Special Report 2 l 신재생에너지 2탄 - MHD 발전

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.

관련 기사

HD건설기계, 군산 엔진 신공장 준공

한국지질자원연구원, 해양 CCS 저장 후보지 통합평가체계 구축

[인터뷰] (주)알파테크, 현장 맞춤형 산업용 청소장비로 FM 시장 공략 확대

댓글 0