일본 O사와 E사는 2014년 11월, 공동으로 개발한 태양광발전소의 안정운용제어 서비스를 개발하였다고 발표하였다. 발전소를 원격으로 운전, 정지할 수 있는 것이 특징이다. 일반적인 원격감시 서비스로서 이용할 수 있다.

특징은 사용자가 전용 웹페이지에서 발전소의 운전(재연계)과 정지를 원격으로 제어할 수 있는 것이다. 2014년 3월부터 이 시스템의 개발을 개시하고 7월부터 출력 50kW의 태양광발전소에 시제품을 설치하여 운용해 왔다. 정부 심의회에서는 태양광발전소의 접속보류 움직임에 대해 시간단위의 출력제어를 도입하는 것에 대해 논의하고 있다.

이 시스템의 기능은 또 하나 있다. 발전소의 주위에서 정전이 발생했을 때나 정전이 회복되었을 때, 사용자의 메일로 송신하는 기능이다. 현지가 정전되었는지를 제어반 안에 설치한 타이머 릴레이로 판단한다. 사전에 몇 초간 전기가 들어오지 않는 경우를 정전으로 할 것인지 결정하는 것이 가능하며, 순간적으로 정전이라고 연락이 오는 경우는 없다. 발전소가 가동하고 있는 것도 확인할 수 있다.

이 시스템을 출력 50kW 이하(저압)의 발전소에 설치하여 발전소의 운전 및 정지를 제어하는데 법적인 제한은 없다. 그리고 출력 2MW 이하(고압)에 대해서도 도쿄전력과 츄부전력, 츄부전기보안협회에 확인과정을 마쳤다.

이 시스템은 장치를 파워컨디셔너의 접점부에 설치함으로써 동작한다. RS-485에 접속하는 경우와 비교하면 취득할 수 있는 정보는 적어지지만, 파워컨디셔너의 종류를 선택하지 않기 때문에 어느 발전소에도 적용 가능하다. 그리고 RS-485로부터 정보를 취득하는 기기를 추가하는 것도 가능하다.

또한 시스템은 발전개시와 정지를 지시하는 것에 기능을 한정한 서비스는 아니다. 일반적인 원격감시 서비스와 동일한 서비스, 예를 들면 발전량 등을 웹 브라우저에서 열람할 수 있는 서비스를 제공할 수 있다. 제어신호를 펄스 입력할 수 있는 시스템으로 다양한 계측기능을 갖추고 있다. 이외에 계통의 이상 및 전력회사와의 소통, 발전소의 발전개시와 정지를 대행하고, 고객의 요구에 대응하여 서비스를 추가할 수 있다. 때문에 초기 투입비용은 50~120만 엔으로 폭이 있다. 발전소의 규모가 크게 되면, 제어반에 설치하는 기기의 규모도 크게 된다. 서비스가 증가하면 서버측의 부하도 커지기 때문이다.

이 서비스를 개발하기 위해 개발사가 설계사상을 제시하고 태양광발전소의 운용에 필요한 요건을 정리하였으며 하드웨어도 설계하였다. E사는 기기간 통신(M2M, Machine to Machine)의 기술에 강점이 있다. 태양광발전소와 사용자 사이를 인터넷의 통상적인 통신으로 접속한다. 악의를 가진 제3자가 발전소를 정지할지도 모른다. 그래서 통신사 서버와 사용자의 휴대전화를 VPN으로 1대1로 접속하여 보안을 확보하였다. 통신용 단말은 이 시스템에 내장되어 있다. 사용자 측의 휴대전화는 최신 웹 브라우저가 동작한다면 특별한 제한은 없다. iPhone에서도 동작한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

세계원자력협회(World Nuclear Association, WNA)는 세계의 에너지 시스템을 안전하고 저탄소 배출 형태로 전환하는데 시급한 행동이 필요하는 우려를 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)와 공유하고 있는 것으로 알려졌다.

11월 11일 런던에서 발행된 세계 에너지 전망(World Energy Outlook, WEO) 2014년판에서 IEA는 다른 형태의 부하 발전용 에너지원을 제공하거나 대체하는데 있어 원자력이 이산화탄소를 대규모로 줄일 수 있는 몇 개 안 되는 방안 중 하나라고 밝혔다. 원자력은 1971년 이후 약 56 기가톤의 이산화탄소 배출을 피할 수 있게 해주었는데, 현재 추세로 환산하면 거의 2년치 배출량에 근접하는 양이다.

