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독일의 수소에너지 연구 동향

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독일의 수소에너지 연구 동향

작성자: 김 상 원 박사 전 세계는 기후변화라는 파국적 재난을 막기 위하여 지구의 온도상승폭을 1.5 ℃ 이하로 억제하고 온실가스배출을 규제하는 등 탄소중립을 달성하기 위한 많은 노력을 기울이고 있다. 유럽의 중심국인 독일은 원자력발전을 2022 년까지 단계적으로 폐지하고 전력 부문에서 신재생에너지를 확대하며 2050 년까지 기후변화를 초래하는 온실가스배출을 점진적으로 줄여나가 궁극적으로 탄소중립을 달성한다는 ‘Energiewende’, 즉 에너지 전환 정책을 수립하여 추진하고 있다. 수소 기술은 에너지 전환의 성공에 필수적이다. 수소는 날씨와 계절에 따라 발생하는 신재생에너지의 전력 생산 변동과 녹색 전기1에 대한 수요 사이의 격차를 좁힐 수 있고, 산업 공정에서 화석 연료를 대체하고, 전기, 난방, 산업 및 운송의 에너지 부문을 보다 밀접하게 연결할 수 있어서 효율을 높이고 비용을 절감시킬 수 있다. 본 고에서는 독일의 수소생산부터 저장, 이송, 활용에 이르기까지 수소 전주기 기술 연구 동향에 대해서 고찰하고자 한다.

I. 수소생산

수소를 생산하는 방법은 매우 다양하다. 그러나 소위 ‘녹색 수소2’만이 탄소중립적인 방식으로 생산된다. 재생 가능한 전기로 물이나 증기를 전기 분해하여 생성된다.

수소생산의 주요 연구주제는 전기분해와 같은 기존 생산 공정을 더 저렴하고 지속 가능하며 신뢰할 수 있게 만드는 것이다. 또한, 연구자들은 햇빛을 직접 사용하여 물을

1 녹색전기(Green electricity): 신재생에너지로부터 발전된 전력 혹은 탄소배출이 없이 발전된 전기를 지칭함.

2 수소를 온실가스 배출량과 생산원료에 따라 색상으로 분류함

• 회색수소(Grey hydrogen): 천연가스를 개질해서 생산하는 개질수소, 석유화학 공정에 부산물로 생산되는 부생수소 등. 생산과정 중에 이산화탄소 배출

• 블루수소(Blue hydrogen): 회색수소 생산과정에서 배출되는 이산화탄소를 포집 및 저장하여 온실가스 배출을 줄인 수소

• 청록수소(Turquoise hydrogen): 메탄가스를 열분해하여 생산되는 수소로서 이산화탄소가 고체탄소 잔류물 형태로 배출되어 대기로 방류되지 않음

• 녹색수소(Green hydrogen): 신재생에너지로 생산된 전기로 물을 분해하여(수전해)하여 추출한 수소로서 자연친화적인 방식으로 온실가스 배출이 없는 수소

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분해하는 방법을 연구하고 있다. 또 다른 프로젝트에서 연구원들은 이산화탄소를 ‘녹색 합성 가스’로 변환하고 있으며, 이는 연료 생산의 기초로 사용될 수 있다.

1. 세계 최대 태양광 수소 반응기(solar hydrogen reactor) 개발

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독일 항공우주 센터(DLR)의 대규모 연구 시설인 Synlight 는 전 세계의 다른 모든 유사한 시설을 합친 것보다 더 큰 용량을 보유하고 있다. 각각 대형 시네마 프로젝터의 성능을 지닌 149 개의 고성능 스포트라이트가 14 x 16m 면적에 배치되어 있다. 램프의 빛이 10 x 10cm 영역에 집중되면 지구 태양 복사 강도의 10,000 배에 달하고 온도는 최대 섭씨 3,000 도에 이른다. Synlight 에는 여러 응용 분야가 있지만 가장 중요한 분야는 수소와 같은 태양 연료 제조 공정의 개발에 있다. Jülich 연구원의 목표는 태양 에너지를 기반으로 CO2 중립적인 방식으로 연료를 생산하는 것이다. 예를 들어 특수 원자로에서 집중 태양 복사를 사용하여 물을 수소와 산소로 직접 분해하는 공정이 테스트되고 있다. 또한 고온 응용을 위한 재료에 대한 연구가 진행 중이며 이 시설은 항공우주 산업 및 태양열 발전소에 대한 새로운 테스트 옵션을 제공한다. 3 개의 개별 조사 챔버에서 실제 크기의 구성 요소를 검증할 수 있다.

그림 1. 태양광 수소생성 실험을 위한 원자로 테스트 챔버와 121 개의 스포트라이트로 구성된 Synlight 시스템

2. CO₂배출이 없는 천연가스의 수소

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메탄 열분해는 화석 천연가스를 미래에 기후 친화적인 방식으로 사용할 수 있게 할 것이다. 메탄은 기체 수소와 고체 탄소로 분리되어 다양한 산업 분야의 귀중한 원료이며 안전하게 저장할 수 있다. 이것은 미래의 기후 중립적 에너지 공급을 위한 중요한 빌딩

3 https://www.dlr.de/content/de/grossforschungsanlagen/synlight.html

4 https://www.kit.edu/kit/pi_2019_wasserstoff-aus-erdgas-ohne-co2-emissionen.php

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블록이 될 수 있다. Karlsruhe Institute of Technology (KIT)의 연구원들은 이를 위해 효율적인 프로세스를 개발했다. 산업 파트너인 Wintershall Dea 와 함께 현재 산업적 규모에서 사용하기 위해 더욱 개발하고 있다.

