태양연료

Solar fuel

태양 연료는 태양 에너지로부터 생산되는 합성 화학 연료다. 태양연료는 광화학(즉, 광자에 의한 특정 화학반응의 활성화), 광생물학(즉, 인공광합성), 열화학(즉, 화학반응을 추진하기 위해 농축된 태양열에 의해 공급되는 태양열을 사용함), 전기화학반응(즉 전기 f를 사용함)을 통해 생산될 수 있다.화학 반응을 촉진하기 위해 태양 전지판을 회전시킨다.[1][2][3][4] 빛은 에너지원으로 사용되는데, 태양 에너지가 화학 에너지로 변환되는데, 일반적으로 양자를 수소로, 이산화탄소를 유기 화합물로 감소시킴으로써 화학 에너지로 변환된다.

태양열 연료는 나중에 사용하기 위해 생산되고 저장될 수 있는데, 햇빛을 이용할 수 없을 때는 화석 연료와 배터리의 대안이 된다. 그러한 연료의 예로는 수소, 암모니아, 하이드라진이 있다. 이러한 반응을 지속가능하고 환경 친화적인 방법으로 전달하기 위해 다양한 광촉매들이 개발되고 있다.[5]

개요

세계의 화석연료 매장량 감소 의존도는 환경문제뿐만 아니라 지정학적 문제도 제기하고 있다.[6] 특히 태양연료는 특히 저장이 필수적인 화석연료를 대체하기 위한 대체 에너지원이라고 여겨진다. 태양광을 통해 직접 전기를 생산할 수 있지만 이런 형태의 에너지는 수소에 비해 저장하기가 다소 비효율적이다.[5] 태양열 연료는 햇빛을 이용할 수 있는 시간과 장소에서 생산될 수 있으며, 나중에 사용하기 위해 보관하고 운송할 수 있다. 이것은 직사광선이 없는 상황에서 사용할 수 있기 때문에 훨씬 더 편리하다.

가장 널리 연구되고 있는 태양연료는 수소인데, 이 연료를 사용하는 유일한 산물은 물이고, 메탄이나 프로판 같은 전통적인 연료인 광화학 이산화탄소 감소의 산물이기 때문이다. 향후 연구에는 암모니아 및 관련 물질(즉, 히드라진)도 포함된다. 이것들은 수소를 더 작고 안전하게 저장하는 방법으로 수소와 함께 오는 난제를 해결할 수 있다. 직접 암모니아 연료전지도 연구되고 있다.[7]

태양연료는 직접 또는 간접적인 과정을 통해 생산될 수 있다. 직접 공정은 햇빛에서 에너지를 이용하여 중간 에너지 변환 없이 연료를 생산한다. 이와는 대조적으로, 간접 공정은 태양 에너지를 다른 형태의 에너지(예: 바이오매스 또는 전기)로 변환하여 연료를 생산하는 데 사용할 수 있다. 간접적인 프로세스는 구현이 쉬웠지만 직접적 방법보다 효율성이 떨어진다는 단점이 있다. 따라서 직접적인 방법은 효율성이 떨어지는 방법보다 더 흥미로운 것으로 간주해야 한다. 따라서 새로운 연구는 이러한 직접 변환에 더 중점을 두지만 전력망의 균형을 맞추기 위해 즉시 사용할 수 있는 연료에도 초점을 맞추고 있다.[5]

수소생산

참고 항목: 수소생산

광전자화학

실험실 환경에서 광전지의 샘플. 촉매들이 세포에 추가되는데, 세포는 물에 잠기고 시뮬레이션된 햇빛에 의해 빛난다. 보이는 거품은 산소(세포 앞쪽에 형성)와 수소(세포 뒤쪽에 형성)이다.

