구글이 하늘을 나는 풍력발전기 마카니(Makani)를 본격화

구글(Google)은 2013년에 1500만달러를 투입하여 에너지 기업 마카니(Makani)를 인수했습니다. 그동안 구글의 비밀 연구기관인 'Google X'에서 하늘을 나는 풍력발전기 '에너지 연 Energy Kites'를 개발해 왔었습니다. 최근 Makani 프로젝트를 본격화하기 시작했나 봅니다. Google X가 최근 몇개월 동안 프로젝트에 필요한 인력을 30명 이상 채용하고 있다고 합니다.

구글이 하늘을 나는 풍력발전기 마카니(Makani)를 본격화

Makani가 개발중인 에너지 연은 소형 항공기의 모습입니다. 기존에 유사한 기술이 고도 100미터에서 발전하는 터빈 형태가 있었다면, 이것은 더 높은 고도인 250미터에서 가동합니다. 고도가 높은 만큼 더 강한 풍력을 이용할 수 있습니다. 이러한 고강도 풍력을 더욱 잘 활용하기 위하여 비행기 모양의 연은 이리저리 비행하며 발전하게 됩니다. 지상과 선으로 연결되어 있는 비행 발전기는 항공역할 기술도 들어가 있습니다.

Makani는 항공기술, 전기기사, 풍력 에너지, 건축, 시운전 기술 등 다양한 분야의 엔지니어를 모집되고 있습니다. 기술직 외에도 세일즈 엔지니어, 마케팅과 같은 제품 판매에 종사하는 직무도 있습니다. 그래서 Makani 프로젝트를 통해 완성된 제품이 출시될 것이라는 예상이 나오고 있습니다.

마카니의 Google+ 페이지에는 최근 시제품 사진 등이 게재되어 있습니다. 기존 풍력터빈 발전기보다 90%나 적은 소재로 50% 많은 발전량을 실현할 수 있습니다. 물론 개발되고 있는 600kW 발전기는 작지 않은 크기이지만 그래도 기존 풍력 터빈에 비하면 매우 소형입니다. 현재 세계 청정에너지 중에서 풍력이 차지하는 비중은 불과 3%이지만 구글의 이번 프로젝트가 사업화로 연결되면 상황은 달라질 것입니다.

엘론 머스크의 솔라시티, 저비용으로 22% 고효율의 태양전지판을 개발

페이팔(PayPal)과 테슬라 모터스, SpaceX 등의 창업자인 엘론 머스크가 설립한 다른 회사가 더 있습니다. 바로 2006년에 설립한 태양광 회사 솔라시티입니다. 그동안 실적이 저조했는데 이번에 새로운 태양전지판을 개발하였다고 발표하였습니다. 22%의 높은 에너지 전환효율을 가지면서 0.55달러로 1W의 전력을 생산할 수 있는 저비용의 제품입니다. 저소득 가정에도 도입할 수 있으리라 기대하고 있습니다.

엘론 머스크의 솔라시티, 저비용 22% 고효율의 태양전지판 개발

태양에너지는 상당히 매력적입니다. 깨끗하고 값싼 재생 에너지이고, 에너지원은 계속 내려오는 태양광입니다. 그러나 태양에너지를 전기로 전환하는 기술은 아직도 부족함이 많습니다. 다른 에너지에 비해 비용이 많이 들어갑니다. Elon Musk의 사촌인 Lyndon과 Peter Rive가 창업한 SolarCity는 모듈 수준에서 22%의 효율을 가지는 제품을 발표했습니다. 그동안 경쟁사 SunPower의 X-Series 패널이 모듈 차원에서 21.5%인데 이와 동등한 수준입니다.

솔라시티의 새로운 패널의 장점은 에너지 효율만이 아니라 낮은 비용입니다. 1W당 0.55달러로 매우 낮은 발전 비용입니다.

2014년 솔라시티는 태양전지 업체 실레보(Silevo)를 인수했었습니다. 이번 기술은 실레보의 'Triex Technology'를 이용한 것입니다. Triex Technology는 N형 실리콘, 패시베이션 막, 산화물 반도체를 조합한 하이브리드형의 구조입니다. 구조 자체는 실리콘 반도체와 차이가 없지만 다른 소재를 조합하여 효율이 향상된 것입니다. 향후 개발로 효율 24%도 기대하고 있습니다.

또한 '터널접합형 태양전지'로 불리는 Triex는 온도가 상승해도 효율이 별로 떨어지지 않습니다. 따라서 태양광 패널을 지붕 위에 설치하여 장기간 사용하는데 문제가 없습니다. 현재는 캘리포니아주의 Fremont에 있는 100MW의 소규모 파이롯 공장에서 제조되는 단계입니다. 향후 뉴욕주 버펄로의 1GW 공장에서 2000명의 직원이 하루에 패널 1만개를 예정입니다.

