태양연못, 태양타워 무한한 태양활용기술. 태양광의 미래는?

지난 6월말 대구시 금호강변에 흥미로운 시설 하나가 완공됐습니다. 20,300㎡(약 6,150평)의 부지 위에 50m 높이의 타워(Tower)가 세워지고, 그 주변에 직경 2m의 헬리오스태트 (Heliostat: 태양열 반사경) 450개가 설치 된 것입니다.

3년간의 공사 끝에 완공된 이 시설은, 반사경으로 태양광선을 타워 상부의 집열기로 모아, 물을 수 백도로 가열해 증기로 만든 다음 터빈을 돌리는 어엿한 발전소인데요. 전기 생산량은 시간당 200kW 정도인데, 국내에서 처음으로 도입된 타워형 태양열 발전소인 셈이죠.
(사진출처 / 대성에너지)그 동안 국내에서 태양 에너지 연구는 주택의 난방 및 급탕시스템, 온수기, 농·수산물 건조기, 저가 집열기 및 소규모 태양광 발전 등이 주류를 이루고 있었습니다. 태양열 발전은 발전에 필요한 고온 획득 방법과 고온 재료 개발이 쉽지 않았기 때문이죠. 게다가 태양빛을 전기로 바꾸는 태양광발전에 밀려 큰 관심을 얻지 못했었어요. 하지만 세계적으로 볼 땐, 태양열 발전에 대한 연구는 꾸준하게 다양한 방식으로 진행되고 있습니다.

국내 태양광발전 분야 선두를 달리고 있는 한화에서 갑자기 태양열 발전을 이야기 하는 이유가 궁금하시다구요? 지피지기 백전불패! 물론 태양열이 적(?)은 아니지만, 태양의 빛 뿐만 아니라 열이 어떻게 활용될 수 있는지를 알아보고, 태양 그 자체의 소중함을 한 번 이야기해보는데 그 목적이 있답니다. 이를 통해 태양광과 태양열 에너지의 미래를 미리 짐작해볼 수도 있기 때문입니다.

그렇다고 오늘 이야기하는 태양열 발전이 태양광과 완전히 다른 것은 아닙니다. 태양의 빛, 즉 태양광을 바로 에너지화 하는 것이 아니라, 태양광을 열로 변화시켜 발전하는 것이니까요.


태양 없어도 밤낮으로 에너지 생산하는 '솔라타워 발전'
2001년 호주의 엔바이로미션(Enviromission)사가 솔라타워(Solar Tower)라는 흥미로운 제안을 내놓기도 했는데요. 이 회사가 제시한 솔라타워는 호주 사막에 직경 약 7㎞의 유리 온실을 만들고, 중간에 높이 1천m의 철근 콘크리트 탑을 세우자는 것이었어요. 특이한 것은 태양열을 이용, 물 대신에 공기를 데우고 이 데워진 공기가 1㎞높이의 굴뚝으로 빠르게 빨려 올라가며 터빈을 돌리는 인공 풍력발전을 하자는 것이었는데요.

                                                                                                  이미지출처 / panoramio/brunocip

20만가구가 쓸 수 있는 전기를 만들자는 이 계획은, 이론 대로라면 낮에는 태양 볕으로, 밤에는 낮에 데워진 온실 밑바닥의 특수 구조층이 공기를 데우는 역할을 하기 때문에 밤낮으로 전력을 생산할 수 있는 구조였습니다. 하지만 1천m 높이까지 콘크리트를 타설하는 문제를 해결하지 못해, 실현되기까지는 좀 더 시간이 걸릴 전망입니다.   

토레솔 에너지(Torresol Energy)와 스페인 엔지니어링 건축기업인 세네르(SENER)가 타워형 태양열발전의 새로운 가능성을 찾아냈습니다.
스페인 세비야에 19.9MW급 제마솔라(Gemasolar) 태양열 응집 발전소(CSP)를 건설, 시운전까지 끝내고, 2만 5000 가구에 전력을 공급하기 시작한 것입니다. 제마솔라 발전소는 약 185 헥타의 면적에 2,650개의 헬리오스타트(거울)로 구성돼 있는데요. 이 시스템은 타워 꼭대기에 위치한 중앙 흡수기에서 섭씨 900도 이상 발열 가능한데, 뜨겁고 압축된 증기로 터빈을 돌려 발전을 합니다.

