12장 수소에너지

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신에너지 수소

재생에너지 태양열 태양광 풍력 (소)수력

해양 지열 바이오매스 폐기물

신에너지 수소 연료전지 _{석탄액화가스화}

신&재생에너지

한국은 미래에 사용될 대체에너지로 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 11개 분야를 지정 (대체에너지개발 및 이용·보급촉진법 제 2조)

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12장 수소에너지

(Hydrogen Energy)

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2.Hydrogen Energy System

•수소의 이용

•수소의 저장 및 수송

•수소의 생산

*수소에너지, 김종원, 정영관 외, 아진

*알기쉬운 수소 에너지, 김종원

Hydrogen Energy System

생물학적 광화학적 열화학적 전기분해

석유 천연가스

H2O

원료 제조 기술

신재생에너지 원자력 제조공정

…

부생가스 개질 부분산화

H

저장/수송 기술

고압가스 저장

(High Pressure Gas]

액체 저장

(Liguide]

고체 저장

(Solid]

화학 저장

(Chemical]

파이프라인

(Pipe Line]

이용 기술

산화 연료전지 수소터빈 수소엔진 화학재료

…..

가정 :

전기,열

수송용:

차량 배 비행기

산업:

반도체 전자 철강 금속 화학물질

유리 석영 식품 의약품

..

수요처

안전성 대책 기술

*수소에너지, 김종원, 정영관 외, 아진

*알기쉬운 수소 에너지, 김종원

*에너지관리공단 신재생에너지센터

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12-1. 수소

발견

가. 1776년 영국 과학자 Henry Cavendish가 수소 최초 발견 전기불꽃으로 수소와 산소를 연소

생명유지 기체, 가연성 기체로 명칭

나. 1785년 프랑스 화학자 Lavoisier가 Cavendish실험 재현

생명유지 기체  산소

가연성 기체  수소로 명명

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12-2 수소의 이용 역사

년 대 내 용

1776년 영국, 과학자 Henry Cavendish 전기 불꽃으로 수소와 산소를 결합하여 물을 생성하는데 성공, 생명유지 기체, 가 연성 기체

1785년 프랑스, 화학자 앙투안 로랑 라부아지 캐번디시의 실험 재현에 성공, 산소와 수소로 명명 1805년 리바츠(Rivatz)의 수소기관 제안

1820년 세실(W.Cecil)은 수소기관을 적용하자는 제안

19C초 유럽과 미국, 석탄가스화로 제조된 수소가 50% 함유된 도시가스(Town Gas)가 난방 및 조명용으로 쓰임 1906년 독일, Fritz Harber가 석탄가스에서 NH₃의 공업적 합성법 발명

1839년 스위스, 화학자 Christian Friedrich Schoenbein이 연료전지의 개념 발견

1845년 영국, 연료전지의 아버지인 과학자 William Grove 경이 "gas battery"를 만들어 실제적 운용 가능성을 보여줌.

1911년 화학자 Carl Bosch가 수소와 질소로 NH₃와 비료의 합성 방법을 개발 1920~

30년대 독일, 대서양 정기항로에 투입된 상용 체펠린(zeppelin) 비행선의 추진연료 가운데 하나로 처음 수소를 사용 1930~

40년대 독일과 영국, 실험용 자동차, 기차는 물론 잠수함과 항적(航跡)이 없는 어뢰의 연료로 수소를 사용 1973년 석유위기로 고갈과 환경오염의 해결책으로 수소에 대한 관심을 가짐

1980년대

중반 독일, 대규모 실용화를 목표로 시작된 수소기술 개발계획 1990년 미국, 수소기술 개발 프로그램을 시작

1993년 일본, 수소기술 개발 프로그램을 시작

1998년 아이슬란드, 세계 최초로 2030년대경 수소경제를 이룩한다는 목적으로 국가프로젝트를 시작

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*알기쉬운 수소 에너지, 김종원

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수소 연료 자동차

1991 캐나다의 발라드사가 연료전지 버스의 실증실험 1994 다임러·벤츠사 연료전지자동차 ｢NECAR1｣을 발표 2002 세계 최초로 도요타, 혼다 제작 상용 연료전지자동차

공공기관에 납품(리콜)

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미래

수소저장금속의 자동차에 적용 역사

1. 1980년 벤츠 ，TiFe tank2개(냉난방,시동용)―Mg

₂

2. 1982년 280Kg의 Ti0．9Zr0．1CrMn에

수소5.4kg(가솔린20L)저장―120 ~ 130ｋｍ 주행 3. 1984년 일본의 수소에너지개발연구소 Mm계 tank에

60ｍ

^３

수소 연료 자동차

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12-3 수소

기본 특성

* 무색, 무취이고 가장 가볍다

원소주기율표의 시작 원소인 수소의 원자번호는 1이며, 분자 량은 2.016로 지구상에서 가장 가볍고 작은 기체미며, 액체중량 은 메탄의 1/6정도이다. 색과 냄새가 없고 표 1에 나타낸 바와 같 이 밀도는 기체인 헬륨의 대략 절반 정도.

