이중 작동 태양열 타워, 밤낮으로 깨끗한 에너지 약속

최근 중동 국가 요르단과 카타르의 연구원들이 연중무휴로 청정에너지를 생산할 수 있는 '트윈 기술 태양광 시스템(TTSS: twin technology solar system)'을 만들면서 놀라운 설계를 고안해 화제가 되고 있다. 12월 6일자 발행된 국제적 인터넷 매체 '뉴아틀라스(New Atlas)'의 보도에 따르면 이와 같은 이중 작동의 트윈 설계는 보통의 태양열 상승기류 타워보다 두 배 이상의 에너지를 생산한다고 한다.

이름에서 알 수 있듯이 TTSS는 태양열 상승기류 타워와 냉각 하강기류 타워라는 두 가지 타워형 기술을 하나의 디자인으로 결합한 시스템이다. 이 두 기술은 타워 하나에 통합되어 상승기류는 타워 가운데를 통해 위로 올라가게 된다.

태양열 상승기류 시스템은 지상에서 공기를 가열한 다음, 뜨거운 공기가 상승하는 현상을 이용해 터빈이 있는 높은 타워 위로 공기를 끌어올리는 방식으로 작동한다. 공기는 가능한 한 많은 열을 가두도록 설계된 온실형 재료로 만들어진 광대한 집열 면적의 대형 지붕 아래에서 가열된다.

현재 이 시설은 실험적인 규모로 지어져 아직은 상업적 규모로 건설되지는 않았는데, 이는 일반적으로 온도 차이를 잘 유지하기 위한 매우 크고 높은 구조물이 필요하기 때문이다. 따라서 자본도 많이 들고 위험하다고 여겨진다.

반면에 냉각된 하강기류 타워는 공기를 아래쪽으로 보내 다른 터빈을 돌린다. 이 설계에서는 타워 상단의 주변 공기에 미세한 물 안개를 분사하여 공기를 더 차갑고 무겁게 만들어 아래쪽으로 보내면 된다.

TTSS 설계는 상승기류 타워를 가운데에 배치하고 그 주위를 10개의 하강기류 타워가 둘러싸고 있어 상승기류와 하강기류 모두 동시에 작동할 수 있다.

요르단의 알 후세인 공대와 카타르대학 연구팀은 높이 약 200m, 지름 13.6m의 TTSS 타워를 모델링하고 그 아래에 지름 250m의 태양광 집열판을 설치했다. 내부 냉각탑의 지름은 10m이고, 사방으로 1.8m의 간격을 두고 있다. 이 간격을 10개의 개별 하강 타워로 분할하여 상단에 물 분무 시스템, 그리고 하단에는 터빈을 배치했다. 이러한 설계에 이상적인 덥고 건조한 사막 지역을 고려하여 사우디아라비아의 수도 리야드 근처를 선택했다.

현지 기상 데이터를 사용한 시뮬레이션 테스트에서 연구팀은 이러한 시스템이 연간 총 약 753메가와트시(MWh)의 에너지를 생산할 것으로 예상했으며, 외부 하강 타워가 24시간 가동되어 약 400MWh를 공급하고 상승 타워가 뜨거운 태양 아래에서 더 효율적으로 작동하여 약 350MWh를 공급할 것으로 예상했다.

연구팀에 따르면 이 수치는 유사한 상승기류 전용 설계의 2.14배에 달하는 것으로, 위에서 언급한 상승기류/하강기류 분할을 고려할 때 수긍이 갈 만 하다. 또한 대부분의 태양광 프로젝트에서 발생할 수 있는 에너지 공급과 수요 사이의 불균형을 해결하는 데도 도움이 될 수가 있다.

연구팀은 현재로서는 균등화전기비용(LCoE)을 적용하거나 태양광 발전 어레이와 배터리 에너지저장장치(ESS)와의 비용 비교를 시도하지 않았다. 또한 TTSS 시스템이 가장 효과적일 수 있는 지역인 덥고 건조한 사막 도시에서는 하강기류 시스템을 가동하기에 충분한 물을 확보하는 것이 쉽지 않을 것이라고 지적했다.

그럼에도 불구하고 흥미로운 아이디어이며, 터빈을 구동하여 전기를 만드는 데는 여러 가지 방법이 있다는 사실을 보여주는 좋은 사례가 되고 있다.