WEO는 포괄적이고 권위 있는 중장기 에너지 동향을 분석하기 위해 모든 최신 자료와 상황 전개를 통합했다. 이번에 간행된 보고서는 특별히 원자력에 중점을 둔 것이다. WNA 사장 애그네타 라이징(Agneta Rising)은 IEA의 시나리오에 따르면 우리가 지구의 온도를 상승시키는 위험을 초래할 수 있음을 보여주고 있다고 하면서 우리는 더 깨끗하고 저렴한 에너지원으로 전환하는 조치를 취해야 한다고 말했다. 원자력은 비용대비 효과가 크며 신뢰할 수 있는 저탄소 전기를 대규모로 공급할 수 있는 방법으로 기후변화에 대처하는 것을 심각하게 고려한다면 세계 에너지 공급에서 원자력의 비중을 늘릴 필요가 있다고 라이징은 덧붙였다.

원자력을 포용하는 정책이 국가 에너지 전략에서 여전히 핵심 요소로 남을 것으로 본다고 말한 WEO는 원자력을 퇴출시키기로 결정한 나라에서도 대안을 제시해야 할 것이라고 말했다. IEA의 시니라오에 따르면, 원자력은 2013년의 392 GW에서 2040년에는 620 GW로 거의 60% 상승할 것으로 전망된다. 하지만 세계 발전량에서 차지하는 비중은 거의 20년 전에 최고치를 보인 이후 단지 1% 상승한 12%에 그치고 있다.

성장 패턴은 모든 형태의 새로운 열생산 발전원이 직면한 도전을 반영하고 있는 것으로 경쟁이 치열한 발전 시장과 경제, 기술 및 정치에 따라 원자력이 극복해야 할 여러 요소를 포함하고 있다고 WEO는 밝혔다. 가격이 관리되는 시장에서는 성장이 포화상태에 놓여 있고 전력회사들은 정부의 지원이나 민간 투자를 장려하는 방법을 모색하고 있다. 2040년까지 원자력의 성장에는 중국이 45%, 인도, 한국, 러시아가 합쳐서 약 30%를 기여할 것으로 보인다. 미국에서 원자력의 비중은 16%로 증가하고 후쿠시마 사고 전의 수준은 아니지만 일본에서도 원자력 사용이 반등할 것으로 보이지만 유럽연합에서는 10% 가량 감소할 것으로 전망되고 있다.

현재 직면하고 있는 도전에도 불구하고 일부 국가들이 원자력을 미래의 대안으로 추진할 것임을 선언하는 특징을 보이고 있다. 원자력발전소는 발전 기술의 다양성을 증가시키면서 에너지 공급의 신뢰성에 기여할 수 있다. 에너지를 수입하는 나라의 경우 외국 의존도를 줄이고 국제 시장에서 변동하는 연료 가격에 노출을 줄일 수 있는 장점도 있다. IEA의 `원자력을 적게 사용하는 시나리오`에서는 현재 수준에서 원자력 발전량이 7%까지 감소하는 것을 보여주는데 원자력을 사용하는 나라의 경우 에너지 안보가 저하되는 현상을 보여준다. 예를 들면, 일본의 경우 국내의 에너지 공급이 13% 줄어들고 한국은 6%, 유럽연합은 5%로 줄어들 것으로 예측되고 있다.

2040년에 원자력을 통해 피할 수 있는 탄소 배출은 한국에서는 거의 50%, 일본은 12%, 미국은 10%, 유럽연합 9%, 중국은 8%까지 도달할 것으로 전망된다. 원자력을 이용하여 배출을 줄이는 평균 비용은 대체 연료의 비용과 혼합비율에 달려 있는데 많게는 톤당 $80에 달하는 것으로 나타났다. 2013년 말 총 434기의 원자로가 가동 중인데, 2040년에는 약 200기가 퇴역할 것으로 전망되며 대부분은 유럽, 미국, 러시아, 일본에서 일어날 것으로 보인다. 이에 따라 부족해진 발전량을 대체하는 것은 유럽에서 특히 긴급을 요구하는 것으로 나타났다.