태양 광전화학적 공정에서 수소는 전기분해에 의해 생산될 수 있다. 이 과정에서 햇빛을 사용하기 위해 광전자화학전지를 사용할 수 있는데, 한 개의 광감소 전극이 빛을 물 갈라지는 전류로 변환한다. 그러한 종류의 세포 중 하나는 염료 감응형 태양 전지다.[8] 이것은 간접적인 과정이다. 왜냐하면 그것은 전기를 생산하고 수소를 형성하는데 사용되기 때문이다. 햇빛을 이용한 또 다른 간접적인 과정은 광합성 유기체를 이용한 바이오연료로의 바이오매스 전환이다. 그러나 광합성에 의해 수확된 에너지의 대부분은 생명 유지 과정에 사용되어 에너지 사용에 손실된다.[5]

반도체는 광센시타이저로도 사용될 수 있다. 반도체가 밴드갭보다 높은 에너지를 가진 광자에 맞으면 전자가 전도 대역에 흥분하고 발랑 대역에 구멍이 생긴다. 밴드 휨 때문에 전자와 구멍은 표면으로 이동하는데, 이 전하가 물 분자를 분열시키는 데 사용된다. 많은 다양한 재료가 시험되었지만, 지금까지 실용적 적용에 대한 요구 조건을 보여준 것은 없다.[9]

광화학

광화학 과정에서 햇빛은 물을 수소와 산소로 나누는 데 직접적으로 사용된다. 물의 흡수 스펙트럼이 태양의 방출 스펙트럼과 겹치지 않기 때문에 물의 직접 분리가 일어날 수 없기 때문에 광센시타이저를 사용할 필요가 있다. 그러한 촉매 몇 개는 개념 증명으로서 개발되었지만 아직 상업적 사용을 위해 크기가 조정되지는 않았다. 그럼에도 불구하고, 상대적으로 단순성은 잠재적 저비용과 에너지 전환 효율 증가라는 이점을 제공한다.[5][10] 그러한 개념의 증명 중 하나는 Nocera와 동료들이 개발한 "인공 잎"이다: 금속 산화물 기반 촉매와 반도체 태양 전지의 조합은 조명에 따라 수소를 생산하며 유일한 부산물로 산소를 생산한다.[11]

광생물학

수소는 광생물학적 과정에서 광합성 미생물(녹색 미생물, 시아노박테리아)을 이용하여 광생물반응기에 생성된다. 이러한 유기체들 중 몇몇은 배양 조건을 바꿀 때 수소를 생산한다. 예를 들어, 클라미도모나스 라인하르디이는 황 결핍 상태에서 혐기적으로 수소를 생산한다. 즉, 세포가 황을 함유하지 않은 성장 매개체에서 다른 성장 매개체로 옮겨지고 대기 산소에 접근하지 않고 자란다.[12] 또 다른 접근방식은 디아조트로이드 시아노박테리움 노스토크 펑크폼에 있는 수소산화(흡수) 수소효소 효소의 활동을 폐지하여 질소 고정 조건에서 질소효소 효소에 의해 자연적으로 생성되는 수소를 소비하지 않도록 하는 것이었다.[13] 이 N. 펑크형 돌연변이는 가시광선으로 조명할 때 수소를 생산할 수 있다.

또 다른 돌연변이 시아노박테리아인 시네코시스(Synechocystis)는 수소를 생산하기 위해 루브리벡스 젤라티노스(Rubrivivax gelatinoosus) CBS의 유전자를 사용하고 있다. CBS 박테리아는 일산화탄소의 산화를 통해 수소를 생산한다. 연구원들은 이 유전자들을 시네르코시스티스에 구현하기 위해 노력하고 있다. 이들 유전자를 적용할 수 있다면 수소 생산에 있어서 산소 억제 문제를 극복하는 데 어느 정도 노력이 필요하겠지만 이 과정에서 잠재적으로 태양에너지 포획량이 10%에 이를 수 있을 것으로 추정된다. 이것은 광생물학적 연구를 수소 생산 탐구의 매우 흥미진진하고 유망한 분야로 만든다. 여전히 알갈 수소 생산의 단기적 성격을 극복하는 문제는 많고 연구도 초기 단계에 있다. 그러나, 이 연구는 이러한 재생가능하고 환경 친화적인 과정을 산업화할 수 있는 실행 가능한 방법을 제공한다.[14]

열화학적

참고 항목: 열화학 주기

태양열화학[15] 공정에서는 고농축 태양열을 원자로로 집중시키는 태양전지로부터 고농축 태양열을 받는 고온의 태양열 원자로[16] 안에서 전기가 아닌 직접 태양열을 이용해 수소와 산소로 물이 쪼개진다.