*수소에너지, 김종원, 정영관 외, 아진

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기체 밀도(g/d㎥)

수소 0.09

헬륨 0.179

메탄 0.716

산소 1.43

공기 1.29

이산화탄소 1.98

*0℃, 1기압 조건

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* 확산속도, 열전도율, 비열은 비교적 크나, 점도가 작음.

마. 메탄과 비교하여 액화온도는 100℃정도 낮고, 액체중량은 1/6정도이다.

다. 동위원소로서 중수소와 3중수소가 있다 라. 수소는 자연에서 산출되지는 않고,

화석연료나 물을 이용하여 만든다.

*석탄가스화 *수전해

*개질 *열분해(열화학물분해)

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기체 비등점(℃)

수소 -253

헬륨 -269

메탄 -161

질소 -196

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•수소는 일반적인 상온 조건에서의 반응성이 낮으나, 높은 온도 의 조건의 경우와 촉매를 이용할 경우에는 대부분의 원소나 화합 물과 반응.

•수소는 생명체에서 일어나는 산화와 환원 반응에 관여

•수소는 할로겐 원소와의 반응으로 할로겐화수소가 되며, 수소와 일산화탄소와 반응으로부터 탄화수소와 알콜류 등을 얻음

•수소는 고온과 고압에서 탄화구리에 접하면 구리 중에 침투한 후, 탄소와 반응하여 수소침식을 일으켜, 취성을 저하

•많은 원소들과 결합하여 각종 수소화합물을 생성

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* 화석연료가 연소 시 배출하는 환경오염물질 및 지구온난화가스를 배출하지 않는다.

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수소와 화석연료의 비교

가정용 연료 및 종래의 기관용 연료로 사용가능

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12-4. 수소

연소 특성

* 연소화염색

무색투명, 암흑 속에서 약간의 청백색

* 가연범위

수소는 가연범위가 매우 넓다(4~94%).

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성 분 연소 한계 농도(Vol%)

하한 상한

수소(H2) 4.0 74.2

일산화탄소(CO) 12.5 74.2

메탄(CH4) 5.0 15

아세틸렌(C2H2) 2.5 80.0

프로판(C3H8) 2.1 9.4

벤젠(C6H8) 1.4 7.1

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*자발화온도

자발착화온도는 산소 중에서 560℃, 공기 중에서 572℃임 메탄은 산소 중에서 556℃, 공기 중에서 537℃임

* 연소속도

수소는 화학적 활성이 상당히 큰 원소이며, 연소속도는 메탄의 약8배로 상당히 빠름

* 점화에너지

수소의 최소발화에너지는 메탄의 1/16인 0.018mJ로 상당히 작음

*수소에너지, 김종원, 정영관 외, 아진

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*자발화온도

* 연소속도

*수소에너지, 김종원, 정영관 외, 아진

*알기쉬운 수소 에너지, 김종원

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* 점화에너지

수소의 최소발화에너지는 메탄의 1/16인 0.018mJ로 상당히 작음

*폭굉 가능성

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수소 메탄

추정 폭굉 범위 15.5~64 vol% 8.3~11.8 vol%

직접 기폭 폭굉 에너지 7.2kJ 88MJ

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사진. 화염특성 비교

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1) 수소기관 및 터빈 2) 난방, 취사 연료

* 수소의 이용 분야

3) 연료전지

호완성

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① 물 등에서 제조할 수 있어 자원적인 제약이 없음

② 연소생성물이 물뿐이기 때문에 친환경적 전기에너지를 직접 얻을 수 있음

③ 본래의 물로 돌아가는 사이클은 빠름 (가역반응)

④ 저장이 곤란한 전력에 비해 쉽게 저장

⑤ 자동차용 연료, 항공기용 연료 등 (유체에너지)

⑥ 연료전지에 의해 효율 높은 직접발전

⑦ 금속 등과의 가역반응이 에너지 변환기능을 갖고 있어

냉난방장치와 전지 등 광범위한 용도(고체저장재 응용성)

⑧ 화학공업용 등의 원료

12-5 수소에너지가 주목 받고 있는 주된 이유

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① 석유를 대신하는 유체에너지

② 에너지의 저장과 수송용 매체로서 사용

③ 에너지 변환의 매체로서 이용 에너지매체로서 수소의 용도

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