새로운 연구는 해수에서 작은 온도 차이(temperature differences) 같은 열전 효과(thermoelectric effects)를 기반으로 하는 대규모 동력 발전소가 광전지 발전소보다 더 낮은 비용에서 전기를 생산할 수 있다고 예측했다.
미국 럿거스 대학(Rutgers University) 대학 소속의 조교수인 Liping Liu 등을 주축으로 하는 연구진은 전기가 일광에 의해 가열된 따뜻하고 얕은 해수로 차갑고 깊은 해수를 가열시킴으로써 생성되는 열대 해양에 위치하고 있는 거대한 바지선과 같이 보이는 열전 발전소를 상상했다. Liu는 이러한 동력 발전소의 실현가능성을 분석하여 기술한 논문을 New Journal of Physics 저널에 발표했다.
이 연구는 지구상에서 가장 큰 접근할 수 있으며 지속 가능한 에너지 저장소의 경제적인 사용을 가능하게 하는 대규모 녹색 발전소에 대한 새로운 아이디어를 기술하고 있다고 Liu는 밝혔다. 이 아이디어를 구현 가능하게 하는 것은 일광이 열대 지역에서 600미터 깊이의 해수보다 약 20 K 더 높은 해수의 온도로 표면 해수를 가열하기 때문이다. 근본적으로 표면 해수는 태양 에너지의 거대한 저장 탱크로 작용한다.
열전 동력 발전소(thermoelectric power plants)가 긴 채널을 통하여 수백 미터 깊이로부터 차가운 물을 펌프로 퍼 올려 파랑(ocean waves)의 에너지를 이용함으로써 작동한다. 차가운 해수가 표면 근처에 있을 때, 차가운 해수는 외부에 대한 표면 해수에 의해 가열이 되는 열 교환기(heat exchanger)로 유입된다. 열 교환기의 튜브가 벽을 통하여 열을 전달할 수 있으며, 온도차를 직접 전기로 전환시킬 수 있는 열전 재료로 만들어질 때, 열 교환기는 전기 발전기로 작용한다.
대규모로, 해양 기반의 열전 동력 발전소는 많은 장점을 가지고 있다. 한 가지 장점은 연료 또는 온도 차이가 비용이 들지 않으며 무제한인 동시에 쉽게 접근할 수 있다는 점이다. 또 발전소가 육상에 공간을 차지하지 않는다는 점이 장점으로 작용한다. 해양 기반의 열전 동력 발전소는 움직이는 고체 부분이 없기 때문에, 이러한 유형의 발전소는 유지비용이 저렴하다. 부가적으로, 동력 산출은 하루 중 시간 또는 계절에 의존하지 않는다. 최종적으로, 이 방법은 배기가스를 배출하지 않기 때문에, 환경 친화적인 녹색 방안이다.
소규모 열전 발전기가 멀리 떨어진 지역에서 동력 생산, 자동차 및 초소형 전자공학 등과 같은 응용에 이미 상업적으로 사용되고 있다. 이러한 디자인에서, 연료가 비용의 가장 큰 부분을 차지하기 때문에 전환 효율(conversion efficiency)이 가장 중요한 요인이다. 대부분의 상업적 장치는 이상적인 카르노 효율(Carnot efficiency)의 약 5%~10%의 전환 효율을 가진다. 최신 장치의 전환 효율은 20%까지 달성됐다. 비록 연구가 현재 효율을 추가로 개선하는데 초점을 맞추어 수행되고 있다고 하더라도, 얼마나 전환 효율을 높일 수 있는가는 제약이 따른다.
새로운 논문에서, Liu는 대규모 열전 동력 발전이 경제적으로 경쟁력을 갖기 위하여 매우 높은 효율에서 운영될 필요가 없다는 것을 보여 주었다. 대신 대규모 열전 동력 발전의 핵심은 대량 생산을 지원하기 위하여 적층 복합 재료(laminated composites)와 같은 단순한 구조를 공학적으로 제어하는데 있다. 이러한 개선은 크기의 정도에 의해 개선될 수 있는 효율과는 달리 전환 효율에 초점을 맞춘다. 다시 말해서, 연료가 무료이고 무제한적으로 공급되기 때문에, 대규모 열전 동력 발전소는 효율이 결여된 순수한 크기로 구성될 수 있다.
생산되는 전기의 비용은 에너지 공급원에 따라 다양하다. 미국 에너지부(DOE; US Department of Energy)에 따르면, 2016년 1 메가와트의 전기를 생산하는 데 추정되는 연간 비용은 상용 석탄 발전소에 대하여 83만 달러이며, 이러한 상용 석탄 발전소에 대한 비용은 광전지 동력 발전소에 소요되는 180만 달러와 비교되는 것이다. 이러한 비용의 추정을 이 단계에서 정확하게 수행하는 것은 어렵다. 이러한 추정은 지난 20년 동안 열전 발전기에 대하여 추정됐으며, 연료로 10K 온도 차이의 해수를 사용한 것이다. 만약 대신 지열 공급원으로부터 물이 사용된다면, 온도 차이는 50K 또는 그 이상이 될 수 있으며, 결과적으로 보다 더 높은 동력 달성과 와트 당 더 낮은 비용으로 전기를 생산할 수 있는 결과를 얻게 될 것이다.
