| 초록 |
1세부과제: 변환효율 10% 급 중온 열전발전모듈 핵심기술개발 Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 1. 배경 및 필요성 o 중온 열전발전모듈 관련 기술개발 배경 - 높은 성능을 가진 새로운 열전소재(Skutterudite, Half-heusler, Sn-chalcogenide...)의 등장과 전세계적으로 막대한 폐열 에너지자원의 회수 필요성 부각으로 중온열전발전 기술의 관심 증가 - 기술적 완성도가 높은 저온영역의 열전모듈과는 달리 중온(300~ 800℃)영역 열전모듈의 기술개발 연구는 아직까지 미비한 수준이며 핵심 요소기술 개발을 통해 세계최초로 기술의 독창성 및 원천성 확보가능 o 중온열전발전모듈 기술개발의 필요성 1) 기술적 측면 - 2000년대 초반부터 개발되어 높은 효율을 보이고 있는 중온열전발전소재를 실제로 소자화 할수 있는 모듈 기술의 부족으로 모듈제작 기술개발 요청이 증가하고 있음 - Sn Chalcogenide 계열의 소재가 2014년 Nature지에 개제되어 세계최고성능의 ZT값을 나타내고 있음이 입증되었으며, 본 연구에서 실용화를 바탕에 둔 Polycrystalline 계열의 Sn Chalcogenide를 개발하여 세계 최초연구로 원천성이 명확함 2) 경제/산업적 측면 - 국내 여러 업체들이 열전발전모듈과 이를 활용한 시스템 개발에 적극적인 관심과 기술이전, 공동개발의 의지를 나타냄 - 세계시장규모예측조사(ENECO사 보고서)에 따르면 2019년 열전관련 기술의 시장규모는 세계적으로 16조원의 규모일 것이라 예측하고 있으며, 효율 높은 모듈개발이 이루어진다면 자동차, 선박, 인공위성 등 다양한 열전 시스템으로 응용할 수 있을 것이라 예상함 2세부과제: 팔라듐막을 이용한 0.5Nm 3 /h급 수소제조공정 핵심기술개발(II) Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 1. 배경 및 필요성 ▶ 기술의 배경 • 셰일가스 개발로 천연가스를 이용한 에너지기술개발 필요성 대두 - 석유자원 부존 량의 감소로 매장량이 풍부하고 지역적으로 비교적 고른 매장분포를 가지는 천연가스 및 석탄을 이용한 청정에너지생산기술개발의 필요성이 강조되고 있음. - 특히 천연가스는 최근 셰일가스 채굴법의 개발로 새로운 청정에너지원으로써 중요성이 강조되고 있으며, 채굴법을 보유한 미국이 중동국가들을 제치고 세계 최대 산유국으로 부상하고 있음. - 그러나, 천연가스 또한 화석연료로 청정에너지원으로 활용하기 위해서는 지구온난화의 주범인 이산화탄소배출 문제 해결이 선행되어야 함. • 천연가스를 이용한 청정에너지생산기술 개발의 필요성 대두 - 천연가스를 이용한 청정에너지생산기술은 수소생산과 동시에 이산화탄소를 대기에 방출하기 전에 포집하여 처리함으로써 완성할 수 있음. 또한 천연가스를 이용한 청정에너지생산기술에 있어 분리막 반응기를 사용할 경우 고순도 수소를 생산함과 동시에 이산화탄소를 분리 및 고압으로 포집할 수 있어 콤팩트한 공정구성이 가능할 뿐만 아니라 경제적인 운전이 가능함. - 따라서 본 연구에서는 이러한 목적을 달성하기 위하여 [그림 1]에서 보는 것과 같이 고순도 수소 생산 및 이산화탄소 포집이 동시에 가능하고 효율이 우수한 분리막 개질기를 개발하고자 함. ▶ 기술 개발의 필요성 - 화석연료 기반의 천연가스, 석탄 및 바이오메스를 이용하여 수소를 제조하고 이를 이용하는 일련의 공정에서 합성가스제조공정이 차지하는 비중이 전체 공정비용에서 60-70%를 차지하는바 효율이 우수한 합성가스 제조공정 개발이 필요함. - 현재 각 산업시설들에 현지에서 수소를 공급하기 위한 50-5,000 Nm 3 /h급 중소형 수소생산플랜트 개발이 활발히 진행 중이고, 이러한 플랜트에 적용되는 천연가스 개질방식이 액화수소 수송방식 및 수전해법과의 경쟁성을 확보하기 위하여 효율이 우수한 공정개발이 반드시 필요함. - 기존 천연가스개질반응을 통한 수소생산 공정은 [그림 2]에서 보는 것과 같이 SMR(700-900℃)-HTS(300-450℃)-LTS(200-250℃)-PSA로 구성됨. - 이와는 상이하게 반응과 동시에 수소를 분리할 수 있는 분리막 반응기를 사용할 경우 기존 700-900℃에서 운전하던 개질기 온도를 550-600℃로 낮출 수 있어 운전효율이 우수하고 개질기 온도가 낮아 중저온용 재질로 반응기를 구성할 수 있어 경제적인 반응기 구성이 가능함([그림 2]). - 또한 반응과 동시에 고순도 수소생산 및 이산화탄소 포집이 가능하여 후단 수소정제공정 및 이산화탄소 포집공정을 배재할 수 있어 컴팩트하고 환경 친화적인 청정에너지생산기술임. ▶ 국내·외 기술개발 현황 ▷ 국외 기술개발 현황 - 팔라듐을 비롯한 금속치밀 수소분리막 개발 연구는 미국, 유럽, 캐나다, 일본 등 선진국을 중심으로 진행하고 있으며 대부분의 기관에서 팔라듐계 치밀막 연구를 수행중임. 