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정헌 전
7 years ago
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1 에너지 르네상스: 수소를 에너지로 사용하는 세상 전남대학교 조성준

2 에너지의 변천 자연 나무 석탄 석유와 천연가스 (원시시대) (중세) (18세기 이후) (현재) 우리나라 50년대 이전 60년대 70-80년대 90년대 30여년 사이에 우리나라의 에너지 사용 패턴이 나무-석탄-석유- 30여년 사이에 우리나라의 에너지 사용 패턴이 나무-석탄-석유- 천연가스로 급격히 바뀌고 있음

3 에너지의 변천 석탄 석유 천연가스 수소 H/C=1/2 H/C=1/1 H/C=2/1 H/C=4/1 H/C= 고체 액체 기체

4 에너지의 변천 사용비율 고체 액체 기체 년도 From Seth Dunn, Int. J. Hydrogen Energy, 2002, 27, 235 전세계적으로 년을 기점으로 기체상의 에너지 사용구 조로 빠르게 재편되고 있음

5 에너지 사용량의 변화 2000 Energy Use (EJ/ye ear)

6 교통수단의 석유 소비 22 of Barrels per Day Domestic Production Marine Actual Projected Air Heavy Vehicles Millions Off-road Rail SUV, Light 소형트럭 Trucks 등 Cars 자동차 Year Source: Transportation Energy Data Book: Edition 22, September 2002, and EIA Annual Energy Outlook 2003, January 2003 From DOE Hydrogen production program

1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 Year Source: Transportation Energy Data Book: Edition

7 에너지수요와 환경의 변화 에너지 수요 증가 14 TW (2000) 28 TW (2050) 폭발적인 인구 증가 100 ~ 110억 (2050) 에너지 소비 패턴 변화 (화석에너지 청정에너지) 지속가능하고 환경친화적이며 효율이 높은 에너지원의 개발 및 에너지 이용장치 개선

8 우리나라 에너지수요 석유제품 난방 천연가스 수송 원유 (30억불) 전력생산 (290억불) 원유 수입량 세계 4위, 원유소비량 세계 6위 막대함 수입하는 원유와 천연가스의 90% 이상을 에너지원으로 사용함

9 지구온난화 (Global Warming) nomaly( o C) Temp perature A 에너지로부터 발생 CO 2 82% 기타 가스 2.1% 메탄 9% 질소산화물 56% 5.6% 기타 CO 2 1.7%

10 (2005년 기준)

11 석유 천연가스 석탄

12 식물의 광합성 6 CO 2(gas) + 6 H 2 O (liquid) + hν C 6 H 12 O 6(aqueous) + 6 O 2(gas) 이산화탄소+ 물 + 빛 에너지 글루코스 + 산소

13 지구역사 속에서 태양에너지 매년 3 x J ~ 10,000 배 지구의 모든 에너지 소비 화석연료 (석탄, 석유, 천연가스 등): 광합성에 의해 만들어진 유기물과 동물의 수십억년 된 연소가 가능한 지질학적 잔해 A general term for buried combustible bl geologic deposits of organic materials, formed from decayed plants and animals that have been converted to crude oil, coal, natural gas, or heavy oils by exposure to heat and pressure in the earth's crust over hundreds of millions of years

materials, formed from decayed plants and animals that have been converted to crude oil, coal,

14 에너지의 변천 석탄 석유 천연가스 수소 H/C=1/2 H/C=1/1 H/C=2/1 H/C=4/1 H/C= 고체 액체 기체

15 주기율표

16 수소란 무엇인가 주기율표 중 제1주기 제1번 원소. 원소기호 : H 원자번호 : 1 원자량 : 녹는점 : 끓는점 : 동위원소로는 질량수 2 및 3인 것(중수소라고 한다)이 있다. 질량의 차가 뚜렷하고, 성질의 차이가 크다. 이 사실로부터 보통 수소를 프로튬(protium), 듀테륨(deuterium), 트리튬(tritium)으로 구별한다. -수소는 1774년 영국의 H.캐번디시에 의하여 처음으로 물질로서 확인 (묽은 산과 금속과의 반응에서 생성) -프랑스의 A.L.라부아지에는 1785년 가열된 철관 속에 수증기를 통과시켜 물을 분해하고 수소를 얻음. -그리스어의 물을 뜻하는 히드로(hydro)와, 생성한다는 뜻의 제나오 (gennao)를 합쳐 hydrogne이라 명명.

