태양 및 풍력발전에서 얻어지는 에너지를 저장하는 새로운 종류의 배터리가 시장을 흔들고 있다. 이 배터리는 대규모이면서 수명이 오래가는 새로운 세대 배터리 중 가장 경제적이라 할 수 있다. 새로운 배터리를 통해 간헐적인 재생가능 에너지원(Renewable Energy Source)에 대해 의존도를 높이는 것이 가능할 것으로 보인다.

카네기멜론 대학(Carnegie Mellon University)에서 스핀아웃(Spin Out)된 Aquion Energy는 최근 마이크로그리드(Microgrid)라 불리는 소규모 전력 그리드 운영사에 이들의 배터리를 최초로 공급하였다. 마이크로그리드는 중앙화된 일반 그리드와는 다르게 독자적으로 운영이 가능하다.

일반적으로 풍력발전, 태양발전, 수력발전과 같은 지역 에너지원을 이용하는 마이크로그리드는 일반 그리드의 수용범위를 넘어서 거주하고 있는 수 억 명의 사람들에게 안정적으로 전기를 제공할 수 있다. 태양전지판(Solar Panel)이나 풍력터빈(Wind Turbine)에서 얻어지는 전기는 배터리에 저장할 수 있기 때문에 재생가능 에너지원을 활용한 전기 생산에 있어 간헐성 문제를 해결해준다. 따라서 재생가능 에너지로부터 24시간 전기 공급을 가능하게 해준다.

Aquion의 배터리는 염수(Saltwater)에서 얻어지는 나트륨 이온(Sodium Ion)을 전해질(Electrolyte)로 활용한다. 전류는 산화망간(Manganese Oxide)을 기반으로 하는 양극으로부터 탄소를 기반으로 하는 음극까지 염분이 함유된 전해질을 통해 이동한다. 배터리는 크고 느리게 작동하지만 기존 제조설비를 활용하여 경제적으로 만들 수 있다. 지난주 Aquion는 생산 확대를 위해 34.6백만 달러의 자금지원을 발표하기도 하였다.

배터리 비용은 현재 많이 사용되지 않는 납축전지(Lead-acid Battery) 수준이지만 수명은 2배 정도이기 때문에 장기적 비용을 절반 수준으로 저감할 수 있다. 이와 유사하게 긴 수명을 가진 다른 배터리들이 존재하지만 납축전지와 비교해보면 비용은 훨씬 높다.

새로운 에너지 저장(Energy Storage) 기술은 재생가능 에너지를 보다 실현가능하게 만드는데 중요하다. 이와 같은 일은 특히 원거리 지역(Remote Location)에 더욱 그러할 것이다. 많은 지역에서 디젤연료보다 태양발전을 보다 경제적으로 만드는 일은 전기를 제대로 활용할 수 있는 10억 명의 인구 중 일부에게 청정에너지를 공급하는데 중요한 역할을 할 것이다.

향후 비용이 하락함에 따라 배터리는 마이크로그리드 이외에 새로운 응용분야를 찾을 수 있다. 일반 전력 그리드가 재생가능 에너지에 대한 의존도가 점차 높아짐에 따라 이를 안정화하기 위해서도 활용될 수 있다. Aquion사는 어느 지역에서 이들의 배터리가 사용되고 있는지에 대해 세부적으로 언급하지는 않았다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

미국 에너지부 산하 FCTO(Fuel Cell Technologies Office)는 2014년 수소 및 연료전지 프로그램에 대한 경과보고서를 발간하였으며, 분량의 거의 1,000 페이지에 달한다. 본 보고서는 매년 제공되고 있으며, 미국 에너지부의 수소 및 연료전지 프로그램(Hydrogen and Fuel Cells Program)에서 프로젝트 자금을 지원하고 있으며 최근 프로그램의 성과에 대한 부가적인 정보를 제공해 주고 있다.

