차세대 집중형 태양광 발전은 재생 가능한 가능성에 활력을 불어넣습니다.

원문 : https://www.theearthandi.org/post/next-generation-concentrated-solar-power-energizes-renewable-possibilities

미국 에너지부(DOE)는 재생 에너지가 향후 30년 동안 미국에서 가장 빠르게 성장하는 에너지원이 될 것이라고 예측합니다. 또한, 최소 10년 동안 뒷전으로 밀려났던 집중 태양열 발전(CSP)이 에너지 믹스의 중요한 부분이 될 수 있습니다. 예측에도 불구하고, 이 유망한 에너지 기술에는 엄청난 과제가 있습니다.

다양한 설계가 사용되고 있지만, CSP 플랜트는 일반적으로 거울을 사용하여 태양 복사선을 집중시키고 열 수신기로 향하게 합니다. 이 농축된 열 에너지는 즉시 사용하거나, 터빈으로 보내 전기를 생산하거나, (예를 들어, 용융염으로) 저장하여 나중에 사용하기 위해 사용할 수 있습니다(예: 해가 졌을 ​​때).

©랜디 몬토야

CSP 플랜트 구축의 주요 과제

그러나 CSP 작동 원리는 비교적 간단하지만, 본격적인 상업용 플랜트를 설계하려면 몇 가지 요소를 고려해야 합니다. 우선, 크기가 문제입니다. CSP 시스템은 충분한 햇빛을 집중시키기 위해 상당한 양의 토지가 필요한 경향이 있습니다. 규모 때문에 주거용 주택보다는 그리드와 산업에 전력을 공급하는 데 더 적합합니다. 또한 햇빛에 직접 접근해야 합니다. 즉, 남부 유럽, 북아프리카, 중동, 남아프리카, 인도 일부 지역, 중국, 미국 남부, 호주와 같이 강한 방사선이 있는 지역에 가장 적합합니다. 또 다른 제한 요소는 비용입니다. CSP 기술은 설치 비용과 평준화 에너지 비용(LCOE), 즉 에너지를 생산하는 데 드는 시간 경과에 따른 비용 측면에서 태양광 발전보다 비쌉니다.

새로운 기술로 비용 절감을 약속합니다

그러나 CSP 비용을 줄일 수 있는 기술을 개발하기 위한 작업이 진행 중입니다. 액체, 고체 입자 또는 기체 물질을 사용하여 CSP 플랜트의 온도를 높이는 데는 여러 가지 경로가 있습니다. 핵심은 수신기 물질이 가열되는 온도를 높여 더 효율적인 전기 생산을 가능하게 하는 것입니다. 이상적으로는 최대 1,300°F(705°C)의 온도를 견딜 수 있는 새로운 염 또는 기타 물질을 개발해야 합니다.

2018년에 DOE는 고온 CSP 기술을 발전시키기 위한 새로운 프로젝트에 7,200만 달러의 예산을 발표했습니다. Brayton Energy, National Renewable Energy Laboratory, Sandia National Laboratories의 3개 팀이 대체 액체, 가스, 고체 매체의 3가지 다른 경로를 사용하여 경쟁하도록 선정되었습니다. 각 경쟁자의 과제는 고급 전력 주기를 위해 1,300°F 이상의 온도를 경제적이고 안정적으로 제공할 수 있는 차세대 CSP 시스템을 설계하는 것이었습니다. 이 프로젝트의 또 다른 목표는 CSP 시스템 비용을 킬로와트시당 약 0.02달러 낮추는 것이었습니다. 이는 기저부하 CSP 발전소에 대한 DOE의 2030년 비용 목표인 킬로와트시(kWh)당 0.05달러의 40%에 해당합니다.

©Randy Montoya

DOE, CSP 연구를 위해 Sandia에 2500만 달러 수여

DOE는 3년 동안 경쟁하는 3개 팀의 작업을 평가한 후, 2021년 3월에 다른 두 가지 대안보다 고체 입자 경로를 지원할 것이라고 발표했습니다. DOE는 고체 입자가 "2030년 비용 목표를 충족하기 위해 CSP 플랜트에서 더 높은 온도를 달성하는 가장 유망한 경로를 제공한다"고 밝혔습니다. 그 다음 달에 DOE는 뉴멕시코에 있는 Sandia에 2,500만 달러를 지원하여 National Solar Thermal Test Facility(NSTTF)에서 차세대 집광 태양열 발전소를 건설, 테스트 및 시연하도록 했습니다.

Sandia 팀의 프로젝트 리더인 클리프 호는 The Earth & I에 다음과 같이 말했습니다 . "새로운 3세대 Particle Pilot Plant(G3P3)는 장기간 에너지 저장을 통해 탄소 없는 안정적인 전기를 공급하는 엔지니어링 과제 중 일부를 해결하도록 설계되었습니다. 우리는 이번 가을에 파일럿 플랜트를 착공할 계획이며 2023년 말에 완공될 것으로 예상합니다."

