철로를 따라 달그락거리는 증기 기관차. 머레이 강을 휘저어가는 외륜 증기선. 증기기관으로 구동되는 드레드노트 전함.

우리 중 많은 사람들은 증기 시대가 끝났다고 생각합니다. 그러나 증기기관이 내연기관으로 대체되고 이제는 전기 모터로 대체되었지만 현대 세계는 여전히 증기에 의존하고 있습니다. 석탄에서 원자력에 이르기까지 거의 모든 화력 발전소가 작동하려면 증기가 있어야 합니다. (가스 플랜트는 일반적으로 그렇지 않습니다.)

그런데 왜? 그것은 우리가 수천 년 전에 발견한 것 때문입니다. 기원 1세기에 고대 그리스인들은 증기 터빈인 에올리파일을 발명했습니다. 열은 물을 증기로 바꾸었고 증기는 매우 유용한 특성을 가지고 있습니다. 쉽게 만들 수 있고 밀 수 있는 가스입니다.

이 단순한 사실은 핵융합발전의 꿈이 이루어지더라도 점점 가까워진다, 우리는 여전히 증기 시대에 있을 것입니다. 최초의 상업용 핵융합 발전소는 다음과 같습니다. 최첨단 기술 태양 핵보다 훨씬 더 뜨거운 플라즈마를 담을 수 있지만 여전히 열을 운동으로 전기로 변환하는 소박한 증기 터빈과 결합되어 있습니다.

우리는 왜 여전히 Steam에 의존하고 있나요?

물을 끓이려면 상당한 양의 에너지가 필요하며, 이는 우리가 알고 있는 일반적인 액체 중에서 가장 높은 에너지입니다. 물은 증발하는 데 에탄올보다 약 2.5배 더 많은 에너지가 필요하고 암모니아 액체보다 60% 더 많은 에너지가 필요합니다.

왜 다른 가스 대신 증기를 사용합니까? 물은 저렴하고 독성이 없으며 액체에서 에너지 가스로 쉽게 변환되어 다시 액체로 응축되어 계속해서 사용할 수 있습니다.

증기가 이렇게 오래 지속된 이유는 지구 표면의 71%를 덮을 만큼 물이 풍부하고, 물은 열 에너지(열)를 기계적 에너지(운동), 전기 에너지(전기)로 변환하는 유용한 방법이기 때문입니다. 우리가 전기를 찾는 이유는 전기가 쉽게 전송될 수 있고 여러 분야에서 우리를 위해 일할 수 있기 때문입니다.

밀폐된 용기 안에서 물이 증기로 바뀌면 물이 크게 팽창하여 압력이 증가합니다. 고압 증기는 다른 가스와 마찬가지로 엄청난 양의 열을 저장할 수 있습니다. 배출구가 있으면 증기가 높은 유속으로 배출구를 통해 급증합니다. 터빈을 출구 경로에 놓으면 빠져나가는 증기의 힘으로 터빈의 블레이드가 회전합니다. 전자석은 이러한 기계적 움직임을 전기로 변환합니다. 증기가 다시 물로 응축되고 공정이 다시 시작됩니다.

증기 기관은 석탄을 사용하여 물을 가열하고 증기를 생성하여 엔진을 구동했습니다. 핵분열은 원자를 분열시켜 열을 만들어 물을 끓입니다. 핵융합은 수소의 무거운 동위원소(중수소 및 삼중수소)를 헬륨-3 원자로 융합시켜 훨씬 더 많은 열을 발생시켜 물을 끓여 증기를 만들고 터빈을 구동하여 전기를 생산하게 합니다.

석탄, 디젤, 핵분열, 심지어 핵융합 등 대부분의 화력발전소에서 최종 과정만 본다면 증기의 낡은 기술이 최대한 취해진 것을 볼 수 있다.