에너지 논쟁에서 수소는 에너지 전환 성공의 열쇠로 점점 더 부각되고 있다. 국제 에너지 기구 IEA 의 전문가들은 유럽 가스 네트워크에 수소를 20%만 추가하면 연간 6 천만 톤의 CO2 배출량을 줄일 수 있다고 계산했다. 이는 덴마크가 1 년 동안 배출하는 양과 맞먹는 양다. KIT 공정 공학 연구소의 Thomas Wetzel 교수는 “메탄과 기타 탄화수소의 직접적인 열분해는 직접적인 CO2 배출 없이 천연 가스에서 수소를 생산할 수 있는 가능성을 제공합니다”라고 설명하였다. 이를 위해 그의 팀은 포츠담에 위치한 Advanced Sustainability Studies 연구소와 협력하여 액체 금속으로 채워진 기포탑 반응기(Bubble column reactor)에서 메탄을 연속적으로 분해하여 수소와 고체 탄소를 생성하는 공정을 개발했다. 탄소는 순수한 고체로서 안전하게 저장될 수 있고 많은 산업 분야에서 사용될 수 있다. 수소는 청정 에너지원으로 전기 및 열 생산, 이동성 부문 또는 철강 생산과 같은 산업 공정에서 사용할 수 있다.

가. 칼스루헤 공과대학 (Karlsruhe Institute of Technology, KIT)

KIT 는 “Helmholtz Association 의 연구 대학”으로서 사회와 환경에 대한 지식을 만들고 전달한다. 에너지, 이동성 및 정보 분야의 글로벌 과제에 상당한 기여를 하는 것이 목표이다.

이를 위해 약 9,600 명의 직원이 자연과학, 공학, 경제학, 인문사회과학 등 다양한 분야에서 협력하고 있다. KIT 는 연구 기반 학습 프로그램을 제공하여 23,300 명의 학생들이 사회, 산업 및 과학 분야에서 책임 있는 과제를 수행할 수 있도록 준비한다. KIT 의 혁신 노력은 중요한 과학적 발견과 사회의 이익, 경제적 번영 및 자연적 생명 기반의 보존을 위한 응용 사이의 다리를 구축한다. KIT 는 독일 우수한 공과대학 중 하나이다.

나. Wintershall Dea 회사

Wintershall Holding GmbH 와 DEA Deutsche Erdoel AG 의 합병으로 오랜 전통을 가진 두 개의 성공적인 회사가 유럽 최고의 독립 천연 가스 및 석유 회사인 Wintershall Dea 를 설립했다. 독일에 뿌리를 두고 카셀과 함부르크에 본사를 두고 있는 이 회사는 효율적이고 책임감 있는 방식으로 전 세계 13 개국에서 가스와 석유를 탐사하고 생산한다. 유럽, 러시아, 라틴 아메리카 및 MENA 지역(중동 및 북아프리카)에서의 활동을 통해 Wintershall Dea 는

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글로벌 업스트림 포트폴리오를 보유하고 있으며 천연 가스 운송에 참여하여 미드스트림 사업도 활발히 진행하고 있다. Wintershall Dea 는 전체 E&P 가치 사슬에서 운영자 및 프로젝트 파트너로서 120 년 이상의 경험을 가지고 있다. 이 회사는 전 세계 60 개국 이상에서 약 4,000 명의 직원을 고용하고 있습니다. 회사는 2018 년 일일 평균 생산량을 약 590,000 배럴에서 2023 년까지 약 750,000 배럴로 늘리는 것을 목표로 하고 있다.

그림 2. 기포탑 반응기를 이용한 메탄 열분해는 화석천연가스의 기후 친화적인 사용을 가능하게 한다. (그래픽: Leon Kühner, KIT)

3. 직접 메탄올 연료 전지: DMFC

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직접 메탄올 연료 전지(DMFC)는 액체 연료 메탄올을 전기로 직접 변환한다. 개질 공정에서 순수한 수소 또는 수소가 풍부한 가스로 작동되는 연료 전지 시스템과 비교하여 연료는 액체 메탄올을 통해 전지에 직접 공급된다. 메탄올의 매우 높은 에너지 밀도 외에도 DMFC 는 취급이 간편하고 연료를 문제 없이 재충전할 수 있다는 점이 장점이다.

가. 빠른 “급유” 가능

5 https://www.fz-juelich.de/portal/DE/Forschung/EnergieUmwelt/Brennstoffzellen/DMFC/_node.html

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연료 전지 유형은 특히 소형 차량을 운전하는 데 적합하지만 오랫동안 고장이 발생하기 쉬운 것으로 여겨져 왔다. DMFC 는 순수한 수소보다 저장하기 훨씬 쉬운 액체 메탄올로 작동된다. 액체 연료 메탄올은 수소와 비교하여 연료를 보급할 때 특히 유리한 것으로 여겨진다. 메탄올은 쉽게 “연료를 보급”하거나 몇 분 이내에 교환할 수 있고 더 넓은 범위를 가능하게 한다. 이러한 이유로 DMFC 시스템은 24 시간 내내 사용되며 종종 배터리로 작동할 때 재충전해야 하는 소형 차량 및 로봇의 배터리 교체에 이상적이다. 또 다른 적용 분야는 모바일 라디오 방송국 및 데이터 센터에서 요구되는 무정전 전원 공급을 위한 보조 전원 장치이다.

나. 20,000 시간 이상 작동

총 출력이 1.3kW 인 88 개의 개별 셀 블록인 Jülich DMFC 시스템은 독일 연방 경제 기술부(BMWi)의 프로젝트에 의해 자금이 지원되었다. 2010 년 7 월 5 일 가동에 들어갔고 동적 내구 시험을 거쳤다. 시스템은 이제 20,000 시간 이상의 작동시간에 도달했으며, 이는 초기 기대치인 5,000 시간을 크게 초과했다. Jülich 연료 전지는 글로벌 상품 흐름의 허브인 대형 환적 센터에서 사용되는 것과 같은 전기 리프트 트럭에 사용하는 것을 목표로 한다.

팔레트 트럭은 약 20,000 시간 작동 후에 정밀 검사를 받아야 한다. 오랫동안 연료 전지의 수명은 이 기술의 아킬레스건으로 여겨졌습니다. 연구원들의 첫 번째 시스템은 2002 년 실험실에서 50 시간 동안 실행되었다. 최근 몇 년 동안 Jülich 과학자와 엔지니어는 이 기술을 실제 산업 운영에 적합하게 만들고 동적 작동에서 작동 시간을 최대 20,000 시간까지 늘리는 데 성공했다. 서비스 수명을 늘리는 것 외에도 DMFC 의 전력 밀도와 범위도 개선하였다.

그림 3. DMFC 구동 지게차(좌), 서비스 로봇과 함께 사용하기 위한 DMFC 장치(우).

