에너지 자급률이 4%에 불과해 대부분의 에너지원을 수입에 의존하는 일본은 재생 가능 에너지 등 새로운 자원 개발이 급선무다. 버려지는 열의 전기 에너지 변환 기술은 이미 개발됐지만 열에너지의 일부만을 효율적인 에너지로 변환할 수 있기에 현재는 매우 비효율적인 기술에 머물러 있다. ㈜파나소닉 첨단기술연구소는 최근 지열과 폐열을 이용해 발전하는 열전 튜브를 개발해 기존의 비효율성을 개선하는 데 성공했다.
정리 유미희 기자
다양한 에너지원 가운데 폐열 에너지는 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 공장, 자동차, 주택 등 도처에서 발생한다. 그러나 이러한 열원은 소규모로, 온도가 그다지 높지 않기에 유효하게 활용하는 것이 어려워 버려지는 에너지의 가장 흔한 형태다. 여러 가지 방법을 이용해 열을 에너지로 바꿀 수 있지만 열에너지는 섭씨 400~600℃ 수준에서 가장 큰 효율을 발휘한다. 그러나 버려지는 열은 온도가 높지 않은 경우가 대부분이다. 또한 열을 이동시키거나 전기 에너지로 전환할 때는 온도차가 적으면 열을 잘 회수할 수 없기에 주위 환경과의 온도차도 필요하다.
<그림 1>과 같이 원유 환산으로 연간 약 4억㎘에 달하는 일본 내 소비 에너지 가운데 7할 이상이 200℃ 이하의 증기, 온수, 배기가스 등의 형태로 사용하지도 않은 채 버려지고 있다. 이러한 열을 활용하면 대단한 에너지 절약을 거두게 되지만 200℃이하의 열은 회수하기가 어렵다. 또한 재생 가능 에너지의 하나인 지열도 대부분 200℃ 이하를 차지해 역시 회수가 어렵다(<그림 2> 참조). 일본에서는 아직도 화산 활동이 활발해 지열 자원의 잠재량이 세계 3위를 차지한다. 그러나 지열이 집중돼 있는 지역은 국립공원이나 온천 지역으로 대규모 굴착기를 수반한 지열 발전소는 제약이 많기에 건설되기 어렵다. 이미 분출하고 있는 뜨거운 온천수를 활용하거나 스팀과 같은 유체 열원을 효율적으로 이용해 주변 환경에 미치는 영향을 최소화하는 것이 중요하다
이러한 배경에서, 최근 저온의 열원을 사용할 수 있는 발전 방식으로 열에너지에서 유용한 전기로 직접 변환하는 열전 변환 기술이 주목받고 있다. 열전 변환 기술은 온도차를 이용해 발전하는 방식으로 작은 온도차에서도 발전 가능하며 가동부가 없으므로 소형 · 경량 · 장수명이라는 장점이 있다. 현재까지의 연구 개발은 변환 효율이 더 높은 열전 재료를 얼마나 잘 실현하는지의 관점에서 주로 진행돼 왔으며 최근에는 나노 기술의 진전으로 열전 재료의 성능이 향상됐다. 그러나 디바이스 및 시스템 단계에서는 충분한 열량을 얻는 구조를 실현하기에는 아직 이르기에 널리 보급되진 않았다. 지금까지 일반적인 열전 발전기는 <그림 3>과 같이 구조가 복잡한 평판 형태로 배관 외측에 열전 변환 소자의 배선이 복잡해 열에너지 손실이 컸다(<그림 4> 참조). 또한 양면에 존재하는 절연 기판이나 전극 접합 등이 열의 흐름을 방해하고 전열 성능이 부족해 폐열의 많은 양을 회수하기에는 적합지 않았다. 따라서 대규모 열전 발전기의 구현은 쉬운 일이 아니었다.
열교환기 구조를 본뜬 설계 열전 변환을 통한 발전량 P는 입력되는 열량 JQ에 변환 효율 n을 곱한 P=nJQ로 나타난다. 따라서 발전량을 늘리기 위해서는 변환 효율과 입력 열량 양쪽 모두를 높일 필요가 있다. 시스템의 설계에 따라 입력 열량 및 발전 효율이 상반돼 변화하기에 열전변환의 실현은 간단하지 않다(<그림 5> 참조). 입력 열량을 높이기 위해 전열 성능이 높은 열교환기의 구조를 본떠 열전 발전 디바이스를 구성하고자 했다. 열교환기는 고온 액체와 저온 액체, 2개의 유체 사이에서 열을 이동시키는 장치를 말하며 공장이나 일반 빌딩의 난방, 급탕용 등 폭넓게 사용되고 있다. 그러나 지금까지의 열전 발전기에서는 열전 재료를 전극으로 복잡하게 연결해 맞출 필요가 있었기에 현실적으로 평판형으로 제작하는 방법밖에 없어 열교환기와 같은 구조로 제작하는 것이 불가능했다. 이에 온수 등 폐열의 입력 열량을 증대시키기 위해 열전 발전기를 튜브 형상으로 만들어 열교환기와 같은 구조로 설계, 제작했다.
