[김영근의 과학 칼럼] 버려진 열에너지를 전기에너지로 : 열전발전

우리는 과학 시간에 여러 에너지에 대해서 배우는데 사람들은 자연의 풍력을 통해 전기에너지를 만들기도 하고, 태양열을 이용해서도 만든다. 이렇게 다양한 방법으로 사람들은 결국 전기에너지를 얻게 되는데 그것을 여러 방식을 통하여 다시 운동에너지, 열에너지, 빛에너지, 화학 에너지 등으로 에너지 전환을 시킨다. 우리가 사용하는 선풍기, 난로, 전구, 배터리 충전기 등이 그 예이다. 그렇다면 생활을 하며 발생하는 에너지를 모아 전기에너지로 다시 회수 할 수 있다면 어떨까?

 

 

 

우리는 추운 겨울 전기장판이나 전기난로를 통하여 전기에너지를 열에너지로 변환해 열을 얻는다. 이때 어떠한 소재와 등급의 전기 난방용품을 사용하는가에 따라서 전기요금이 천차만별로 나올 수 있다. 그렇다면 역으로 생각해보자. 생활 속 발생하는 열을 전기에너지로 바꿀 수 있을까? 이번에 포항공대가 포스텍과 협동하여 공장에서 발생한 폐열을 전기에너지로 만들어내는 기술 실험에 성공했다고 한다. 열전재료의 고온 부와 저온 부의 온도 차를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 열전발전이라고 하는데 이는 폐열을 회수해 전기생산과 에너지 효율을 높일 수 있기에 신재생 에너지원으로 주목받고 있는 기술이다. 이 기술을 이용하여 무기질 원료를 용융 시켜 제품을 만드는 많은 열에너지가 발생하는 제조공정을 가진 공장에서 폐열을 회수해 전기에너지로 만드는 실험에 성공했다. 이것이 실용화된다면 산업용 용광로, 소각로, 발전소 등에서 에너지 재활용부터 시작하여 지역 에너지 사업에도 적용할 수 있게 되는 엄청난 가치를 가진 실험이다. 그렇다면 어떻게 이러한 에너지 전환이 가능한 것일까?1

 

 

에너지 전환을 위해 중요한 것은 친환경 고성능 열전소재이다. 열전소재는 열에너지와 전기에너지의 변환을 가능하게 하는 장치인데 열전도도가 낮고 전기전도도가 낮을수록 우수한 효과를 보인다. 원래 그동안은 단결정 셀레늄화 주석을 이용했는데 이 재료가 조건도 만족하면서 풍부해 최적이었지만 과정상의 어려움과 부리지는 특성 등 제조 시간 대비 가격이 비싸 상용화가 어려웠었다. 하지만 최근 우리나라에서 이러한 단점들을 불순물인 산화주석 나노 입자가 존재함을 알고 간단한 제거 방법을 개발해냈다. 이로 인하여 공장, 자동차 엔진, 컴퓨터 등에서 발생하는 폐열을 통해 전기 생산이 가능해지는 날이 얼마 남지 않은 것으로 보인다.2

 

이렇듯이 가전제품이나 자동차 등에서 나오는 열과 진동처럼 너무 작아 무시되고 버려졌던 에너지들을 모아 전기를 만드는 기술을 ‘에너지 하베스팅’이라고 한다. 국내외에서 효율적으로 실생활 접목을 위해 노력 중이라고 하는데 현재의 발전 속도와 우리나라에서 실행되고 있는 기술들을 본다면 이 방면에서 우리나라가 선구자의 길을 걸을 수 있을 것으로 보인다. 플라스틱 재활용부터 시작해 이러한 에너지의 재활용까지 된다면 지구와 전 세계에 엄청난 생활의 변화를 줄 수 있을 것으로 보이기에 ‘에너지 하베스팅’이란 말이 곧 실생활과 밀접해질 날을 기대한다3.

 

참고 및 인용자료 출처

1.참고-https://www.yna.co.kr/view/AKR20200702054400003?input=1195m
2.참고-https://www.news1.kr/articles/?3574433
3.참고-https://www.chosun.com/economy/science/2020/09/17/YPD2UZIR4RAPJELZ47K3L63VQ4/

 

 

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