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다. 향후 적용 예상 분야

현재 개발 작업은 팔레트 트럭의 배터리를 교체하는 것 외에도 다른 응용 프로그램을 여는 것을 목표로 한다. 여기서 초점은 로봇 및 비상 전원 공급 장치 영역이다. 연료 전지에 대한 요구 사항과 관련하여 이러한 응용 프로그램은 지게차의 응용 프로그램과 크게 다르다. 로봇 공학의 경우 전력 밀도를 높이는 것이 필수적이지만 비상 전원 공급 장치의 경우 다양한 작동 주기(정기 작동, 대기)에서 내구성을 높이는 데 중점을 둔다.

4. 인공 광합성: 실리콘 태양 전지로 수소 생산 효율 갱신

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수소는 미래에 원유와 천연가스를 대체할 수 있다. 그러나 핵심 질문 중 하나는 이 환경 친화적인 에너지원이 어디에서 올 것인가이다. 이를 위해 Jülich 연구원들은 “인공 광합성”

원리에 따라 태양광으로 직접 수소를 생성하고 비교적 저렴하게 생산할 수 있는 실리콘으로 만든 다중 접합 태양 전지를 개발했다. 햇빛의 에너지는 엄청나다. 지표면에 도달하는 방사선은 세계의 에너지 수요를 여러 번 충족하기에 충분하다. 그러나 햇빛을 항상 이용할 수 있는 것은 아니다. 수소는 전기보다 훨씬 더 잘 저장될 수 있기 때문에 전기 대신 수소를 생성하는 태양광 모듈은 흥미로운 대안이다. 해당 태양광 모듈은 인공 잎과 유사한 방식으로 작동한다. 물을 산소와 수소로 분해하여 태양 에너지를 화학 에너지로 변환한다. 나중에 수소를 사용하여 에너지를 공급하면 물만 생성되고 기후에 피해를 주는 이산화탄소는 생성되지 않는다. 그러나 경제적인 운영을 위해서는 태양광 수소 발전의 비용과 효율성을 더욱 개선해야 한다.

그림 4. 실리콘 박막 태양전지 광음극에서 수소 현상(우), 금속 전극에 산소 형성(좌).

6https://www.fz-juelich.de/iek/iek-5/DE/Home/home_node.html

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Jülich 실리콘 다중 스택 태양 전지는 이 광전기화학적 물 분해에 특별히 맞춰져 있다.

어려운 점은 충분히 높은 광전압을 생성하는 데 있다. 실제로 물 분해 반응을 유도하려면 약 1.6 볼트가 필요하다. 이것은 광전압이 1 볼트보다 훨씬 낮은 일반적인 결정질 실리콘 태양 전지로는 달성할 수 없다. 반면에 태양광 모듈은 3~4 개의 셀이 서로 겹쳐져 여러 층으로 구성된다. 다층 구조로 인해 다양한 파장으로 확장되는 태양광 스펙트럼을 보다 효율적으로 포착할 수 있다. 동시에 전압은 최대 2.8V 까지 증가하므로 값비싼 백금 촉매 대신 니켈과 금속을 촉매로 사용할 수 있다. 실리콘 박막 태양 전지는 결정질 전지와 같은 실리콘 웨이퍼로 만들어지지 않는다. 오히려, 층은 다양한 기술을 사용하여 진공에서 유리 또는 플라스틱 기판에 증착된다. 박막 기술은 기존 웨이퍼 기술보다 훨씬 적은 재료를 사용하는 장점이 있으며, 반도체 재료를 비교적 저렴하게 넓은 면적에 적용할 수 있다. 박막 태양 전지의 더 높은 전압은 수소를 생산할 때 보상을 받는다. 지금까지 처리 비용이 상대적으로 비싼 특수 고성능 반도체 재료 없이 수행되는 실리콘 박막 태양 전지는 효율 7.8%에 그쳤다. Jülich 과학자들은 해당 실리콘 기반 모듈의 전체 효율성을 9.5%로 크게 높일 수 있었다. 향후 태양광 모듈의 전체 효율은 10%이상 실현될 것으로 예상되며 현재 인공광합성 태양전지의 스케일을 확장하는데 주력하고 있다.

5. 태양열 연료/촉매

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태양수소를 생성하기 위해 반도체 층과 광전극 및 촉매를 결합하여 인공 잎을 형성한다.

재료 시스템은 아직 안정적이지 않고 실제로 사용할 수 있을 만큼 강력하지 않다. 태양 연료 연구소를 포함한 Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) 재료 / 에너지연구소 의 여러 연구 그룹은 이를 바꾸기 위해 노력하고 있다. 무엇보다도 저렴한 금속 산화물 화합물로 만든 전극과 촉매를 개발한다. 기후에 피해를 주는 이산화탄소(CO2) 배출량을 줄이는 것은 주요 사회적 과제이다. HZB 에서는 재생에너지를 이용한 이산화탄소의 전기화학적 전환을 연구하고 있다. 이것은 화학 산업의 중요한 원료인 메탄, 메탄올 또는 에틸렌과 같은 탄화수소를 생성한다. 그러나 많은 촉매 반응에서 현재 촉매는 종종 너무 불안정하고 효율적으로 작동하지 않는다. 에너지 효율, 반응 속도 및 CO2 촉매 수율을 개선하기 위하여 실시간 반응 조건에서 재료의 전자 및 전기 촉매 특성을 조사한다.

7 https://www.helmholtz-berlin.de/forschung/unsere-forschung/solare-brennstoffe-und-katalyse/index_de.html

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그림 5. Adlershof 의 PECSYS 연구소의 Solar fuels 시스템(좌)과 이산화탄소의 화학 공급 원료로의 촉매 작용 및 전환 시스템(우).

6. 친환경 수소 생산을 위한 인공 잎(Artificial Leaf)

신재생에너지와 관련하여 수소는 에너지 운반체로서 중요한 역할을 한다. Helmholtz- Zentrum Geesthacht - 재료 및 해안 연구 센터(HZG) 과학자들은 햇빛을 직접 사용하여 물을 분해하는 이른바 광전기화학적 물 분해라는 기후 중립적인 수소 생성 방법을 연구하고 있다. 물은 구성 요소인 수소와 산소로 분해된다. 광합성과 유사하게 빛 에너지는 화학 에너지로 변환된다. 과학자들은 식물 잎 대신에 광활성 물질 층을 사용한다. 최고의 재료는 여전히 매우 가격이 비싸고 제조가 복잡하다. 그래서 재료연구소 ‘지속가능에너지기술’

부서 직원들은 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 표면 개발 연구를 진행하고 있다.

