집광형 태양열 발전은 복귀하는 오래된 기술입니다. 작동 방식은 다음과 같습니다.
얼마 전까지만 해도 전기 발전의 미래가 블레이드 러너 2049의 오프닝 장면과 같이 동심원에 끝없는 거울 배열이 있는 것처럼 보였던 때가 있었습니다.
집광형 태양열 발전(CSP)은 거울을 사용하여 태양열을 집중시켜 증기 터빈을 구동하고 전기를 생성합니다.
CSP는 한때 석탄과 가스 발전을 대체할 큰 희망이었지만, 지금은 일반적으로 태양열 패널과 풍력 터빈과 같은 더 저렴한 형태의 재생 가능 발전에 의해 가려진 것으로 간주됩니다.
그러나 최근에는 조용히 복귀하고 있다.
그 이유는 그리드 탈탄소화의 주요 과제 중 하나인 야간 에너지 저장을 설명하는 세 단어로 요약됩니다.
지난 주에 발표된 CSIRO의 재생 에너지 저장 로드맵은 2050년까지 CSP가 8-24시간 동안 에너지를 저장하는 가장 저렴한 방법이 될 것이라고 예측합니다.
이 “중간” 저장 장치를 개발하는 것은 우리가 밤에 사용하는 대부분의 전력을 생산하는 석탄 및 가스 연소 발전기를 끄는 데 필요한 단계입니다.
이러한 이유로 CSP 프로젝트는 탄력을 받기 시작했습니다.
ARENA(Australian Renewable Energy Agency)는 최근 시드니에 기반을 둔 회사인 Vast Solar가 남호주 포트 오거스타에 국내 최초의 상업용 규모의 CSP 플랜트를 건설하기 위해 6,500만 달러의 자금 지원을 승인했습니다.
그렇다면 CSP는 어떻게 작동할까요?
그리고 순제로 호주에서 CSP는 어떤 역할을 하게 될까요?
한때 태양 전지판과 경쟁했던 기술
CSP의 아이디어는 너무 단순해서 수십 년 동안 기술이 많이 바뀌지 않았습니다.
이탈리아는 1968년에 최초의 CSP 공장을 건설했고, 캘리포니아는 1981년에 최초의 상용 규모 어레이를 설치했습니다.
당시 태양 전지판은 비싸고 주로 가전 제품에 사용되었지만 CSP는 증기 터빈과 같은 친숙한 기술에 의존했습니다.
CSP 플랜트도 인상적이었습니다. 인기 있는 “파워 타워” 디자인은 수천 개의 거울로 이루어진 원형 필드를 특징으로 하며, 어떤 경우에는 200미터 이상 높이 치솟은 중앙 타워의 크라운에 빛을 집중시킵니다.
그러나 더 효율적인 패널과 더 큰 공장은 광전지(PV)의 가격을 낮추는 반면 CSP 공장은 유체 누출과 더러운 거울 문제에 직면했습니다.
2019년 남호주는 호주 최초의 상업 규모 CSP를 건설하기 위한 6억 5천만 달러 규모의 프로젝트를 프로젝트 배후의 회사가 자금을 조달할 수 없다고 밝힌 후 폐기했습니다.
호주 태양열 에너지 협회(Australian Solar Thermal Energy Association)의 이사인 키스 러브그로브(Keith Lovegrove)는 “오스트레일리아에서 비통한 이야기였습니다.
“우리는 실제로 두어 번 승리의 문턱에서 패배를 간신히 낚아챘습니다.”
2021년 기준 CSP의 전 세계 설치 용량은 6.8GW로 태양광보다 수백 배 적다.
그러나 CSP는 죽지 않았습니다. 스페인, 모로코, 남아프리카, 이스라엘 및 기타 국가에서는 그리드에서 CSP를 사용하고 있으며 중국에서는 수십 개의 프로젝트가 진행 중입니다.
러브그로브 박사는 “지금 이 순간 중국이 가장 활동적인 곳”이라고 말했다.
CSP는 태양광 PV만큼 저렴하게 주간 전기를 생산할 수 없지만 빌트인 스토리지라는 한 가지 장점이 있습니다.