본 프로그램에는 수소 및 연료전지 기술에 대한 핵심적인 진보에 대한 연구, 개발 및 시연에 관한 자료뿐만 아니라, 상업화를 위해 장애물들을 극복하기 위한 활동들을 포함하고 있다. 이 프로그램인 기초 및 응용연구, 기술 개발 및 시연 그리고 다른 지원활동들을 통합시키고 있다. 지난 해 FCTO의 디렉터인 Sunita Satyapal 박사는, 이 프로그램이 목적과 목표를 향상시키고 실질적인 진보를 이루었다고 평가하였다.

본 보고서에서는 에너지부에서 지원하는 다양한 활동들을 광범위하게 포괄하고 있으며 다음과 같다: 수소 생산, 전달 및 저장; 연료전지(실험을 통한 촉매 및 멤브레인 개발); 제조와 관련된 연구개발; 기술평가; 안전, 코드 및 표준; 시장 전환(market transformation); 시스템 분석; 및 중소기업혁신개발사업(small business innovation research).

<연료전지>
연료전지 하부프로그램 활동에 대한 개요에서, 에너지부 연료전지 프로그램 매니저인 Dimitrios Papageorgopoulos 박사는, 매우 높은 활성을 갖는 새로운 백금-니켈(platinum-nickel) 촉매의 개발을 강조하고 있다.

로렌스버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 과학자들은, 2주간 대기 중에 노출시킨 용매에 놔둔 백금-니켈 결정성 다면체 입자를 처음 합성하였다. 구조 및 조성에서 큰 변화가 관찰되었다. 입자들이 백금이 더 많은 합금 상태로 변화함과 동시에 중공 나노프레임(hollow nanoframe) 구조로 변형된다는 것이었다. 촉매작용에 대한 이 새로운 구조의 잠재적 관련성을 인지한 로렌스버클리 국립연구소 과학자들은 아르곤 국립연구소 전기화학자들과 연구팀을 구성하였다. 아르곤 국립연구소는 합성과정을 최적화하여, 실험을 통해 이전의 어떤 연료전지를 능가하는 활성을 보이는 촉매를 단지 수 시간 내에 제조할 수 있도록 하였다.

나노프레임 촉매 내에 양성자성 이온액체(protic ionic liquids, PILs)를 주입하여 활성을 더욱 증가시켰으며, 기존의 백금 촉매보다 30배 이상의 활성(mass activity)을 보여주었다. 이 활성시험은 회전 원판 전극(rotating disk electrode, RDE) 실험을 통해 수행되었다.

이 나노프레임은 가속 스트레스 시험(accelerated stress testing)을 10,000 사이클 이상 시행한 후에도 활성의 감소가 나타나지 않음으로써 높은 내구성을 증명하였다. 아르곤 국립연구소는 이제 연료전지에서의 촉매합성 실험을 위해 규모를 키우고 있으며, 이것은 실용화를 위한 타당성을 평가하는데 핵심적인 단계이기도 하다.

또한 2014년 General Motors사가 이끈 연구팀은 백금/코발트 및 백금/니켈 탈합금(dealloyed) 촉매에 고전류 성능의 양호한 내구성을 보고한 바 있으며, 이는 활성 및 내구성에 대한 에너지부의 목표치를 이미 달성한 값이었다. 이 촉매들은 0.4 mgPt/cm2 전극으로서 H2/air 연료전지의 성능과 동일하였지만, 백금그룹의 귀금속 함량은 단지 1/4에 불과하였다.

개선된 성능은 모든 종류의 자동차에서 확인되었다. 0.6 및 0.925 V 사이에서 60,000 사이클까지, 1.5 A/cm2에서 단지 20mV의 손실만이 나타났다.

Papageorgopoulos는 이전의 프로젝트에서 개발된 성분을 이용하여, 운전조건에서 멤브레인의 내구성과 성능을 개선하기 위해 2014년 새로 시작된 프로젝트에 대한 내용도 강조하고 있다.

