MHD 발전, 화력발전 대체할 신기술로 인기

MHD(Magneto Hydro Dynamic) 발전은 21세기에 원자력발전이며 연료전지 발전과 함께 전력계통에 투입되어 이용될 것으로 전망되는 고효율의 신발전 방식 기술 중의 한 분야이다.

자장 속을 유체가 운동하면 자장의 방향 및 유체의 운동방향과 각각 직각이 되는 방향으로 전류가 발생하는 패러데이의 전자유도법칙을 응용한 것으로, 전기전도성 유체(이온화된 가스 또는 액체금속)를 강한 자장이 걸린 유체관 속으로 고속으로 통과시켜 작동가스에 생기는 초전력으로 전기에너지를 얻는 발전방식이다.

MHD 발전은 작동유체에 따라 연소MHD 발전(작동유체가 화석연료 등의 고온 연소가스), 액체금속MHD 발전(작동유체가 나트륨, 칼륨 등의 금속), 비평형MHD 발전(작동유체가 헬륨, 아르곤 등의 희가스)으로 분류할 수 있다.

MHD 발전은 석탄과 같은 화석연료를 사용하며 증기터빈 발전과의 복합발전이 가능하여 발전효율 면에서나 용량 면에서 기존의 화력발전소를 대체할 수 있는 새로운 발전기술로서 2000년대 전력공급의 중요한 역할을 담당할 것으로 전망하고 있다.

AMTEC, 우주 태양열발전에 활용

우주용 발전시스템에 있어서 가장 중요한 사항은 고효율, 경량화, 크기, 신뢰성, 제작비용 등으로써 우선 단위 질량 당 출력밀도가 높아야 하며 시스템의 신뢰성이 높아야 한다.

이들을 충족시킬 수 있는 방법은 우주공간에서 유일한 에너지원인 태양에너지를 활용하는 것으로서 현재 태양광발전방식과 브랜튼 사이클(Braton Cycle), 스티어링 엔진(Stiring Engine) 등의 열동력기관을 사용하는 방식 및 원자로(Nuclear Power Reactor)방식 등이 제안되고 있다.

그러나 이들 방식은 출력밀도가 모두 낮기 때문에 시스템의 경량화라는 문제점이 남아 있다. 여기에 적합한 것이 AMTEC으로서 출력밀도가 0.8～1.2W/cm2이며 기존의 우주발전기술에 비해 약 3～5배 정도 높으며 발전효율이 30% 이상 되기 때문에 가장 유망한 기술로써 대두하고 있다.

AMTEC(Alkali Metal Thermoelectric Converter)이란 열 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 특성을 갖고 있는 에너지변환장치로서 이온 전도성을 갖는 β, β-Al2O3 양단에 온도차(△T)를 주면 BASE(Beta-Alumina Solid Electrolyte) 셀 내부에 충전된 액체 Na의 증기압 차가 추진력이 되어 느슨하게 결합하고 있는 격자산소 틈새층으로 Na+ 이온의 이동이 일어나게 된다.

전해질을 통과한 Na+ 이온은 응축과정에서 전극표면에서 중성화(Neutralization)되어 전기를 발생하게 된다. 이때 출력형태는 0.7～2.0V, 전류는 0.7～1.2A/cm2 정도로써 저전압, 대전류가 발생하게 되는데 이들을 모듈화하여 모을 경우 대용량 발전이 가능하다.

이 기술은 1962년 미국 포드사의 컴머(J.T.Kummer)에 의해 처음 제안된 이래 초기에는 전기자동차의 전원공급장치로 활용하기 위한 연구가 진행되었고 그동안 포드사에 의해 단독으로 기술개발이 추진되어 오다 1980년대 후반에 기술을 공개하면서 여러 연구기관에서 기본 설계를 한 바 있다. 미국은 현재 DOE, DOD, NASA 등이 주축이 되어 국가 주도 아래 Beta Power 사 등에서 출력이 높은 AMTEC 발전기의 개발을 추진하고 있다.