그림 6. 인공 잎 : 광전기화학전지(Photo-Electro-Chemical cell: PEC).

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II. 수소저장

수소는 안전하게 저장되고 안정적으로 운송될 수 있는 경우에만 에너지 시스템에 유용하다. 미래에는 대량의 수소 저장 시설에 대한 수요가 급격히 증가할 것이다. 지하 저장 시설 및 기존 천연 가스 네트워크에서 새로운 기술에 이르기까지 다양한 옵션이 가능하다.

독일 과학자들은 수소의 안전한 저장을 위한 지하 및 천연 가스 저장 시설의 장단점을 조사하고 있다. 천연 가스 공급망은 기체 수소 수송에도 적합하다. 그러나 수소는 고체로도 저장될 수 있다. 가열되면 이러한 수소화물 저장 시설이 수소를 다시 방출한다. 또 다른 가능성은 수소가 불포화 유기 화합물과 반응하여 액체 유기 수소 운반체(Liquid Organic Hydrogen Carriers, LOHC)를 형성하여 원유와 유사한 방식으로 저장되거나 수송될 수 있다는 것이다. 유조탱크 트레일러와 기차로 안전하게 운송할 수 있다. 독일 연구원들은 이러한 수소화물 저장 및 LOHC 기술 등을 개발하고 있다.

1. 화학수소 저장

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HI ERN(Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg)의 “화학적 수소 저장” 연구 부서는 새로운 화학적 수소 저장 기술, 관련 촉매 공정 및 재료 기술을 대상으로 한다. 예는 액체 유기 수소 운반체(LOHC) 시스템을 사용한 이온성 액체 또는 수소 저장을 사용한 전기 촉매의 변형이다. LOHC 기술은 기반 시설과 호환되는 수소 저장 및 수송을 위해 부피 에너지 밀도가 높은 대량의 수소화합물을 생성한다. 연구 부서는 Peter Wasserscheid 교수가 이끌고 있다. HI ERN 의 연구는 FAU 그룹의 기존 연구 활동을 직접 LOHC 연료 전지 및 전기분해 기술로 확장시키고 있다.

그림 7 의 반응식은 이러한 순수한 탄화수소 LOHC 화합물을 사용하여 가역적인 수소 결합/방출을 보여준다. 수소화 동안 H0-DBT 에는 2.05kWh/ kg 의 에너지 함량에 해당하는 최대 6.2wt%의 수소가 저장된다. 에너지가 풍부한 분자 H18-DBT 는 에너지 손실 없이 장기간 일반 연료 탱크에 저장할 수 있는 고비점 액체이다. 수소분자는 고온에서 적절한 촉매와 접촉하여 H18-DBT 에서 방출될 수 있다. 유기 연료로 작동되는 연료 전지의 조사를 위해 다양한 막 전극 접합체(MEA)를 테스트하기 위한 연료 전지 설정이 설치된다. 이 설정을 사용하면 압축 공기(건조 또는 가습), 수소(건조 또는 가습) 및 다양한 액체, 유기

8 https://www.hi-ern.de/hi-ern/h2Storage/node.html

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연료로 단일 연료 전지를 작동할 수 있다. 이러한 연료는 액체, 기체 또는 (가습) 운반 기체(질소)와 함께 전지로 전달될 수 있습니다. 또한 quick Connect-setup 을 사용하면 다양한 멤브레인, 촉매 로딩 또는 가스 확산 레이어 간에 다양한 MEA 를 빠르게 전환할 수 있다.

LOHC 퍼하이드로-디벤질톨루엔에서 촉매 수소 방출의 전반적인 최적화는 반응 시스템에 대한 정확한 지식이 필요하다. 반응 진행을 수학적으로 설명하기 위해 kinetic 측정은 실험실 규모의 관형 반응기에서 수행된다. 실험 데이터로부터 운동 매개변수의 추정을 위해 선형 및 비선형 회귀 방법이 적용될 수 있다. 최종적으로 생성된 매개변수화된 모델은 탈수소화 반응기의 동적 작동 또는 반응기 성능에 대한 공정 매개변수(예: 온도, 압력, 체류 시간)의 영향을 시뮬레이션하기 위한 유용한 도구이다.

그림 7. 반응식: 디벤질-톨루엔/퍼하이드로-디벤질톨루엔의 가역적 촉매 수소화/탈수소화에 의한 수소 저장 및 수송.

2. 안전하고 효율적인 수소 고체저장(Metal Hydride)

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Helmholtz Center Geesthacht 의 연구원들은 수소를 재충전하고 저장하는 새로운 방법을 개발했다. 무엇보다 기존의 연료 보급 과정보다 훨씬 빠르고 낮은 온도에서도 작동한다.

Helmholtz Zentrum Geesthacht 는 마그네슘-질소를 기반으로 하는 고체 저장 시스템이 수소 이동성을 크게 향상시킬 가능성이 있다고 말했다. 연료 전지 차량의 수소는 청정 운전으로

9 https://www.hereon.de/innovation_transfer/communication_media/news/099606/index.php.de

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간주되어 교통량의 CO2 배출량을 줄이는 방법입니다. 그러나 가스를 저장하는 것은 현재 여전히 어렵다. 오늘날의 연료 전지 자동차에서 수소는 최대 700bar 압력으로 가압된 가스 탱크에 채워지며 이는 비용이 많이 들고 기술적으로도 까다롭다. 수소화마그네슘은 매우 유망한 것으로 평가된다. 기존의 압력 탱크에 비해 더 많은 수소를 저장하고 동일한 부피로 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 큰 이점이 있기 때문이다. 연료 전지 자동차는 5kg 의 수소로 약 500km 를 이동할 수 있다. 이 5 킬로그램의 수소의 경우 고압 탱크에는 122 리터의 부피가 필요한 반면, 수소화마그네슘 기반 탱크에는 46 리터만 필요하다. 그러나 마그네슘 수소화물 탱크의 충전 프로세스는 현재 여전히 섭씨 약 300 도의 고온을 필요로 한다. 이 온도를 낮추기 위해 연구원들은 질소와 같은 다양한 첨가제를 수소화마그네슘에 첨가했다.