특히 이전에 개발된 perfluoroimide acid ionomers는 많은 성능과 내구성 목표를 만족시켰지만, 모든 에너지부의 멤브레인 목표치를 동시에 만족시키기 위해서는 멤브레인의 두께 감소와 ionomer의 개선이 필요한 상황이다. Ionomer의 화학적 구조를 변형하고 밴더빌트대학(Vanderbilt University)에서 개발한 불활성 나노섬유 지지체를 이용하면, 화학적 및 기계적 내구성 목표를 달성하는 새로운 멤브레인의 제작이 가능하다.

마지막으로, 백금/니켈 나노구조 박막 촉매를 포함하는 MEAs(membrane electrode assemblies)의 개선도 언급되고 있다. 이것은 고전류 밀도에서 성능 향상을 가능하게 하기 때문에, 백금그룹의 금속함량을 150 kPaabs 에서 0.16 g/kW까지 낮출 수 있었다. 이 측정은 90 °C의 높은 온도와 0.69 V의 압력조건에서 얻어졌으며, 이것은 엔지부의 열저항(heat rejection) 목표인 Q/ΔT ≤1.45를 만족하는 조건이다.

이전에 발표된 0.69V에서 측정된 백금그룹 금속의 함량과 비교해 볼 때, 금년에 결과는 2012년 및 2013년에 비해 각각 25% 및 6% 개선된 것이다. 에너지부의 목표인 0.125 g/kW 수준과 내구성 목표를 모두 달성하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

최근 도시바(Toshiba Corporation)는 재생가능 에너지(Renewable Energy)와 수소(Hydrogen)를 이용한 독자적인 에너지 공급 시스템(Energy Supply System)의 실증 테스트를 위해 일본 카와사키시(Kawasaki City)와 상호 협력할 것을 약속하였다. 이 시스템은 카와사키 마리엔 공공시설 및 Higashi Ogishima Naka Park에 구축되었으며, 내년 4월부터 실증테스트가 시작되어 2020년 말에 완료될 예정이다. 카와사키 마리엔은 유사시 지정된 긴급 피난 장소이다.

재난 발생시 이 시스템은 약 300여 명의 피난민들에게 1주일 분량의 전기와 온수를 공급할 수 있다. 독립적인 에너지 시스템은 태양광발전 (Photovoltaic) 설비와 저장용 배터리, 수소를 생산하기 위한 물 전기분해(Water Electrolysis) 장비, 수소 및 물 탱크, 연료전지(Fuel Cell)로 구성되어 있다. 태양광발전 설비를 통해 전기를 생산한 후 이 전기를 활용하여 물을 전기분해한다. 그렇게 되면 수소가 생산되며, 이 수소는 탱크에 저장되었다가 필요시 전기와 온수를 공급하기 위해 연료전지로 보내진다.

에너지 공급 시스템의 장점은 오직 태양광과 물만을 이용하여 가동할 수 있기 때문에 비상시 전기와 온수를 독자적으로 공급할 수 있다. 또한 트레일러를 이용하여 재난이 발생한 지역으로 시스템을 직접 운송할 수 있다. 그리고 유사시가 아닌 일반적인 상황에서는 에너지 공급 설비의 태양광발전 및 저장용 배터리의 최적화된 조절을 통해 카와사키 마리엔 공공설비 및 Higashi Ogishima Naka Park에서 사용되는 전기 수요가 최고치에 도달할 때 이를 보완하는데 활용될 수 있다.

도시바는 자신들의 리튬이온 배터리를 저장용 배터리로 활용하고 있으며, 수소 연료전지 역시 자신들의 제품을 이용하여 장기적으로 안정적인 운영이 가능하게 할 계획이다. 카와사키시는 실증테스트을 위한 환경을 제공할 예정이며, 도시바는 설계, 제조 및 설비유지에 대한 책임을 맡았다. 이번에 얻어진 결과는 카와사키시와 도시바가 공동으로 활용할 계획이다. 카와사키시와 도시바는 스마트 커뮤니티(Smart Community)라는 목표를 위해 지난 2013년 10월 협력에 대한 협약서를 체결한 바 있다.

