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Dec 22, 2023

해

최근 몇 년간 재생에너지를 이용한 전기 생산에 상당한 진전이 있었습니다. 그러나 현재 화학연료 생산은 전체 생산량의 약 80%를 차지하고 있다.

최근 몇 년간 재생에너지를 이용한 전기 생산에 상당한 진전이 있었습니다. 그러나 현재 우리가 소비하는 에너지의 약 80%(IEA, World Energy Balances, 2020)를 차지하는 화학 연료를 재생 에너지에서 생산하는 것은 더욱 어렵습니다. 재생 가능 에너지가 탄화수소, 수소 등 화학 결합에 저장되는 화학 연료의 녹색 생산 방법 개발은 간헐적 에너지(예: 풍력, 태양광)를 완충하는 방법으로 중요하며, 국내 또는 국제적 지원에 핵심입니다. 에너지를 수송하고 원격 또는 분산된 위치에 에너지를 공급하는 데 유용합니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 Sun-To-X는 유럽 연합의 Horizon 2020 프로그램의 자금 지원을 받았으며 RTO(연구 기술 조직), 업계 및 중소기업(SME)으로 구성된 9개 파트너로 구성된 컨소시엄입니다. 해당 사업은 2020년 9월에 시작돼 2024년 2월 완료될 예정이다.

Sun-To-X 프로젝트는 화학 에너지 저장을 위한 새로운 가치 사슬을 탐색하는 것을 목표로 합니다(그림 1). 첫 번째 단계로, 태양 에너지는 주변 습도나 비로부터 물 공급원료로 수소를 생산하는 데 사용됩니다. 그런 다음 이 수소는 재활용 가능한 산화규소 기반 전구체와 열화학 공정을 통해 반응하여 운송 및 에너지 부문에 직접 적용할 수 있는 무탄소, 무독성, 에너지 밀도가 높은 액체 연료인 HydroSil을 형성합니다.

HydroSil 분자는 1년 이상 안정적이므로 재생 에너지의 장기 저장에 적합합니다. 그런 다음 순환 경제 발전을 위한 폐플라스틱의 환원적 해중합에서 HydroSil의 또 다른 용도를 탐구합니다. 이 가치 사슬의 모든 프로세스에서 컨소시엄은 환경 영향을 최소화하기 위해 풍부한 재료를 사용하는 데 중점을 두었습니다.

이 프로젝트에는 다음과 같은 주요 기술 목표가 있습니다.

이러한 목표는 경제 발전을 위한 유럽 연합 및 미션 혁신 목표와 지속 가능한 에너지 시스템 구축을 통한 에너지 안보 강화에 기여합니다.

태양광 수소는 이미 소규모로 상용화되고 있는 태양광 패널과 전해조(PV-E)의 결합 등 다양한 기술을 통해 생산할 수 있다. 그러나 태양광 수소 생산 비용의 문제로 인해 광전기화학 접근법과 같은 대체 기술이 개발되었습니다. 광전기화학 기술은 광흡수 기능과 전극 기능을 단일 구성 요소인 반도체 광전극으로 결합합니다. 이러한 더욱 통합된 시스템을 실현하면 미래의 태양광 수소 생산 비용이 낮아질 수 있습니다(Shaner et al., Energy Environmental Science, 2016). 우리의 목표는 태양-수소 효율이 10%인 장치를 개발하는 것입니다.

광전기화학 기술에 대한 대부분의 연구는 액체 물을 물 공급원료로 사용하는 데 중점을 두었습니다. 대안으로 주변 습도를 사용하는 것은 장치의 지리적 적용 가능성을 확장하고 기포 형성(빛을 산란시키고 촉매 부위를 차단할 수 있음) 및 물 표면의 빛 반사와 같은 기술적 문제를 해결하기 위해 점점 더 연구되는 옵션입니다. 액상 수원과 기상 수원 활용의 주요 구성 요소 차이점은 다공성 광전극을 사용하여 장치에 습기가 들어갈 수 있도록 하는 반면, 액상 경우에는 박막 광전극을 사용할 수 있다는 것입니다. 또한 기체상 반응을 위해서는 수분을 광전극과 접촉시키기 위해 나피온(Nafion)과 같은 물을 흡수하는 고체 전해질을 사용해야 합니다.

이상적으로, 광전극은 광양극과 광음극이 각각 태양 스펙트럼의 다른 부분(즉, 청색광과 적색광)을 흡수하는 소위 직렬 구성으로 배치되며, 우리의 목표 장치 구조는 그림 2에 나와 있습니다. 태양광에서 수소로의 효율을 극대화합니다. 이는 전하를 효과적으로 전달하기 위해 가스상 구성을 사용할 때 어려운 일이며, 광전극은 전하 전도성 지지체에 증착되어야 합니다. 평면 광전극의 경우 불소 도핑 주석 산화물(FTO) 코팅 유리 패널을 사용할 수 있습니다. 이는 전도성이면서 투명하여 빛이 두 번째 광전극을 통과할 수 있도록 해줍니다. 그러나 다공성 전도성 지지체 또는 가스 확산 층은 일반적으로 완전히 불투명한 탄소 또는 금속(예: 티타늄)으로 제조됩니다. 현재 광전기화학 시스템의 확장성과 안정성에 대한 과제는 이러한 직렬 시스템의 기술 준비 수준(TRL)이 현재 3(실험실 설정에서 기능적)임을 의미합니다. 프로젝트 범위 동안 목표는 TRL을 5개(관련 환경에서 시연)로 늘리는 것입니다.