에너지 판도를 바꿀 수 있는 5대 기술

미국 월스트릿저널에 마이클 토티(Michael Totty)가 쓴 "에너지 판도를 바꿀 수 있는  5대 기술" 이라는 기사에 유망한 에너지 신기술 5가지가 소개 되어 있다. 원문은 밑의 웹문서를 누르면 확인할 수 있다. 그 기사 내용에 대해서 상당히 공감을 가지므로 소개해 본다.

 

http://online.wsj.com/article/SB10001424052748703746604574461342682276898.html

 
 
지금 온실효과를 줄이기 위해 화석연료에의 의존을 줄이고 이산화탄소 배출량을 줄이는 것은 불가피히다. 그런데 현재까지 개발된 기술로 부족하므로 무엇인가 새로운 돌파구가 필요하다.
 
밑에 소개하는 5개의 기술은 만약 성공적으로 이용될 수 있을 경우 에너지 전망을 획기적으로 바꿀 가능성을 가진다. 예를 들어 우주 공간에서 태양광발전을 할 수 있다면  에너지 문제를 다 해결할 수 있다. 그리고 이산화탄소를 포착 저장하는 기술이 완성되면 기존의 화석연료를 부활시킬 수 있을 것이다.
 
아래 소개하는 기술들을 실행하기 위하여서는 실험실에서 새로운 소재를 발명하거나 아니면 유전학적으로 변형된 식물과 같은 과학적인 혁신이 필요할 것이다. 그리고 그러한 기술을 실용화하는 비용이 너무 비싸지 않아야 한다. 아래 기술들 중 어느 기술이든 그러할 조건을 만족할 경우 에너지 판도를 바꿀 것이다.
 
우주 태양광 발전
 
과거 30년 이상 과학자들은 햇빛이 지지 않는 우주공간에서 태양열 발전을 상상해 왔다. 만약 지구를 도는 위성 궤도에 태양광 발전판을 설치하여 그로부터 얻어지는 에너지의 일부라도 지구에 전송할 수 있다면 지구상에 연속적인 에너지를 공급할 수 있을 것이다.
 
이 기술은 공상과학소설같이 들리지만 사실 원리는 간단하다. 지구상에서 4만km상공에 있는 태양광전지판에서 마이크로파로 지구에 에너지를 전송하여 그 것을 지상에서 전기로 변환한다음 배전망에 연결되는 것이다( 저출력 마이크로파는 비교적 안전하다).
 
직경 1.6km의 지구상의 수신장소는 1000Mw의 전력을 전송할 수 있는 것이다.우주상에  태양광발전판을 보내는 비용이 문제가 된다. 따라서 발전판을 최대한 경량화하는 것이 관건이다. 지금 몇개 나라와  회사들에서 빠르면 10년 내에 시도할 것으로 기대된다.
 
고성능 차 축전지
 
전기차가 풍력이나 원자력 발전으로 부터 얻은 전기를 사용할 경우 석유 사용량과 함께 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다. 문제는 축전지 성능이 더 좋아야 한다는 것이다.
 
현재 노트북에서 사용되고 있는 리튬이온 전지가 차세대 전기차나 하이브리드에 이용될  가능성이 가장 높아 보인다.  일반 납 축전지보다는 성능이 좋으나 아직 가격이 높고, 주행거리도 충분치 아니하다. 내년 미국에서 발매 예정인 하이브리드카인 셰비 볼트(Chevy Volt, 참고로 LG화학이 리튬이온 전지를 공급할 예정임)는 축전지만으로 약 60km를 달릴 수 있고, 이론적으로 한번 충전하여 600km를 가는 전기차의 개발이 가능한 것으로 보인다. 비록 개량이 가능하더라도 리튬이온 전지의 가능성은 한도가 있다.
 
다른 가능성으로 리튬 공기 전지가 리튬 이온 전지에 비해 10배 정도 성능이 높아 무게로 보아 일반 개솔린과 맞먹는 에너지 밀도를 낼 수 있다. 리튬 공기 전지는 일반 대기상의 산소를 사용하므로 작고 가벼울 수 있는 것이다. 현재 여러 실험실에서 리튬 공기 전지를 연구하고 있으나 상용화하기 위해서는 아직 극복해야 될 과제가 많아 10년 이상 걸릴 것으로 예측된다.
 