그동안 태양광 발전에 드는 비용이 낮아지고 있지만 여전히 다른 전력에 비하면 비용이 높습니다. 이에 정부 보조금이 없으면 일반 가정에 보급하기는 어렵다고 평가되어 왔습니다. 그런데 솔라시티는 태양에너지를 저소득 가구에 보급한다는 캠페인을 시작했습니다. 패널 설치 기업 Everyday Energy, 여러 주택업체와 협력하여 진행하고 있습니다. 또한 개인 주택 지붕에 설치한다는 기존 개념에서 더 발전하여 지역사회에 설치하는 등 다양한 설치방법을 제안하고 있습니다.

전기에너지로 사는 전기합성 미생물

전기에너지를 이용하여 사는 미생물에 대하여 도쿄대학교 이화학연구소의 연구팀이 연구결과를 발표했습니다. 이산화탄소로부터 영양분을 만들어 내는 방법에는 2가지가 있었습니다. 태양광을 에너지로 이용하여 이산화탄소에서 녹말을 합성하는 광합성, 그리고 수소나 황 등의 화학물질의 에너지를 이용하는 화학합성입니다. 이번 발견에서는 전기합성이 가능한 미생물이 존재하는 것을 확인하였습니다.

전기에너지 전기합성 미생물

2010년에 태양광이 도달하지 않는 심해 환경에서 '전기를 매우 잘 통하는 암석'이 존재한다는 사실이 발견되었습니다. 이를 바탕으로 추가 연구를 진행하여 이번 결과를 얻었습니다. 철 이온을 산화시켜 에너지로 이용하는 세균의 일종인 Acidithiobacillus ferrooxidans(A.ferrooxidans)이 있습니다. 이것을 철 이온을 포함하지 않고 전기만 에너지원으로 사용할 수 있는 환경에서 배양 하였습니다

세포가 체외 전극으로부터 어떻게 전자를 빼내어 NADH(Nicotinamide adenine dinucleotide)를 만들며, 특정 단백질을 통하여 이산화탄소에서 유기물을 합성하는 경로를 알아냈습니다. 이번 '철 산화 세균'은 불과 0.3V 정도의 작은 전위차를 1V 이상으로 높이는 능력을 가지고 있습니다. 이를 통해 매우 미약한 전기에너지를 이용할 수 있습니다.

즉 0.3V에서는 이산화탄소에서 유기물을 만들 수 없지만, 외피에서 내부까지 퍼진 분기형 전자수송 경로를 전압을 높이는 회로로 이용하는 것입니다. 최종적으로 1.14V까지 높인 전위차를 이용하여 에너지를 합성하게 됩니다. 위 그림은 전기합성의 대사 회로입니다. 세포 내에 존재하는 분기형 전자 전달 시스템을 승압 회로로 이용하여 0.3V 전위차를 1.14V까지 높여 이산화탄소에서 유기물을 만듭니다.

거의 무한한 수명의 배터리를 만드는 방법

리튬이온 전지에서 사용되는 액체 전해질을 대신하는 고체 전해질이 개발되었습니다. MIT와 삼성에서 발표한 결과입니다. 내부의 전해질이 액체에서 고체로 바뀌었다는 말의 의미는 배터리의 수명이 거의 무한하게 증가되었다는 것입니다. 여러가지 안정성이 향상되어 사용자도 안전하게 사용할 수 있습니다.

일반적으로 전해질에는 탄산 에틸렌(이텔렌 카보네이드), 탄산 디에틸 등의 유기 용매가 쓰입니다. 여기에 리튬 이온을 녹인 전기 분해액이 사용되고 있습니다. 따라서 유기 용매가 손상을 입으면 불이나는 사고가 발생합니다.

따라서 그동안 발화 위험이 없는 고체 전해질을 개발하려는 노력이 있었습니다. 그렇지만 고체 전해질은 리튬이온 전도 특성이 유기 용매에 비해 좋지 않았습니다. 따라서 충전 방전 속도가 느리다는 문제점이 있었습니다.

거의 무한한 수명의 배터리를 만드는 방법

이번에 MIT와 삼성 연구진은 고체 전해질의 안좋은 전도 특성을 개선하였습니다. 리튬, 게르마늄, 인, 유황 화합물인 초이온성(superionic) 리튬이온 전도체로 해결하였습니다. 맨 위의 그림은 초이온성 전도체의 결정구조입니다. 리튬 원자들이 초록색, 유황 원자가 노란 색, PS4 사면체가 진한 회색, GeS4 사면체가 흐린 회색입니다.

고체 전해질을 사용하면 첫째로 발화 위험성이 없어집니다. 또한 기존 전지의 라이프 사이클은 500~1200회 정도입니다. 고체 전해질의 사이클은 수십 만회로 증가하므로 사실상 무한한 수명을 가졌다고 보면 됩니다.

그리고 액체가 아니기에 영하의 온도에서도 문제가 없습니다. 고체 전해질을 쓰면 추위와 상관없이 본래의 성능을 발휘할 수 있습니다. 덧붙여 출력밀도도 20~30% 개선되었다고 합니다. 향후 실용화가 되면 스마트폰, 노트북에서부터 전기자동차까지 모든 디지털 디바이스의 성능은 대폭적으로 향상될 것입니다.