일본도 1988년도부터 국가 기반기술연구사업의 일환으로 1단계 연구사업이 시작되어 2005년에는 MW급 달 기지에 사용할 발전시스템 개발을 목표로 NEDO 주관 아래 산학연 공동연구형태의 사업을 추진하고 있다. 러시아도 수백W급에서 수십MW급 발전시스템을 이미 개발 완료하여 상용 플랜트 단계에 있을 정도로 높은 수준에 있었으나 현재는 기술개발이 전혀 이루어지지 않고 있는 실정으로 알려졌다. 다만 Seebeck 원리를 이용한 반도체 열전발전기술은 세계 최고 수준으로서 상품화되고 있다.

국내의 경우는 β, β-알루미나 재료에 대한 기초연구와 민간연구소의 Na/S 2차전지에 대한 연구추진은 이루어졌으나 우주용 발전기술에 관한 연구가 과거 수 편의 논문 이외에는 없으며 특히 AMTEC발전에 관한 연구는 전무한 실정이다. 그나마 에너지전문연구기관이 한국에너지기술연구소에서 1996년도에 산업폐열을 열원으로 하는 AMTEC발전시스템에 대한 개념설계를 마친 바 있으며 근래부터는 단위발전 셀인 BASE튜브와 집전기술에 대한 기초연구를 진행하고 있다.

핵융합 에너지

핵융합은 수소, 헬륨 등 가벼운 원소가 충돌하여 무거운 원소로 바뀌는 반응을 말하며 태양이 열을 발하는 것과 같은 이치이다. 바닷물 속에 0.015%의 비율로 포함된 중수소를 연료로 사용할 수 있으며 방사성 물질이 발생하지 않는 등 장점이 많으나 고온, 고밀도의 플라즈마 처리기술이 개발 단계에서 실용화되기까지는 아직도 상당한 시일이 필요하다.

중수소와 삼중수소를 1억도의 온도로 가열하면 핵융합 반응이 일어나면서 질량결손이 발생하며 결손질량 만큼의 에너지가 발생하는 것을 이용하는 것이 핵융합로이다. 그러나 중수소를 1억도로 올리는 과정이 매우 어려워 실용화하기가 쉽지 않다. 즉 지구 상에는 1억도를 가둬 놓을 물질이 없기 때문에 그 대안으로 강력한 자기장을 만들어 그 안에 가둬 놓는 방법을 고안하여 실험해 왔다.

태양열(Solar Thermal)발전, 21세기 청정에너지원

태양은 지구의 1백 9배 크기로 이곳으로부터 1억5천만km 떨어진 곳에 위치해 수소 73%, 헬륨 24%로 이뤄진 기체 덩어리로서 초당 3.8×10의 23승kW의 에너지를 우주에 방출하는 거대한 화염이다.

지구는 태양으로부터 지표면 1m2당 7백W의 에너지를 받게 되는데, 이는 다시 말해 지구 전체에 도달하는 태양에너지의 양이 태양 자신이 방사하는 에너지양의 22억분의 1이고 그 에너지량(1.2×1,014kW)은 전 인류의 소비에너지양(1.2×1,010kW)의 약 1만 배에 달하는 것이다.

아직까지 전 세계적으로 태양에너지 연구는 주택의 난방 및 급탕 시스템, 온수기, 농·수산물 건조기, 저가 집열기 및 소규모 태양광 발전 등이 주류를 이루고 있으며, 태양열 발전에 관한 연구는 발전에 필요한 고온 획득 방법과 고온 재료 개발 등이 문제가 되어 큰 진전을 보지 못하고 있다.

2000년대 이후 태양에너지 이용 방법 개발 붐

그러나 지난 '80대 중반 미국에서 10MW급의 태양열 발전 시스템의 실용화가 이루어진 이후 각국에서 집중적인 개발 투자를 계속하고 있어 2000년대에는 가장 강력한 태양에너지 이용 방법으로 광범위하게 보급될 전망이다.

태양열 발전 시스템의 종류는 크게 세 가지로 중앙 집중형 시스템(Central Receiver Solar Thermal Electric Power System)과 분산형 시스템(Distributed Solar Thermal Electric Power System)과 독립형 시스템으로 구분된다. 중앙 집중형 시스템은 태양 추적 장치(Heliostat)라고 불리는 거대한 태양 추적 반사경에서 반사된 태양광을 중앙에 위치한 탑의 한 점에 모아 고열을 얻고, 이 고열로 열교환기 등을 이용하여 고압 수증기를 발생시켜 전기를 얻는 방식이다.