이 중 MRT 등 일부 기관에서의 포일막을 이용한 모듈구성을 제외하면 대부분은 튜브형 코팅막 개발이 주류임. - 국외 수소정제기 관련 기업으로는 Johnson Metthey, Saes getters group, Japan Pionics, 아토, 테라텍 등이 있으며 이 중에서 팔라듐 분리막을 이용한 수소정제기 관련 세계적인 회사는 Johnson Metthey,Japan Pionics가 대표적임. ▷ 국내 기술개발 현황 - 국내에서는 팔라듐계 치밀분리막 개발 및 수소분리막을 이용한 메탄습윤개질 기술 개발 연구를 1990년대 말부터 2000년대 초까지 KIST, 화학연구원, SK에너지 등에서 진행한 바 있으나 상용화 공정은 전무함. 3세부과제: 플랙시블 에어로겔 블랑켓 기술 개발 Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 1. 배경 및 필요성 o 실리카 에어로겔은 90~99% 기공율을 갖는 나노 기공성 비정질 물질로서, 현재까지 인류가 개발한 소재 중에서 가장 뛰어난 초단열성/초다공성/초경량성/극저유전성 등의 특성을 갖고있어 건물용, 산업용, 우주항공용, 선박용 및 방산용 등의 단열재, 흡음재, 방화재 및 충격완화재 외에 환경 및 전기전자 분야에 무한한 응용 가능성을 가진 유망 소재임 o 에어로겔 블랑켓은 섬유상 웹인 폴리에스터, 유리섬유, 세라믹 섬유 등과 에어로겔을 복합화시켜 에어로겔 블랑켓을 제조함으로써 에어로겔의 낮은 기계적 강도와 성형 및 취급이 용이하지 않는 문제점 등을 해결할 뿐만 아니라 섬유상 쉬트형태로 만들어져 유연성이 있다는 장점이 있어 응용처의 제한이나 시공상의 애로사항 등을 해결할 수 있는 에어로겔 소재 응용기술임 ※ 현재 개발된 에어로겔은 형태적으로 다음 그림과 같이 블랑켓(섬유상복합체), 분말, 모노리스 등이 있으며, 블랑켓은 Cabot Corp.사와 Aspen Aerogel Inc.사가 개발, 시판중에 있음 o 에어로겔 소재 기술 관련 선도기업인 미국 Aspen Aerogel Inc.사 및 Cabot Corp.사는 섬유상 웹에 에어로겔을 복합화시킨 에어로겔 블랑켓을 개발하여 시판중에 있으며 현재는 화학플랜트, 산업용 설비 및 배관, 해양프랜트, LNG선 등의 단열재, 흡음재 등에 적용이 증대되고 있고, 또한 산업용 적용시 경제성이 있는 것으로 보고되고 있음 o 국토교통부: 건축물의 단열두께 기준이 계속적으로 강화하였고(2012, 2013), 2017년에는 주택에너지의 80%을 절감하는『Passive House』정책이, 2025년까지 『Zero Energy House』의무화가 추진될 예정임 중부지역 외벽 단열두께: 50mm → 85mm(2012년) → 120mm(2013년) → >200mm(2017년) o 2015년 12월 프랑스 파리 유엔 기후변화협약 당사국총회(COP21)에서 역사적인 '파리 기후 협정'이 최종 타결되었고, 우리나라에서도 2030년 배출전망치(BAU) 대비 온실가스 배출량 37% 절감 목표를 발표한 바 있음. 그리고 2015년부터 온실가스 배출권 거래제가 시행되고 있어 건물 및 산업 부문에서의 단열을 통한 에너지 절감 및 온실가스 배출 억제의 중요성이 더욱 부각되고 있음 4세부과제: 분리막을 이용한 연소전 이산화탄소 포집 핵심 요소기술 개발 Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의 고성능의 대면적 분리막과 컴팩트 모듈 개발로 기존 분리막 모듈 대비 75%의 부피를 줄일 수 있으며, 이러한 고성능 분리막 제조 및 모듈 기술은 CCS 공정뿐만 아니라 수소 분리/정제 공정에 활용 가능할 것이다. 본 연구에서 제시된 'thermal friendly KIER CCS 공정'은 향후 d |