저가 소형 핵융합 반응기를 MIT가 개발, 10년내 실용화 기대

예전부터 석유 자원이 고갈될 위험성에 대해 논란이 계속되고 있습니다. 마찬가지로 핵융합로가 곧 완성될 것이라는 소문도 무성했었습니다. 하지만 실물로 제대로 보여준 적은 별로 없었습니다. 그런데 이번에 MIT 연구진은 상당히 완성도 높은 반응기 ARC를 개발하였습니다. 아직 완성되지 않았지만 저가이면서 소형이고 10년내에 실용화가 되리라 기대되고 있습니다.

MIT Dennis Whyte박사 연구팀은 고 자기장 코일을 사용하고 플라스마를 제어하여 기존의 토카막(tokamak) 반응기를 크게 줄인 신형 'ARC' 반응기를 고안했습니다. ARC는 affordable(값싸게), robust(튼튼하게), compact(작게)의 머리 글자로 만든 약어입니다.

저가 소형 핵융합 반응기 MIT 개발, 10년내 실용화 기대

ARC 반응기는 REBa2Cu3Oy(REBCO) 초전도체 테이프를 이용하였습니다. 높은 자기장을 발생시키는 코일로 구성된 기존의 토카막 반응기에 비해서 매우 작은 반응기 내에서 핵융합 반응을 일으키는 것이 가능합니다. 소형화로 인하여 시스템 구축 비용을 크게 억제할 수 있어서 비용절감을 할 수 있는 장점이 있습니다. 따라서 설계 자유도를 높이고 핵융합로의 실용화를 위한 개발 속도를 대폭 높일 수 있습니다.

또한 새로 개발된 코일은 높은 자기장을 발생시킬 때에 기존에 비해서 10배 많은 발전량이 가능합니다. 반경 3.3미터의 자기장 내에서 500MW의 핵융합 에너지를 발생시킬 수 있도록 설계되었습니다.

아직은 ARC반응기는 디자인에 대하여 기술적으로 상세히 검토하는 단계입니다. 정부기관과 여러 투자자로부터 자금을 받으면 다음 단계로 개발로 들어갈 예정입니다. 향후 10년 안에 핵융합로의 실현을 목표로 하고 있습니다.

인공 나뭇잎 광합성으로 최고 태양에너지 전환 효율 달성

호주 멜버른 모나슈 대학교 연구팀은 지금까지 다른 연구에 비하여 최고로 높은 에너지 전환 효율 결과를 보여주었습니다. 태양에너지를 이용하여 물에서 수소를 분리하는 시스템입니다. 값비싼 금속 촉매도 필요없고 강물로도 이용 가능하다고 합니다.

주요한 기술로는 인공 잎을 이용하였습니다. 인공적 나뭇잎으로 광합성을 하여 물에서 수소를 분리해 내었습니다. 이러한 결과는 향후 세계적 성장동력이 되리라 예상됩니다. 연구팀이 최근 발표한 태양에너지과 물을 연료로 사용하는 시스템을 활용하면, 자동차, 주택, 지역사회 전체의 동력원이 될 가능성이 있습니다.

인공 나뭇잎 광합성, 최고 태양에너지 전환 효율 달성

개발한 인공 나뭇잎은 광에너지를 쓰면서 물을 분해하여 수소를 만드는 장치입니다. 관건은 얼마나 높은 에너지 전환 효율을 달성하느야에 있습니다. 높은 수치를 얻어야 향후 실용적 인공광합성 기술로 발전할 수 있습니다. 이번 연구결과는 학술지 'Energy and Environmental Science'에 발표되었습니다.

잘 알다시피 물에 전류를 통과시키면 분해하여 산소와 수소를 만들 수 있습니다. 이렇게 물이 분해되어 만들어진 수소는 다른 장치들의 연료로 사용될 수 있습니다. 반응의 부산물로 이산화탄소가 나오지 않는 최고로 깨끗한 에너지 발전 형태입니다.

물에서 연료로 사용할 수소를 분리하는 기술은 얼마나 높은 효율을 보여주느냐가 중요합니다. 효율이 적다는 말은 반응이 너무 늦거나 비용이 너무 비싸다는 의미입니다. 이렇게 되면 실용적이지 않습니다. 인공광합성은 적어도 10%의 에너지 전환 효율을 보여주어야 약간이라도 실용성이 있다고 볼 수 있습니다. 그런데 이번 연구팀은 22% 이상을 달성하였습니다.

다른 연구에 의하면 18%까지 나왔던 기술이 있었으나 이를 위해서는 비싼 금속촉매가 필요합니다. 하지만 이번 연구는 그러한 귀금속 촉매도 필요없고 단지 강물로도 가능합니다. 저가격이 가능하다는 의미입니다.

물을 전기화학적으로 분해하여 궁극적으로 지속가능한 연료로서 수소를 활용할 수 있습니다. 저렴하고 깨끗하고 재생 가능한 에너지원을 실현할 가능성이 높아졌습니다. 수소는 연료전지에서 직접 전기를 내는 데 사용할 수 있습니다. 연료전지는 전기자동차의 엔진으로 사용될 수 있습니다. 또한 지붕 위에 설치하면 태양열 배터리에 에너지를 저장할 수 있습니다. 값싼 에너지 저장 기술이 실용화되면 일반 가정에서도 수소를 이용할 수 있을 것입니다.

