태양에너지 초고온 집광기술, 아시아 최초 개발

태양에너지 초고온 집광기술, 아시아 최초 개발 태양연료 생산 설비 및 태양로 개발
- 태양에너지를 이용한 다양한 수소생산 기술 확보
- 태양광 10,000배 집광 및 2,500 K 획득 가능
- 국내에서 개발한 태양로 이용 천연가스 개질/직접분해 성공

한국에너지기술연구원(황주호 원장)은 기존에 난방이나 급탕용으로만 이용하던 태양열을 이용하여
미래의 에너지원이라 불리는 수소를 생산하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번에 개발된 「초고온 고집광 태양로」기술은 태양광을 1만배로 모아서 얻은 2,200℃ 이상의 고온으로 수소를 생산하는 기술로 미국, 프랑스, 스위스, 스페인에 이어 세계 5번째로 개발된 것이다.

연료전지자동차의 연료로 쓰이거나 에너지 저장을 위해 사용될 수소는 전기분해나 열분해 방식, 개질기를 통한 방식 등으로 얻을 수 있으나 수소를 만드는데 기존의 화석 에너지를 사용하는 등의 문제가 해결 과제였다.

개발된 「초고온 고집광 태양로」 기술은 수소 생산에 필요한 높은 온도의 열을 태양광으로부터 얻을 수 있기 때문에 수소에너지의 상용화를 앞당길 수 있는 기술로 평가받고 있다.

태양연료 생산을 위한 온도별 응용 반응

태양로는 포물면을 갖는 집광기와 집광기로 수평광을 보내주는 헬리오스탯 (heliostat)으로 구성된다.
이 헬리오스탯은 태양의 고도 및 방위를 계산하여 정밀하게 추적하고 태양광을 반사하여 포물면 집광기로 수평광을 보내주어 집광기에서 모으게 한다.

태양광을 집광하게 되면 높은 온도를 얻을 수 있게 되는데, 집광율에 따라 얻을 수 있는 온도를 조절할 수 있다. 1차 집광기를 사용할 때 3,000배의 집광이 가능하며 온도를 약 1,600℃까지 올릴 수 있고, 2차 집광기를 사용하면 10,000배 집광으로 현재 2,200℃ 이상까지 올릴 수 있다. 이는 다단계 공정을 통해 물로부터 수소를 확보할 수 있다.

이와 같이 높은 열을 이용하기 위해서는 태양 위치의 정확한 추적과 태양광의 반사 기술이 요구되는데, 이번 헬리오스탯은 100m2의 반사면적을 가지고 있으며 태양추적 및 반사 정밀도는 3mrad(0.17°)로 세계적 수준을 갖고 있다.

이번에 개발된 태양로의 규모는 40kWt로서 독일, 스위스 등이 보유하고 있는 태양로와 동일한 용량으로 100% 국내 기술로 개발되었다. 따라서 해외에서 수행 중인 태양연료 및 고온용 재료에 대한 연구도 국내에서 가능하게 되었고 이를 통해 세계적 경쟁력까지 갖추게 되었다.

이 태양로는 다양한 온도대의 고온이 요구되는 수소 생산반응 기술에 활용될 수 있다.

메탄 수증기 개질반응이나 메탄 직접분해 반응을 통해 수소를 얻을 수 있으며 수증기 개질반응의 경우 반응전과 비교하여 약 25% 정도 향상된 열량의 반응 생성물을 얻을 수 있다.

현재의 열화학적 방법은 태양광으로 부터 열을 얻을 수 있기 때문에 재생 가능한 청정공정이며, 높은 전환 효율을 가질 수 있고, 태양에너지를 화학에너지로 변환하여 장기간 저장하거나, 장거리 수송이 용이하다는 점 등 다양한 장점을 가지고 있다.

향후 개발된 태양로를 이용하여 물을 이용한 다단계 수소생산반응으로 수소를 얻을 수 있는 연구에 활용될 예정이며 일본 니가타 대학 등과의 국제 공동연구로 새로운 기술에 적용할 예정이다.

연구책임자인 강용혁 박사는'고집광 태양로의 국산화는 연료전지 자동차 등에 사용될 연료와 석유, 석탄을 대체할 발전용 연료로 쓰일 수 있는 미래 에너지인 수소를 생산하는데 사용될 것이며, 신물질 제조기술이나 우주산업 대응 기술로까지 확장이 가능할 것'이라고 밝혔다.

메탄 수증기 개질반응은 Solar Reforming이고 메탄 직접분해 반응은 Solar Cracking임

메탄 수증기 개질반응은 Solar Reforming이고 메탄 직접분해 반응은 Solar Cracking임

- 태양연료(Solar Fuel)이라 함은 대부분 수소를 말하며 반응 중에 생성되는 일부 가연성 물질을 포함

- 반응 온도를 4,300K까지 높이면 물을 분해하여 수소를 얻을 수 있으나 아직까지는 어렵고 이 전단계인 개질반응, 메탄분해, 다단계 물분해 등으로 수소를 얻고자 함

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