이 사실로부터 보통 수소를 프로튬(protium), 듀테륨(deuterium), 트리튬(tritium)으로 구별한다. -수소는 1774년 영국의 H.

17 수소의 특성 -수소는 지구상에 널리 분포하며, 특히 대기 상층부에는 대량으로 존재하지만, 하층 부분에는 극히 미량( 부피 % 정도)이 존재 -화합물로 물 또는 많은 유기화합물을 이루어 널리 존재 -지구 이외의 천체( 天體 ), 특히 태양을 비롯한 많은 별에 수소가스 및 원자상태 수소의 존재가 인정. - 수소는 무색 무미 무취의 기체. - 지구상에 존재하는 물질 중에서 가장 가벼움. - 임계온도( 臨界溫度 ) , 임계압력 12.8atm 임. - 상온에서는 반응성이 적지만, 온도가 높으면 많은 원소와 직접 반응. - 산소와의 2:1 혼합물은 500 이상에서 격렬하게 반응하여 폭발함. - 황과는 황화수소, 질소와는 암모니아, 염소와는 염화수소를 생성. - 많은 금속과도 직접 반응하여 수화물을 만듦. -혼합가스 중의 수소는 이산화탄소 등을 흡수시켜 제거한 후 그런 후 과량의 공기 또는 산소를 혼합 하여 연소시키거나(H 2 +1/2O 2 H 2 O), 또는 로 가열한 산화구리(II)에 의하여 연소 시켜(H 2 +CuO Cu+H 2 O) 가스량의 감소로부터 수소의 양을 구함.

- 지구상에 존재하는 물질 중에서 가장 가벼움. - 임계온도( 臨界溫度 ) -239.9, 임계압력 12.8atm 임. - 상온에서는 반응성이 적지만, 온도가 높으면 많은 원소와 직접 반응.

18 수소를 에너지로 사용하기 위해서는? 물(H( 2 O) 수소(H( 2 ) + 산소(O( 2 ) 열,, 전기 + 물 (H 2 O) 태양광 등 연료전지 - 이산화탄소를 발생하지 않음 - 순환하는 에너지 싸이클을 가짐

19 수소 제조 방법

20 전해질 연료극 공기극 수소 H + 산소 물 e Electrical Circuit

21 연료전지 Battery H H H H O O e H+ H + e e Li + Li + e e H + H + e e e Li + Li + e H + H + e H + O 2- Li Li e H + e H + H + Li H + H + O 2- 에너지 변환장치 에너지 저장장치

22 고분자 박전해질 연료전지 소형연료전지 직접메탄올연료전지 고체산화물 연료전지 용융탄산염 연료전지 mw 2W 50W 2 kw 70 kw MW MEMS 휴대폰 노트북 PC RPG 자동차 발전소 기타 활용 분야 : 군사용, 로보트용, 레저용, 소형 발전용

25 수소에너지 경제 구축 : 생산 교육 법률과 표준 안전성 시스템 구성 및 분석 이송 제조 연료전지 기술 검증 경제 저장 연구 개발

26 수소자원 : 물, 화석연료, 바이오매스 [1] 상업 공정 물의 전기분해 : 2H 2 O(l) 2H 2 (g) + O 2 (g) 메탄의 증기 개질 : 2CH 4 (g) + O 2 (g) + CO 2 (g) 3H 2 (g) + 3CO(g) + H 2 O + Heat 탄화수소의 부분산화 : CH 4 (g) + 1/2O(g) ) 2 H 2 (g) + CO(g) ) + Heat 석탄가스화 : C(s)+1/2O 2 (g) CO(g), C(s)+H 2 O (l,g) H 2 (g)+co(g), CO(g)+H 2 O(g) CO 2 (g)+h 2 (g) [2] 연구개발 단계 천연가스의 열분해 증기 전기 분해 물의 열분해 열화학반응 광화학반응 광전기화학 반응 광-미생물학적광 반응 바이오매스 열분해

27 자열개질반응 (Autothermal reformaer) GM and Toyota s Serpentine 자열개질 반응기 InnovaGen TM 소형 관로 개질기

28 소형 연료 개질기 : 연소/기화

29 소형화기술 CO(g)+H 2 O(g) CO 2 (g)+h 2 (g)