이러한 첨가제는 종종 시스템의 수소 흡수 용량을 크게 감소시킨다. Helmholtz 과학자들은 이제 180 도 미만의 낮은 작동 온도에서 수소저장 및 방출을 가능하게 하는 두 가지 첨가제를 결합하는 데 성공했다. 마그네슘-질소 기반 수소화물 시스템에서 5kg 의 수소에 대한 기존의 연료 보급 프로세스는 약 30 분이 소요되었지만 새로운 첨가제는 이 작업을 5 배 더 빠르게 수행할 수 있게 만들었다. 연구원들은 이를 위해 칼륨과 리튬 티타네이트 산화물을 사용하고 마그네슘-질소 시스템과 함께 특수 분쇄기에서 두 물질을 작은 나노 입자로 분쇄한다. 결과적으로 개별 입자의 표면이 증가하여 더 많은 수소를 결합한다. 이 연구 결과를 통해 경쟁력 있는 수소고제저장을 향한 큰 발걸음을 내디뎠다.

3. 수소열차

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독일 철도 네트워크의 40% 이상이 아직 전기화되지 않았으며 일부 전기화 구간에서도 경로 배치로 인해 디젤 차량이 운행되고 있다. 반면 스위스나 오스트리아와 같은 다른 많은 유럽 국가에서는 디젤 열차가 거의 단종되었다. 독일의 전기화되지 않은 철도 네트워크의 상당 부분은 미래에도 전기 기관차가 접근할 수 없을 것으로 사료된다. 특히 집단 전기화는 매우 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리기 때문이다. 수소로 운행하는 열차도 이러한 노선에 이상적이다. 이들은 오염 물질이 전혀 없으며 수소가 재생 가능한 소스에서 나오는 경우 CO2 중립적이다. 압축 수소 또는 극저온 액화 수소로 열차에 연료를 공급하려면 공급 스테이션에 완전히 새로운 기반 시설을 구축해야 한다. 반면 LOHC 기술은 기존 인프라를 최대한 유지하게 해준다. LOHC 기술을 사용하면 안전 측면에 관계없이 더 많은 양의

10 https://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2018/2018-04-19-lohc-zug.html?nn=2617554

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연료를 제한 없이 저장 및 전달하는 것도 가능하다. LOHC 는 유해 물질로 분류되지 않기 때문이다. 유기 캐리어 액체(Liquid Organic Hydrogen Carrier)는 연구원들에게 일종의 수소용 액체 침전물 병 역할을 한다. 1 리터는 650 리터 이상의 수소를 결합한다. 취급 및 물리적 특성 면에서 유성 물질은 기존 연료와 매우 유사하며 탱커 트럭 및 기차로 쉽게 운송할 수 있다. 원칙적으로 수소충전소에도 수소를 공급할 수 있으며 승인을 앞두고 있는 알스톰 코라디아 아이린트(Alstom Coradia iLint)와 같은 수소열차에 연료를 보급할 수 있다.

독일 연구 목표는 기차에서 직접 수소를 실은 LOHC 캐리어에 연료를 공급하는 것이다.

그런 다음 열차가 움직이는 동안 수소가 방출되어 연료 전지에서 전기로 변환된다.

수소열차에 적용을 위해 수소를 방출하는 데 필요한 장치를 조정하는 것은 단순히 크기와 무게를 줄이는 것이 아니고, 열차 사용의 경우 특히 높은 수준의 전력과 그에 따라 많은 양의 수소가 필요한 경우, 예를 들어 출발 및 등반 전과 같이 동적 부하 변화에 잘 반응하는 수소방출 장치가 필요하다. 촉매적 온보드 탈수 외에도 연구원들은 특히 혁신적인 접근 방식을 추구하고 있다. 수소열차 적용을 위한 직접 LOHC 연료 전지의 개발이다. 직접 연료 전지는 수소가 저장된 LOHC 에서 직접 전기 에너지를 생성한다. 그러면 열차에 탑재된 수소 가스의 촉매 방출을 위한 추가 장치가 생략된다. 직접 LOHC 연료 전지의 첫 번째 프로토타입은 이미 HI ERN 의 실험실에서 작동되고 있으며 그 결과는 매우 유망하다.

그림 8. 액체 유기 수소 운반체(LOHC)의 원리.

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4. 수소안전시험센터

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Karlsruhe Institute of Technology(KIT)의 수소 테스트 센터 HYKA(Hydrogen Safety Test Center)에서 수소 안전에 대한 연구를 수행한다. 새로운 테스트 표준을 개발하고 안전 기술을 최적화하기 위해 연구원들은 산업 규모의 수소 안전 테스트를 수행한다. 또한 분배에서 연소에 이르기까지 수소의 기본 거동을 조사한다. 수소 기술은 산업 시나리오에서 아직 비교적 새로운 기술이며 안전은 개발을 허용하기 위해 고려해야 할 가장 중요한 측면 중 하나이다. H2 그룹에서 다양한 하위 그룹은 현재 및 미래의 CO2가 없는 에너지 시스템에 대한 안전 실험 및 시뮬레이션을 수행한다. 실험 테스트는 테스트 용기와 튜브의 복합체인 수소 테스트 센터 HYKA 에서 수행된다. 난류 반응 흐름의 시뮬레이션뿐만 아니라 가스 및 먼지 혼합 및 분포의 거동을 예측하기 위해 수치 시뮬레이션 개발이 수행된다.

5. 소금동굴에 수소 저장

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수소는 에너지 전환의 프레임에서 이동성, 열 및 전기 부문을 통합하는데 점점 더 중요한 에너지원이 되고 있다. HyCavMobil(Hydrogen Cavern for Mobility)은 수소가 소금동굴에 저장되어 연료전지 이동성에 사용될 수 있는지 여부를 조사하는 연구 프로젝트이다.