태양열은 녹은 소금과 같은 매체에 저장됩니다. 해가 지면 이 저장된 열을 이용하여 터빈을 구동하고 전기를 생성할 수 있습니다.
이러한 발전과 저장의 조합은 CSP를 “디스패치 가능”하게 만들어 전력이 필요할 때 그리드로 보낼 수 있음을 의미합니다.
Lovegrove 박사는 “CSP에 대한 요점은 파견 가능한 재생 가능 세대라는 것입니다.”라고 말했습니다.
“밤이나 성수기에 필요할 때 사용할 수 있는 세대입니다. 부가 가치와 복잡성이 있기 때문에 가격이 더 비쌉니다.”
그리드에서 CSP의 역할은 무엇입니까?
지난주 CSIRO의 재생 가능 에너지 저장 로드맵 보고서는 국립 전력 시장(NT와 WA를 제외한 호주 전체)이 2025년에서 2050년 사이에 전기 저장 용량을 10~14배 증가해야 할 수 있다고 밝혔습니다.
위의 그래프에서 볼 수 있듯이 이 10년 말까지 대부분의 발전은 태양광 PV와 풍력이 될 것입니다.
하단의 분홍색 막대는 대부분 펌핑된 하이드로 및 대규모 리튬 이온 배터리인 디스패치 가능한 스토리지를 나타냅니다.
CSP는 이 디스패치 가능한 스토리지 시장을 놓고 경쟁할 것입니다.
위의 그래프는 최대 8시간 동안 “균등화된 저장 비용”(충전 비용에서 설치 및 유지 관리에 이르는 모든 것을 고려한 시간당 메가와트당 비용)을 보여줍니다.
CSIRO의 예측에 따르면 2050년까지 CSP는 이 중간 기간 스토리지 중 가장 저렴한 형태가 될 것입니다.
가정용 에너지 소비자의 경우 이 야간 저장 비용은 야간 전력 요금에 직접적인 영향을 미칩니다.
그리고 EV를 구입할 계획이라면 밤에 더 많은 에너지를 사용하게 될 것입니다. 밤에는 대부분의 사람들이 차를 충전하고 대부분 가정용 배터리가 없기 때문입니다.
현재 우리가 야간에 사용하는 전력은 대부분 석탄 및 가스 화력 발전에서 나온다고 호주 국장인 Dominic Zaal은 말했습니다.
n CSIRO 내의 태양열 연구소.
“그러나 석탄은 빠져나가고 있고… 그리고 당신은 그것을 무언가로 대체해야 한다”고 그는 말했다.
“[밤에 재생 가능한 에너지]는 매우 비싸질 것입니다. 우리는 MWh당 $200 이상이 될 것이라고 믿습니다.”
비교해 보면 작년 말 National Electricity Market 전체 평균 가격의 두 배입니다.
대규모 배터리는 낮과 이른 저녁에 급증하는 수요를 완화하는 데 적합하지만 몇 시간 이상 동안 많은 양의 에너지를 저장하는 비용이 많이 드는 방법입니다.
“배터리는 일정 기간이 지나면 매우 매우 비싸집니다.”라고 Zaal 박사는 말했습니다.
“그래서 대안은 무엇입니까?”
CSP를 위한 새로운 디자인
2월에 ARENA는 포트 오거스타에 최초의 30MW/288MWh CSP 플랜트인 VS1을 건설하기 위해 Vast Solar에 6,500만 달러의 자금 지원을 발표했습니다.
이 회사의 CEO인 Craig Wood는 “역사는 PV가 지배적인 태양광 기술이 되기 위한 경쟁에서 승리했음을 입증했습니다.”라고 말했습니다.
“그러나 지금 명확해지고 있는 것은 파견 가능성에 관한 것입니다.”
즉, 주간 전력은 너무 저렴하여 전력이 풍부할 때보다 필요할 때 전력망에 전력을 공급하는 데 더 많은 프리미엄이 부여됩니다.
2019년 Vast Solar는 세계에서 가장 혁신적인 CSP 기술로 국제 에너지 기구의 기술 혁신상을 수상했습니다.