Sandia의 CSP 시스템을 독특하게 만드는 것에 대해 Ho는 "용융 염의 형태가 아닌 가열된 모래와 같은 세라믹 입자의 형태로 태양으로부터 에너지를 저장합니다. 이를 통해 시스템은 약 1100°F(600°C)에 도달할 수 있는 기존의 용융 질산염 기반 시스템과 비교했을 때 1,300°F(700°C) 이상으로 훨씬 더 뜨거워질 수 있습니다."라고 말했습니다.

더 높은 온도는 태양 에너지를 전기로 변환하는 것을 개선하여 중공업에 도움이 될 수 있습니다. Ho에 따르면 "입자 기반 집중 태양열 기술은 건조, 화학 및 재료 합성, 석유 정제와 같은 광범위한 산업 열 공정에도 적용될 수 있습니다."

일관되고 고에너지의 생산이 밤새도록 가능하다는 것도 또 다른 중요한 이점입니다. "입자 기반 집중 태양열 발전은 또한 이러한 뜨거운 입자를 저장하여 밤새 전기를 생산할 수 있습니다. 사실, 입자 기반 집중 태양열 발전소는 대량의 에너지(약 1GWh)를 밤새(10시간 이상) 저장할 수 있으며, 리튬 이온 배터리를 사용한 태양광 어레이보다 비용이 적게 듭니다."라고 Ho는 계속 말합니다.

CSP 성장은 기대치를 넘어설 수 있다

재생 에너지 기술 도입에 대한 정부 지원 증가, 에너지 수요 증가 및 CO2 배출 없이 전력을 공급할 수 있는 역량이 결합되어 향후 몇 년 동안 CSP 시장 성장을 견인할 것으로 예상됩니다. 향후 7년 동안 CSP의 성장률이 10.8%가 될 것으로 예측하는 GE Power의 예측은 CSP에 대한 긍정적인 전망을 예측하는 여러 예측 중 하나에 불과합니다.

"Gen 3 CSP를 위한 마지막 기회 살롱"이라는 제목의 Rethink Technology Research의 새로운 보고서는 CSP가 "1,800°F(1,000°C) 이상의 온도를 제공할 수 있는 서구에서 개발된 새로운 기술의 혜택을 볼 것"이라고 제안합니다. 이는 현재 제안되고 있는 1,300°F(705°C) 온도 목표보다 훨씬 더 높으며 CSP 기술이 시멘트, 제강 및 광산 산업의 탈탄소화에 역할을 할 수 있게 해줄 것입니다.

Rethink Technology 보고서는 이 10년이 끝날 무렵 연간 CSP 개발이 100억 달러가 넘는 글로벌 산업이 될 것으로 예상합니다. DOE가 고체 소재 기술 개발을 선호하지만 CSP는 전통적인 열유와 용융염, 세라믹 및 기타 소재를 활용하는 세 가지 기술을 모두 수용하는 광범위한 전선에서 발전하고 있습니다. 예를 들어 중국 개발자는 용융염 플랜트로 나아가기로 선택했으며, 이는 그리스 섬에서 태국에 이르기까지 다양한 지역에서 그리드에 비용 효율적인 야간 에너지 저장을 제공합니다.

CSP는 안정적인 에너지 미래를 제공합니다

CSP 기술은 재생 에너지 공급을 위한 비용 효율적인 옵션으로서 유망한 미래를 가지고 있습니다. 비용 절감은 이미 잘 진행 중이며, 최근 수치에 따르면 2020년 유틸리티 규모 CSP 발전소의 전기 가격이 16% 하락했습니다. GE Energy가 지적했듯이, 태양이 뜨지 않을 때에도 CSP를 배송할 수 있는 열 에너지 저장 탱크를 사용하는 것은 배터리를 사용하여 전기를 저장하는 것보다 훨씬 쉽습니다.

또한 배터리 공급망에 대한 우려가 커지면서 CSP는 앞으로 더욱 필수적일 수 있습니다. 미국 NREL의 연구원인 케리 리피는 최근 대용량 배터리 저장 장치 개발의 가장 큰 장애물 중 하나가 리튬과 코발트의 공급 제한 이라고 말했습니다. 일부 추정에 따르면 전 세계 리튬의 약 10%와 "전 세계 코발트 매장량의 거의 대부분이 2050년까지 고갈될 것"이라고 그녀는 말했습니다. 전 세계 리튬과 코발트 공급의 예상 부족은 CSP 기술이 재생 에너지의 운전석에 앉고 깨끗하고 저렴한 전기에 대한 약속을 이행하는 데 도움이 될 것입니다.

*Nnamdi Anyadike is an industry journalist specializing in metals, oil, gas, and renewable energy for over thirty-five years.