발전회사들은 원자력발전소가 운전 허가 기간에 도달하기 전까지 대체 발전원을 개발하거나 기존 발전소를 계속 가동하는 계획을 세울 필요가 있다. 이 절차를 지원하기 위해 정부는 정부는 인허가 연장 및 규제의 세부사항까지 망라하는 방법을 동원하여 발전소 폐쇄에 앞서 분명한 대응책을 마련해야 할 것이라고 강조했다. IEA는 원자력발전소의 해체 비용이 2040년에는 1000억 달러(약 110조 원)가 넘을 것으로 추산하고 있다.

파리에 위치한 IEA는 자치기구로서 신뢰할 수 있고 저렴하며 청정한 에너지를 29개 회원국을 비롯하여 국제사회에 보장하는 일을 수행한다. 1973~74년에 걸친 오일쇼크에 대응하는 조치로 창설된 IEA는 창설 초기에는 오일쇼크가 발생할 경우 비축유를 방출하여 석유 파동에 집합적으로 대응하기 위한 역할을 담당했다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

현재, 착용 에너지 저장 소자들과 같은 차세대 기술이 발전하는데 도움을 줄 수 있는 재료 과학 연구에서 새로운 돌파구를 마련해 주고 있다. 연구원들은 접을 수 있을 정도로 플렉서블하고 이 물질의 무게에 수 배를 지지할 정도로 강한 새로운 전기 전도성을 가진 나노물질을 개발했다. 그들은 전기 에너지 저장, 물 여과와 라디오주파수 차폐 등의 응용에 사용될 수 있다고 믿고 있다.

전하를 저장하고 사용하는데 유용하며 다양한 모양들로 뒤틀려질 수 있는 얇은 물질을 찾거나 만드는 것은 재료 과학 분야에서 희소가치가 있다. 물질을 늘렸을 때 그 물질의 강도인 인장 강도와 무게를 지지하는 능력인 압축 강도는 수 원자 두께에서 그들의 유용성이 물리적인 특성에 거의 전체적으로 예상하기 때문에 이 물질들에 대한 가치있는 특성이다.

예를 들어 시계에 전력을 공급하는 작은 리튬 이온 배터리의 전극은 이상적으로 이 전극이 매우 작은 전도 물질을 가지고 장시간 동안 시계를 움직일 충분한 에너지를 저장할 수 있다. 하지만 만약 시계의 손목 밴드를 배터리로 만들기를 원한다면, 매우 얇고 에너지를 저장할 수 있으며 손목 둘레를 휠 수 있을 정도로 플렉서블할 필요가 있는 전도물질을 이용해야 한다. 물질의 유연성이나 인장 강도 중 하나의 물리적인 특성을 변화시켜 새로운 가능성을 열 수 있다고 공과대학 교수인 미셸 바르소움 박사가 전했다.

전도 폴리머 나노합성물질로 구분되는 플렉서블한 새로운 물질은 MXene라고 불리는 합성 이차원 물질 종류로 드렉셀 재료공학과에서 계속 진행중인 연구의 최근 결과이다.

이 개발은 드렉셀 공과대학 교수인 유리 고고치 박사와 중국 달리안 기술 대학 화학공학과 연구 부학장 지에샌 퀴우 박사의 연구 그룹들 사이 협연에 의해 진행되었다. 달리안 대학 박사과정 학생인 젱 링은 최초의 MXene 폴리머 합성물질을 얻기 위한 연구를 진행시키기 위해 드렉셀에서 일년을 보냈다.

드렉셀 연구팀은 과학적인 보물을 발굴하기 위해 퇴적물을 조심스럽게 솔질하는 고생물학자처럼 MXene을 부지런히 조사해왔다. 2011년 적층 카바이드 물질을 발견한 후, 공학자들은 다양한 다른 유용한 특들을 가지는 전도 물질들을 만들기 위해 화학적이고 물질적인 보완 방법들을 찾고 있다.