캘리포니아 사막의 “파워 타워” 디자인과 달리 Vast Solar의 디자인은 여러 개의 작은 타워를 사용하여 하나의 타워가 다운될 경우 손실되는 전력을 줄입니다
헬리오스타트로 알려진 포물면 거울은 태양을 추적하여 반사된 광선이 수신기 탑을 향하도록 합니다.
열은 먼저 섭씨 565도의 액체 나트륨 금속에 저장되고, 그 다음 550℃의 용융염에 저장되고, 마지막으로 터빈을 구동하는 증기로 저장됩니다.
“고효율 증기 터빈의 표준 온도인 538C에서 터빈을 회전시킬 수 있습니다.”라고 Mr Wood는 말했습니다.
30MW에서 Port Augusta 발전소는 더 큰 발전소가 건설되기 전에 설계를 테스트하고 증명할 것입니다.
“온그리드라면 일반적으로 100MW 이상이 되어야 합니다.
“CSP는 크기가 150–200MW에 도달하면 매우 저렴해집니다.
“이 정도 크기라면 12~20시간 정도 보관할 수 있는 공장을 짓게 될 것입니다.”
지난 2월, Vast Solar는 미화 5억 8,600만 달러 규모의 미국 에너지 회사와의 합병과 뉴욕 증권 거래소 상장 계획도 발표했습니다.
Mr Wood에 따르면 여러 호주 회사가 일부 에너지 저장 기술에서 세계를 선도하고 있습니다.
“기본적으로 따라잡으려는 많은 미국 회사들이 있습니다.”라고 그는 말했습니다.
PV와 집중 태양열 혼합
빅토리아에서 RayGen은 광전지 및 집중 태양열 기술의 요소를 차용한 새로운 종류의 발전소를 개발하고 있습니다.
또한 ARENA에서 부분적으로 자금을 지원하는 이 디자인은 정렬된 거울 필드를 사용하여 탑에 장착된 수신기에 햇빛을 집중시킵니다.
Vast Solar 설계와 달리 이 수신기에는 햇빛을 전기로 직접 변환하는 PV 모듈 어레이가 있습니다.
햇빛의 열은 단열 처리된 고무 라이닝 저장소에 90C로 저장됩니다.
두 번째 피트는 그리드 또는 태양광 PV 수신기의 전기를 사용하여 거의 얼 정도로 냉각된 물을 저장합니다.
온도 차이로 인해 열 에너지를 전기로 변환하는 유기 랭킨 사이클 터빈을 사용하여 전기를 생성할 수 있습니다.
설계의 핵심은 매우 효율적인 PV 수신기라고 RayGen의 CCO인 Will Mosley는 말했습니다.
“1MW의 전기와 2MW의 열을 만드는 데 4제곱미터만 있으면 됩니다.
“이것은 기존의 태양광 패널 전력 밀도의 약 2,000배이며 전기 효율은 두 배입니다.”
왜 옥상에 하나 있지 않습니까? 경제적이기 위해서는 평소보다 1,000배 집중된 태양광선이 필요합니다.
“빔은 강철을 녹일 만큼 충분히 강합니다.”라고 Mosley는 말했습니다.
그는 PV 모듈이 표준 태양열 패널과 거의 동일한 비용으로 에너지를 생성하고 거울 배열이 거의 같은 양의 토지를 사용한다고 덧붙였습니다.
이 외에도 시스템은 낭비되는 열을 사용합니다.
단열 피트는 6개월 동안 열 에너지의 최대 10%를 잃을 수 있습니다.
저장된 에너지를 전기로 변환하는 과정은 약 70~80% 효율적이었습니다.
Mosley는 “이것은 양수된 수력 발전소와 비슷한 성능을 가지고 있으며 장기 에너지가 가장 필요한 태양열 재생 에너지 구역에 함께 배치될 수 있습니다.”라고 말했습니다.
“그리고 그것은 빨리 배달될 수 있습니다.”
그러나 펌핑 하이드로는 어떻습니까?
CSP는 여전히 시험 프로젝트 규모에 있지만 대규모 투자는 양수에 있습니다.
호주 정부는 Queensland의 7GW를 포함하여 약 15GW의 양수 수력 에너지 저장을 발표했습니다.
