태양광

연구진이 태양 에너지를 이용해 녹색 수소와 열을 모두 생산할 수 있는 킬로와트 규모의 파일럿 플랜트를 구축했습니다. 태양광-수소 발전소는 현재까지 건설된 것 중 최대 규모로, 8시간 안에 약 0.5kg의 수소를 생산하는데, 이는 등가 출력 전력이 2kW가 조금 넘는다.

"우리는 태양광 수소 생산의 1kW 한계를 깨뜨렸습니다."라고 로잔에 있는 스위스 연방 기술 연구소(EPFL)의 재생 에너지 과학 및 공학 교수인 Sophia Haussener는 말합니다. "수소 0.5kg이면 약 100km 정도 자동차를 운전할 수 있습니다. 또는 연료전지를 사용하여 전기를 생산하고 4인 가족이 하루에 필요로 하는 전력의 약 절반을 충족시킬 수 있습니다."

오늘날 전 세계에서 사용되는 수소의 약 95%(주로 비료 및 기타 화학물질 생산 또는 정유에 사용)는 천연가스를 분해하여 만들어지며, 이 과정에서 이산화탄소가 생성됩니다. 그러나 수소는 또한 비행기와 선박의 연료, 주택 난방, 전기 생산을 위한 연료로서 엄청난 가능성을 갖고 있습니다.

하지만 지속 가능한 연료가 되려면 수소는 배출을 최소화하면서 재생 가능 에너지나 원자력을 사용하여 만들어져야 합니다. 그린 수소에 대한 아이디어는 이제 전 세계적으로 속도를 높이고 있습니다. 예를 들어, 이는 경제를 탈탄소화하려는 호주 계획의 핵심입니다.

수소를 만드는 가장 지속 가능한 방법 중 하나는 태양 에너지를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 것입니다. 이는 광전지 장치와 전해조 장치를 결합한 광전기화학(PEC) 시스템을 사용하여 수행할 수 있습니다. PV 장치는 햇빛을 흡수하고 물을 전해 분해하는 전기를 생성합니다. Haussener는 "두 개의 별도 시스템을 설계하고 비용을 지불할 필요가 없습니다."라고 말합니다. "단일 통합 시스템이므로 궁극적으로 비용상의 이점이 있습니다."

PEC 시스템은 실험실 규모에서 엄청난 가능성을 보여주었습니다. 연구원들은 지금까지 출력 전력이 100와트 미만인 소규모 설정을 시연했습니다. Haussener는 효율성, 안정성, 운영 비용의 균형을 맞추고 생산 속도를 극대화해야 하기 때문에 더 큰 시스템으로 확장하는 것은 쉽지 않다고 말합니다.

이러한 균형을 이루기 위해 그녀와 동료들은 태양 복사를 작은 지점에 집중시키고 거울 반사판을 사용하여 태양 전지 모듈을 배치했습니다. 그들은 직렬 다중 접합 III-V 반도체 태양 전지를 사용합니다. 이 태양 전지는 햇빛을 전기로 변환하는 데 매우 효율적이지만 대면적 장치에 사용하기에는 엄청나게 비쌉니다.

Nature Energy에 보고된 대규모 킬로와트 규모 시스템을 위해 연구원들은 태양 복사를 태양의 정상 출력의 약 1,000배로 집중시키는 반사 거울로 덮인 7미터 너비의 포물선형 태양 접시를 만들었습니다. 접시는 6~8시간 동안 태양을 추적합니다.

태양전지 모듈에서 생산된 전기는 고체 플라스틱 재료를 전해질로 사용하는 전해조의 일종인 고분자 전해질막 전해조를 구동합니다. 이러한 장치는 매우 높은 전류 밀도에서 작동할 수 있으므로 풍력 및 태양 에너지와 함께 사용하면 전력이 갑자기 급증할 수 있는 다른 전해조보다 우위에 있습니다.

태양전지에 떨어지는 집중된 태양에너지가 모두 전기로 변환되는 것은 아닙니다. 그 중 일부는 폐열로 변환되며, 팀은 열 교환기를 사용하여 이를 추출합니다. Haussener는 열이 공간 난방이나 건물의 온수 또는 산업 공정에 연료를 공급하는 데 사용될 수 있다고 말합니다.

팀이 EPFL 캠퍼스에 시스템을 구축하고 여러 설계 및 운영 문제를 해결하는 데 약 2년이 걸렸습니다. 예를 들어, 한 가지 주요 과제는 열 사용을 극대화하고 효율성을 높이기 위해 시스템을 통과하는 물의 흐름을 신중하게 관리하는 것이었습니다.

현재 그들이 생산한 수소는 연료전지에 공급되어 인근 건물에서 전기를 생산합니다. SoHHytec이라는 스타트업을 통해 EPFL 팀은 이제 수소 및 열 생산 기술을 상용화하기 위해 확장하고 있습니다.