 
 
전력회사에서의 축전
 
많은 사람들이 태양광 및 풍력 발전에 대해 기대를 하고 있다. 문제는 이러한 자원으로 부터 나온 전기는 즉시 사용해야 된다는 것이다. 따라서 전기를 저장하는 방법이 있는 것이 바람직하다.
 
과학자들은 이러한 문제를 해결하기 위애 여러 각도에서 접근하고 있다. 한가지 방법은 풍력으로부터 얻은 전기를 지하 공간에 공기를 압축시키는 데 사용하고 필요한 시점에 터비을 돌여 다시 전기를 생산하는 것이다. 이 경우 문제점은 지하에 사용할 수 있는 큰 공간을 찾는 것이다.
 
다른 방법은 축전지를 이용하는 것이다. 문제는 현재의 기술로 비용이 너무 많이 들어가거나 또는 효율이 아직 떨어지는 것이다. 과학자들은 효율을 높이기 위한 새로운 소재를 발명하려고 하고 있으나 금방 혁신적인 결과가 나올 것으로 보이지 아니한다.
 
현재의 상황에서는 리튬이온 전지를 배전망에 연결하는 것이 가장 가능성이 높아 보인다. 자동차와 달리 공간적인 제약은 크지 아니하며 배전망에서 각 가정에 가까운 곳에 축전지를 배치하여 재생에너지에서 생산된 불규칙한 전력을 저장 또는 보충하는 역할을 하여 화석발전소를 백업으로 필요하는 것을 줄일 수 있다.  그리고 발전소들은 자동차용 리튬이온 전지 연구 개발 결과에 무임 승차할 수 있는 것이다.
 
 이산화탄소 포착 및 저장(포집)
 
아직 풍부한 석탄을 발전용으로 계속 쓰기 위하여서는 매년 발생하는 20억톤의 이산화탄소 배출량을 줄일 방안을 개발해야 한다. 물론 그 것은 쉬운 일이 아니다.
 
현재도 작은 규모로 이산화탄소를 포집하는 기술은 존재한다. 다만 지금 가능한 기술을 화력발전소에 적용하면 출력은 1/3정도 줄고 발전비용은 두배가 된다. 따라서 비용이 저렴하면서도 90% 정도의 이산화탄소 배출을 줄이는 기술을 개발할 필요가 있는 것이다.
 
지금 개발되고 있느 방법들은 아직 초기상태이다. 따라서 어느 방법이 실제 실용화될지는 아직 예측하기 이르다. 가장 유력한 방법은 석탄을 일반 공기가 아닌 산화금속에 들어 있는 산소와 반응시켜 발전효율의 감소 없이도 이산화탄소의 흐름을 더 포집하기 쉽게 하는 것이다.
 
현재 작은 파일럿 규모로 시험되고 있으며 내년에 백만와트 규모의 발전에서 시험될 예정이다. 그러나 실용화는 빨라도 2020년 정도로 예측되고 있다.
 
차세대 바이오 연료
 
우리가 지금 자동차에 쓰는 화석연료인 석유를 쓰지 아니하기 위해서는 재생가능한 연료를 비식용작물로부터 얻어야 된다.
 
현재 과학자들은 나무나 작물의 못쓰는 등걸, 그리고 쓰레기나 먹을 수 없는 풀인 '스위치글래스'를 경쟁력 있는 가격으로 연료로 변환시키는 것을 연구하고 있다. 그런데 가능성으로 보면 녹조(algae)로부터 바이오 연료를 얻는 것이 가장 가능성이 높아 보인다.
 
녹조는 빨리 자라고 이산화탄소의 흡수량이 많으며, 1에이커(약 4000평방미터)에서 18,000리터의 바이오 연료를 얻을 수 있다. 반면에 같은 면적에 옥수수를 길러 에타놀을 얻을 경우 1200리터밖에 얻지 못한다.
 