                                                                                                                    사진출처 / gizmag

세계 최초의 태양타워형 발전소로 꼽히는 제마솔라 발전소는 용융염(아래 박스 참고) 열전환 기술을 적용해 태양열 없이 15시간의 에너지 생산이 가능한 것이 특징입니다. 태양광이 부족한 겨울에도 수개월에 걸쳐 24시간 내내 전기 생산이 가능해요.

*용융염(鎔融鹽): 질화나트륨과 질화칼륨으로 구성된 액체. 태양광발전에 사용되는 용융염(HTF Heat Transfer Fluid)은 태양파장의 복사열을 95%까지 흡수하고, 흡수한 열을 오랫동안 보유하기 때문에 발전소는 태양이 없는 상태에서도 열을 빼낼 수 있다.

태양연못 발전, 이스라엘에서 상용화

태양연못(Solar Pond) 발전도 태양열 발전의 또 다른 모델로 꼽히고 있습니다.
타워형과 달리, 이 방식은 넓이가 수천M2이고 깊이가 2 ~ 3M 정도인 연못 바닥에 농도가 높은 소금물을 담습니다. 태양열에 의해 뜨거워진 물이 소금의 농도 차에 의해 층이 형성되게 하는데, 이 때 물의 온도는 약 70℃정도 정도가 됩니다. 물에 층이 생기면, 물의 대류가 억제되어 바닥의 온도는 높으나, 표면수의 온도는 낮은 상태를 유지하게 되는데, 이 온도 차를 이용해 발전을 하는 것입니다.

                                                                            출처 / flickr / NASA Goddard Photo and Video       

이 태양연못은 여름 동안에 태양열을 저장시켜 놓았다가 겨울철에도 바닥온도와 표층의 낮은 온도에 따른 온도차를 이용하여 저온 터빈으로 발전을 할 수도 있다고 하네요.

실제로 이 기술은 이스라엘에서 많이 상용화되고 있는데 사막에 수평방 km의 규모로 死海의 물을 끌어들여 온도차를 이용하여 발전할 계획이 세워져 이미 5,000kW의 발전소가 가동하고 있으며, 장차 200만 kW급의 발전소도 건설이 가능하다고 보고 있습니다.

하지만 대규모 발전소를 만들기 위해서 해결해야 할 과제도 만만치 않아요.
바닥의 염수가 대류를 일으키거나 상부 표층에 확산하지 않도록 억제하고, 대류를 일으킬 수 있는 거품의 발생도 줄여야 합니다. 만약 이런 기술이 발전하면, 값싼 태양열 발전을 할 수 있게 될 것이에요. 이처럼 청정에너지를 얻기 위한 시도는 다양한 태양열 발전으로 확산되고 있습니다.


인류 소비 에너지의 1만배에 달하는 태양광을 이용한다는 건?

사실 태양은, 초당 3.8 x 10의 23승kW의 에너지를 우주에 방출하는 거대한 불덩어리입니다. 태양에서 지구에 도달하는 에너지량(1.2 x 1014kW)은 전 인류의 소비에너지량(1.2 x 1010kW)의 약 1만 배에 달하죠.

이 무한 에너지를 통제 가능한 에너지로 바꾸기 위한 노력은 꾸준하게 진행되고 있습니다. 이미 유럽지역 17개 기업은 2025년까지 사하라 사막에 4000억유로(약 620조원)를 투자해 25GW 발전용량의 태양열 발전소를 건설, 유럽전체 전력수요의 15%를 생산하는 ‘데저텍 프로젝트(Desertec Project)’를 시작했습니다. 미국 역시 모하비사막에 14억달러(약 1조5600억원)를 투자해 392MW 규모의 태양열 발전소를 건설하는 ‘아이반파 프로젝트(Ivanpah Project)’를 진행 중이구요.

IEA는 오는 2025년 태양열 발전 규모를 현재보다 100배 이상 증가한 36GW로 성장할 것으로 예상하고 있습니다. 국내 첫 타워형 태양열 발전소 등장이 의미 있는 것도 바로 이 때문이죠.

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유상연 | 과학칼럼니스트 前중앙일보 기자. 前인터넷과학신문 사이언트타임즈 창간 편집장을 역임했으며, 현재는 과학칼럼니스트로 '과학의 향기' 필진으로 활동하고 있습니다. 블로그 : http://blog.naver.com/steditor