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"동굴에 꾹꾹 눌러담은 공기로 전기 생산한다"

미국 유럽연구진, 동굴 소금 콘크리트 에너지 저장기술 개발 한창
자연 동굴과 지하 광산, 소금, 콘크리트에 에너지를 저장한다고 말하면 공상과학(SF) 소설로 여길지 모른다. 그러나 미국과 유럽에서는 이미 일부 기술이 사용되고 있고, 또 일부는 실용화 준비가 한창이다.







풍력에너지를 저장해 바람이 불지 않을 때도 발전을 할 수 있도록 하는 압축공기기술이 떠오르고 있다. 동아일보 자료사진

최근 들어 지구온난화와 유가 인상으로 세계가 신재생에너지 생산에 관심이 높아지고 있다. 하지만 태양광과 풍력 에너지 같은 신재생에너지는 꾸준히 에너지를 생산할 수 없어 전력을 안정적으로 공급하기 어렵다는 것이 큰 단점으로 꼽히고 있다. 태양이 구름에 가리거나 바람이 약해지면 전기 생산이 불가능해지기 때문이다. 이처럼 기상조건에 따른 영향이 심해 재생에너지를 이용한 발전은 꾸준한 전력 공급을 위해 임시방편으로 가스나 석유, 석탄 발전의 도움을 받고 있다.




실용화돼 업그레이드중인 압축공기발전과 양수발전


압축공기 발전과 양수발전은 이미 실용화된 기술이다. 두 기술은 모두 전기 사용량이 적거나 많이 생산되는 시점의 잉여전력을 사용해 공기를 압축하거나 물을 끌어올려 전기 사용량이 많을 때 이를 활용해 발전하는 시스템이다.

압축공기발전은 먼저 잉여전력으로 공기를 동굴이나 지하, 지하 광산 등에 불어넣은 다음 압축시킨다. 이때 압축공기는 대기압의 공기보다 73배 이상으로 압축된다. 이렇게 압축된 공기를 전기 사용이 많은 낮 시간에 빼내면서 소량의 천연가스로 가열하면 가열된 공기가 터빈을 돌리면서 전기를 생산하게 된다.

압축공기 발전은 저장시설 규모가 작고 지하에 건설돼 안전하며 전기를 사용하는 곳 가까이에 건설할 수 있는 장점이 있다. 또 발전단가가 낮고 짧은 시간에 가동시킬 수 있으며, 환경 변화에도 비교적 일정한 전기 생산이 가능하다. 이와 함께 질소산화물 등 오염물질도 덜 생기고 원격 무인운전이 가능하다는 장점이 있다




세계 최초의 압축공기 저장소는 독일에 설치됐다. 미국은 1991년 앨러배마주에 저장소를 마련했다. 압축공기 저장은 이처럼 오래전에 나왔지만 최근에서야 재생에너지 연구가 활발해지면서 주목받고 있다. 미국의 시리우스 익스플로레이션사는 최근 풍력으로 생산한 전기로 동굴에 압축공기를 저장한 다음, 바람이 불지 않을 때 이를 방출하며 풍력발전터빈을 돌려 전기를 생산하는 프로젝트를 진행중이다.
미국에서 가장 바람이 많은 노스다코타주에서 진행되는 이 프로젝트로 생산된 전기는 시카고를 포함한 중서부 도시로 공급될 예정이다. 오바마 정부는 대체에너지 정책의 하나로 이 지역에 풍력발전 단지를 건설한다고 밝힌 바 있다.

가장 널리 사용되는 양수발전은 잉여전력으로 낮은 위치의 저수지 물을 높은 위치의 저수지댐에 위치에너지로 저장했다가 낮은 곳으로 물을 흘려 발전하는 방식으로 현재 가장 많이 사용되고 있다. 하지만 지형과 환경 제약이 커 건설비가 계속 늘어 경제성이 떨어지고 있다.

최근 저수지 확보의 어려움을 해결할 수 있는 해양양수발전 연구가 한창이다. 유럽에서는 프랑스 댐 엔지니어 프랑소와 랑페리에르의 아이디어를 근거로 인공환초 발전을 주목하고 있다. 바닷가 가까이 해수면보다 50~100m 높은 위치에 거대한 물 탱크와 같은 인공환초 댐을 건설해 양수발전과 같은 원리로 전기를 생산하는 방식이다. 일본은 2004년 오키나와 해양담수발전소에서 세계 최초로 해양양수발전을 하고 있다.