MXene이 이 물질의 능력들에 도움을 주었던 가장 성공적인 방법들 중 하나는 액체 형으로 다양한 화학 화합물들을 첨가하는 치윤법이라는 과정이다. 이 과정은 MXene의 층들 사이에 분자들이 들어갈 수 있게 해 그 물질의 물리적이고 화학적인 특성을 개선한다. 이로써 MXene이 에너지 저장을 위한 큰 가능성을 가졌다는 것을 확인했다.

플렉서블 전도 폴리머 나노합성물질을 얻기 위해, 연구원들은 엘머 풀로 알려진 종이 접촉제로 폭넓게 사용되는 폴리머이며 헤어 젤과 실리퍼티 (silly putty) 등 콜로이드를 위한 제작방법에서 자주 발견되는 폴리비닐 알콜 (PVA)을 가지고 타이타늄 카바이드 MXene을 치윤했다. 또한 그들은 물 정화 시스템들에서 응고제로 일반적으로 사용되는 PDDA (폴리디알리디메틸암모늄)이라 불리는 폴리머를 치윤했다.

MXene의 특이성은 나노미터 두께 카바이드 층들의 금속적인 전도성을 유지하면서 MXene 플레이크와 폴리머 분자들 사이 강한 결합을 이끄는 수산기 등 표면이 기능 그룹들로 가득하기 때문에 발생했다. 이는 특성들의 특이한 결합을 가진 나노합성물질을 이끌었다.

MXene 시험의 결과들은 “Flexible and conductive MXene films and nanocomposites with high capacitance “라는 제목으로 국립 과학 아카데미 학회지에 최근 게재되었다. 이 논문에서, 연구원들은 이 물질이 원래 MXene보다 많은 전하를 저장할 수 있고 300-400 퍼센트 향상된 강도를 보인다고 보고했다.

연구원들은 MXene 폴리머 나노합성물질의 부피 용량이 일반적인 탄소 기반 전극들이나 심지어 그래핀 보다 훨씬 더 높을 수 있다는 것을 보였다고 드렉셀 고고치 박사의 박사과정 학생인 챙 렌이 말했다. 몇 가지 전해질 염이 포함된 PVA를 가지고 MXene를 혼합할 때, 이 폴리머는 전해질로 역할을 하지만 이온들이 전극 내로 깊숙히 침투할 수 있도록 PVA가 MXene 플레이크 사이 층간 공간을 약간 넓히기 때문에 용량을 개선한다. 또한 이온들은 이 폴리머에 의해 MXene 플레이크들 근처에 포획된다. 이 전도 전극들과 무액체 전해질로 연구원들은 결국 금속 전류 수집기를 없애고 더 가볍고 더 얇은 수퍼캐패시터를 만들 수 있다고 전했다.

또한 이 테스팅은 파괴나 분해 없이 이 나노합성물질이 물 속에서 안정적으로 남아있기 때문에 물정화나 담수를 위한 멤브레인과 같은 물 처리 시스템들에서 사용될 수 있게 이 물질의 친수성을 보였다.

더욱이, 이 물질이 매우 플렉서블하기 때문에, 초기 테스트들이 기계 강도를 증가시키기 위해 보여준 튜브형으로 말 수 있다. 이 특성은 플렉서블 장비에서 우주항공 소자들까지 응용들을 위해 이 나노합성물질을 사용할 수 있게 해 준다. 이 연구그룹의 다음 단계는 개발된 나노합성물질의 특성에 영향을 줄 수 있는 MXene과 폴리머의 비율을 어떻게 변화시킬지 조사하고 구조적인 응용들을 위해 다른 MXene과 더 강하고 튼튼한 폴리머들을 조사할 예정이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

독일 에센(Essen) 지역에서 수행 중인 AmpaCity 프로젝트의 초전도 케이블은 4,300시간(180일) 동안 성공적으로 전기를 전달하고 있다. 지난 10월 27일 카를스루에 공과대학(Karlsruhe Institute of Technology, KIT)을 포함한 프로젝트 파트너들은 이에 대해 긍정적인 평가를 내렸다.