열과 전기의 독립 제어로 실현되는 열전 튜브 열전 발전 장치를 위한 열전 튜브를 실현하기 위해 <그림 6>과 같은 구조를 고안했다. 열전 튜브의 내장 튜브를 통해 뜨거운 온수를 통과시킨 다음 냉수를 투입한다. 이에 온수와 냉수의 온도 차이로 전력을 발전하는 구조로 되어 있다(<그림 6-a> 참조). 이 구성은 액체를 가열 · 냉각할 때 이용하는 셸 앤 튜브형* 열교환기와 같은 것이다. 열전 튜브는 열이 전해지기 쉬운 금속이 튜브의 z축 방향에서 θ만 기울여 교대로 겹겹이 쌓인 적층구조체다(<그림 6-b) 참조). 또한 관 모양의 튜브는 추가적인 열교환기 없이도 효율적으로 열을 직접 전달할 수 있어 발전 밀도를 높일 수 있다. 열전 튜브에서 열은 <그림 6>처럼 튜브의 안쪽에서 외측인 r 방향으로 흐르며 전류는 튜브의 z 방향으로 흐른다. 이와 같이 열류와 전류를 직교直交시키는 것으로 복잡하게 전극을 구성할 필요 없이 간편하게 튜브형의 구조를 실현했다. 이에 열류와 전류가 항상 서로 평행하는 종래의 평판형 열전 튜브와는 크게 차이가 난다. 또한 취성에 약한 열전 물질을 원형 링 모양으로 제조하는 것과 전기 및 열적 손실을 최소화하면서 이들 링을 서로 연결하는 공정 기술을 개발했다. 발전 성능은 튜브의 크기와 열원의 양과 같은 변수에 강한 상관관계가 있기에 주변 환경에 맞춰 전력 출력을 극대화하고자 열전 튜브의 설계를 최적화했다. 그 시뮬레이션 결과를 <그림 7>에 나타냈다. 열전 튜브 안쪽은 <그림 7>의 (a)와 같이 적층 구조에 대응하고 온도 분포가 불균일하게 형성돼 있다. 또한 (b)에서 보듯이 열류로부터 변환돼 생기는 전류는 경사진 적층 속에서 지그재그로 이동하며 열전 튜브의 z 방향으로 흐른다. 마이크로 현미경으로 보면 확실히 전류는 열류에 따라 흐르고 있지만 매크로Macro 현상으로 열류와 전류는 서로 직교하는 것이다. 복합 재료의 실효성은 구성 재료의 물리 특성과 등가 회로 등을 고려하는 것으로 도출한다. 원하는 특성에 따라 구성 재료를 선택하고 조합 비율이나 배치를 적절히 조정해 설계를 자유롭게 할 수 있다.
* 셸 앤 튜브Shell&Tube형 : 다수의 전열관을 관판에 확관 또는 용접 등으로 고정시켜 원통형 용기에 삽입한 구조로 공동주택의 중앙 공급식에서 많이 이용한다.
열전 튜브 제작 온수의 발전을 위해 열전 재료(Bi0.5Sb1.5Te3)와 금속 니켈(Ni)을 선택해 열전 튜브의 제작을 실시했다. 열전 재료(Bi0.5Sb1.5Te3)는 실온으로부터 100℃의 온도 영역 중에서 최고 레벨의 성능을 가지는 재료이다. 열전 튜브는 금속으로 니켈을 활용해 만든 원형 링(Conical Rings)을 쌓아 올린 구조로 되어 있다(<그림 6-a, 8> 참조). 열전 재료(Bi0.5Sb1.5Te3)는 매우 무른 재료로 알려져 드릴 등으로 성형할 수 없다. 이에 니켈(Ni)로 제조한 링의 부품을 제작했다. 납땜 페이스트(Solder Paste)로 링 부품끼리 접합해 제작한 열전튜브를 <그림 8>에 나타냈다. 또한 양단에는 온수배관이나 전선을 접속하기 위해 니켈제의 스페이서Spacer를 채택해 매우 심플한 열전 튜브를 제작할 수 있었다. 지금까지 설명한 기술로 제작된 길이 10㎝의 열전 튜브는 내부에 90℃의 온수, 외부 10℃ 냉수와의 온도차를 이용해 1.3W의 전기를 생산한다. 전력 밀도는 ㎥의 부피에서 최대 10㎾까지 전력을 생산하는 시스템을 구축할 수 있다. 이로써 취성에 약한 열전 물질을 원형 링 모양으로 제조하는 것과 전기 및 열적 손실을 최소화하면서 이들 링을 서로 연결하는 공정 기술을 개발했다.
