어 이번 호엔 신에너지에 대한 내용을 알아본다. 신에너지는 소수력, 연료전지, 석탄의 액화, 가스화 등 연료를 의미한다. 우리나라는 미래에 사용될 신재생에너지로 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 11개 분야를 지정했다. 재생에너지는 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 등 8개 분야이고 신에너지는 연료전지, 석탄액화․가스화, 수소에너지 등 3개 분야다. 여기에 MHD 발전, 태양연못 등 에너지 분야를 한국에너지기술연구원의 자료를 통해 집중 조명해 본다.

이승재 편집장 sjlee@engnews.co.kr

소수력(Small Hydro Power)발전, 높은 에너지 밀도 보유

소수력(small Hydro Power)은 엄밀하게 정의를 내리기는 어려우나, 우리나라의 경우 설비용량이 10,000kW 이하인 수력발전을 말한다.

소수력 발전은 공해가 없는 청정에너지로서 국내에는 1,500MW 정도의 부존량이 확인되어 있으며 다른 대체 에너지원에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 개발 가치가 큰 부존자원으로 평가되어 구미(歐美) 선진국을 중심으로 기술 개발과 개발 지원 사업이 경쟁적으로 활발하게 진행되고 있다.

소수력 자원의 적극적인 개발은 에너지원의 개발 차원뿐 아니라 경제․사회적으로 전력 수요 급증 시의 부하 평준화 효과 및 석유 수입 대체, 민간 주도의 반영구적 공익사업으로서 환경친화적인 에너지원의 개발을 통한 지역 개발의 촉진과 이로 인한 경제적 파급 효과의 극대화, 관련 기술의 수출 산업화 등의 부수적인 효과를 거둘 수 있다고 평가되고 있다.

구미(歐美) 선진국과 중국 등지에서는 일찍부터 소수력 개발의 사회․경제적 중요성을 인식하고 수문학적 자료를 비롯한 기초 통계 자료의 확보와 기술 개발 및 보급에 힘을 기울여 다음의 표에서 확인할 수 있는 것처럼 소수력 발전은 에너지원으로서뿐 아니라 주요 산업으로 자리를 잡아가고 있다.

소수력 발전 강국들은 토목 공사비를 절감하기 위한 방안으로 관개용 등 기존의 댐을 활용한 소용량 발전 시스템의 상용화와 사이폰식 저낙차(低落差) 시스템의 개발을 추진하고 있으며 발전용 댐 건설 기술의 개량과 댐 설계 및 운용의 최적화 기술의 개발에도 투자를 아끼지 않고 있으며 수차를 비롯한 다양한 소수력 발전 설비의 표준화를 추진하여 큰 성과를 거두고 있다.

우리나라에서는 '1982년 소수력개발 활성화 방안'이 공표되면서부터 소수력 자원의 개발이 본격적으로 추진되기 시작하였다. 국내의 소수력 자원은 약 1,500,000kW 정도가 개발이 가능한 것으로 평가되고 있으며 2007년 6월 말 현재 53개소에 65,222kW 용량의 소수력발전소가 가동되고 있다. 정부는 소수력 발전의 보급 확대를 위해 발전된 전력에 대한 매입 단가 보장, 장기 저리의 시설자금 융자 등의 보급확대 정책을 펴고 있다.

우리나라 소수력자원의 조사를 통하여 도출된 결과에 의하면 대부분의 소수력 발전 입지가 자연낙차가 크지 않다는 것을 알 수 있으며 자연낙차가 큰 소수력 발전입지는 매우 제한되어 있기 때문에 낙차가 작은 저낙차 소수력발전소의 건설에 노력을 기울일 필요가 있다.

또한 이와 병행하여 저낙차이면서도 고낙차(高落差) 소수력발전소에 비하여 경제성 면에서 뒤지지 않는 저낙차용 수차의 개발이 시급한 실정이다.

국내에서 가동되고 있는 소수력 발전소의 평균 설비용량은 약 1,200kW 정도이고 대부분이 낙차가 큰 곳에 위치해 있다. 그러나 낙차가 큰 입지가 줄어들고 있어 앞으로는 저낙차 소수력 자원을 효과적으로 개발할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 아울러 물 관련 기존 시설물의 미활용 소수력자원을 최대로 활용하는 방안도 검토되어야 할 것이다.

서울시 맞춤형 소수력발전기술 개발 나서

낙차가 크지는 않지만 유량이 풍부한 서울지역 상황에 맞는 국산 소수력발전기술이 개발될 전망이다.

서울시는 물재생센터와 아리수정수센터 등 낙차가 크지 않으나 유량이 풍부한 서울의 지형특성에 맞는 서울형 소수력발전설비 기술개발에 나선다.

소수력발전은 물의 낙차를 이용해 수차발전기를 회전시켜 전기를 생산하는 원리로 일반적으로 낙차가 2m 이상 되어야 상용발전이 가능한 것으로 알려졌다. 하지만 서울시는 올해부터 '서울형 녹색기술 육성을 위한 R&D지원사업'의 일환으로 2m 미만의 저낙차 조건에도 적용 가능한 고효율 수력발전설비 개발에 착수한다.

이에 따라 시는 고효율 수력발전설비 개발을 위한 사업자 모집 공고를 지난 8월 24일까지 신청받았다.

저낙차 소수력 기술개발은 서울시가 운영하고 있는 물재생센터와 아리수정수센터를 비롯해 서울소재 하천의 소수력 에너지까지 친환경에너지로 재탄생시키겠다는 의지를 담고 있다.

시는 이번 기술개발을 통해 4개 물재생센터 중 발전입지 여건이 가장 좋은 난지물재생센터에 우선으로 소수력발전시설을 설치하고 단계적으로 이를 확대한다는 계획이다.

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파력(Wave Force)

파력에너지(波力, Wave Energy)를 이용한 발전 기술 연구는 파력 자원이 풍부한 일본, 영국, 노르웨이 등에서 활발하게 추진되고 있다. 파력 발전은 심한 출력 변동과 대규모 발전 플랜트를 해상에 계류시키는데 기술적인 어려움이 있으나 2000년대 초에는 상용 발전이 가능할 것으로 전망되고 있다.

일본은 카이마이(Kaimei)에 240kW급의 해안 고정식 파력 발전 장치를 설치하여 시험 가동하고 있으며 해양 과학 기술 센터 주관으로 540kW급의 부유식 파력 발전소 건설을 진행하고 있다. 영국도 벨파스트의 퀸스(Queen's) 대학에 75kW급 파력 발전 장치를 설치하여 가동 중이고 덴마크는 34kW급 발전소에 대한 실증 실험을 진행하고 있으며 노르웨이도 500kW급 발전소를 건설하고 있다.

국내에서는 아직 파력 에너지의 개발에 관한 구체적인 연구가 시도된 바 없으나 파랑이 심하다고 알려진 일부 해역을 대상으로 타당성 검토를 선행시킬 필요성은 높다고 말할 수 있다.