호주국립대학교 공학과 교수 Andrew Blakers는 “양수 수력 발전소는 전 세계 저장 시장의 95%를 차지합니다.”라고 말했습니다.
“우리에게 새로운 기술이 필요하다고 손을 흔드는 사람들이 많이 있지만, 사실 신기술을 0에서 매우 짧은 시간에 매우 큰 규모로 성장시킬 수는 없습니다.”
CSP 지지자들은 서호주의 일부 지역과 같이 펌프식 수력 발전 옵션이 적은 덥고 건조한 지역에 적합할 것이라고 주장합니다.
또한 원격 오프그리드 마이닝 작업을 위한 저장 및 생성을 제공할 수 있습니다.
그렇다면 CSP는 양수 수력 발전소가 대부분의 저장 공간을 차지하는 틈새 솔루션이 될 것입니다.
CSP의 다른 용도가 있습니까?
집중된 태양열의 다른 용도는 고온 산업 공정을 위한 열 에너지를 생성 및 저장하거나 저탄소 “녹색” 연료를 만드는 것입니다.
예를 들어 Wodonga에 있는 Mars Petcare는 공장의 가스 소비를 줄이기 위한 방법으로 900C에서 열을 저장하는 흑연 배터리를 설치했습니다.
이 경우 열은 그리드에서 구매한 전기에 의해 생성됩니다.
그러나 열은 CSP와 같이 정렬된 거울 필드에 의해 생성될 수도 있습니다. 이러한 종류의 기술은 집중 태양열로 알려져 있습니다.
Vast Solar는 현재 “호주 동부 해안에 몇 개의 시설”을 갖춘 “주요 글로벌 식품 회사”를 위한 집중 태양열 프로젝트를 진행하고 있습니다.
“우리는 공정에서 가스를 대체하기 위해 CSP를 개조하고 있습니다.”라고 Mr Wood는 말했습니다.
“우리는 태양 에너지를 사용하여 증기를 생성하여 연소하는 가스를 대체할 CSP 공장을 바로 옆에 설치하고 있습니다.”
Dominic Zaal은 집중형 태양열이 산업 처리 열 시장의 20%에 서비스를 제공할 수 있다고 추정했습니다.
“대형 광산 업체 중 일부, 대형 식품 업체 중 일부
핵융합 독립체, 그들은 모두 지금 재생 가능한 열을 찾고 있습니다.”
CSP의 또 다른 새로운 용도는 먼저 녹색 수소를 생성한 다음 이를 이산화탄소와 결합하여 만드는 “녹색 메탄올”을 만드는 것입니다.
그 결과 수소보다 저장 및 운송이 더 쉽고 다른 액체 연료보다 탄소 배출량이 적습니다(그린 수소보다 높지만). 녹색 메탄올은 운송에 사용하거나 항공 연료로 전환하거나 플라스틱을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
“수소를 생성하려면 전력이 필요하지만 녹색 메탄올 합성을 위해서는 열이 필요합니다.”라고 Zaal 박사는 말했습니다.
“당신은 CO2의 소스를 가지고 그것을 당신에게 녹색 메탄올을 주기 위해 약 300도에서 수소와 함께 분쇄해야 합니다.”
호주와 독일 정부는 포트 어거스트 시설 옆에 태양열 메탄올 생산 공장을 건설하기 위해 Vast Solar에 4천만 달러를 투자하고 있습니다.
제안된 공장은 현장의 전해조에서 나오는 수소와 함께 위치한 시설에서 시멘트를 만드는 과정에서 포집된 CO2를 사용하여 매년 7,500톤의 녹색 메탄올을 생산할 것입니다.
“우리의 메탄올 프로젝트에서 나오는 것은 열과 전기의 조합을 사용할 수 있다면 전기만으로 동일한 작업을 수행하려는 경우보다 훨씬 저렴해진다는 것입니다.”라고 Wood는 말했습니다. .
“그것은 우리가 녹색 연료 시장에 진입할 수 있고 기존 블랙 연료 가격으로 경쟁력을 가질 수 있다는 자신감을 줍니다.”
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