MHD 발전

3. 발전 방식

MHD 발전은 작동 유체(플라스마)를 자기장 속에서 고속으로 통과시켜 전기를 생산하는 방식이다. 일반적으로, 컴퓨터 모델의 작동 효율에 접근하기 위한 대규모 발전을 위해서는 전도성 물질의 전기 전도도를 높여야 한다. 플라스마 상태의 뜨거운 증기나 알칼리 금속 염과 같이 쉽게 이온화되는 물질을 첨가하면 전기 전도도를 높일 수 있다.^[3]

MHD 발전은 플라스마를 생성하는 전원과 함께 사용될 수 있다. 태양광 발전 타워나 원자로처럼 낮은 온도에서 작동하거나 이온화된 가스를 생성하지 않는 시스템에는 부적합하다. 원자력 발전 개발 초기에는 기체 핵분열 반응로가 대안으로 고려되었고, 이는 플라스마를 생성하여 MHD 발전에 대한 관심을 유발했다. 그러나 이러한 방식의 원자로는 건설되지 않았고, 원자력 산업의 관심은 감소했다. MHD 발전에 대한 대부분의 연구는 석탄 화력 발전소와 관련되어 있다.^[3]

MHD 발전기 이용에는 발전 효율, 경제성, 독성 부산물 등의 문제가 고려되어야 한다. 이러한 문제는 패러데이 발전기, 홀 발전기, 디스크 발전기 등 세 가지 MHD 발전기 설계 방식 중 하나를 선택하여 해결할 수 있다.^[3]

3. 1. 패러데이 발전기

추출 가능한 전력량은 튜브 단면적과 전도 속도에 비례한다. 하지만 이 과정에서 전도성 물질은 냉각되고 느려지며, MHD 발전기는 일반적으로 전도성 물질의 온도를 플라즈마 온도에서 1000°C 이상으로 낮춘다.

패러데이 발전기의 주요 문제점은 덕트 측면 전극을 통한 유체의 차동 전압 및 전류, 그리고 홀 효과 전류로 인한 비효율성이다. 대부분의 MHD 발전기 개선 노력은 이 문제를 해결하는 데 집중되었다. 덕트형 MHD 발전기에서 최적의 자기장은 안장 형태이며, 이를 위해 대형 발전기에는 매우 강력한 자석이 필요하다. 많은 연구 그룹이 초전도 자석을 활용하려 노력했다.

초전도체자석 등을 사용하여 파이프에 수직으로 자기장을 걸고, 플라즈마 등의 유체를 흘리면, 파이프 내 전극을 통해 가로 방향으로 전류가 흐른다.^[1]

높은 에너지 효율이 기대되어 일본 상공업성의 문라이트 계획, 선샤인 계획 등 에너지 개발 프로젝트에서 많은 연구 개발비를 투자했고, 도쿄공업대학 연구 그룹이 "FUJI-1" 발전 실험 장치를 개발하기도 했다. 그러나 고온 유체 파이프 내 전극 부식 등의 문제로 도시바, 히타치 제작소 등 민간 기업은 철수했고, 정부 주도 프로젝트도 종료되었다. 현재는 도쿄공업대학의 오쿠노 요시히로 등이 연구를 계속하고 있다.^[1]

내구성이 약해 장기간 사용이 어렵다는 단점은, 순간적으로 대전력을 발생시키는 펄스 발전기로 활용하면 문제가 되지 않으므로, 비상용 전원이나 군사용 폭약 발전기로 사용하는 방법이 연구되고 있다.^[1]

3. 2. 홀 발생기

일반적인 해결 방법은 홀 효과를 이용하여 유체와 함께 흐르는 전류를 생성하는 것이다. 일반적인 방식은 덕트 측면에 짧고 분할된 전극 배열을 가지고 있다. 덕트의 첫 번째 및 마지막 전극이 부하에 전력을 공급한다. 다른 각 전극은 덕트 반대편의 전극에 단락된다. 이러한 단락은 유체 내에 강력한 자기장을 유도하지만, 패러데이 전류에 직각을 이루는 원의 현에 위치한다. 이 2차 유도장은 첫 번째 및 마지막 전극 사이에서 무지개 모양으로 전류가 흐르게 한다.

손실은 패러데이 발전기보다 적고, 최종 유도 전류의 단락이 적기 때문에 전압이 더 높다.