30 일산화 탄소 (CO) 제거 반응장치 CO(g)+1/2O 2 (g) CO 2 (g)

31 소형화기술: 집적된 연료 개질기

32 물의 태양광 분해 H 2 O H O C 이상의 고온 - 수소와 산소의 분리 기술 TW=10 12 W

33 광화학 사이클을 이용한 물의 분해 1 단계 (태양광) : M x O y xm + y/2o 2 2 단계 : xm + yh 2 O M x O y + yh C 이하의 낮은 온도에서 작동 - 전달체 : H 2 SO 4 ( 870 C ), CaBr 2 (750 C ), FeBr 2 (600 C ), Fe 2 O 3 /FeO(2030 C), TiO 2 /TiO x (2500 C), Mn 3 O 4 /MnO, Co 3 O 4 /CoO 등

34 광화학 사이클을 이용한 화석연료의 분해 M x O y + ych 4 xm + y(2h 2 +CO)

35 광화학 사이클을 이용한 화석연료로부터 탈탄소 C x H y xc(gr) + y/2h 2 C x H y +xh 2 O (y/2+x)h 2 +xco CO+H 2 O H 2 +CO 2

36 태양광 스펙트럼 - 01% 0.1% 지구 표면적과 10% 에너지 효율 ~ 전세계 에너지 사용량

37 광전시스템 (Photovoltaic cell)

38 에너지효율 6%를 지닌p-n 접합형 태양전지 p (미국 벨연구소,1954)

39 반도체 전극을 이용한 물의 광화학 분해 Nature 238, (7 July 1972) Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode AKIRA FUJISHIMA * & KENICHI HONDA * Department of Applied Chemistry, Kanagawa University, Yokohama Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Roppongi, Tokyo Abstract ALTHOUGH the possibility of water photolysis has been investigated by many workers, a useful method has only now been developed. Because water is transparent to visible light it cannot be decomposed directly, but only by radiation with wavelengths shorter than 190 nm

40 티타니아 (TiO 2 )의 구조 Rutile: R Ti-O = 0195nmand nm, Eg = 3.1 ev, r=4.250 g/cm 3, DG f0 = kcal/mole l Anatase: R Ti-O = nm and nm, Eg = 3.3 ev, r=3.894 g/cm 3, DG f0 = kcal/mole l

41 태양광에너지를 이용한 광화학 반응

42 염료감응 나노 티타니아 태양전지, % (Grazel et al., 1991)

43 수소에너지 경제 구축 : 이송, 저장 교육 법률과 표준 안전성 시스템 구성 및 분석 이송 제조 연료전지 기술 검증 경제 저장 연구 개발

44 수소 이송 파이프라인 가스 트럭 직접개질 액체 수소 소, 화학 수소 액체수소 - 파이프라인 - 트럭 - 철도 금속수소화 합물 기타

45 수소 저장 목표 6.5 wt% (무게비), 62 kg H 2 m -3 (부피비) 연비: 1 kg H 2 (l) 당 ~ 100 km 주행 L 휘발유 300 kg 금속수소화합물 (2 wt%) 100 kg 또는 100 L 흡착제 (6 wt%)

46 수소 저장 기술의 현재와 미래 Hynek et al. Int. J. hydrogen Energy, 22, 601 (1997) 14.7 psi= 1 기압

47 탄소 나노 튜브를 이용한 수소 저장

48 금속-탄소나노 튜브의 수소 저장

49 수소 저장 물질 개발을 위한 나노 기능화 공정 Function Group Metal Functional Surface Metal Group Functionalizaiton Precursor Removal Covalent or Noncovalent CNT bonding

50 금속 유기 구조체의 구조와 기능

51 금속 유기 구조체의 수소 저장 O O H 2 N O O O O O O Yaghi et al. JACS, 2004, 126, 5666

52 나노 크기 물질을 이용한 수소 저장

53 금속 수소 화합물

54 NaBH 4 를 이용한 수소 저장 기술

55 나노기술을 활용한 에너지 기술 태양광을 이용한 물분해 반응으로부터 수소 생산 고효율 청정 공정을 위한 선택적 촉매 저가형 20%이상 고효율 태양광 수집 반도체 이용 고효율 광원 자동차, 비행기 등 효율 향상을 위한 초경량 소재 상온 가역 수소 저장 소재 1 GW급 전력송전소재 나노 구조 소재를 이용한 저가형 연료전지,, 배터리,, 열전소자,, 초고용량 축전지 생물체를 모사한 고효율 선택적 소재 합성 및 에너지 수집 From the Report of Nanoscience Research for Energy Needs, NNI, March 2004

56 하이드라진 분해 촉매란? N 2 H 4 (l) N 2 (g) + 2H 2 (g) +12 kcal 20 N Class Thruster - NASA, USAF 등 우주선과 인공위성에 사용. - 고가 이리듐 금속이 담지됨.