뉴욕 지하공원 프로젝트 로우라인, 새로운 태양광 기술로 마침내 실현 가능

예전부터 아이디어로 구상되던 뉴욕의 지하공원 '로우라인 (Lowline)'이 마침내 실현되려고 합니다. 제작을 위해 실제로 이용될 기술을 테스트하는 실험실(Lab)을 설립하기 위해 킥스타터(Kickstarter)에서 자금을 모으고 있습니다. 새로운 태양광 기술을 이용하여 놀라운 프로젝트를 시작하려 합니다.

이번 계획은 맨해튼의 지하에 공원을 만드는 것입니다. 로어 이스트 사이드(Lower East Side)의 시끄러운 거리가 있는 공간의 바로 아래입니다. 이번 프로젝트에는 취지에 맞는 좋은 이름이 붙어 있습니다. 뉴욕에 있는 유명한 공원인 '하이 라인'을 패러디한 것입니다. 하이 라인은 고가에 있던 철로를 재활용한 보행자 전용공원입니다.

뉴욕 지하공원 프로젝트 로우라인

프로젝트 설립자들은 그동안 적당한 장소를 찾아 왔습니다. 이번에 Delancey 거리 아래에 있는 넓은 공간을 활용하게 되었습니다. 이곳은 지어진지 107년 이상이 되었으며 1940년대 후반부터 방치되었던 공간입니다. 디자인도 고민하고 있습니다. 군데군데 천창이 있어서 빛을 비추고 있고 다양한 식물로 공간을 가득 채웠습니다. 바로 태양광을 새로운 기술로 지하공간까지 끌어들이고 있습니다.

해당 기술은 한국과 영국의 합작 벤처회사인 SunPortal사에서 제공하고 있습니다. 햇빛을 모아서 광섬유를 통해 지하에 옮기는 기술입니다.

새로운 태양광 기술로 마침내 실현 가능

프로젝트 팀은 자신들의 아이디어를 시험하기 위해 '로우 라인 랩'을 설립하려고 합니다. 자금 모집을 위해 크라우드펀딩 사이트 Kickstarter에서 캠페인을 시작했습니다. 실험을 하게될 공간에서는 실제로 로우라인에 이용될 기술을 테스트합니다. 만약 목표액인 20만달러에 도달하면 넓은 면적의 캄캄한 창고 안에 최종 모습의 지하공원과 같은 환경을 만들어 평가하게 됩니다. 반년 동안 태양광 기술을 실험하여 식물이 지하 환경의 생활에 어떻게 반응하는지를 확인할 예정입니다.

검은 실리콘 태양전지 효율이 기록적인 값 22.1% 도달

22.1%의 아주 높은 효율을 보인 검은 실리콘(black silicon) 태양전지 연구결과가 발표되었습니다. 매우 놀라운 수치입니다. 핀란드 Aalto University와 스페인 'Polytechnic University of Catalonia' 연구진은 박막 나노구조 실리콘에 원자층 증착 기술을 통해 알루미나 보호층 필름을 형성하여 새로운 기록을 달성 할 수 있었습니다. 기존 검은 실리콘 태양전지보다 효율이 4퍼센트 정도 증가되었습니다.

표면 재결합(Surface recombination)은 검은 실리콘 태양전지에 있어서 오래된 미해결 문제였습니다. 효율을 20퍼센트 이하로 제한하던 주요 원인이었습니다. 이번의 새로운 전지는 표면 재결합에 매우 민감하다고 알려져 있는 후막 후면접점 구조로 이루어져 있습니다. 외부 양자효율을 파장 300nm에서 96%로 확인할 수 있었습니다. 이런 사실은 표면 재결합 증가 문제가 더 이상 존재하지 않으며, 최종적인 에너지 변환 효율에 문제가 되지 않는다는 것을 의미합니다.

기록적 효율 22.1%의 검은 실리콘 태양전지

"에너지 변환 효율이 우리가 주목해야 하는 유일한 변수는 아니다. 작은 각도로 입사되는 태양 복사선을 포획하는 능력을 가졌기에 검은 실리콘 태양전지는 전통적인 태양전지에 비해서 더 많은 전기를 생산합니다. 이런 특징은 일년의 많은 기간 동안 작은 각도로 해가 비치는 북쪽 지방에 특히 이득이 있습니다. 두가지 종류의 태양전지가 동일한 효율값을 가지더라도 겨울철 헬싱키에서는 검은 태양전지가 전통적인 제품보다 훨씬 더 많은 전기를 생산합니다." 이번 연구를 이끈 알토 대학교의 Hele Savin 교수의 말입니다.

연구팀의 목표는 가까운 미래에 이번 기술을 박막 다결정 태양전지와 같은 다른 구조에 적용하는 것입니다. 이번에 개발된 태양전지는 불순물과 관련된 문제가 있다고 알려진 p형 실리콘을 이용하여 제조되었습니다. n형 실리콘이나 다른 태양전지 구조에 이용한다면 훨씬 더 높은 효율에 도달할 가능성이 있습니다.