초전도체 물질은 일반 구리케이블과 비교했을 때 5배 많은 전기를 이송할 수 있으며 손실도 거의 없다. 지난 4월 프로젝트 참여자들은 1km의 초전도체 케이블을 완공하였다. 이 케이블은 에센 지역에 거주하고 있는 약 10,000여 가구가 사용하는 전기량에 대응하여 시간당 약 20백만 kW의 전기를 배포하였다. KIT의 Mathias Noe는 “AmpaCity 프로젝트는 기초적인 연구가 응용분야까지 전달될 수 있음을 보여주었다. 이번 연구는 에너지 시스템 변환과 같은 독일의 사회적 문제를 해결하는데 기여하고 있다. 응용분야에 활용을 목표로 하는 기초 연구는 혁신적인 산업 개발과 긴밀한 협조 하에서 일어난다”고 밝혔다.

지난 180일간의 가동 후 RWE Deutschland의 Joachim Schneider 박사는 “지금까지 특별한 문제 없이 초전도 케이블을 운영할 수 있었다. 프로젝트 참여자들은 초전도체 시스템을 추가적으로 최적화하는데 활용할 수 있는 귀중한 기술적 결과를 확보하였다”고 설명하였다. 프로젝트 참여자들은 에센 지역의 전력 그리드 보호 시스템에 최적으로 통합할 수 있도록 시스템 모니터링 계획을 변경하였다. 또한 케이블의 냉각 사이클이 특별한 요구를 충족하도록 하게 하였다. 전세계적으로 인지도를 확보한 AmpaCity의 대표 프로젝트는 독일 경제에너지부(Federal Ministry for Economic Affairs and Energy, BMWi)로부터 지원을 받고 있다.

BMWi는 5.9 백만 유로의 자금을 지원하고 있으며, 프로젝트 참여자들은 13.5 백만 유로를 투자하였다. 이번 프로젝트에는 그리드 운영을 담당한 RWE, 케이블 제조를 담당한 Nexans, 현장 테스트를 과학적으로 지원하는 KIT 등이 참여하고 있다. KIT는 AmpaCity 프로젝트 이전에 도시내 중압(Medium-voltage) 수준에서 운영되는 초전도체 사용에 대한 기술적 가능성 및 경제성 관련 세부연구의 진행을 담당하기도 하였다.

초전도체 케이블은 도시 그리드의 고압 케이블을 줄이면서 그리드 구조를 단순화하고, 인력과 일정 면적을 차지하는 변압소를 제거할 수 있는 가장 타당한 옵션이다. 구리로 된 중압 케이블은 비교적 낮은 비용으로 도시 내 전력을 전달할 수 있으나, 옴 손실(Ohmic Loss)이 매우 높다. 예비 연구에서는 10,000 볼트의 초전도체를 도시 내 분배 그리드에 사용할 수 있다는 점과 이를 통해 고전압 설비를 제거할 수 있다는 점을 강조하였다. 중기적인 면으로 볼 때 이러한 일은 그리드 효율을 개선하면서 운영 및 유지 비용을 절감할 수 있을 것이다.

지난 1987년 노벨 물리학상을 수상한 바 있는 Johannes Georg Bednorz 박사와 Alex Muller 교수는 -270°C 대신 -200°C에서의 전력 전달과 고온 초전도에 대한 연구를 수행하였다. 초전도 케이블은 초전도체의 특성에 따라 이상적인 전기전도체로 탈바꿈할 수 있다. 독일 에센지역에서는 10,000볼트의 초전도 케이블이 110,000 볼트의 일반선을 대체하였다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

중국 Teijin Limited는 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC; proton exchange membrane fuel cells)에서 음극 산소 환원 반응(ORR; oxygen reduction reaction)을 위한 비-백금 탄소 합금 촉매(CAC; carbon alloy catalyst)를 개발 중이다. CAC는 탄화 반응(carbonization)을 통하여 강철과 폴리아크릴로니트릴(PAN; polyacrylonitrile)로부터 만들어진다. CAC는 백금보다 저렴하고 쉽게 이용할 수 있어서, 고분자 전해질 연료 전지의 비용을 삭감하고 대량으로 생산이 가능하다.