가장 유망한 두 가지 경로는 2단계 세륨 산화물 순환과 구리 염소 하이브리드 사이클이다. 세륨 산화물 주기의 경우 첫 번째 단계는 CeO를3 1400 °C 이상에서 CeO로23 분리하는 것이다. 산화물 금속을 줄이기 위한 열감소 단계 후, 수소는 약 800 °C에서 가수분해를 통해 생성된다.[17][18] 염화 구리 주기는 낮은 온도(~500°C)를 필요로 하기 때문에 이 공정을 더욱 효율적으로 만들지만 주기는 더 많은 단계를 포함하고 있으며 또한 세륨 산화물 주기에 비해 복잡하다.[17]

수소 제조는 지속적인 성능이 필요하기 때문에 태양열화학 공정에는 열에너지 저장장치가 포함된다.[19] 또 다른 열화학적인 방법은 메탄의 태양열 개혁을 사용하는데, 이것은 전통적인 화석 연료의 개혁 과정을 복제하지만 태양열을 대체하는 과정이다.[20]

스위스 기술대학 ETH 취리히의 알도 스타인펠트는 2021년 11월 네이처지에 발표한 논문에서 공기에서 흡수된 이산화탄소와 수증기가 집중 태양열로 가열된 세륨 산화 촉매를 통과해 수소와 일산화탄소를 생산하는 인공광합성을 발표했다.액체 연료인 메탄올을 형성하는 복잡한 탄화수소로 가는 작업 스케일링으로 사하라 사막의 0.5%인 4만5000km2(1만7000제곱 mi)의 표면으로 2019년에 사용된 항공 연료 414억 L(4억1400만 m)를3 생산할 수 있다.[21][22][23]

이산화탄소 저감

참고 항목: 이산화탄소의 전기화학적 저감, 이산화탄소의 광전자화학 저감, 이산화탄소의 광화학적 저감, 바이오연료

이산화탄소(CO2)는 적절한 광촉매를 사용하여 일산화탄소(CO) 및 메탄과 같은 다른 감소 화합물로 감소할 수 있다. 하나의 초기 예는 트리스(비피리딘)루테늄의 사용이었다.II) 염화물(루(비피)3CO에 대한 CO2 감소를 위한 Cl2) 및 코발트 염화물(CoCl2)[24] 최근 몇 년 동안 CO를 CO로 감소시키는2 새로운 촉매들이 많이 발견되었고, 그 후 CO는 예를 들어 피셔-트로프슈 공정을 이용하여 탄화수소를 만드는 데 사용될 수 있었다. CO2 감소를 위한 가장 유망한 시스템은 광전지와 전기화학세포(PV+EC)의 결합이다.[25][26] 광전지에는 고효율 GaInP/GaAs/Ge 태양전지를 사용한다. 현재 가장 성능이 좋은 전기화학 셀은 가스 확산 전극(GED) 플로우 셀이다. CO가2 Ag 나노입자에 반응하여 CO를 생성하는 경우. 최대 19%의 태양-CO 효율에 도달했으며, 20시간 이후 활동 손실도 최소화했다. [26]

CO는 또한2 CO의 마이크로파 플라즈마 구동 분리를 이용하여 촉매 없이 생성될 수 있다. 이 공정은 CO 효율이 최대 50%에 달하지만 전환율이 10% 내외로 낮은 비교적 효율적이다. CO와 CO는2 효율적 방식으로 대규모로 분리하기 어렵기 때문에 이러한 낮은 변환은 이상적이지 않다. 이 과정의 큰 이점은 전원을 껐다가 다시 켤 수 있고 부족한 재료를 사용하지 않는다는 것이다. (약하게 이온화된) 플라즈마는 전자파를 사용하여 생산되며, 이러한 전자파는 플라즈마의 자유 전자를 가속시킬 수 있다. 이 전자들은 이산화탄소를2 진동적으로 흥분시키는 CO와2 상호작용을 하며, 이것은 CO와2 CO의 분리를 초래한다. 흥분과 분리가 충분히 빨리 일어나 에너지의 소량만이 열로 변환되어 효율이 높게 유지된다. 이 분리는 또한 CO와 O에2 반응하는2 산소 래디컬을 생성한다.

