미국 에너지부(Department of Energy) 산하의 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)은 천연가스 발전소가 사용하는 연료의 20%를 저감할 수 있는 새로운 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 천연가스와 태양광을 이용하여 에너지가 풍부한 합성가스(Syngas)를 제조할 수 있으며, 이를 연소시켜 최종적으로 전기를 생산할 수 있다.

PNNL 엔지니어인 Bob Wegeng은 “PNNL이 개발한 이 시스템은 동일한 양의 전기를 생산하면서 천연가스 사용량은 줄일 수 있다. 또한 화석연료 발전과 경쟁력을 가질 수 있는 경제성과 함께 온실가스(Greenhouse Gas) 배출도 줄일 수 있다”고 밝혔다. PNNL은 이 시스템에 대한 현장 테스트를 이번 여름에 실시할 계획이다.

값싼 천연가스에 대한 미국의 의존도가 점차 증가하면서, 이시스템은 발전소 탄소 배출 저감에 기여할 수 있다. DOE의 에너지관리청(Energy Information Administration, EIA)은 오는 2020년까지 국가 전기생산의 27%를 천연가스에서 얻을 수 있을 것으로 보고 있다. Wegeng은 PNNL의 시스템이 미 남서부와 같이 태양광이 풍부한 지역에 위치한 발전소에 최적이라고 설명하였다.

PNNL의 시스템을 천연가스 발전소에 적용하게 되면 이 발전소는 일종의 ‘태양열-가스’ 발전소가 된다. 이 시스템은 태양열을 이용하여 천연가스를 수소와 일산화탄소가 들어 있는 합성가스로 변환한다. 이 합성가스는 에너지 함량이 높기 때문에 같은 양의 전기를 생산하면서 천연가스 소비량은 20% 줄일 수 있다.

이 시스템은 집광형 태양열발전(Concentrating Solar Power) 기술을 활용하고 있다. 집광형 태양열발전은 돋보기처럼 태양광을 하나로 집중하여 열 에너지를 활용하는 기술이다. PNNL의 시스템은 파라볼릭 접시(Parabolic Dish)형 반사경을 사용하여 태양열을 수집한 후 이를 합성가스 제조에 활용하고 있다.

길이 약 4피트, 넓이 약 2피트의 이 시스템은 화학 반응기와 몇 개의 열 교환기로 구성되어 있다. 반응기는 10센트 동전 약 6개에 해당하는 폭을 가진 좁은 채널(Narrow Channel)을 갖고 있다. 한 곳으로 집중된 태양광은 반응기 채널을 통과하는 천연가스를 가열시키고, 채널 내 들어 있는 촉매를 통해 천연가스는 합성가스로 변환된다.

열교환기는 인간의 머리카락보다 몇 배 두꺼운 더 좁은 채널들로 구성되어 있다. 열교환기의 채널들은 화학반응에서 남는 열을 재활용하는 역할을 한다. 열을 재활용함으로써 보다 효율적으로 천연가스를 합성가스로 변환시킬 수 있다. 초기 프로토타입에 대한 테스트 결과, 태양에너지의 60%가 합성가스에 들어 있는 화학에너지로 변환하는데 이용되는 것으로 나타났다.

PNNL은 제조 경제성을 유지하면서 효율을 개선하기 위해 초기에 제작된 프로토타입을 개선하고 있다. 이번 프로젝트의 목표에는 대량 생산을 위한 비용-효율적인 제조 기술을 개발하는 것도 포함되어 있다. 오레곤 주립대학(Oregon State University)과 PNNL이 공동으로 운영하는 Microproducts Breakthrough Institute는 이러한 제조방안을 도출할 예정이다.

Wegeng의 연구팀은 시스템의 전체 비용을 낮춰 이 시스템이 설치된 천연가스 발전소의 전기 생산비용을 2020년까지 kWh당 6센트 이하로 유지하려 한다. 이러한 생산비용은 일반 화석연료 발전소와 비교하였을 때 하이브리드 태양열-가스 발전소의 경쟁력을 유지하면서 온실가스 배출은 줄일 수 있는 방안이 될 것으로 기대된다.

새로운 시스템은 다양한 규모의 천연가스 발전소에 적용 가능하다. 필요로 하는 장치의 개수는 발전소 크기에 따라 결정된다. 예를 들어, 500 MW의 발전소에는 PNNL 시스템과 함께 약 3,000개의 파라볼릭 접시가 필요하다.

다른 태양발전 기술과 달리 PNNL의 시스템은 해가 진 이후나 구름이 많은 날에 운영을 중단시킬 필요가 없다. 이러한 경우 시스템을 우회하여 곧바로 천연가스 연소가 가능하기 때문이다.

Wegeng은 PNNL 시스템을 활용하여 수송용 연료를 생산하는 방안에 대해서도 고려하고 있다. 합성가스는 합성원유(Synthetic Crude Oil)를 제조하는데 활용될 수 있으며, 이를 정제하면 디젤이나 휘발유를 생산할 수 있기 때문이다.

 

 

Apr. 11, 2013 - 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. 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.