여름 태양열 모아 겨울에 활용
에너지 저장 액체분자 개발, 18년까지 저장 가능
여름에 작열하는 태양열 에너지를 모았다가 추운 겨울철에 활용할 수 있다면 어떨까? 환경보전은 물론 가정 난방과 여러 산업에도 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
최근 스웨덴 샬머스 과학기술대 연구진이 이 같은 아이디어를 현실화하고 있다. 이들은 태양에너지를 저장한 뒤 나중에 쓸 수 있는 분자를 개발했으며, 최근 이와 관련해 급속한 기술적 진보를 이뤘다고 보고했다.
이 같은 성과는 ‘에너지와 환경 과학’(Energy & Environmental Science)지 최근호를 포함해 올해 네 개의 과학논문으로 발표됐다.
연구팀은 약 1년 전 태양에너지를 저장할 수 있는 분자를 발표했다. 탄소와 수소, 질소로 만든 이 분자는 햇빛을 받으면 에너지가 풍부하게 함유된 이성질체(isomer)로 변형되는 독특한 성질을 지니고 있다. 같은 원자로 구성돼 있으나 결합방식이 다른 것이 특징이다.
이 이성질체는 낮에 에너지를 저장했다가 밤, 겨울 등 필요할 때 사용할 수 있다. 액체 형태로 되어 있으며, 태양에너지 시스템에서 사용하기에 적합하다.
스웨덴 샬머스 과학기술대 연구진이 개발한 MOST 에너지 시스템은 순환방식으로 작동한다. 먼저 에너지 저장 액체분자가 건물 옥상의 태양열 수집기를 통해 햇빛으로부터 에너지를 포집한다. 에너지가 필요하면 촉매를 통해 가열된 액체를 끌어온다. 가정용 난방시스템 등에 온기를 활용한 뒤 액체를 다시 지붕으로 되돌려보내 더 많은 에너지를 포집한다. CREDIT: Yen Strandqvist/ Chalmers University of Technology
“태양열 에너지 18년까지 저장 가능”
‘분자 태양열 에너지 저장장치’(MOST; Molecular Solar Thermal Energy Storage)라는 이름을 붙인 이 이성질체는 지난해 괄목할 만한 발전을 이룩했다.
연구를 이끌고 있는 카스퍼 모스-폴슨(Kasper Moth-Poulsen) 화학 및 화학공학부 교수는 “이 이성질체에 저장된 에너지는 이제 18년까지 저장할 수 있다”고 말하고 “에너지를 추출해 사용하면 기대했던 것보다 온기가 더 따뜻하다”고 밝혔다.
저장된 에너지 방출을 조절할 수 있도록 개발한 촉매도 눈길을 끈다. 이 촉매는 필터처럼 작용하고, 이 필터를 통해 액체가 흐르면 반응을 일으켜 액체 온도가 섭씨 63도까지 올라간다. 필터를 통과할 때의 액체 온도가 섭씨 20도라면 반대편으로 나올 때는 83도가 된다.
액체가 배출됨과 동시에 분자가 원래 형태로 되돌아가 난방시스템에서 재사용할 수 있다.
같은 기간 동안 연구팀은 저장 능력을 높일 수 있도록 분자 디자인을 개선해 에너지를 18년까지 저장할 수 있도록 했다. 프로젝트의 초점이 일차적으로 화학적 에너지 저장장치이기 때문에 이는 중요한 진전이었다.
실험실에서. 카스퍼 교수 앞에 있는 장치는 분자 태양열 에너지 저장 시스템에서 열 방출 변화를 측정하는 초고진공 장치. CREDIT : Johan Bodell/Chalmers University of Technology
“가스배출 전혀 없고, 1년 내내 가동”
이 시스템은 전에 부분적으로 인화성 화학 톨루엔으로 구성된 액체를 사용했었다. 그러나 현재는 위험 가능성이 있는 톨루엔을 제거하고 대신 에너지 저장 분자만을 사용하는 방법을 발견해 적용하고 있다.
전체적으로 종합해 보면, 이런 진전들은 에너지 시스템 MOST가 이제 순환방식으로 작동한다는 것을 의미한다.
먼저 에너지 저장 액체는 건물 옥상의 태양열 수집기에서 햇빛으로부터 에너지를 포집한다. 그런 다음 이를 실온에서 저장해 에너지 손실을 최소화한다. 에너지가 필요하면 액체가 가열될 수 있도록 촉매를 통해 액체를 끌어온다.
이 같은 난방은 예를 들어 가정용 난방 시스템에서의 활용을 생각해 볼 수 있다. 열을 전달한 다음 액체는 지붕의 태양열 포집기로 되돌아가 더 많은 에너지를 모으게 되며, 온실가스 배출 같은 것이 일체 없고 열 저장 분자를 손상시키지도 않는다.
카스퍼 모스-폴슨 교수는 “우리는 최근 핵심적인 진전을 이뤘고, 이제 가스 배출 등이 전혀 없고 1년 내내 가동하는 시스템을 갖추게 되었다”고 밝혔다.
건물 옥상에 설치한 태양열 포집기 앞에 선 카스퍼 모스-폴슨 교수. CREDIT : Johan Bodell/Chalmers University of Technology
“10년 안에 상업화 기대”
태양열 수집기는 중앙에 파이프가 있는 오목한 반사경이다. 이 반사경은 태양의 궤도를 쫓아가며 위성 접시 안테나처럼 작동한다. 이때 태양 광선이 에너지 저장 액체가 지나가는 파이프에 집중되도록 한다.
이 시스템은 기존의 물 가열 방식과 결합할 수 있도록 일반적인 물이 들어있는 추가적인 파이프 연결도 가능하다.
연구팀은 다음 작업으로 모든 것을 하나로 결합한 일관 시스템을 만들 계획이다.
카스퍼 모스-폴슨 교수는 “아직 할 일이 많이 남아있다. 우리는 이제 막 시스템이 작동하도록 해서 모든 것이 최적으로 설계되었는지 검증할 필요가 있다”고 말했다.
카스퍼 교수는 이 시스템으로 더 많은 에너지를 추출할 수 있다고 믿고 있다.
그는 연구팀이 곧 액체 온도를 최소한 섭씨 110도까지 올릴 수 있을 것으로 보는 한편, 10년 안에 이 기술을 상업화할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
- 김병희 객원기자hanbit7@gmail.com
- 저작권자 2018.10.04 ⓒ ScienceTimes