그러나 이 설계는 물질 흐름 속도 때문에 중간 전극이 패러데이 전류를 "포착"하도록 오프셋되어야 하는 문제가 있다. 부하가 변함에 따라 유체 흐름 속도가 변하여 패러데이 전류가 의도된 전극과 정렬되지 않아 발전기의 효율이 부하에 매우 민감해진다.

3. 3. 디스크 생성기

현재 가장 효율적인 MHD 발전 설계는 홀 효과 디스크 생성기이다. 이 디자인은 현재 MHD 발전 효율과 에너지 밀도 기록을 보유하고 있다. 디스크 생성기는 디스크 중앙에서 가장자리로 유체가 흐르도록 설계되어 있다. 자기 여기장은 디스크 위와 아래에 원형 헬름홀츠 코일로 생성된다. 패러데이 전류는 디스크 주변에 완벽히 단락되어 흐른다. 홀 효과 전류는 중심 근처와 주변부 근처의 링 전극 사이에서 흐른다.^[1]

이 설계의 또 다른 중요한 장점은 자석 효율이 높다는 것이다. 단순한 평행 자기장 선을 유발하며, 유체가 디스크 형태로 처리되므로 자석이 유체에 더 가까이 위치할 수 있다. 자기장 강도는 거리의 7제곱에 비례하여 증가한다. 발전기가 소형이므로 자석 또한 작아 생성된 전력의 훨씬 적은 비율을 사용한다.^[1]

4. 발전기 효율

MHD 발전에서 직접 에너지 변환 효율은 자기장 세기와 플라스마 전도율에 따라 증가하며, 이는 플라스마 온도, 더 정확히는 전자 온도에 직접적으로 의존한다.^[4][5][6][7] 고온 플라스마는 빠른 열적 재료 침식 때문에 펄스형 MHD 발전기(예: 충격파 튜브 사용)에서만 사용될 수 있으므로, 정상 상태 MHD 발전기에서는 작동 유체로 비열 플라스마를 사용하는 것을 고려했다. 여기서 자유 전자만 매우 많이 가열(10,000–20,000 켈빈)되는 반면, 주 가스(중성 원자 및 이온)는 훨씬 낮은 온도(일반적으로 2500 켈빈)를 유지한다. 목표는 발전기 재료(벽 및 전극)를 보존하는 동시에 열역학적 평형 상태의 플라스마, 즉 10,000 켈빈 이상으로 완전히 가열된 상태와 동일한 수준으로 이러한 부도체의 제한된 전도율을 개선하는 것이었다. 10,000 켈빈은 어떤 재료도 견딜 수 없는 온도이다.

예브게니 벨리호프는 1962년 이론적으로, 1963년 실험적으로, 뜨거운 전자를 가진 자화된 비열 플라스마를 사용하는 모든 MHD 변환기에서 이온화 불안정성, 나중에 벨리호프 불안정성 또는 전기 열 불안정성이라고 불리는 현상이 임계 홀 파라미터에 도달하면 빠르게 발생한다는 것을 처음으로 발견했다. 이 홀 파라미터는 이온화도와 자기장에 따라 달라진다.^[8][9][10] 이러한 불안정성은 비평형 MHD 발전기의 성능을 크게 저하시킨다. 처음에는 높은 효율을 예측했던 이 기술의 전망은, 당시에 불안정성을 완화할 해결책을 찾지 못하여 전 세계의 MHD 프로그램을 위축시켰다.^{[11][12][13][14]}

전기 열 불안정성을 극복하기 위한 해결책을 구현하지 않으면, 실제 MHD 발전기는 홀 파라미터를 제한하거나, 뜨거운 전자를 가진 냉 플라스마 대신 적당히 가열된 열 플라스마를 사용해야 했으며, 이는 효율을 심각하게 낮춘다.

1994년 기준으로, 폐쇄 사이클 디스크 MHD 발전기의 22% 효율 기록은 도쿄 공업 대학이 보유하고 있었다. 이러한 실험에서 최대 엔탈피 추출은 30.2%에 달했다. 일반적인 개방 사이클 홀 & 덕트 석탄 MHD 발전기는 17%에 근접하며 더 낮다. 이러한 효율은 기존의 랭킨 사이클 발전소가 40%에 도달할 수 있기 때문에, MHD를 유틸리티 발전 자체에 매력적이지 않게 만든다.