전반적으로 분석은 열전 동력 발전소가 전 세계 에너지 문제를 해결하는데 기여할 수 있으며, 매우 유망하다는 것을 보여 주었다. Liu는 미래 연구에서 이러한 목표를 염두에 두고 연구할 계획이다.
연구진은 현재 열전 복합재료의 예측된 동력 요인을 실험적으로 입증하는 연구를 수행 중이라고 Liu는 밝혔다. 일단 이러한 요인이 입증된 후, 연구진은 연료로 뜨거운 물과 얼음물을 사용하는 발전기의 테이블용 시제품을 제작하는 방안을 찾을 것이라고 Liu는 밝혔다.
그림1> 표면 근처에서 열 교환기/발전기를 통하여 차가운 물을 펌프로 퍼 올리기 위하여 파랑으로부터 수확된 에너지를 사용할 수 있는 열전 동력 발전소 그림2> 온도 구배를 생성하기 위하여 지열 공급원을 사용할 수 있는 열전 동력 발전소. 여기서 뜨거운 물은 공기에 의해 냉각되는 열 교환기/발전기로 퍼 올린다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 12월 24일]
[원문보기]
Thermoelectric power plants could offer economically competitive renewable energy
A new study predicts that large-scale power plants based on thermoelectric effects, such as small temperature differences in ocean water, could generate electricity at a lower cost than photovoltaic power plants.
Liping Liu, Associate Professor at Rutgers University, envisions that thermoelectric power plants would look like giant barges sitting in the tropical ocean, where electricity is generated by heating cold, deep water with warm, shallow water heated by the sun. Liu has published a paper in the New Journal of Physics in which he analyzes the feasibility of such power plants.
"This work is about the new idea of large-scale green power plants that make economic use of the largest accessible and sustainable energy reservoir on the earth," Liu told Phys.org, speaking of the oceans. This is because the sun heats the surface water to a temperature that, in tropical regions, is about 20 K higher than water 600 m deep. Essentially, the surface water acts as a giant storage tank of solar energy.
As Liu explains, thermoelectric power plants would work by harvesting the energy of ocean waves to pump cold water from a few hundred meters deep up through a long channel. As the cold water nears the surface, it enters a heat exchanger where it is heated by surface water on the outside. The heat exchanger acts as an electric generator, as its tubes are made of thermoelectric materials that can transfer heat through their walls and directly convert temperature differences into electricity.
Large-scale, ocean-based thermoelectric power plants would have many advantages. For one, the "fuel" or temperature differences are free, unlimited, and easily accessible. Also, the plants do not take up space on land. Because they have no moving solid parts, they would have low maintenance costs. In addition, the power output does not depend on the time of day or season. And finally, the method is green, as it does not release emissions.
Small-scale thermoelectric generators are already used commercially in applications such as microelectronics, automobiles, and power generation in remote areas. In these designs, the conversion efficiency is the most important factor because the fuel accounts for the largest portion of the cost. Most commercial devices have a conversion efficiency of around 5% to 10% of the ideal Carnot efficiency, with state-of-the-art devices achieving efficiencies of up to 20%. Although research is currently being done to further improve the efficiency, there are still limits to how high it can go.
In the new paper, Liu shows that large-scale thermoelectric power plants wouldn't need to operate at extremely high efficiencies to be economically competitive; instead, the key would lie in engineering simple structures such as laminated composites in order to support mass production. These improvements focus on the conversion capacity, which, unlike efficiency, can be improved by orders of magnitude. In other words, because the fuel is free and in limitless supply, large-scale thermoelectric power plants could make up with their sheer size what they lack in efficiency.
The cost of generating electricity varies by source. According to the US Department of Energy, the estimated cost per year of one megawatt of electricity in 2016 is about $0.83 million for conventional coal plants, compared to $1.84 million for photovoltaic power plants. Liu's analysis estimates that a thermoelectric power plant could generate electricity for less than $1.84 million, although an exact estimate is difficult at this stage. This estimate is for a thermoelectric generator that lasts for 20 years and uses ocean water with a 10 K temperature difference as fuel. If water from geothermal sources is used instead, the temperature difference could be 50 K or more, resulting in an even higher power gain and lower cost per watt.
Overall, the analysis shows that thermoelectric power plants look very promising and could contribute to solving the world's energy problems. Liu plans to work toward this goal in future research.
"We are currently working on experimentally validating the predicted power factor of the thermoelectric composites," Liu said. "Once this is validated, we will seek to fabricate a table-top prototype of the generator that uses ice water and hot water as 'fuel.'"
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