One-step synthesis of anhydrous Mg(NO3)2-NaNO3-KNO3 molten salt for high-temperature thermal energy storage

태양의 끈적한 문제와 마른 소금의 마법

태양 에너지를 저금통에 돈을 모으듯 저장한다고 상상해 보세요. 태양이 밝게 빛날 때, 여러분은 그 열기를 최대한 많이 포착하여 비가 오는 날이나 구름 낀 밤을 위해 저장하고 싶을 것입니다. 이것이 집중형 태양열 발전(CSP)의 핵심 아이디어입니다. 과학자들은 거대한 거울을 사용하여 햇빛을 수신기(receiver)에 집중시키고, 그 과정에서 파이프를 흐르는 특수한 액체를 가열합니다. 이렇게 뜨거워진 액체는 태양이 진 후에도 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.

문제는 완벽한 "저금통" 액체를 찾는 것입니다. 오랫동안 과학자들은 저렴하고 열을 잘 보유하기 때문에 두 가지 흔한 염(질산나트륨과 질산칼륨)의 혼합물을 사용해 왔습니다. 하지만 이들에게는 몇 가지 짜증 나는 결함이 있습니다. 녹는 온도가 너무 높아 (시작하기 어렵게 만들고), 너무 뜨거워지면 분해되거나 부패하기 시작하여 저장할 수 있는 에너지 양을 제한한다는 점입니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 세 번째 성분인 질산마그네슘을 추가하려고 시도했습니다. 이는 마치 수프에 비밀 향신료를 넣어 어는점을 낮추는 것과 같습니다. 그러나 보통 구매하는 질산마그네슘은 무거운 물 분자가 배낭처럼 매달려 있는 형태("수화물")로 되어 있습니다. 이 젖은 소금을 녹이려고 하면, 물이 화학적 난장판을 만들어 혼합물을 망치고 고온에서 불안정하게 만드는 부식성 찌꺼기를 생성합니다. 과제는 소금을 깨뜨리거나 폭발하게 만들지 않고 어떻게 물을 제거하느냐였습니다.

한 단계로 끝내는 건조 기술

이 연구에서 칭하이 사범대학교와 다른 기관의 연구팀은 이 "젖은 소금" 문제를 정면으로 다루기로 했습니다. 그들은 질산마그네슘, 질산나트륨, 질산칼륨의 세 가지 염 혼합물에 대해 초안정성, 무수(water-free) 버전의 MNK 삼원계 용융염을 만들고자 했습니다. 건조한 질산마그네슘을 직접 사는 대신(비싸고 다루기 어렵기 때문), 그들은 젖은 상태의 저렴한 버전을 사용하여 혼합물 내부에서 바로 건조시키는 영리한 일단계 방식을 고안했습니다.

젖은 질산마그네슘 결정이 물에 젖은 스펀지라고 생각해 보세요. 단순히 뜨거운 오븐에 던져 넣으면, 물이 너무 빨리 증발하여 스펀지가 부서지거나 다른 염들과 나쁜 반응을 일으킬 수 있습니다. 연구진은 물을 부드럽게 짜내기 위한 특정 "굽기 일정"을 설계했습니다. 그들은 젖은 질산마그네슘을 특수 용기에 담아 단계별로 가열했습니다. 먼저 150°C, 그다음 250°C, 마지막으로 300°C까지 가열하며 각 온도에서 일정 시간 동안 유지했습니다. 이 과정은 진공 상태(공기가 없는 공간)나 가스 흐름 속에서 진행되어, 물 증기가 소금에서 빠져나오는 즉시 휩쓸려 나가도록 했습니다. 이러한 세심한 단계별 건조 과정은 젖고 불안정한 소금을, 보통 발생하는 부식성 "찌꺼기"로 변하지 않게 하면서도 건조하고 안정적인 분말로 바꾸어 놓았습니다.

질산마그네슘이 마른 후, 연구진은 이를 다른 두 가지 염과 섞어 새로운 "MNK" 삼원계 용융염을 만들었습니다. 그런 다음 이 새로운 혼합물을 일련의 테스트에 통과시켜 기존의 젖은 버전과 비교하여 어떻게 작동하는지 확인했습니다. 그들은 TG-DSC라는 기계를 사용했는데, 이는 무게를 재면서 동시에 열을 측정하는 매우 똑똑한 저울과 같습니다. 이 기계는 소금이 분해되거나(즉, 무게를 잃는지) 혹은 녹는 데 얼마나 많은 에너지가 필요한지 확인하기 위해 소금을 천천히 가열하며 무게를 측정합니다.

결과는 꽤 유망했습니다. 새로운 건조 소금은 젖은 버전보다 훨씬 더 나은 열 저장 물질이었습니다. 첫째, 젖은 버전은 단 404.1°C에서 분해되기 시작한 반면, 건조한 버전은 457.6°C에 도달할 때까지 분해되지 않았습니다. 이는 소금이 부패하지 않고 훨씬 더 높게 가열할 수 있음을 의미하며, 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 점에서 매우 중요한 일입니다. 연구진은 건조한 소금이 450°C까지 안전하게 작동할 수 있음을 발견하여, 태양열 발전소의 "안전 구역"을 확장했습니다.

둘째, 건조한 소금은 더 낮은 온도에서 녹았습니다. 젖은 혼합물은 액체로 변하기 전까지 157.5°C까지 가열되어야 했지만, 건조한 버전은 148.2°C에서 녹기 시작했습니다. 이는 아침에 시스템을 가동하기 더 쉽게 만듭니다. 더욱 좋은 것은, 녹을 때 더 많은 에너지를 흡수한다는 점입니다. "융해 잠열"(녹으면서 흡수하는 에너지)은 젖은 소금의 66.61 J·g⁻¹에서 건조한 소금의 88.71 J·g⁻¹로 급증했습니다. 이는 소금이 가진 "배터리 용량"이 크게 향상되었음을 의미합니다.

연구팀은 또한 이 소금이 수년간의 낮과 밤의 주기를 시뮬레이션하며 반복적인 가열과 냉각 과정을 견뎌낼 수 있는지 확인했습니다. 건조한 소금을 450°C로 가열한 후 식힌 뒤 무게를 쟀을 때, 질량 손실이 거의 없었습니다(고온에서 300시간 후 약 2.01% 감소). 이는 매우 안정적임을 입증합니다. 반면, 젖은 소금은 내부의 물이 빠져나가고 소금이 분해되면서 동일한 온도에서 많은 질량(8.61%)을 잃었습니다. 그들은 심지어 부식성 부산물인 히드록시나이트레이트 마그네슘의 존재와 같은 화학적 이상 징후도 조사했습니다. 그 결과 젖은 소금 샘플에서는 이 나쁜 물질이 발견되었으나, 건조한 소금에서는 완전히 나타나지 않았습니다.

이 논문은 이 간단한 일단계 건조 방식이 고성능 태양 에너지용 소금을 만드는 실행 가능한 방법이라고 결론짓습니다. 물을 소금이 녹기 전에 주의 깊게 제거함으로써, 그들은 전통적인 젖은 혼합물보다 더 안정적이고, 더 많은 열을 보유하며, 더 높은 온도에서 견딜 수 있는 물질을 만들어냈습니다. 이 논문이 이것이 모든 태양광 문제를 위한 최종 해결책이라고 주장하는 것은 아니지만, 이 특정 건조 소금이 태양 에너지 저장을 더 효율적이고 신뢰할 수 있게 만드는 데 매우 강력한 후보임을 시사합니다.