녹조로 부터 얻은 바이오연료를 지금 정유시설이나 송유망 시설을 이용하여 수송할 수 있고, 이론상으로 미국이 필요한 연료를 전부 녹조로 부터 충분히 생산할 수 있다.
 
아직은 초기 상태로 약 12개 정도의 회사들이 작은 규모로 생산을 하고 있다. 아직 해결하여야 할 문제점들은 녹조를 기르기 위한 값싼 영양소를 찾는 것, 녹조배양에 필요한 물을 관리하는 것, 그리고 녹조배양 수율을 떨어뜨릴 수 있는 독소 발생을 제어하는 것 그리고 가장 수율이 높은 녹조 균주를 개발하는 과제가 남아 있다.
 

전반적으로 위 5대 기술에 대해 우리나라도 관심을 가지고 최선의 노력을 해 보아야 할 것이다.
 
위에 언급된 기술 중 리튬 공기전지를 우리나라에서도 연구 개발중인 것인지에 관한 정보를 가지고 있지 아니하다. 삼성경제연구소 2009.7.23.자 보고서 '급부상하는 자동차용 2차전지'에 의하면 미국 IBM이 차세대 리튬 공기 전지를 개발 중이라고 한다.  만약 아직 우리나라에서 리튬 공기전지에 대한 개발에 아직 착수하고 있지 아니하다고 그러면 우리도 개발 계획을 재검토하여야 할 것이다. 
 
참고로 유사한 원리를 가진   아연 공기전지는 보청기용 전지로 이미 사용되고 있다. 다만 더 큰 용량의 아연 공기전지에 관하여 개인적으로 가까운 사람이 개발 실용화 노력중이다.
 
리튬 공기전지에 관한 자료는 경기도 기술정보 네트워크 사이트 에서  https://gtnet.or.kr/Tech/Tech03_read.asp?Gotopage=12&NtSeq=31437&keyword=&NtCode=BT00  찾을 수 있었다.  참고하기 바란다.
 

-재활용 가능한 금속 리튬-공기전지의 신형 연료전지에 기대-



일본 산업기술종합연구소(AIST; Advanced Industrial Science and Technology) 에너지기술연구부문 에너지계면기술연구그룹 슈(周 豪?) 연구그룹장, 일본학술진흥회(JSPS) 외국인 특별연구원 오(王 永剛)는 새로운 구조의 대용량 리튬-공기전지를 개발하였다.



리튬 이온전지는 휴대전화와 노트북 등에 넓게 사용되고 있으나, 전기자동차용으로는 에너지밀도가 부족하다. 그렇기 때문에 이론적으로 대용량화가 가능하다고 예상되는 리튬-공기전지의 경우 정극으로 고체의 반응생성물이 축적하여 전해액과 공기의 접촉이 차단되어 방전이 멈추는 등의 문제가 있었다.



본 연구에서는 음극(금속리튬) 측에 유기전해액을, 정극(공기) 측에 수성전해액을 이용하여 양자를 고체전해질로 나누어 양전해액의 혼합을 방지한다. 고체전해질은 리튬이온만을 통과시키기 때문에 전지반응은 고장 없이 진행되며 정극의 반응생성물은 수용성이며, 고체물질을 생성하지 않는다. 이 전지의 연속 50000mAh/g(공기극의 단위질량 당)의 방전용량은 실험으로 확인되었다.



본 기술은 자동차용 전지로서 상당히 유망하다. 자동차용 충전소에서 정극의 수성전해액을 교환하고 음극 측의 금속 리튬을 카세트 방식으로 사용한다면, 자동차는 충전을 위한 대기시간 없이 연속주행이 가능하다. 이론적으로는 금속 리튬 30kg은 휘발유 40리터와 거의 같은 정도의 에너지를 가지고 있다. 사용된 수성전해액에서 전기적으로 간단하게 금속리튬을 재생시킬 수 있으며, 리튬은 반복해서 재사용된다. 금속 리튬을 연료로서 사용한 신형연료전지라고 할 수 있다.



(그림 1) 새로운 구조의 리튬-공기전지의 구성. 왼쪽: 방전시, 오른쪽: 충전시

(그림 2) 리튬이 순환사용되는 금속리튬 연료전지의 콘셉트