또한 이 경우 미생물의 이용도 탐구되었다. 유전자 공학 및 합성 생물학 기법을 사용하여, 생물연료를 생성하는 대사 경로의 일부 또는 전체를 광합성 유기체에 도입할 수 있다. 클로스트리디움 아세토부티리쿰, 대장균, 트레포네마 덴티콜라 등의 효소를 이용한 시네초코쿠스 엘롱가투스 내 1부탄올의 생산이 대표적이다.[28] 이런 종류의 바이오연료 생산을 탐사하는 대규모 연구시설의 한 예는 녹조다.네덜란드의 와게닝겐 대학과 연구 센터의 PARC.

암모니아 및 히드라진 생산

암모니아와 히드라진 같은 수소가 풍부한 물질은 수소를 저장하는데 좋다. 이것은 그들의 에너지 밀도 때문에, 암모니아는 액체 수소보다 최소한 1.3배 더 많다.[29] 하이드라진은 액체수소에 비해 에너지 밀도가 2배 가까이 높지만 직접 하이드라진 연료전지를 사용할 때 희석이 필요하다는 단점이 있다. 체적밀도가 높은 것 외에도 암모니아와 수성 하이드라진은 가연성이 낮아 저장비와 운반비를 낮춰 수소보다 우수하다.[30]

암모니아

직접 암모니아 연료전지는 이러한 정확한 이유로 연구되고 있으며 새로운 연구는 새로운 통합된 태양계 암모니아 합성과 연료전지를 제시하였다. 태양기지는 암모니아를 합성하는 데 사용되는 과도한 태양열 발전으로 이어진다. 이것은 암모니아 전해질 전지(AEC)를 양성자 교환막(PEM) 연료 전지와 결합하여 사용한다. 태양열 발전량이 감소하면, 직접 암모니아 연료 전지는 부족한 에너지를 공급하기 위해 작동한다. 이 최근의 연구(2020년)는 에너지의 효율적 이용에 대한 분명한 예로서, 기본적으로 암모니아를 연료로 임시로 저장하고 사용하는 것에 의해 행해진다. 암모니아에서의 에너지 저장량은 시간이 지남에 따라 저하되지 않으며, 배터리와 플라이휠이 이에 해당한다. 이것은 장기적인 에너지 저장 기능을 제공한다. 이 압축된 형태의 에너지는 과잉 에너지를 다른 장소로 쉽게 운반할 수 있다는 추가적인 장점을 가지고 있다.[7] 이는 암모니아 인체 독성 때문에 높은 안전조치로 할 필요가 있다. 이 시스템을 풍력 에너지와 수력 발전소로 보완해 전력 공급의 중단을 제한하는 하이브리드 시스템을 만들려면 추가 연구가 필요하다. 제안된 제도의 경제적 성과에 대해서도 조사할 필요가 있다. 일부 과학자들은 석유 산업과 거의 비슷하지만 무진장한 무탄소 전력의 엄청난 이점을 가진 새로운 암모니아 경제를 구상하고 있다.[31] 소위 녹색 암모니아라고 불리는 이것은 초대형 선박의 잠재적 연료로 간주된다. 국내 조선업체 DSME는 2025년까지 상용화할 계획이다.[32]

히드라진

에너지를 저장하는 또 다른 방법은 하이드라진을 사용하는 것이다. 이 분자는 암모니아와 관련이 있으며 암모니아와 똑같이 유용할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그것은 암모니아와 과산화수소 또는 염소에 기초한 산화를 통해 만들어질 수 있다.[33] 이것은 그것을 더 고른 에너지 저장 연료로 만든다. 히드라진의 단점은 매우 독성이 강하며 산소와 상당히 격렬하게 반응한다는 것이다. 이것은 우주와 같은 산소 부족 지역을 위한 이상적인 연료가 된다. 최근 발사된 이리듐 NEXT 위성은 히드라진을 에너지원처럼 갖고 있다.[34] 그러나 이 연료는 잠재력이 크다. 왜냐하면 안전조치를 충분히 증가시켜 히드라진을 안전하게 운반하고 다시 수소와 암모니아로 변환시킬 수 있기 때문이다. 연구원들은 가시광선 전체에서 작용하는 광촉진 시스템으로 하이드라진을 분해하는 방법을 발견했다. 이것은 햇빛이 히드라진을 생산하는데만 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 이 연료로부터 수소를 생산하는데도 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 히드라진의 분해는 n형 반도체인 '부키볼'로 알려진 풀레렌(C60)과 p형 반도체인 아연 프탈로시아닌(ZnPc)으로 구성된 p-n빌라이어로 유기광촉매 시스템을 만드는 방식이다. 이 시스템은 가시광선 조사를 사용하여 n형 반도체에 전자를 자극하여 전류를 생성한다. p형 반도체에서 생성된 구멍은 이른바 소자의 나피온 부분의 방향으로 강제되어 히드라진을 질소 가스로 산화시키고 수소 이온을 용해시킨다. 이것은 연료전지의 첫번째 칸에서 행해졌다. 수소 이온은 소금 다리를 통해 다른 구획으로 이동하며, 전자가 빛과의 상호작용으로 얻은 첫 번째 구획으로부터 수소 가스로 감소한다. 따라서 연료 전지에 사용될 수 있는 수소를 만들어낸다.[35] 이 유망한 연구는 히드라진이 에너지 전환에 매우 유용하게 쓰일 수 있는 큰 잠재력을 가진 태양 연료라는 것을 보여준다.

