미 에너지부의 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(Pacific Northwest National Laboratory)의 연구진은 태양 에너지를 천연 가스 속에 주입함으로써 천연 가스 발전소가 약 20% 정도 연료 사용량을 감소시킬 수 있다는 것을 증명했다. 이 시스템은 천연 가스와 태양광을 이용해서 더 에너지가 풍부한 연료인 합성 가스로 전환시키는데, 이것은 발전소가 더 많은 전기를 생산할 수 있게 한다.

이 시스템은 동일한 양의 전기를 생산하기 위해서 더 적은 천연 가스를 사용하게 할 것이다. 동시에, 이 시스템은 발전소의 온실 가스 배출량을 낮출 수 있다. 이번 연구진은 대학교 내에서 이 시스템을 테스트하고 있다.

천연 가스는 저렴한 에너지원이고 전력 생산에 다른 화석연료 발전소보다 더 적은 탄소를 배출하기 때문에, 미국에서 점점 많은 천연 가스 발전소가 세워지고 있다. 미 에너지부의 정보에 따르면, 천연 가스 발전소는 2020년까지 미국 전력의 27%를 생산할 것이다. 이런 천연 가스 발전소는 햇빛이 많이 비치는 미국 남서부에 가장 적합한 것으로 알려져 있다.

이번 연구진은 천연 가스 발전소를 태양열-가스 하이브리드 발전소로 전환시킬 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 이 시스템에서, 태양열은 천연 가스를 합성 가스로 변환시키는 역할을 한다. 합성 가스는 수소와 일산화탄소를 함유한 연료이다. 합성 가스가 더 높은 에너지 함량을 가지고 있기 때문에 이 시스템을 장착한 발전소는 천연 가스를 20% 더 적게 소모하면서 동일한 양의 전기를 생산할 수 있다.

이번 연구진은 중심 부위에 태양광선을 이끌 수 있도록 접시 모양의 거울을 사용했다. 이번 연구진이 개발한 장치는 태양열을 흡수해서 합성 가스를 만들 수 있게 한다. 4피트 길이와 2피트 폭을 가진 이 장치는 화학적 반응기와 몇 개의 열 교환기로 구성되어 있다. 반응기는 6개가 적층된 폭이 좁은 채널을 가진다. 농축된 태양광은 반응기의 채널로 흐르는 천연 가스를 가열하는데, 이것은 천연 가스를 합성 가스로 변환시키는 촉매로서 작용한다.

열 교환기는 인간 머리카락보다 몇 배 더 두꺼운 매우 좁은 채널로 구성되어 있다. 교환기의 채널은 화학적 반응 가스에 남겨진 열을 재활용할 수 있게 한다. 열을 재사용함으로써, 태양 에너지는 천연 가스를 더 효율적인 합성 가스로 변환시키는데 사용될 수 있다. 이 장치의 초기 프로토타입의 테스트 결과, 접시 모양의 거울에 부딪히는 태양 에너지의 60% 이상이 합성 가스 속에서 화학적 에너지로 변환되었다.

이번 연구진은 저렴한 비용으로 디자인을 만들 수 있으면서 효율을 더 증가시킬 연구를 수행하고 있다. 이 프로젝트에는 대량 생산에 사용될 수 있는 비용 효율적인 제조 기술을 개발하는 것이 포함되어 있다.

이번 연구진은 이 시스템이 장착된 천연 가스 발전소에서 생산되는 전기가 2020년까지 킬로와트-시간 당(kilowatt-hour) 6 센트 정도의 비용이 드는 것을 목적으로 하고 있다. 이러한 비용은 하이브리드 태양열-가스 발전소가 기존의 화석 연료 발전소와 경쟁할 수 있게 하고, 온실 가스 배출을 감소시킨다.

이 시스템의 경우, 천연 가스 발전소의 크기에 따라서 이번 연구진이 개발한 장치의 장착 수가 달라진다. 예를 들어, 500 MW 발전소는 3,000개의 접시 모양의 거울을 필요로 할 것이다. 많은 다른 태양광 기술과는 달리, 이번 연구진의 시스템은 태양이 지거나 구름이 하늘을 덮을 때에 발전소의 작동을 멈출 필요가 없다. 발전소는 이 시스템을 우회해서 천연 가스를 직접적으로 태운다.