네트워크 에너지 시스템 연구소(Institute of Networked Energy Systems)의 과학자들은 특히 독일의 소금동굴을 수소의 장기 저장 장소로 조사하고 있다.

소금 동굴은 소금 채굴 동안 천연 지하 소금 돔에 형성된다. 이로 인해 침출 과정의 결과로 공동이 형성된다. 이들은 이미 오늘날 원유 및 천연 가스와 같은 다양한 에너지원의 장기 저장 시설로 사용되고 있다. 순수한 수소가 동굴에 저장될 수 있는 조건은 현재 HyCavMobil 프로젝트의 일환으로 암염 저장 시추공의 실제 조건에서 테스트되고 있다. 따라서 통제된 조건에서 EWE Gasspeicher GmbH 의 테스트 동굴에 순수한 수소를 주입하고 빼내는 동시에 압력과 온도, 사용된 재료의 영향과 관련된 다양한 측면을 조사하고 있다. 여기서 관련 요소는 수소가 동굴에서 제거된 후에도 연료 전지 이동성의 고품질 및 순도 요구 사항을 여전히 충족하는지 여부와 필요한 경우 적절한 가스 조절을 수행할 수 있는 방법이다.

11 https://www.ites.kit.edu/english/146.php

12 https://www.dlr.de/ve/en/desktopdefault.aspx/tabid-13776/23923_read-57990/

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그림 9. 1000 미터 깊이의 테스트 소금동굴 설계도.

6. 관형 증기 전해조-반응기에서 메탄올 합성을 통한 화학 에너지 저장

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독일의 풍력 및 태양 에너지의 광범위한 확장 및 활용으로 인해 에너지 공급 및 소비의 시간적, 공간적 분리 기술에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 결과적으로, 간헐적으로 재생되는 에너지원의 많은 양의 에너지를 기존 전력망에 통합하면 현재의 기저부하 지향 전력 경제 및 해당 에너지 인프라와 관련된 근본적으로 새로운 요구 사항이 발생한다. 더욱이, 관련 규모의 전기를 직접 저장하기 위해 적용 가능한 기술이 충분하지 않아 연구 주제 범위는 액체 탄화수소와 같은 화학 에너지 운반체로 초과 전력을 변환하는 기술로 확대되었다. 액체 탄화수소는 합성 액체 연료로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 부가가치가 더 높은 다양한 다운스트림 제품의 합성에 사용될 수 있으므로 전력 경제 및 화학 산업에 흥미로운 경제적 대안을 제공한다.

연구 프로젝트 DELTA 의 목표는 이산화탄소와 증기를 기반으로 하는 통합된 불균일 촉매 탄화수소 합성을 통해 수소의 전기화학적 생산을 위한 경제적이고 기술적으로 유연한 장치를 개발하는 것이다. 관형 및 양성자 전도성 세라믹 SOEC(고온 전기분해 전지)와 이상적인 시스템 통합을 갖춘 합성 장치를 기반으로 하는 이 장치는 기본 모듈을 나타내며 이 모듈은 향후 기술 응용 프로그램을 위해 분산 작동이 가능한 유연한 플랜트를 형성하는 동일한 모듈과 결합될 수 있다. 높은 수준의 시스템 통합으로 효율적인 에너지 및 자재 흐름

13 https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=51172&pNid=393

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관리와 컴팩트한 디자인이 가능하다. 양성자 전도성 세라믹 멤브레인의 사용은 수소 정제를 위한 복잡하고 에너지 집약적인 다운스트림 공정 없이 목표 온도 범위 내에서 고순도 수소를 공급할 수 있기 때문에 혁신적인 발전을 나타낸다. 전체 프로젝트의 목표는 낮은 시스템 비용, 낮은 에너지 손실, 높은 시스템 효율성, 높은 신뢰성 및 우수한 부하 변화 거동을 특징으로 하는 통합 반응기 시스템의 실제규모의 실증이다.

그림 10. 연구 프로젝트 DELTA 내에서 전기를 화학 에너지원으로 변환하는 기본 원리.

그림 11. DELTA 반응기의 기본 개념.

III. 수소사용

수소는 에너지 시스템의 많은 영역에서 사용될 수 있으므로 에너지 부문 전기, 열, 산업 및 운송은 훨씬 더 밀접하게 결합될 수 있다(섹터 결합). 신재생에너지원의 발전 전기가 과잉 공급되는 경우 산업계에서 추가 수소를 생산할 수 있으며, 이는 연료 전지 차량에

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전력을 공급하는 데 사용할 수 있다. 연료 전지는 수소를 전기 에너지로 직접 변환하고 트럭, 버스, 항공기, 선박, 지게차 및 자동차의 전기 구동 또는 온보드 전원 공급 장치, 열병합 발전소 및 오프 그리드의 전원 공급 장치와 같은 다양한 응용 분야에 사용할 수 있다. 독일 Helmholtz 연구소 과학자들은 연료 전지의 효율성, 내구성 및 성능을 더욱 개선하기 위해 노력하고 있다. 이를 위해 각 응용 분야에 정확하게 맞춰진 다양한 연료전지의 구조 유형을 개발하고 있다. 수소는 또한 합성 액체 연료 및 기본 화학 물질을 생산하는 데 사용할 수 있다. 합성 연료는 재생 가능한 전기와 CO2 에서 얻지만 가솔린이나 디젤과 같은 연소 엔진에 사용할 수 있다. 보관이 쉽고 전기 드라이브가 옵션이 아닌 선박, 항공기 및 트럭에 사용하기에 적합하다. 그러나, 그들의 생산은 지금까지 매우 비싸고 복잡하며 많은 양의 신재생에너지를 필요로 한다. 독일 연구원들은 산업적 규모까지 업스케일된 새로운 수소생산 공정을 개발하고 있다.

1. 친환경 비행을 위한 개념적 연구

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2020 년 초부터 20 개의 DLR 연구소의 45 명의 연구원이 친환경 상업용 항공기를 위한 새로운 기술 구성 요소에 대해 협력하고 있다. 전반적인 목표는 최소 70 석과 2,000km 범위의 여객기에 필요한 기술을 개발하는 것이다.