전기버스 급속충전 시스템, 프라운호퍼 연구소의 충전소와 배터리 시스템

프라운호퍼 연구소의 연구진은 여러 회사와 함께 전기버스 급속 충전 시스템을 개발하였습니다. 'EDDA-Bus'라는 프로젝트이며, 이동 노선을 따라 충전할 수 있도록 만들었습니다. 충전소 운영 시스템에 대한 테스트는 작년 11월 부터 드레스덴에서 시작하고 있습니다.

핵심 기술은 다음과 같습니다. 'M&P GmbH'는 매우 높은 충전용량을 가진 충전소를 디자인했습니다. 'HOPPECKE Advanced Battery Technology GmbH'는 높은 동력용량(high power capacities)을 가지는 배터리를 공급하였습니다. 'Vossloh Kiepe GmbH'는 전력전자(power electronics)를 구현하였습니다. 지붕 위에 설치한 접촉시스템은 Fraunhofer IVI와 Schunk Bahn-und Industrietechnik GmbH이 개발하였습니다.

충전소(charging station)

운행되는 버스를 충분하게 재충전하기 위하여, 다양한 충전용량을 가지는 충전소가 필요합니다. 버스가 정류장에 정차하여 승객을 태우고 내리는 시간이 다양하기 때문입니다. 따라서 두 가지 유형의 충전소를 개발했습니다. 250kW의 최대 충전용량을 가지는 고속 충전소와 2,6kWh의 슈퍼커패시터를 채용한 최대 충전용량 600kW의 펄스충전소입니다.

배터리(Battery)

고 충전용량을 가진 배터리를 개발했습니다. 모듈식의 디자인을 하였고, 버스에 설치하기 위하여 다른 크기의 배터리 팩과 결합할 수 있습니다. 용량은 86kWh이며, 3개의 모듈을 사용하여 450kW의 충전용량을 가집니다. 배터리 시스템은 버스 후방의 천장에 장착되었으며 액체로 냉각됩니다.

접촉 시스템(Contact system)

전기접촉 시스템은 팬터그래프(pantograph), 접촉 헤드 등으로 구성되어 있습니다. 치밀하며 견고한 시스템으로 정차한 차량에 고 전기용량의 전류를 안전하게 전송하고 있습니다. 또한 접촉 시스템을 위한 열안정 부품도 개발했습니다. 이동하면서 에너지를 전달받는 시내전차와 달리 정차해서 전기를 공급받기에 장치의 국부적인 부분에서 높은 온도가 생성될 수 있기 때문입니다.

프라운호퍼 연구소의 전기버스 급속충전 시스템

도로변 접촉 후드는 항상 도로 위에서 최소 4.5m 이상의 높이에 설치될 필요가 있습니다. 에너지 전송은 접촉 후에 0.5초 이내에 시작됩니다. 만약 불안정한 사항이 감지되면 충전공정은 자동적으로 종료됩니다. 재충전 동안에 승객과 시설에 대한 안전성을 확보하기 위해 자동차 차체와 정류장 사이에는 접지를 연결하게 됩니다. 또한 에너지를 전송하는 동안에 접속 여부를 모니터링합니다.

날개 없는 풍력 발전기, 블레이드 대신에 막대기 형태

미래의 풍력발전기에 대해 몇번 포스팅했었습니다. 그만큼 차세대 에너지로서 바람도 매우 유용합니다. 이번에 스페인의 Vortex Bladeless라는 회사에서 제안한 것은 야구방망이나 막대기 형태입니다. 선풍기 날개 같은 블레이드가 없는 형태를 몇번 보았지만 이것만큼 간단하고 이해하기 쉬운 것은 없어 보입니다. 그만큼 작동의 안정성이나 에너지 효율도 높으리라 기대됩니다.

날개 없는 풍력 발전기

지상에서 하늘로 올라간 거대한 아스파라거스 같은 형태의 발전기입니다. 바람이 만들어 내는 소용돌이를 이용하였으며, 저비용으로 소음도 적으며 위험하게 움직이는 블레이드도 없습니다.

풍력발전기의 거대한 날개가 돌아가는 모습은 예전에는 신기한 광경이었습니다. 하지만 이제는 많은 곳에 설치되어 있어서 익숙합니다. 그런데 안전과 소음에 의한 문제를 가지고 있습니다. 이에 새로운 발전기를 개발하려는 시도가 있어 왔습니다.

블레이드 대신에 막대기 형태

이번에 선보인 Vortex는 마치 하늘로 올라가는 기둥같이 생겼습니다. 기존의 풍력 터빈처럼 바람의 운동 에너지를 전기로 바꾸어줍니다. 그러나 구조는 전혀 다릅니다. 작동원리는 간단합니다. 프로펠러의 회전 운동으로 에너지를 얻는 대신에 바람의 소용돌이 회전에서 생기는 공기 역학적 효과를 이용합니다.

'소용돌이도 Vorticity'는 오랫동안 건축가에게 고민을 안겨주던 현상입니다. 바람의 힘이 강해지면 소용돌이에 의해서 건물이 진동하고 경우에 따라서는 붕괴 사고도 발생합니다. 그러나 Vortex Bladeless는 이러한 현상을 극복하는 것이 아니라 이용하려고 발상의 전환을 하였습니다. 진동 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 것입니다.