세계 전력의 60%를 생산하는 대형 교류 발전기를 구동하는 증기 터빈은 정말 아름답습니다. 수백 년에 걸친 야금 기술, 설계 및 복잡한 제조를 통해 증기 터빈은 거의 완벽해졌습니다.

우리는 계속해서 스팀을 사용할 것인가? 새로운 기술은 증기를 전혀 사용하지 않고 전기를 생산합니다. 태양 전지 패널 들어오는 광자가 실리콘의 전자에 부딪혀 전하를 생성하는 데 의존합니다. 풍력 터빈 증기가 아닌 바람이 터빈을 부는 것을 제외하면 증기 터빈처럼 작동합니다. 양수 수력과 같은 일부 형태의 에너지 저장 장치는 터빈을 사용하지만 증기가 아닌 액체 물을 사용하는 반면 배터리는 증기를 전혀 사용하지 않습니다.

이러한 기술은 빠르게 에너지 및 저장의 중요한 원천이 되고 있습니다. 그러나 증기는 사라지지 않습니다. 화력 발전소를 사용한다면 우리는 여전히 증기를 사용할 것입니다.

왜 열을 전기로 변환할 수 없나요?

왜 그렇게 많은 단계가 필요한지 궁금할 것입니다. 왜 열을 전기로 직접 변환할 수 없나요?

것이 가능하다. 열전 장치는 이미 위성과 우주 탐사선에 사용되고 있습니다.

납-텔루륨과 같은 특수 합금으로 제작된 이 장치는 이러한 재료 사이의 열접점과 냉접점 사이의 온도 차이에 의존합니다. 온도 차이가 클수록 생성할 수 있는 전압도 커집니다.

이러한 장치가 어디에나 존재하지 않는 이유는 낮은 전압에서 직류(DC)만 생산하고 열을 전기로 변환하는 효율이 16~22% 사이이기 때문입니다. 대조적으로, 최첨단 화력 발전소의 효율은 최대 46%입니다.

이러한 열 변환 엔진으로 사회를 운영하려면 충분히 높은 DC 전류를 생산한 다음 인버터와 변압기를 사용하여 이를 우리에게 익숙한 교류 전류로 변환하기 위해 이러한 장치의 대규모 배열이 필요합니다. 따라서 증기를 피할 수도 있지만 전기를 유용하게 사용하려면 새로운 변환을 추가해야 합니다.

열을 전기로 바꾸는 다른 방법이 있습니다. 고온 고체산화물 연료전지 개발 진행 중 수십 년 동안. 이 장치는 섭씨 500~1,000도 사이에서 뜨겁게 작동하며 (실제 화염 없이) 수소나 메탄올을 연소하여 DC 전기를 생산할 수 있습니다.

이러한 연료전지는 효율성이 최대 60%에 달하며 잠재적으로 그보다 더 높을 수도 있습니다. 유망하긴 하지만, 이러한 연료 전지는 아직 전성기를 맞이할 준비가 되어 있지 않습니다. 촉매가 비싸고 열이 강해 수명이 짧습니다. 하지만 진전은 만들어진.

이러한 기술이 성숙될 때까지 우리는 열을 전기로 변환하는 방법으로 증기를 사용해야 합니다. 그다지 나쁘지는 않습니다. 증기가 작동합니다.

증기기관차의 달그락거리는 소리를 보면 과거의 고풍스러운 기술이라고 생각할 수도 있습니다. 그러나 우리 문명은 여전히 ​​증기에 크게 의존하고 있습니다. 만약에 융합력 도착하면 증기는 미래에도 힘을 실어주는 데 도움이 될 것입니다. 증기 시대는 실제로 끝나지 않았습니다.

이 기사는에서 다시 게시됩니다. 대화 크리에이티브 커먼즈 라이센스하에 읽기 원래 기사.

이미지 신용 : Wikimedia Commons를 통한 Siemens Pressebild

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• 출처: https://singularityhub.com/2024/03/19/even-as-the-fusion-era-comes-into-view-were-still-in-the-steam-age/