2. 항공용 연료전지 추진 시스템

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온실가스무배출 비행은 민간 항공의 핵심 목표이다. 수소를 전기로 변환함으로써 장기적으로 무공해 항공 운송을 달성할 수 있다. 이것은 추진 시스템의 친환경적인 전기화를 가능하게 할 것이다. 독일 항공우주 센터(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR)와 MTU Aero Engines 는 공동으로 연료 전지 추진 시스템 개발 및 검증에 중점을 두고 있다.

3. 고온 연료 전지, 11 년 이상의 수명 달성

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14https://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2020/02/20200504_konzeptstudie-fuer-oekoeffizientes-fliegen.html

15 https://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2020/03/20200805_dlr-und-mtu-aero-engines-erforschen-flugantrieb- mit-brennstoffzelle.html

16https://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2019/2019-02-07-sofc.html?nn=557076

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Forschungszentrum Jülich 의 연구원은 연료 전지를 개발하여 11 년 이상 동안 700°C 의 온도에서 작동했다. 이 고온 연료 전지는 수명 동안 10.5 년 이상 동안 전기를 생산했으며 이는 지금까지의 어떤 고온 연료 전지보다 더 길었다. 이러한 긴 수명을 입증하는 것은 최대 효율을 위해 설계된 고온 연료 전지 개발의 중요한 단계로 간주된다.

4. 연료 전지 성능 및 효율 개선

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연료 전지는 수소를 전기 에너지로 변환하며 트럭, 선박 및 자동차 운전, 열병합 발전소 또는 독립형 장치에 전원을 공급하는 것과 같은 다양한 응용 분야에서 관심을 받고 있다.

연구 센터의 과학자들은 연료 전지의 효율성, 수명 및 성능을 개선하기 위해 노력하고 있다.

5. 세계 최초의 바다를 항해하는 수소 연료 전지 페리

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독일 항공우주 센터(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR)는 여객 및 차량 운송을 위한 세계 최초의 수소 연료 전지 동력 원양 페리 개발에 참여하고 있다.

그림 12. 수소페리의 예상 디자인.

17 https://www.fz-juelich.de/portal/DE/Forschung/EnergieUmwelt/wasserstoff/tb_h2_nutzung.html

18 https://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2018/3/20180726_dlr-mit-an-bord-bei-entwicklung-der-weltweit- ersten-hochseefaehigen-wasserstoff-faehre-mit-brennstoffzelle_29145.html

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6. 가스 터빈의 수소 연소

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전기분해를 통한 수소 생산에서 전기 에너지는 화학 에너지로 변환된다. 즉, 전기는 수소를 생성하는 데 사용된다. 재생 생성된 수소의 한 가지 가능한 용도는 천연 가스 네트워크에 수소를 공급하는 것이다. 기존의 가스터빈 발전소에서는 수소-천연 가스 혼합물을 태우고 전기를 다시 생성할 수 있다.

7. 합성연료에 대한 학제간 연구

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합성 연료를 사용하면 에너지를 쉽고 유연하고 효율적이고 지속 가능하게 저장할 수 있다. 동시에 차량, 기차, 선박의 연료이자 비행기와 로켓의 연료로 미래 이동성을 보장하는 강력한 역할을 한다. 독일 항공 우주 센터(DLR)의 11 개 연구소는 합성 연료의 개발 및 적용을 연구한다.

8. 합성 연료

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Karlsruhe Institute of Technology(KIT)의 IKFT(Institute for Catalysis Research and Technology)는 액체 연료로 에너지 전환이 가능한 방법에 관심을 갖고 있다. 연구원들은 고품질 합성 연료의 대규모 생산에 사용할 수 있는 자원 및 에너지 효율적인 공정을 개발하고 있으며 원유 기반 에너지원에 대한 대안을 찾고 있다.

IV. 수소시스템 분석

에너지 산업의 결정, 에너지 정책 및 연구 자금은 장기간에 걸쳐 영향을 미친다. 한 번 내린 결정은 다시 변경하기 어렵다. 선견지명을 가지고 행동하고 신기술의 기회를 조기에 인식하고 환경과 경제에 대한 위험을 줄이기 위해서는 시스템 분석 지식이 필요하다.

이것이 독일 Helmholtz Association 이 수소 연구에 대한 장기적이고 총체적인 접근 방식을 추구하는 이유이다. 10 개 센터의 약 600 명의 직원이 수십 년 동안 수소 연구를 연구해 왔다.

19https://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2016/20160302_wasserstoffverbrennung-in-gasturbinen-europaeischer- forschungsrat-foerdert-dlr-verbrennungsforscher-mit-consolidator-grant_16965.html

20 https://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2018/2/20180413_dlr-startet-querschnittsprojekt-future-fuels-zur- interdisziplinaeren-erforschung-synthetischer-kraftstoffe_26746.html

21https://www.sek.kit.edu/kit-experten_sauer.php

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수소연구의 스펙트럼은 기본에서 응용에 이르기까지 다양하다. 기술 연구는 시스템 분석 및 사회 경제적 관점으로 보완된다. 그러나 에너지 시스템은 모든 면에서 개선되어야 한다.

시너지 효과를 창출하고 수소가 기후 보호에 결정적으로 기여할 수 있도록 하기 위해 연구소와 학제간의 협력은 반드시 필요하다. 개별 Helmholtz 센터와 연구 영역은 시장으로의 이전을 준비하기 위해 긴밀하게 협력하고 다양한 과학 및 산업 분야와 협력한다. 시범 프로젝트, 파일럿 플랜트 및 소위 “에너지 전환을 위한 실제 실험실”에서 연구원들은 새로운 기술을 테스트 및 개선하고 수소 응용 프로그램의 대규모 사용을 촉진한다.

1. 2050 년까지 에너지 시스템 전환을 위한 경로

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독일은 1990 년 수준에 비해 2050 년까지 온실 가스 배출량을 80~95% 줄이는 목표를 설정했다. 과학자들은 이에 대한 두 가지 시나리오를 분석했다. 핵심 결과: 온실 가스 배출량을 80% 줄이는 것은 기술적으로나 경제적으로 가능하다. CO2 배출량을 95% 줄이는 것은 훨씬 더 어렵고 비용이 많이 든다.