그러나 화석 연료를 연소하는 MHD 발전기의 배기는 불꽃만큼 뜨겁다. 배기 가스를 터빈 브레이턴 사이클 또는 증기 발생기 랭킨 사이클용 열교환기로 보내면, MHD는 화석 연료를 사용하여 일반적인 석탄 발전소의 40%에 비해 최대 60%의 전체 추정 효율로 전기를 변환할 수 있다.

자화 유체 역학 발전기는 가스 코어 원자로의 첫 번째 단계일 수도 있다.^[15]

5. 문제점 및 과제

MHD 발전기는 다음과 같은 몇 가지 중요한 문제점과 과제를 안고 있다.

• 강한 자기장 생성의 어려움: MHD 발전기의 효율은 자기장의 세기와 관련이 깊다. 대형 MHD 발전기에는 매우 강력한 자석이 필요한데, 많은 연구 그룹이 초전도체 자석을 사용하려 노력했지만 다양한 성공과 실패를 겪었다. 초전도 자석은 큰 기생 손실을 제거할 수 있지만, 냉각 유지 및 비 임계 연결 손실 보충을 위한 추가적인 부하가 발생한다.^[8]
• 기타 문제: MHD 발전기는 효율, 경제성, 유해 부산물 등의 문제에 직면해 있다. 이러한 문제는 패러데이 발전기, 홀 발전기, 디스크 발전기 등 세 가지 MHD 발전기 설계 방식에 따라 다르게 나타난다. 특히, 용융 금속을 전기자 유체로 사용할 경우, 전자기 및 채널 냉각수에 주의해야 한다. 일반적인 MHD 유체로 사용되는 알칼리 금속은 물과 격렬하게 반응하며, 가열되고 전기를 띤 알칼리 금속과 채널 세라믹의 화학 부산물은 독성이 있고 환경에 오래 지속될 수 있다.^[3]

5. 1. 재료 문제

5. 2. 경제성 문제

5. 3. 독성 부산물 문제

6. 역사

1938년, 헝가리 출신 벨라 카를로비츠가 웨스팅하우스에서 미국 자금 지원을 받아 최초의 실용적인 MHD 발전 연구를 시작했다. 카를로비츠는 1940년 8월 13일에 MHD 관련 최초 특허(미국 특허 번호 2,210,918호 "에너지 변환 과정")를 획득했지만, 제2차 세계 대전으로 인해 개발이 중단되었다.^[1]

1962년, 영국 뉴캐슬어폰타인에서 브라이언 C. 린들리 박사(International Research and Development Company Ltd. 소속)의 주도로 제1차 MHD 발전 국제 회의가 개최되었다. 이 회의를 통해 운영 위원회가 구성되어 추가 회의 개최와 아이디어 전파를 추진했다. 1964년에는 유럽 원자력 기구와 협력하여 프랑스 파리에서 제2차 회의를 개최했다.^[2]

ENEA의 회원 자격 제한으로 인해, 운영 위원회는 국제 원자력 기구를 설득하여 1966년 7월 오스트리아 잘츠부르크에서 제3차 회의를 후원하도록 했다. 이 회의에서 운영 위원회는 ILG-MHD(국제 연락 그룹, MHD)로 전환되었으며, ENEA 산하(1967년)와 국제 원자력 기구 산하에서 주기적인 보고 그룹으로 활동했다. 1960년대에 R. 로사의 추가 연구는 화석 연료 시스템에 대한 MHD의 실용성을 확립하는 데 기여했다.^[3]

1960년대에 AVCO 에버렛 항공 연구소는 일련의 실험을 통해 1965년에 35MW를 생산하는 Mk. V 발전기를 개발했다. (단, 자석 구동에 약 8MW가 소요됨) 1966년, ILG-MHD는 프랑스 파리에서 첫 번째 공식 회의를 개최하고, 1967년부터 주기적인 상황 보고서를 발행하기 시작하여 1976년까지 이러한 활동을 지속했다. 1960년대 말, 원자력 발전의 확산으로 MHD에 대한 관심은 감소했다.^[4]