알루미늄-이온 배터리, 초고속 재충전되며 안전한 플렉시블 이차전지

벌써 한 달전에 기사로 나왔던 소식을 이제야 전합니다. 그리 중요해 보이지 않아 넘겼는데, 구독하는 블로그 두 곳에서 중요하게 다루셨더군요. 그리고 네이쳐에 논문도 게재된 연구입니다. 중요한 요점은 위 제목에 나와 있습니다. 먼저 (1) 초고속으로 재충전이 되는 이차전지이며, (2) 플렉시블로 구부리며 사용할 수 있는데 안전하다는 것입니다.

우리가 하루 종일 가지고 다니는 여러 전자 디바이스의 대부분은 리튬이온 이차전지를 사용하고 있습니다. 지난 20~30년 동안 산업계와 실생활에서 중요한 역할을 해왔습니다. 그럼에도 불구하고 관련 기술의 혁신적 개선은 별로 없어 보입니다. 이번에 스탠포드 대학교의 연구는 비슷하지만 전혀 다른 개념을 선보였습니다. 알루미늄 기반의 배터리를 개발 중이며 충전도 빠르고 안전합니다.

사실 알루미늄을 사용하는 전지는 새삼스러운 일이 아닙니다. Al은 리튬 보다도 많은 잇점이 있기에 관심의 대상이었습니다. 전력 손상 없이 유연하게 변형도 가능합니다. 오랜 시간 걸리는 충전도 순식간에 끝낼 수 있습니다. 사용 수명도 매우 깁니다. 리튬이온 배터리는 훼손하면 발화의 위험성이 있지만, 알루미늄 소재는 그렇지 않고 안전합니다. 비용도 오히려 저렴하고요.

이런 장점에도 불구하고 왜 실용화되지 못하고 있을까요? 중요한 전극재료로서 알루미늄의 반대편 전극에 사용할 소재가 문제입니다. 이번 연구에서는 Al을 양극(anode)으로 사용하고, 그래핀(graphene)을 음극(cathode)로 사용하였습니다. 보통 전지는 양극활물질 기준으로 표현하게 됩니다. 가장 중요한 물질이기 때문입니다. 그리고 음극으로 탄소 등을 많이 쓰는데 요새는 그래핀이 많은 연구에서 도입되고 있습니다.
(보통의 전기화학의 분류와 달리, 충전을 기준으로 산화전극 anode를 양극이라 하고, 환원전극 cathode를 음극이라 표현합니다.)

이번 연구를 예전에 다루지 않았던 이유는 왠지 현실성이 부족해 보였기 때문입니다. 다만 제품으로 판단하기에는 아직 이른 듯 싶습니다. 여러 연구자들에 의해 추가적인 발전이 필요합니다. 그렇기에 오히려 더욱 의미가 있는 결과입니다. 새로운 연구주제를 던졌다고 보입니다.

충전 횟수는 7500이라는 놀라운 수치를 보여주었지만 여러가지 단점이 남아 있습니다. 출력전압이 일반 제품의 절반에 불과합니다. 하지만 에너지 밀도 측면에서 충분히 가능성이 있어 보입니다.  초고속 충전, 안전성, 낮은 비용의 장점이 있기에, 향후 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다면 전기자동차용으로 중요하리라 예상됩니다.

에너지 수확기술, 하베스팅을 바람과 비에서 하는 스마트 윈도우

향후에는 날씨를 이용하여 차세대 스마트 윈도우에 전력을 공급할 수 있을 것입니다. 'Georgia Institute of Technology'의 연구팀이 바람과 비로부터 에너지를 얻을 수 있는 수확기술을 개발하였습니다. Energy harvesting(하베스팅)이라 불리는 분야입니다. 이번 연구에서는 색깔이 변하는 유리를 개발하였습니다.

논문 초록 내용을 정리하면 다음과 같습니다.

자체적으로 전원이 공급되는 시스템은 외부 전력공급원 없이 독립적이고 지속적인 운영이 가능합니다. 따라서 무선 네트워크에서는 유망한 콘셉입니다. 이러한 아이디어의 실현을 위하여, 마찰전기 나노제너레이터(TENG, triboelectric nanogenerator)를 최근에 발명하였습니다. 휴대용 전자장치에 전력을 공급하기 위해 외부 기계적 에너지를 전기로 변환시키는 것입니다. 이번 연구에서는 자체적으로 전력이 공급되는 스마트 윈도우 시스템을 개발하였습니다. 불어오는 바람과 빗방울에 의해 구동되는 투명한 마찰전기 나노제너레이터(TENG)와 전기변색소자 디바이스(ECD, electrochromic device)를 통합하여 실현할 수 있게 되었습니다.
마찰전기 나노제너레이터(TENG)의 지속적인 출력으로 전기변색소자 디바이스(ECD)를 구동할 수 있었습니다. 광학적 특성, 특히 투과율을 가역적으로 얻을 수 있었습니다. 전자화학적 산화환원 반응 덕분입니다. 파장 695nm에서 최대 투과율 변화는 32.4%에 도달하였습니다. 이것은 32.6%를 기록한 기존의 전자화학적 전위가변기(electrochemical potentiostat)에 비교될만한 규모입니다. 이번 연구는 나노제너레이터와 자체적으로 전력을 공급받는 시스템을 실제적으로 개발하기 위한 핵심적인 발전입니다.

