아시아 최초 ‘초고온 고집광 태양로’ 선보여
한국에너지기술연구원은 태양광을 1만배로 모아서 얻은 2200℃ 이상의 고온으로 수소를 생산하는 ‘초고온 고집광 태양로’를 미국, 프랑스, 스위스 스페인에 이어 세계에서 다섯번째로 개발하는데 성공했다고 20일 밝혔다.
연료전지 자동차의 연료로 쓰이거나 에너지 저장을 위해 필요한 수소는 전기분해나 열분해 방식, 개질기를 통한 방식 등으로 얻을 수 있다. 그러나 수소 생산 과정에 화석 에너지를 사용하는 것이 문제로 지적돼왔다.
이번에 개발된 '초고온 고집광 태양로' 기술은 수소 생산에 필요한 높은 온도의 열을 태양으로부터 얻을 수 있기 때문에 수소에너지 상용화를 앞당길 수 있는 기술로 평가받고 있다.
태양로는 포물면을 갖는 집광기와 집광기로 수평광을 보내주는 헬리오스탯(heliostat)으로 구성된다. 이 헬리오스탯은 태양의 고도와 방위를 계산해 정밀하게 추적한다. 또 태양광을 반사하여 포물면 집광기로 수평광을 보내준다. 그러면 집광기에 빛이 모인다.
태양광을 집광하게 되면 높은 온도를 얻을 수 있다. 집광율에 따라 온도 조절이 가능하다. 1차 집광기를 사용할 때 3000배의 집광이 가능해 온도를 약 1600℃까지 올릴 수 있다. 2차 집광기를 사용하면 1만배 집광으로 현재 2200℃ 이상까지 올릴 수 있다. 이같은 다단계 공정을 거쳐 물에서 수소를 얻을 수 있게 된다.
초고온의 열을 이용하려면 태양 위치의 정확한 추적과 태양광의 반사 기술이 반드시 필요하다. 이게 기술의 핵심이다. 이번 헬리오스탯은 반사면적 100㎡, 태양추적 및 반사 정밀도는 3mrad(0.17°)로 세계적인 수준이다.
이번에 개발된 태양로의 규모는 40kWt로서 독일, 스위스 등이 보유하고 있는 태양로와 동일한 용량이다. 100% 국내 기술로 개발됐다. 해외에서나 진행됐던 태양연료와 고온용 재료에 대한 연구가 국내에서도 가능하다는 것을 확인시켜 줬다.
이 태양로는 다양한 고온의 수소 생산반응 기술에 활용될 수 있다. 메탄 수증기 개질반응이나 메탄 직접분해 반응을 통해 수소를 얻을 수 있다. 특히 수증기 개질반응의 경우 반응 전과 비교하면 25% 정도 향상된 열량의 반응 생성물을 얻을 수 있다는 것이 에기연측 설명이다.
현재의 열화학적 방법은 태양광으로 부터 열을 얻는 청정 공정이다. 높은 전환 효율을 보일 수 있다. 태양에너지를 화학에너지로 바꿔 장기간 저장하거나 장거리 수송도 편리하다.
에기연은 이번에 개발한 태양로를 바탕으로 물을 이용한 다단계 수소생산 반응으로 수소를 얻는 연구에 활용할 예정이다. 아울러 일본 니가타 대학 등과 국제 공동연구를 추진하는 등 신기술에 적용할 계획이다.
연구책임자인 강용혁 박사는 “고집광 태양로를 국산화하는 기술은 연료전지 자동차 등에 사용될 연료와 석유, 석탄을 대체할 발전용 연료로 쓰일 수 있는 미래 에너지인 수소를 생산하는데 사용될 것”이라고 말했다. “신물질 제조기술이나 우주산업 대응 기술로까지 확장이 가능하다”고 설명했다.
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