Teijin Limited는 일본 도쿄 공업대학(Tokyo Institute of Technology) 소속의 연구진과 협력하여 자사의 CAC 기술을 개발 및 개선해왔다. 이러한 노력은 NEDO(Energy and Industrial Technology Development Organization)가 주도하는 CAC를 이용한 자동차 연료 전지의 개발을 목표로 하는 프로젝트의 일환이다. NEDO는 회계연도 2008년에 보다 더 큰 연료 전지를 구축하는 노력의 일환으로 CAC에 대한 연구를 착수했다. Teijin Limited는 2025년까지 상업적인 이용을 목표로 자사의 CAC의 특성과 내구성을 지속적으로 개선할 계획이다.

2012년 미국 화학학회(American Chemical Society) 저널에 발표된 논문에서, 도쿄 공업대학 소속의 연구진은 다음과 같이 밝혔다.

고분자 전해질 연료 전지의 효율은 음극에서 ORR에 의해 결정되고, 최근까지 ORR을 위해 가장 효율적인 음극 촉매는 백금 기반의 촉매이다. 그러나 대규모 상용 응용은 백금의 높은 비용으로 인하여 방해를 받고 있으며, 백금 기반의 전극은 낮은 선택성, 열악한 내구성 및 일산화탄소 불활성화 등으로 어려움을 겪고 있다.

비록 ORR 활성이 특히 산성 조건에서 아직은 백금 기반 촉매의 활성만큼 높지는 않다고 하더라고, 현재 CACs는 ORR에 대한 우수한 성능, 낮은 비용, 풍부한 자원 및 일산화탄소 중독이 없는 등과 같은 이유로 백금 기반의 촉매에 대한 대안으로 가장 유망한 촉매이다. 질소가 도핑된 CACs(N-doped CACs)는 인, 황 및 붕소 등으로 도핑된 CACs보다 훨씬 더 광범위하게 연구됐다. 일반적으로 질소를 함유하는 CACs는 일부 탄소 공급원과 함께 전이금속 12개 이상의 환으로 이루어진 화합물 또는 전이금속 염과 질소를 함유하는 전구체의 탄화 반응에 의해 합성됐다. CACs의 기본적인 구조적 요소는 탄소 나노튜브(CNTs; carbon nanotubes)를 포함한 다층 나노그래핀이다.

산소 분자의 전기화학적 환원은 녹색의 지속 가능한 사회를 위하여 중요한 화학물질인 H2O2를 생산할 수 있다. 따라서 이러한 반응에 대한 촉매의 개발이 필요하다. 연구진은 메조기공 SiO2 템플릿의 존재에서 (1-methyl-1H-pyrrole-2-yl)methanol로부터 준비된 질소가 도핑된 탄소를 제안했다. 결과적으로 얻어진 탄소의 질소 함량은 0~10 at.?%의 범위에서 제어될 수 있으며, 모든 준비된 시료는 직경 3.4~4.0nm의 잘 정렬된 메소기공을 가지고 있었다. 전기화학적 연구는 제시된 재료가 90% 이상의 H2O2에 대한 높은 선택성을 동반한 높은 촉매 활성을 가진다는 것을 의미한다. 이러한 H2O2에 대한 높은 선택성은 메소기공 구조에 의해 강화되는 촉매 층에서 우수한 질량 이동에 기인한다.

비록 집중적인 조사가 CACs에 대하여 수행됐다고 하더라도, 활성 위치와 반응 메커니즘은 명확하게 규명되지 않았으며, 논란의 여지가 있다. N-doped CACs의 ORR 활성이 피리니딕 질소(p-N; pyridinic nitrogen)에 기여하든지 아니든지, 그래파이트 질소(g-N; graphitic nitrogen) 또는 전이금속 원소는 오랫동안 치열한 논쟁의 주제가 되어 왔다.

Teijin사는 CAC가 전매 고분자 화학에 의해 축소된 촉매 입자와 탄화 반응 공정을 이용하여 뛰어난 성능을 증명했다. 이러한 결과는 연료 전지가 비금속 촉매를 이용하여 다른 우수한 연료 전지의 수준과 동일한 수준의 전기 생산을 달성할 수 있게 해주었다.

연료 전지에서 상용 촉매는 값비싼 백금을 다량으로 함유한다. 보다 더 저렴하고 쉽게 얻을 수 있는 대체물이 연료 전지 사용의 확대를 가능하게 할 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』