카와사키시와 도시바는 카와사키 역 근처에 있는 도시바의 스마트 커뮤니티 센터를 운영의 기반으로 활용하여 역 주변의 건물, 상업지역 활성화, 전기 버스 운영을 위한 에너지 관리 등을 포함하는 다양한 방안에 대해 홍보해왔다. 도시바는 거주형 연료전지 개발 및 수소관련 기술을 지속적으로 개발할 예정이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

영국 Derbyshire 소재 한 환경 및 엔지니어링 자문기관이 현존하는 가장 규모가 큰 핵융합 장치에 대한 업무 관련 계약을 체결했다.

벨퍼의 이스트 밀에 위치한 Idom Merebrook은 공동유럽토러스(Joint European Torus, JET)의 지지(support) 시스템의 신뢰성 조사를 수행하는 기관으로 선정되었다. 영국의 옥스퍼드 근처 핵융합에너지 관련 Culham 센터에 위치한 JET는 유럽위원회와 영국 원자력청 간의 공동 프로젝트이다. JET는 전세계 과학자들에 의해서 활용되고 있는 유럽 핵융합연구 프로그램의 중심점이다. JET는 미래 핵융합 그리드 에너지의 길을 여는 목적으로 30년에 걸쳐서 가동 중이다.

30년 동안 JET 프로젝트로 인해서 미래 전력 생산과 관련하여 “토카막(tokamak)”의 지속가능성에 대한 자신감이 증대되었다. 전기생산을 위해서 핵융합 연구가 진행되었으므로 토카막은 상업용 핵융합로에 사용될 이중수소-삼중수소 핵연료를 사용할 수 있는 운전 중인 유일한 핵융합로이다.

최근 몇 년 동안 JET는 프랑스 카다랑쉬에 건설되고 있는 새로운 ITER 핵융합로의 설계 및 건설을 지원하는 많은 역무를 수행했다. ITER 핵융합로가 완성되면 세계 최대의 핵융합 실험로가 될 것이다.

Idom Merebrook의 원자력 서비스 책임자인 Robin Carter는 “영국 원자력청이 제공한 이 프로젝트는 핵융합로의 잠재적인 취약성을 조사하고, 지지 시스템을 향상시키고 JET의 두 번째 이중수소-삼중수소 실험캠페인에 대한 준비를 위한 다양한 설비를 건설하는 것이다. 이미 시작된 이 프로젝트는 2015년 초까지 계속될 것”이라고 말했다.

“우리 팀은 원자력 환경에서 기획, 조정 및 대형발전소 환경의 조사와 같은 광범위한 경험을 가지고 있으며, 스페인과 남미에 많은 원자력발전소에 대해서 이와 같은 서비스를 제공한 바 있다. 그래서 이 프로젝트는 우리가 안전한 범위에서 잘 수행될 수 있다. 이 프로젝트 범위는 일반적 환경 조사, 설비에 대한 운전 경험 및 유지보수 기록과 중성자 활성화, 중성자 취성화, 금속 피로 및 환경 응력과 같은 요소를 평가하는 것”이라고 그는 덧붙였다.

Merebrook는 1997년에 설립되었다. 2008년에 구조, 에너지 및 건설 엔지니어링 서비스를 확대하는 전략적 동맹 이후 스페인 엔지니어링 기업인 Idom Group의 자회사가 되었다. 지난 10월, 동사는 Heathrow 공항 관련 프로젝트로 British Construction Industry Awards의 최종 후보에 오른 바 있다. 동사는 퀸스 터미널로 알려진 터미널 2에 대한 전문성을 보유하고 있으며, 이 프로젝트는 무거운 비행기의 무게를 견디는 대형 지하 구조물을 건설하는 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』