57 Newton's 역학 3 법칙에 따르면 모든 작용하는 힘에는 동일한 크기의 반대방향 으로 작용하는 힘이 있다.

58 인공위성 자세와 위도 제어 - 하이드라진 연료 vs. 위성 추진 시스템, > 23 % - 10 년 수명

59 하이드라진 수화물 생산량: 연 11,000 톤 (케이오씨 1980-현재) 제조 규격: 55%, 60%, 80%, 85% 100%로 제조 용도: 발포제, 보일러 청관제, 합성수지, 화학수지, 고무약품, 의약, 농약, 수처리제로 사용 Rasching법(NaOCl), Bayer 법(Cl 2 ), 과산화수소법 (H 2 O 2 ) 100% H.HH 80% H.HH 60% H.HH 55% H.HH H wt% 인화점 비중 응고점 비점

60 하이드라진 분해 촉매 개발 Wt% a S BET (m 2 g -1 ) b D H/Ir c d H/Ir (nm) d d XRD (nm) e Ir-A Ir-B a Weight percent according to EDX, b BET surface area, c Dispersion based on the irreversible hydrogen chemisorption obtained from the difference between the total hydrogen chemisorption and the reversible hydrogen chemisorption at 298 K. d Particle diameter estimated using d H/Ir =1/(D H/Ir ). e Particle size estimated from the Scherrer equation using (111) peak at 2q= nm Number Avear rge Intensity Particle size (nm)

61 하이드라진 분해 반응 시스템 개략도 Hydrogen separation membrane (optional) N 2 H 4 H 2 O H 2 Hydrazine decompositi on catalyst Ammonia Conversion catalyst 2H 2 4H + + 4e - Electrolyte H + O 2 + 4e - + 4H + 2H 2 O K K O 2 H 2 O (g) N 2 (g), H 2 (g), NH 3 (g) 3N 2 H 4 H 2 O (l) 4(1-x)NH 3 (g) + (1+2x)N 2 (g) + 6xH 2 (g) + 3H 2 O(g)

62 하이드라진 수화물 분해 반응 시스템 P N 2 H 4 N 2 P H 2 On-line analysis Control & data collection TC3 TC1 TC2

63 하이드라진 수화물 분해 반응 시스템

64 수소에너지 경제 구축 : 연료전지, 안전 교육 법률과 표준 안전성 시스템 구성 및 분석 이송 제조 연료전지 기술 검증 경제 저장 연구 개발

65 수소의 안전성-Hinderburg ( ) 6.) - 법과 표준기준에 근거한 안전 규제

66 수소 경제 : 국가 비전과 로드맵

한국전지학회 춘계학술대회 Contents 기조강연 LI GU 06 초강연 김동욱 09 안재평 10 정창훈 11 이규태 12 문준영 13 한병찬 14 최원창 15 박철호 16 안동준 17 최남순 18 김일태 19 포스터 강준섭 23 윤영준 24 도수정 25 강준희 26

한국전지학회 춘계학술대회 Contents 기조강연 LI GU 06 초강연 김동욱 09 안재평 10 정창훈 11 이규태 12 문준영 13 한병찬 14 최원창 15 박철호 16 안동준 17 최남순 18 김일태 19 포스터 강준섭 23 윤영준 24 도수정 25 강준희 26 2015 한국전지학회 춘계학술대회 2일차 한국전지학회 춘계 학술대회(신소재 및 시장동향 관련 주제 발표) 시간 제목 비고 세션 1 차세대 이차전지용 in-situ 분석기술 좌장 : 윤성훈 09:00~09:30 Real-time & Quantitative Analysis of Li-air Battery Materials by In-situ DEMS 김동욱(한국화학연구원)