2. 에너지 전환을 위한 실제 실험실

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Forschungszentrum Jülich 의 “리빙 랩 에너지 캠퍼스”에서 에너지 전환의 에너지 정책 목표가 기존 구조 환경에서 시스템 지향적인 접근 방식과 혁신적인 기술의 사용을 통해 달성될 수 있는 방법을 보여준다. 연구 캠퍼스 전체가 기술, 에너지원 및 소비자 간의 상호 작용을 조사하는 대규모 실험 필드가 된다.

3. 에너지 랩 2.0

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Karlsruhe Institute of Technology(KIT)의 Energy Lab 2.0 은 미래 에너지 시스템 구성 요소의 상호 작용을 연구하고 에너지 네트워크를 안정화하기 위한 새로운 접근 방식을 현실적인 방식으로 테스트하는 대규모 연구 인프라이다. KIT(Karlsruhe Institute of

22 https://www.fz-juelich.de/iek/iek-3/DE/News/TransformationStrategies2050/_node.html

23 https://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Meldungen/LLEC/DE/Kick-Off- Meeting.html;jsessionid=EC55878A9B55A5CDAA6B602808673F71

24 https://www.elab2.kit.edu/index.php

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Technology)는 Jülich Research Center 및 DLR(German Aerospace Institute)과 긴밀하게 협력하고 있다.

4. 코페르니쿠스 프로젝트 PtX

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2050 년까지 기후 중립적인 독일을 위해 운송, 산업 및 난방에는 저배출 솔루션이 필요하다. Kopernikus 프로젝트 P2X 의 목표는 재생 에너지를 물리적 물질에 저장하는 것이다. 따라서 이 프로젝트는 전기를 화학 에너지로 변환하는 가능성을 연구한다. 이러한 방식으로 저장된 재생 에너지는 운송 및 산업과 같은 온실가스 고배출 분야에서 사용되거나 산업 공정의 난방에도 사용되어 보다 환경 친화적으로 만들 수 있다.

가. Power-to-X: 전기 입력, 재료 솔루션 출력

과학자들은 전기를 다른 물질로 변환하는 것을 “Power-to-X” 또는 줄여서 P2X 라고 부른다. 예를 들어, Power-to-gas 는 수소 또는 메탄과 같은 기체 물질을 생성한다. Power-to- chemicals 는 추가 산업 공정을 거친 화학 물질을 생산한다. Power-to-fuel 의 결과는 대기 또는 배기 가스에서 포집된 이산화탄소(CO2)를 사용하여 생산되는 환경 친화적인 연료이다. 이 접근 방식을 통해 연료 연소로 인한 총 배출량을 크게 줄일 수 있다.

Kopernikus 프로젝트 P2X 는 power-to-X 기술로 생산할 수 있는 두 가지 소스 재료를 연구한다. 하나는 수소이고 다른 하나는 수소와 일산화탄소의 혼합물인 합성 가스이다.

수소는 전기분해라고 하는 과정에서 물에 전기를 가해 생성된다. 전기 분해(공동 전기 분해) 중에 CO2도 추가되면 합성 가스가 생성된다.

나. P2X 내 수소 연구의 초점

○ P2X 프로젝트에서 연구된 수소 전해조에는 현재 다량의 희귀하고 값비싼 금속 이리듐이 필요하다. P2X 과학자들은 결과적으로 프로세스의 효율성을 잃지 않고 가능한 한 적은 양의 이리듐을 전기분해에 사용할 수 있는 가능성을 찾고 있다.

○ 일단 수소가 생산되면 여러 용도가 있다. 예를 들어, P2X 연구원은 CO2와 함께 수소가 화학 산업이 시급히 필요로 하는 폴리머 구성 요소로 전환될 수 있는 방법을 연구한다.

25 https://www.kopernikus-projekte.de/projekte/p2x

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○ 수소의 또 다른 잠재적인 용도는 도로 운송용 연료이다. 따라서 P2X 팀은 수소 충전소의 최적 운영을 위한 개념도 개발한다.

○ 수소는 고온에서 연소되기 때문에 P2X 파트너는 저렴한 비용으로 수소를 사용하여 산업용 용광로를 가열할 수 있는 방법도 연구한다. 그들은 특히 유리를 생산하는 회사에서 이것을 테스트하고 있다.

○ 극복해야 할 관련 문제 중 하나는 수소가 고압의 액체 형태일 때만 쉽게 운반될 수 있다는 점이다. 이것은 복잡하고 비용이 많이 든다. 이 때문에 P2X 팀은 액체 유기 수소 운반체로 알려진 액체에 수소를 일시적으로 결합시켜 수송을 더 쉽게 만드는 연구도 수행한다.

다. 합성가스: 연료 및 화장품 원료

합성가스 분야에서 P2X 내의 연구는 합성가스가 운송 부문의 변화에 핵심적인 역할을 할 잠재력을 가지고 있기 때문에 현재까지보다 더 효율적으로 가스 혼합물을 생산할 수 있는 가능성에 주로 초점을 맞추고 있다. 모든 트럭, 선박, 비행기가 전적으로 전기로만 운행되기는 현재로서는 어려운 일이다. 그러나 현대 연료보다 환경에 훨씬 덜 부정적인 영향을 미치는 연료는 합성 가스에서 합성 생산할 수 있다. 환경에 덜 해로운 이유는 연소 시 배출되는 CO2가 생산 과정에서 공기 중에서 추출되었기 때문이다. P2X 는 2022 년까지 매일 200 리터의 합성 연료를 생산할 수 있는 공장을 건설하는 것을 목표로 하고 있다. 이 합성 연료의 일부는 디젤, 휘발유, 심지어 항공기 등유를 대체할 수 있다.

마지막으로, P2X 는 예를 들어 화장품 산업에서 크림 및 기타 세면도구를 생산하는 데 사용하기 위해 미생물을 사용하여 CO2를 대규모로 화학 물질로 변환할 수 있는 방법을 연구한다. P2X 는 다양한 P2X 기술에서 달성된 발전을 모니터링하고 생태, 경제 및 사회적 지속 가능성 기준에 따라 평가하기 위한 로드맵을 개발하고 있다. 그 결과는 P2X 기술의 추가 개발에 다시 통합될 것이다.

V. 참고문헌

○ 참고문헌 및 출처는 각 제목에 각주로 표시하였음.

참조

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