"‘폐열’로 전기생산 효율 높인다" - 미 버클리연구팀 New Berkeley Lab Project Turns Waste Heat to Electricity

세계, ​엄청난 양 에너지 열 형태 낭비

유지비용 적은 시스템 개발 가속화

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   세계 여러 나라에서는 해마다 엄청난 양의 에너지가 열 형태로 낭비된다.

미국 에너지부 산하 로렌스 버클리 연구소(버클리랩)는 버려지는 폐열을 효율적으로 모아 전기로 전환함으로써 캘리포니에서만 연간 3억8500만 달러를 절약하는 프로젝트를 추진 중이다.

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source alphabetenergy

New Berkeley Lab Project Turns Waste Heat to Electricity

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버클리랩은 캘리포니아주 에너지위원회(CEC)로부터 받은 200만 달러의 교부금으로 알파벳 에너지(Alphabet Energy) 사와 협력해 산업분야의 에너지 사용량과 전기 관련 탄소배출량을 줄이기 위해 효율 높은 열전(thermoelectric) 폐열 회수 시스템을 개발하고 있다고 13일 밝혔다.

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경영자문회사인 ICF는 이 같은 시스템으로 캘리포니아에서 연간 320만MWh의 전기를 절약할 수 있을 뿐만 아니라 전기 공급의 신뢰성을 높일 수 있다고 평가했다. 이 프로젝트에 소요되는 자금은 CEC의 ‘전기 프로그램 투자 부담금’(EPIC)에서 지원된다. EPIC 프로그램은 환경오염을 줄이고 경제발전을 도모하며, 주 정부의 기후 목표를 충족시키기 위해 청정 에너지 혁신 사업에 자금을 지원하고 있다.

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알파 에너지사가 개발한 열전(thermoelectric) 장치. Credit: (Courtesy Alphabet Energy)

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실리콘 나노와이어 기반 첨단 재료 개발

버클리랩의 에너지 저장 및 분산자원 사업부 책임자인 라비 프래셔(Ravi Prasher) 박사는 “캘리포니아 주는 폐열에서 전기를 생산할 수 있는 잠재력이 충분함에도 불구하고 그동안 적절한 폐열-전기 변환 기술이 부족했기 때문에 활용되지 못 했다”며, “열전기는 폐열 변환을 위한 가장 유망한 기술 중 하나이지만 고온에서 작업할 수 있는 신뢰성 있고 저렴한 소재를 확보하는 것이 난제였다”고 설명했다.

 대규모 산업시설에서 나오는 많은 양의 폐열을 전기에너지로 바꾸면 에너지를 크게 절약

할 수 있다. 사진은 여수국가산업단지. 사진 출처 : 나무위키

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캘리포니아의 발전소와 시멘트공장, 광산 및 제조시설, 석유와 가스사업 같은 산업시설의 폐열을 활용하면 763메가와트(MW) 이상의 전력을 생산할 수 있으며, 미국 전체에서는 1만5000MW의 전기를 만들어낼 수 있다. 그러나 대부분의 열전 재료가 값이 비싸고 효율성이 떨어지는데다 섭씨 400도 이상의 온도에서 안정적으로 작동하지 못 하는 등 여러 제한사항이 가로놓여 있었다.

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에너지 기술분야 기계 연구자인 프레셔와 비 랩(Vi Rapp) 박사는 이런 장벽을 극복하기 위해 공동 프로젝트를 진행하고 있다. 이들의 목표는 실리콘 나노와이어 어레이로 구성된 첨단 열전 재료를 값싸게 만드는 방법을 개발하는 것으로, 알파벳 에너지사가 함께 참여하고 있다.

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폐열 회수장치의 하나인 재생 열 산화 장치(regenerative thermal oxidizer, RTO)는 재생 프

로세스를 이용한다. Credit : Wikipedia / Combustion2016

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효율 두 배 높고, 섭씨 800도에서도 작동

열전기는 엔진과 용광로 및 기타 폐열 발생원으로부터 배출된 열을 회수해 온실가스를 추가로 배출하지 않으면서 유용한 에너지로 변환한다. 현재 상업적으로 이용되는 열전기는 열을 전기로 변환할 때 5% 미만의 효율을 보인다. 이 기술은 이미 석유와 가스, 자동차 산업에서 얼마 간의 선도적인 시장을 형성하고 있다.

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알파벳 에너지사는 버클리랩에서 허가 받은 나노기술을 보유한 캘리포니아 헤이워드 소재 신생 스타트업 업체. 이 업체는 기존보다 두 배가 높은 변환 효율 10% 이상에 섭씨 800도에서 작동할 수 있는 실리콘 나노와이어 기반의 첨단 열전 재료를 개발하고 있다.

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랩 박사는 “변환 효율성을 증가시킴으로써 ‘폐열 전기 변환’ 시장이 급속히 커질 가능성이 있다”며, “예를 들면 혁신적인 열전 시스템을 활용하면 원격 발전 기술을 향상시켜 배전망(grid access)이나 믿을 만한 태양 에너지 없이도 전기를 공급할 수 있다”고 말했다.

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열전 장치가 고온에서도 견디면 가스 화염에서도 전기 생산이 가능하다. 이란 사우스

파 가스전 개발 현장. 사진 출처 : EBN / 현대건설

버려지는 가스 화염 열로도 전기 생산

열전 재료가 매우 높은 온도에서도 작동이 가능하면 공기 중으로 버려지는 가스 화염에서 나오는 폐열을 모아 전력을 증산할 수 있는 새로운 가능성도 열어준다.

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버클리랩과 알파벳 에너지는 CEC 기금으로 이 장치의 프로토 타입을 개발해 고온에서의 열-전기 변환 성능을 검증할 예정이다.

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프래셔 박사는 “우리 목표는 기생적인 손실이 거의 없고 간단하며 분산 응용이 가능하도록 다양한 크기로 장치를 모듈화하는 한편, 수년 동안 추가 유지비용이 들지 않고 운영자 없이 전력을 안정적으로 생산할 수 있는 새로운 시스템을 개발하는 것”이라며, “이 시스템이 더 많은 응용분야에서 폐열을 전기로 변환하는데 유용하게 활용되리라 확신한다”고 밝혔다.

김병희 객원기자 사이언스타임스
​케이콘텐츠

 

 

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