온도차부식 효과 thermogalvanic effect - 폐열활용 발전

--

산업 공정 및 전기를 생산하는 발전소에서는 다량의 과잉의 열이 발생된다. 전 세계 과학자들은 수 십 년 동안 이런 버려지는 에너지의 일부를 활용하는 방안을 연구하여 왔다. 대부분의 경우 온도구배(temperature gradient)로부터 전기를 생산할 수 있는 고체상 물질인 열전기기(thermoelectric device)에 대한 연구였지만, 이런 기기들의 효율성은 재료의 가용성에 의해 제한받아 왔다. 

온도차부식 효과 Thermogalvanic effect

논문 제목 - An electrochemical system for efficiently harvesting low-grade heat energy

저자 -  MIT : Gang Chen, Yuan Yang /  Stanford Univ. : Yi cui, 이석우

섭씨 100도 이내의 온도 차이가 발생하는 저온의 폐열을 전기로 전환시킬 수 있는 새로운 방법을 개발

충전식 전지(rechargeable battery, 이차전지)의 전압은 온도에 의존하기 때문에 

새로운 시스템에서는 이런 전지의 충전-방전 사이클과 가열 및 냉각을 조합시킴으로써, 방전 전압이 충전 전압보다 높다. 본 시스템은 섭씨 50도와 같은 상대적으로 적은 온도 차이조차도 효율적으로 이용할 수 있다. 

step 1. 충전되지 않은 전지를 폐열을 이용해 가열한다. 

step 2. 이후 더 높은 온도에서 충전을 시행한다. 

step 3. 완전히 충전. 완충

step 4. 냉각 

충전 전압은 저온에서보다 고온에서 더 낮기 때문에, 일단 냉각되면 전지는 기존에 충전되었던 것보다 실제로 더 많은 전기를 제공할 수 있다. 물론 이 여분의 에너지는 시스템에 가해졌던 열로부터 오는 것이다. 

본 시스템은 섭씨 100도보다 적은 온도 차이를 이용하는 것을 목표로 하고 있기 때문에, 잠재적으로 수확할 수 있는 폐열의 양도 엄청날 것이다. 섭씨 60도의 폐열을 시스템에 적용시킬 때의 예상 효율은 약 5.7%이다. 

본 접근법의 기본 개념은 1950년대에 제안된 바가 있다. 그러나 핵심적인 진보는 그 당시에는 전지의 전극으로 가용하지 않았던 물질을 사용하는 것과 공학적인 기술의 발전에 기인한 것이다. 

이전의 연구에서 Yang 박사는 섭씨 500도 이상의 온도를 사용하였으며, 대부분의 현재의 열 수확 시스템은 높은 온도 차이에서 최상의 성능을 보이도록 설계되었다고 설명한다. 

비록 새로운 시스템이 에너지 전환 효율(energy-conversion efficiency)에 상당한 이점을 가지고 있지만,

현재 주어진 중량에서 제공할 수 있는 전력의 양인 전력밀도(power density)가 열전물질(thermoelectrics)에 비해 매우 낮다.

또한 장기간 사용에 따른 신뢰성을 확보하기 위해서라도 추가적인 연구가 필요하며, 전지의 충전 및 방전 속도를 개선해야 할 필요성이 있다. 

MIT의 기계공학과 학과장인 Chen 교수는, 본 시스템이 이용할 수 있는 상대적으로 낮은 온도 차이를 효과적으로 이용할 수 있는 좋은 기술이 존재하지 않는다고 밝혔다. 때문에 본 연구가 매력이 크다. 

실제로 모든 발전소 및 제강(steelmaking) 및 정제(refining)와 같은 제조공정은 대기 중으로 엄청난 양의 저온 열(low-grade heat)을 방출하고 있다. 본 연구에서 제안한 새로운 전지기술은 산업현장에서 발생하는 이런 적은 온도구배를 이용할 수 있도록 설계되었다고 Cui 교수는 밝혔다. 또한 본 기술은 저가의 풍부한 물질을 사용하고 전지산업에서 이미 널리 이용되고 있는 제조공정을 이용할 수 있다는 장점도 지니고 있다. 

본 연구에 참여하지 않은 캘리포니아대학 화학과 교수인 Peidong Yang은, 온도차 부식 효과를 연구함으로써 연구팀은 저온 열을 전기로 비교적 효율적으로 전환시킬 수 있었다고 평가하면서, 매우 유망한 기술임을 강조하였다. 실제 미국에서 소비되는 모은 에너지의 1/3은 저온 열로 사라진다. 

^[각주:1]

그림> CuHF 및 Cu/Cu2+ 전극을 이용해 열 에너지를 수확하기 위한 전기화학 시스템 

출처 -  KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

--

__

2014. 06. 13 작성

1. http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=246397&cont_cd=GT [본문으로]