■ 열광 전지 효율 40% 달성, 이제 상용화만 남았다.

■ 열광 전지 효율 40% 달성, 이제 상용화만 남았다.

 

태양광이나 풍력을 이용하는 재생 에너지는 날씨에 따라 전기 생산량이 달라지는 단점이 있다. 에너지 저장 장치(ESS)를 이용하여 날씨가 맑은 날에 과잉 생산한 전력을 저장했다가, 생산량이 떨어진 날에 저장한 전기를 사용하는 방법이 있지만, 이를 구축하고 운영하는 비용이 많이 든다는 점에서 제약이 따른다. 미국 과학자들이 또 다른 대안으로 주목하는 열광 전지(TPV)를 상용화 수준까지 끌어올렸다. 미국 매사추세츠 공대(MIT)와 국립 재생에너지 연구소(NREL) 연구팀은 1900-2400도의 열로 전기를 생산하는 효율이 40%에 이르는 열광 전지를 개발해 국제학술지 ‘네이처’ 2022년 04월 13일 발표했다.

 

석탄, 천연 가스 발전소에서는 열을 이용해 전기를 생산하고 있다. 열로 물을 데워 증기를 만들고, 그 증기가 터빈을 돌려 전기를 생산하는 식이다. 하지만, 열이 1,500도를 넘어가면, 증기 터빈이 녹아내리기 때문에 전기를 그 이상 열을 전기로 바꾸지는 못하고 있다. 과학자들은 더 높은 온도의 열을 전기로 바꿀 방법으로 열광 전지에 주목하고 있다. 

 

열광 전지는 태양광 전지와 비슷한 원리이다. 다른 점은 태양빛에서 전기를 얻는 것이 아니라 뜨거운 물체에서 나오는 광자로 전기를 생산한다. 열광 전지는 텅스텐 등의 금속 필름이나 필라멘트로 열을 전달했을 때 나오는 빛 입자(광자)를 반도체로 흡수하고, 이때 전자가 이동하면서 발생하는 전기로 전력을 생산하는 방식이다. 원리는 그럴듯하지만, 지금까지 개발된 대부분의 열광전지는 1,400도 정도의 열로 전기를 생산하며, 효율도 20%대에 그쳤다. 최근까지 최고 기록도 32%에 머물러 있다.

 

미국 연구진은 2019년 열광 전지가 경제적으로 상용화되기 위해서는 효율이 35%는 넘겨야 한다는 분석 결과를 내놨다. 연구팀은 지금까지 이정도의 효율을 내지 못한 것은 빛을 내는 텅스텐과 빛을 흡수하는 반도체가 잘 어울리지 않기 때문이라고 판단했다. 텅스텐은 다양한 파장대의 빛을 방출하는 반면, 반도체는 그중 매우 일부 파장의 빛만 흡수하다 보니 버려지는 부분이 많았던 것이다.

 

연구팀은 서로 다른 24개의 반도체를 층층이 쌓아 두 개의 개별 구역을 만들었다. 상단부는 가시광선과 자외선 광자를 흡수하고, 하단은 적외선 영역을 흡수하도록 한 것이다. 그리고, 하단부 아래에는 얇은 금판을 두어서, 반도체가 흡수할 수 없는 저에너지의 빛을 반사하도록 했다. 반사된 저에너지는 다시금 텅스텐으로 돌아가 빛을 내는데 사용된다. 그 결과, 2400도의 텅스텐 필라멘트에서 방출된 에너지의 41.1%가 전기로 변환됐다. 연구팀이 설정한 상용화 기준을 처음으로 넘긴 것이다. 연구팀은 이 열광 전지를 사용하면, 전력 저장 장치 운영 비용의 10분의 1정도만 소요될 것으로 추정했다. 하지만, 이번에 만든 열광 전지는 약 1㎠라서, 이를 최대 900㎡까지는 크게 만들어야 하는 과제가 남아있다. MIT 기계공학부 아세군 헨리 교수는 “열광 전지는 안전하고, 수명 주기가 길어서 환경에도 무해하다. 효율을 50% 이상으로 높일 수 있을 것으로 확신한다” 라고 말했다.