히드라진에 대한 다른 접근방식은 직접 연료전지다. 이 세포들의 개념은 1960년대부터 개발되었다.[36][37] 최근의 연구는 산화제로 과산화수소를 사용하는 등 훨씬 더 나은 직접 히드라진 연료 전지를 제공한다. 양극기초와 음극산성을 만들면 출력밀도가 많이 증가해 섭씨 80도의 온도에서 1W/cm2 내외의 높은 피크를 보였다. 앞서 언급했듯이 직접 하이드라진 연료 전지의 주요 약점은 하이드라진과 그 파생상품의 높은 독성이다.[30] 그러나 물 같은 액체인 수성 하이드라진은 수소 밀도가 높아 기존 연료 인프라를 이용해 안전하게 보관·운반할 수 있다.[38] 연구자들은 또한 히드라진이 포함된 자가 동력 연료 전지를 목표로 한다. 이 연료전지는 직접 연료전지를 위한 연료와 분할표적으로서 두 가지 방법으로 히드라진을 사용한다. 이 연료전지로 수소를 생산하려면 하이드라진만 있으면 되기 때문에 외부 동력이 필요 없다는 얘기다. 이것은 철 도핑 코발트 황화물 나노시트를 사용하여 이루어진다. 철분 도핑은 수소 흡착과 히드라진 탈수증의 자유 에너지 변화를 감소시킨다. 이 방법은 20시간의 안정성과 98%의 파라다이스 효율을 갖췄는데, 이는 자기 동력 수소 생성 전지의 가장 잘 보고된 주장과 견줄 만하다.[39]

기타 응용 프로그램

  • 알칼리성,[40] PEM 및 SOEC 전해액을 사용하는 태양광 발전소와 결합된 수소 생산을 위한 물의 전기분해 물을 수소와 산소로 분리하기 위해 태양열 발전 전력을 기본적으로 사용하는 것은 예를 들어 증기 개혁에 의한 수소 포획보다 조금 더 효율적이라는 것이 입증되었다. 수소의 알칼리성 생산기술은 원가가 낮아 성숙된 것으로 평가된다. 이는 PEM 기술을 사용할 때보다 시간 단위당 수율이 현저히 높은 결과를 가져온다. 그러나 PEM 기술은 부식문제가 없고 효율성이 높은 반면 알칼리성 생산기술은 부식과 효율성이 떨어진다는 단점이 있다.[41] 그 외에도 PEM 기술은 빠른 시작과 간단한 유지보수가 가능하다. 그러나 대량 생산에서는 알칼리성 수소 생산 기술이 우수하다.[42]
  • 헬리오젠은[citation needed] 태양빛을 타워로 유도하기 위해 사용되는 태양열 헬리오스타트의 사용으로 수소 생산에서 1,500°C의 온도에 도달하는 데 성공했다고 주장한다. 이러한 온도는 열화학적으로 물을 수소와 산소로 나눌 수 있다. 이는 원자력 발전소의 열이나 적응형 태양열 미러 필드를 사용하여 이러한 열화학 공정에 필요한 고온에 도달하도록 햇빛을 리디렉션할 수 있다. 그러나 이러한 수소의 생산방식은 초기 단계에 있으며, 다른 성숙한 기술과 경쟁해야 하기 때문에 이 생산수소가 수익성과 효율성이 있다는 것은 아직 입증되지 않았다.[17][43]

참고 항목

참조

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