집광비는 1,000 정도이며 증기 터빈은 약 600。C로 운전된다. 분산형 시스템은 선초점형이나 접시형 등 집광 집열기를 이용한 단위 집광 집열 시스템을 다수 분산 배치하여 배관 내에 흐르는 열매체를 가열시키고, 이를 이용하여 Stirling 엔진과 같은 열기관을 구동시켜 발전하는 방식이다. 독립형 시스템(Stand-Alone System)은 앞에서 언급한 집광 집열기를 이용하는 5∼25kWp 급의 시스템으로서 전력 계통으로부터 독립된 소규모 전원으로 이용되는 것을 말한다. 또한 태양열 발전 시스템은 그 규모에 따라 다음과 같이 구분하기도 한다.

소규모 태양열 발전 시스템

수십∼수백 W 범위의 것으로 열효율이 낮고 가격이 비싸며 열손실이 크다. 따라서 소규모 발전에는 태양광 발전 시스템보다 경제성이 없다.

중규모 태양열 발전 시스템

수십∼수백 kW 범위의 것으로 분산형 시스템이 주로 사용되며 다소 경제성이 있다. 태양광 발전 시스템과 특수한 경우에는 경쟁이 될 수 있다.

대규모 태양열 발전 시스템

수백 kW∼수십 MW급으로서 중앙 집중형 시스템이 대부분 여기에 들어간다. 최근까지 수백 kW로부터 수십 MW급의 태양열 발전 시스템이 각국에서 별 문제 없이 운영되고 있으며, 기술적인 문제들이 대부분 해결된 상태이나 아직 대규모 축열 시스템에 대한 연구는 미진한 상태이다. 대표적인 시스템으로는 SEGS(Solar Electric Generating System, Luz 사에서 건설)을 들 수 있다.

태양열 발전의 발전 단가는 '90년대 중반에 이미 상용되어 화력 발전 단가보다 약간 높은 수준까지 떨어졌으며 2000년대 초에는 10Φ/kWh 이하로 떨어질 전망이다. 대규모 중앙 집중식 타워형이 실용화될 2000년대에는 부하 평준화용으로서는 충분한 경제성을 가질 것으로 보인다. 시스템 설치 비용도 현재의 2,000$/kWP 정도에서 2000년경에는 1,000$/kWP 정도까지 낮아질 것으로 전망되고 있다.

이 발전 시스템에 쓰이는 열기관으로는 대규모 시스템인 경우는 일반 화력 발전에 쓰이는 증기 터빈 기술이 채택되고 있으며, 소규모 시스템의 경우는 열효율이 높고 크기가 작은 Stirling 엔진이 많이 쓰인다.

태양열 발전 시스템의 요체라고 할 수 있는 집광 집열기는 선초점형이 상용화되어 있고, 대표적인 분산형 태양열 발전 시스템인 미국의 SEGS에도 채택되고 있다. 접시형 집광 집열기는 규모가 상대적으로 작은 독립형 시스템과 소규모 분산형 시스템에 적합하며 아직은 본격적인 상용화 단계에는 이르지 못하고 있다.

태양열 발전에 있어 가장 앞서 있는 미국은 '90년대 초부터 태양열 발전 기술 개발 계획 ‘Solar Thermal Electric Program’을 의욕적으로 추진하고 있으며, 여기에는 Sandia Lab., NREL 등 국립 연구 기관과 Southern California Edison, 3M 등의 기업이 참여하여 대규모 시스템 개발과 집중식 시스템에 쓰이는 반사경을 비롯한 접시형 집광 집열기 등에 관한 연구를 수행하고 있다.

이러한 개발 투자가 열매를 맺을 21세기에는 태양열 발전이 새로운 에너지원으로 각광을 받게 될 것으로 보인다. 태양 추적 장치 가격이 40$/m2 선에 이르면 태양열 발전 시스템의 경제성도 크게 향상되어 점차 보급이 활발해질 것으로 전망된다.

우리나라에서는 아직 이런 대규모 태양열 발전 시스템을 건설하는 것은 재원이라든가 소요 부지 등의 제약 요소가 많아 실현을 기대하기가 어려우나 태양열 발전은 21세기를 대비할 수 있고 실용화의 가능성이 큰 청정 에너지원이기 때문에 기초 연구 차원의 소규모 발전 시스템 개발은 국책 사업으로 추진할 필요성이 높다.