태양열 발전시설. 동아일보 자료사진


소금, 콘크리트에 태양열에너지를 저장


최근 들어 소금이 태양열에너지를 저장하는 신소재로 각광받고 있다. 나트륨과 질산칼륨 혼합물인 소금은 높은 온도에서 녹고 증기로 쉽게 변하지 않는다. 이런 특성을 이용해 소금을 태양열로 녹인 다음, 녹은 소금을 열교환기를 지나는 물에 가까이 두면 뜨거운 증기가 계속 발생해 터빈이 돌아가며 전기를 생산한다.

독일 태양에너지 기업인 솔라밀레니엄은 지난해 여름 이 기술로 스페인에서 소금 태양열 발전소인 안다솔1호를 가동시켰다. 이 회사는 올여름 2호를 가동시켜 총 100MW(메가와트)의 전기를 생산할 예정이다. 홍보담당자인 무르만 씨는 “해가 진 뒤 8시간 동안 발전할 수 있는 양의 태양열을 저장할 수 있다”며 “섭씨 224℃ 이상의 온도에서 소금을 녹이면 에너지를 93% 이상 회수할 수 있다”고 했다.

태양열에너지를 저장하기 위한 또 다른 방법으로 콘크리트도 주목을 끌고 있다. 미국 아칸사스대의 셀뱀 교수팀은 500~600도씨의 고온에서도 견딜 수 있는 초고성능 콘크리트를 개발하고 있다. 고온에서 열을 저장할수록 비용을 줄일 수 있기 때문이다.

연구팀은 이렇게 개발된 콘크리트를 태양열 저장에 사용할 예정이다. 태양열은 우선 태양판에 저장된다. 태양열은 콘크리트 내의 강철관으로 전달된다. 이때 콘크리트는 열이 강철관을 지나 발전기에 전달되기 전까지 열을 흡수해 저장한다.




액체전지로 2차전지의 한계 극복


과학자들은 태양에너지나 풍력에너지가 단점을 극복할 수 있도록 에너지 저장기술을 개발하고 있다. 이들이 지금까지 선보인 대표적인 에너지 저장기술은 2차전지다. 하지만 2차전지는 발전에 사용될 만큼 많은 에너지를 저장하기도 어렵고 비용도 높아 실용성이 떨어진다는 평가를 받고 있다. 저탄소사회와 비용 절감이라는 두 마리 토끼를 잡기 어렵기 때문이다.

이런 상황에서 최근 낮에 충전한 태양에너지를 모아둘 저장장치로 ‘액체전지’가 주목받고 있다. 미국 메사추세츠공대(MIT) 도널드 새도웨이 교수팀은 지금까지 나온 전지보다 10배 이상의 전기를 저장하고 비용은 3분의 1에 머무는 액체전지를 개발했다. 이 전지는 액체를 담고 있는 고체용기가 태양판이나 외부 전력원에서 전자를 얻고, 방전할 때는 용기에서 전자를 전력선으로 방출하는 원리로 동작한다.

마그네슘, 안티몬, 황화나트륨 세 액체가 밀도차이로 분리되는 성질을 이용한 액체전지는 상하층을 얇은 액체전극으로, 중간층을 대부분의 액체전해질로 채워 구성된다. 여기에 전기를 넣어주면 전해질에 녹아있는 마그네슘 이온이 전자를 얻어 마그네슘 금속이 되며 상층으로 이동하고, 전해질 안티몬은 전자를 잃고 아래층으로 이동한다. 충전이 모두 끝나면 대부분을 차지했던 전해질 층이 매우 얇아지고, 두꺼운 전극층이 만들어진다. 이렇게 충전된 액체전지를 사용하면 다시 전해질층이 두터워지고 전극층이 얇아지게 된다.





이 기술은 MIT가 격월로 발행하는 과학기술전문지 ‘테크놀로지리뷰’ 3,4월호에 2009년을 빛낼 신기술 10가지 중 하나로 선정되기도 했다.

이밖에 에너지를 저장할 수 있는 기술에 회전력을 이용한 플라이휠과 저항이 없어 계속 전류를 흘려보내며 저장할 수 있는 초전도에너지저장 기술이 주목을 받고 있지만 현재는 연구 단계 수준이다.

 

 

 

박응서 동아사이언스 기자 gopoong@donga.com



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