1970년대 후반, 원자력 발전에 대한 관심이 줄어들면서 MHD에 대한 관심이 다시 증가했다. 1975년, 유네스코는 MHD가 세계 석탄 매장량을 효율적으로 활용할 수 있는 잠재력이 있다고 판단하여 1976년에 ILG-MHD를 후원했다. 그러나 1976년에는 향후 25년 동안 원자로에서 MHD를 사용하지 않을 것이 분명해지면서 국제 원자력 기구와 ENEA는 ILG-MHD에 대한 지원을 철회했고, 유네스코가 ILG-MHD의 주요 후원자로 남게 되었다.^[5]

7. 각국의 개발 현황

유고슬라비아의 경우, 1989년 사라예보의 전 유고슬라비아 열핵 기술 연구소(ITEN)의 엔지니어들이 최초의 실험용 MHD 발전기를 제작하고 특허를 받았다.^[19][20]

호주에서는 1980년대부터 시드니 대학교의 휴고 메셀레 교수가 석탄을 연료로 하는 MHD 발전을 연구하였다. 이 연구 결과로 시드니 외곽에 28MW급 토핑 시설이 운영되었다. 메셀레 교수는 유네스코 교육 프로그램의 일환으로 MHD에 관한 주요 참고 자료를 저술하기도 했다.^[21]

이탈리아는 1989년에 약 2000만달러의 예산으로 MHD 연구를 시작하여 세 가지 주요 개발 분야에 집중했다.

중국에서는 1992년에 미국-중국 공동 국책 사업으로 독일 아스바흐에 있는 석탄 화력 3호 발전소 개조를 끝으로 종료되었다. 1994년 3월에는 11년짜리 추가 프로그램이 승인되었다. 이 프로그램에 따라 다음과 같은 연구 센터가 설립되었다.

• 중국 과학원 전기 공학 연구소(베이징 소재): MHD 발전기 설계를 담당했다.
• 상하이 전력 연구소: 전체 시스템 및 초전도 자석 연구를 담당했다.
• 난징 동남대학교 열에너지 연구 공학 연구소: 후속 개발을 담당했다.

7. 1. 한국

참조

_[1] 웹사이트 How a Coal Plant Works https://www.tva.com/[...] Tennesse Valley Authority
_[2] 웹사이트 Rankine cycle https://energyeducat[...]
_[3] 웹사이트 Magnetohydrodynamic Electrical Power Generators https://thermopedia.[...] 2011-02-02
_[4] 논문 Non-Equilibrium Ionization Due to Electron Heating. Theory and Experiments https://web.archive.[...] 2018-04-11
_[5] 논문 MHD Channel Flow with Non-Equilibrium lonization https://web.archive.[...] 2018-04-11
_[6] 논문 Current Distribution in Non-Equilibrium J×B Devices http://ayuba.fr/pdf/[...] 1967
_[7] 논문 Electrical characteristics of a linear, nonequilibrium, MHD generator http://ayuba.fr/pdf/[...] 1968-09
_[8] 간행물 Hall instability of current carrying slightly ionized plasmas
_[9] 간행물 Plasma turbulence due to the ionization instability in a strong magnetic field
_[10] 간행물 Ionization instability of a plasma with hot electrons https://ntrs.nasa.go[...]
_[11] 논문 Stabilization of ionization instability in a variable electric field 1978-04-12
_[12] 논문 Suppression of ionization instability in a magnetohydrodynamic plasma by coupling with a radio-frequency electromagnetic field http://ayuba.fr/pdf/[...] 2005-12
_[13] 논문 Non equilibrium plasma instabilities 2009-06
_[14] 논문 Velikhov electrothermal instability cancellation by a modification of electrical conductivity value in a streamer by magnetic confinement https://ojs.cvut.cz/[...]
_[15] 간행물 Gas Core Reactor-MHD Power System with Cascading Power Cycle 2002
_[16] 논문 High temperature materials for magnetohydrodynamic channels https://www.ias.ac.i[...] 2019-10-19
_[17] 논문 MHD Electrical Power Generation 1975
_[18] 논문 MHD Electrical Power Generation 1975
_[19] 논문 The correct quasi-one-dimensional model of the fluid flow in a Faraday segmented MHD generator channel
_[20] 논문 A reliable tool for the design of shape and size of Faraday segmented MHD generator channel
_[21] 웹사이트 MESSERLE, Hugo Karl https://web.archive.[...]
_[22] 서적 Standard Handbook for Electrical Engineers, 11th Edition Mc Graw Hill