이 태양열로 구동되는 시스템은 운송용 연료를 만드는데 사용될 수 있을 것이라고 이번 연구진은 기대하고 있다. 또한 합성 가스는 합성 원유를 만드는데 사용될 수 있는데, 이것은 디젤과 가솔린으로 정제될 수 있다. 현재의 프로젝트는 미 에너지부로부터 약 430만 달러를 받고 있고, 이 태양광 기술이 적용될 수 있도록 기업과의 협력을 강화하고 있다.

 

 

Nanowerk News) Natural gas power plants can use about 20 percent less fuel when the sun is shining by injecting solar energy into natural gas with a new system being developed by the Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory.

 

   A close-up look of PNNL’s concentrating solar power system for natural gas power plants.

The system converts natural gas and sunlight into a more energy-rich fuel called syngas, which power plants can burn to make electricity. "Our system will enable power plants to use less natural gas to produce the same amount of electricity they already make," said PNNL engineer Bob Wegeng, who is leading the project.

 "At the same time, the system lowers a power plant's greenhouse gas emissions at a cost that's competitive with traditional fossil fuel power." PNNL will conduct field tests of the system at its sunny campus in Richland, Wash., this summer.

With the U.S. increasingly relying on inexpensive natural gas for energy, this system can reduce the carbon footprint of power generation. DOE's Energy Information Administration estimates natural gas will make up 27 percent of the nation's electricity by 2020. Wegeng noted PNNL's system is best suited for power plants located in sunshine-drenched areas such as the American Southwest.

Installing PNNL's system in front of natural gas power plants turns them into hybrid solar-gas power plants. The system uses solar heat to convert natural gas into syngas, a fuel containing hydrogen and carbon monoxide. Because syngas has a higher energy content, a power plant equipped with the system can consume about 20 percent less natural gas while producing the same amount of electricity.

This decreased fuel usage is made possible with concentrating solar power, which uses a reflecting surface to concentrate the sun's rays like a magnifying glass. PNNL's system uses a mirrored parabolic dish to direct sunbeams to a central point, where a PNNL-developed device absorbs the solar heat to make syngas.

Macro savings, micro technology About four feet long and two feet wide, the device contains a chemical reactor and several heat exchangers. The reactor has narrow channels that are as wide as six dimes stacked on top of each other. Concentrated sunlight heats up the natural gas flowing through the reactor's channels, which hold a catalyst that helps turn natural gas into syngas.

The heat exchanger features narrower channels that are a couple times thicker than a strand of human hair. The exchanger's channels help recycle heat left over from the chemical reaction gas. By reusing the heat, solar energy is used more efficiently to convert natural gas into syngas.

Tests on an earlier prototype of the device showed more than 60 percent of the solar energy that hit the system's mirrored dish was converted into chemical energy contained in the syngas. Lower-carbon cousin to traditional power plants PNNL is refining the earlier prototype to increase its efficiency while creating a design that can be made at a reasonable price.

The project includes developing cost-effective manufacturing techniques that could be used for the mass production. The manufacturing methods will be developed by PNNL staff at the Microproducts Breakthrough Institute, a research and development facility in Corvallis, Ore., that is jointly managed by PNNL and Oregon State University. Wegeng's team aims to keep the system's overall cost low enough so that the electricity produced by a natural gas power plant equipped with the system would cost no more than 6 cents per kilowatt-hour by 2020.

Such a price tag would make hybrid solar-gas power plants competitive with conventional, fossil fuel-burning power plants while also reducing greenhouse gas emissions. The system is adaptable to a large range of natural gas power plant sizes. The number of PNNL devices needed depends on a particular power plant's size. For example, a 500 MW plant would need roughly 3,000 dishes equipped with PNNL's device.

Unlike many other solar technologies, PNNL's system doesn't require power plants to cease operations when the sun sets or clouds cover the sky. Power plants can bypass the system and burn natural gas directly. Though outside the scope of the current project, Wegeng also envisions a day when PNNL's solar-driven system could be used to create transportation fuels.

Syngas can also be used to make synthetic crude oil, which can be refined into diesel and gasoline than runs our cars. The current project is receiving about $4.3 million combined from DOE's SunShot Initiative, which aims to advance American-made solar technologies, and industrial partner SolarThermoChemical LLC of Santa Maria, Calif. SolarThermoChemcial has a Cooperative Research and Development Agreement for the project and plans to manufacture and sell the system after the project ends.