높은 에너지 밀도로 발전 실증 열전 튜브의 내부에 70℃의 온수를 흘리고 외부 10℃ 냉수를 투입시켜 온도차로 발생한 전력으로 LED 램프가 점등한 것을 확인했다(<그림 9-a> 참조). 또한 온수 온도를 93℃, 냉수 온도를 10℃로 실험할 때 최대 1.3W의 전력을 얻을 수 있었다. 전열 면적 근처의 전력 밀도로 환산하면 1㎥당 417W상당의 전력이다. 태양광 발전이 최대 1㎥당 200W(효율 20%의 경우)이므로 열전 튜브와 비교했을 때 열전 튜브의 전력 밀도가 2배 더 높은 것으로 나타났다. 만약 같은 성능의 열전 튜브를 복수 조합해 1×1×1m의 발전 유닛을 만들 경우 약 10㎾의 전력을 얻을 수 있다. 즉, 평균 가정의 5세대분 이상의 전력수요를 조달할 수 있는 큰 수치다.
측정된 값의 타당성을 검증하기 위해 유체 전열현상을 고려한 시뮬레이션을 실시했다. 전압의 값은 오차 10% 정도 범위 내로(<그림 9-b> 파선 참조) 측정 결과를 재현하는 것이다. 폐열은 장소에 따라 온도나 공급량 등 열원 특징이 차이가 난다. 이러한 정도의 높은 시뮬레이션을 잘 설계해 이용하면 폐열의 특징에 따라 발전 성능을 최적화하는 것이 가능하다. 산업용이나 가정 용도를 불문하고 넓게 응용되고 있는 열교환기의 설계 기술을 열전 튜브의 시스템에 접목시켜 활용할 수 있는 것이 이 기술의 가장 큰 장점이다.
열전 튜브의 성능 향상 예측 열전 시스템의 본격 보급을 위해서는 발전 전력당 비용을 저감시키는 것이 무엇보다도 중요하다. 이에 유체 전열을 고려한 시뮬레이션을 실시해 열전튜브의 설계와 발전 성능 및 열전 재료의 사용량 관계를 검토했다. <그림 10>은 열전 튜브 니켈의 체적 또는 튜브의 내경 din를 변화시켰을 때의 발전 특성을 시뮬레이션 한 결과이다. 니켈의 체적 비율을 증가시켰을 경우 디바이스 전체의 내부 전기 저항이 작아져 열전재료(Bi0.5Sb1.5Te3)의 사용량을 줄이면서도 전력 밀도가 증가하는 것을 알 수 있다(<그림 10-a> 참조). 이에 열전 재료 사용량당 발전 전력은 현저하게 증가한다(<그림 10-b> 참조). 또한 튜브의 내경 din를 작게 하면 <그림 10-c>와 같이 전력 밀도가 상승한다. 열전 재료 사용량당 전력은 튜브 내경의 역수 din-1에 거의 비례해 증가했다(<그림 10-d> 참조). 실험 결과 니켈의 체적 비율을 늘리고 튜브를 가늘게 함으로써 발전에 필요한 열전 재료의 양을 줄여 열전 튜브 비용을 줄일 수 있다. 우위를 점하는 차원 높은 기술과 실용적인 발전시스템의 개발은 앞으로의 검토 과제이며 현 시점에서는 불확정적인 요소가 많다. 그러나 최근 나노기술의 진보로 뛰어난 열전 재료가 다수 개발되고 있어 이와 관련한 재료를 이용해 열전 튜브를 구성하는 것으로 기술 경쟁력을 한 층 더 높일 수 있다.
열전 튜브를 응용한 발전 유닛 열전 튜브를 이용한 발전 유닛은 예를 들면 <그림 11> (a)와 같이 용도에 따른 배관을 조합해 자유롭게 구성할 수 있다. (b)는 복수의 열전 튜브를 사용해 실제로 제작한 발전 유닛이다. 튜브 안에 80℃의 온수를 흘려 주위에 10℃의 냉수를 순환하는 것으로 (c)와 같이 발전할 수 있다. 발전 유닛 및 시스템 개발을 한 층 더 추진하는 것으로 온도나 유량 등 장소에 따라 여러 가지 특성을 가지는 폐열을 유효하게 활용해 미래의 에너지 네트워크를 구성하는 분산형 발전 시스템으로 실현할 수 있다.
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화석연료의 소비로 발생하는 배기열이나 지열 · 온천 등을 이용한 열의 유효 활용은 숙원 과제였다. 폐열의 대부분은 200℃ 이하의 증기 · 가스 등의 유체이다. 파나소닉 첨단기술연구소는 낮은 온도의 유체로부터 고효율인 열을 회수하기 위해 튜브 모양의 열전 튜브를 고안해 연구 실증에 성공했다. 이러한 열전 발전기를 이용한다면 공장에서 발생하는 폐열을 효과적으로 재사용해 화석연료 사용 및 온실가스 배출 저감에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 아울러 최근 파나소닉의 연구진이 해당 기술을 더욱 개선해 10㎝ 길이의 파이프로 약 2.5W의 전력을 생산이 가능해졌다. 이 기술을 응용해 가정마다 설치된 보일러에 적용할 경우 난방과 함께 전력 자급도 가능하다.
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