새롭게 개발된 유리는 나노크기 제너레이터를 사용합니다. 이것은 두 개의 물질이 접촉할 때 마찰에 의해 생성되는 정전기인 마찰전기(triboelectrics)로부터 전력을 공급받습니다. 활성화되면 하나의 유리판 상부에 있는 2개의 레이어(layer) 내에 위치한 제너레이터는 투명한 창문을 푸른색을 띄도록 전류를 생성합니다.

제너레이터의 최외각 레이어는 비에서 정전기를 수확합니다. 구름에서 빗방울이 떨어질 때, 물과 공기 간의 접촉은 물방울 내에 양전하를 만들어낸다. 물방울이 음전하를 띠는 실리콘 물질로 만들어진 나노크기 피라미드로 코팅된 유리를 때리면 전류가 발생됩니다.

나노제너레이터의 두 번째 레이어는 첫 번째의 바로 아래에 있으며 바람에서 에너지를 수확합니다. 나노크기 스프링 코일로 분리되어 있는 전하를 띄는 투명한 2개의 플라스틱으로 구성됩니다. 바람이 창문을 밀게 되면, 스프링은 압축되고 전하를 띤 플라스틱 판이 서로 접근함에 따라 전류를 생산합니다.

옥수수로 만든 바이오매스로 손실 없이 수소연료를 제조하는 기술

최근 셰일가스 열풍으로 인해 여러 대체 에너지의 개발이 주춤한 것이 사실입니다. 하지만 여전히 태양에너지와 바이오매스 등에 대한 연구가 활발합니다. 꾸준히 진행되어야 미래에 실생활에 도움이 될 것입니다. 이번에 버지니아 공과 대학교의 연구팀이 옥수수에 포함되는 당질을 남김없이 연료로 사용하는 기술을 개발했습니다. 수소를 사용하는 시스템으로 가는 중요한 단계라고 할 수 있습니다.

미국에서 잘 소비되지 않고 버려지는 식물로 청정 에너지를 만들자는 시도가 있습니다. 식물에서 수소연료를 만들어 차량에 공급하는 것입니다. 이로 인해 새로운 환경 문제도 발생하고 있습니다. 하지만 석유가 고갈되는 상황이 온다면 매우 중요한 대체자원이라 할 수 있겠습니다.

이번 연구에서는 수확한 옥수수 줄기나 껍질 같은 부분에 포함되는 당질을 사용하여 수소연료를 효율적으로 만드는 기술을 개발했습니다. 지금까지 발효 미생물과 공업 촉매를 사용하더라도 옥수수 당질의 30~60% 밖에 활용할 수 없었습니다. 그러나 이번에는 당질을 100% 활용할 수 있게 되었습니다.

이번 연구는 지역의 바이오매스 자원을 사용하여 저렴한 비용으로 친환경 수소를 만드는 기술을 개발한 것입니다. 연구원들은 유전자 알고리즘을 사용하여 옥수수에 포함된 당질을 수소와 이산화탄소로 분해하는 방법을 분석했습니다. 바이오매스에서 만들어지는 수소 가스는 연소해도 물만 배출하게 됩니다. 휘발유를 대체하는 깨끗한 연료라고 할 수 있습니다.

난민을 위한 태양전지 패널의 가설 주택, 이케아와 유엔난민기구의 공동 프로젝트

세계에는 많은 난민들이 있습니다. 편안히 살 집이 없는 사람들이 많습니다. 유엔난민기구(UNHCR)와 가구업체 이케아(IKEA)에서 공동 프로젝트를 하였습니다. 단지 4시간 안에 조립이 가능한 가설 주택입니다. 기존의 구호소 보다 6개월 이상 오래 유지된다고 합니다. 지붕에는 태양전지 패널이 장착되어 있습니다. 안에는 빛을 밝히는 램프와 전원 커넥터로 전력을 공급할 수 있습니다. 명칭은 "Better Shelter"입니다.

내부 면적은 약 17.5제곱미터(m2)로 5.3평 정도 되어 5명이 거주할 수 있습니다. 가벼운 폴리머 재질로 되어 있으며 파이프와 와이어 등을 사용되어 4시간 안에 조립을 완료할 수 있습니다. 또란 지붕에는 태양전지판이 설치되어 있습니다. Better Shelter 내부에 빛과 전력을 공급할 수 있습니다. 아래 사진에서 보듯이 5인용이라 하지만 그 이상 들어와 살아도 전혀 문제 없어 보입니다. 현재 프로토 타입은 이라크 북부에서 실제로 사용되고 있습니다.

유엔난민고등판무관실(UNHCR)이라고도 불리는 UN기구와 공동으로 진행된 이번 프로젝트는 세계의 집을 잃은 수많은 사람들을 위한 일입니다. 조사에 따르면 시리아에서는 400만명 이상이 난민이 되었습니다. 계속된 내전으로 인해 돌아갈 곳이 없습니다. 고향에서 떠나 멀리 거처도 없이 살고 있습니다. 이런 문제를 일부 해결하기 위해 진행한 것이 Better Shelter입니다.

20만명 이상의 난민을 받아들인 에티오피아도 이번 결과물을 이용할 예정입니다. 이번에 개발된 Better Shelter은 3년 이상 이용이 가능합니다. 충분한 내구성을 가지고 있는 겁니다. 이미 UNHCR은 1만개의 Better Shelter를 IKEA에서 구매했습니다. 2015년 여름까지 여러 캠프에 배포할 예정입니다. 많은 사람들이 힌든 시기를 조금이라도 편안하게 건널 수 있겠습니다.

구글(Google)이 개발중인 연처럼 하늘을 비행하는 풍력발전기 마카니(Makani)

갖가지 연구를 다하는 구글의 'Google X'에서 새로운 아이템을 선보였습니다. 관련된 내용은 알려져 있었는데, 최근에 다시 미국의 'The Verge'를 통해 언론보도가 되었습니다. 미래 기술로 개발하고 있는 차세대의 풍력발전기 마카니(Makani)입니다. 연이나 비행기처럼 하늘을 날아가면서 작동합니다.

Makani는 연의 원리를 이용하였습니다. 지상의 자동차같은 것이 발사대이며 지지대입니다. 마카니는 이곳에서 솟아올라 공중에서 일정한 원을 그리며 작동합니다. 항공기처럼 날개와 프로펠러가 있습니다. 회전하면서 전기를 발전하게 됩니다. 지상과는 선으로 연결되어 있습니다.

아래 동영상은 실제로 작동하는 모습입니다.

어느 정도 높이까지 올라가면, 발전을 위한 비행을 시작합니다. 방태 연처럼 한 곳 머물러 있으면서 프로펠러 회전으로 발전하는 것이 아닙니다. 원을 그리면서 움직입니다. 연구를 통하여 최고의 효율을 얻을 수 있는 최적의 비행 패턴입니다. 풍력 터빈에서는 날개 끝이 가장 에너지 효율이 높다고 합니다. 마카니는 그렇게 효율이 높은 부분을 활용하는 것과 동일한 결과를 얻기 위해 비행기가 움직이도록 만들었습니다.

다시 지상으로 돌아올 때는 헬리콥터처럼 공중에서 호버링하며 대기합니다. 그리고 연결선을 감아서 차량으로 당겨오게 됩니다. 전체 설계는 기존 터빈 방식에 비하여 자재를 크게 삭감할 수 있는 장점이 있습니다. 마카니는 가벼운 탄소섬유로 기체를 만들었습니다. 8개의 발전용 프로펠러를 가졌습니다. 최대고도 450m, 일반적으로 140~300m 상공에서 가동됩니다.

연결하는 줄은 기체 컨트롤만이 아니라 발전한 전기를 지상으로 보내는 역할도 합니다. 전체 설비는 콤팩트하게 구성되어 공간 활용과 이동성이 좋습니다. 산간벽지와 재해 지역으로 이동하여 긴급 활용도 가능합니다.

캘리포니아 와인 농장에 거대한 수상설치형 태양광 패널을 건설한다

캘리포니아에는 LA와 같은 거대한 도시도 있지만 와인과 태양광 산업으로도 유명합니다. 지금까지 태양에너지 발전을 중요시 발전시켜 온  지역입니다. 이제 더 나아가 와인 농장에 수상설치형 패널을 건설하려고 합니다.

와인 밭이 펼쳐져 있는 소노마 카운티(Sonoma County)에서 진행되고 있습니다. 6개의 배수 연못에 태양전지판을 설치할 계획입니다. 이곳은 아주 유명한 포도 산지입니다.

"Sonoma Clean Power"라는 회사에서 진행하고 있습니다. 목표로 하는 전력은 12.5MW입니다. 내년에 완료가 되면 3000 가구에 전기를 공급할 수 있습니다. 미국에서 가장 큰 수상설치형 태양 발전소입니다.

포도를 옆에 두고 배수 연못에 둥둥 떠있는 전지판이라니 이상하네요. 햇빛을 식물과 기계가 동시에 받아 각각 필요한 형태로 에너지를 변환시키는 겁니다. 물에 떠다니는 수상설치형 태양 전지판은  새롭게 주목 받고 있는 분야입니다. 일본은 더욱 커다랗게 건설하고 있습니다. 인도도 동일한 시도를 하고 있습니다.

이러한 수상설치형 패널은 두 가지 장점이 있습니다. 아래에 있는 물이 천연적인 냉각수 역할을 합니다. 또한 위의 패널이 물의 자연적 증발을 막게 됩니다. 캘리포니아 소노마 카운티에서 성공한다면 주위로 더욱 퍼져나가리라 예상됩니다. 소노마 내에도 1400개나 되는 연못이 있다고 합니다. 대부분 포도밭 옆에 있는 것입니다. 와인 농장이 포도도 키우면서 동시에 발전소 역할도 하겠네요.