“순 제로” 전략: 지속 가능한 전력 및 운송을 위한 수소 활용

다음은 미국 캘리포니아주 로스앤젤레스에 있는 캘리포니아주립대학교에서 대체 에너지 분야 풀브라이트 명예의장을 맡고 있는 지속 가능한 에너지 및 교통 분야 교수인 데이비드 블레크만 박사가 2022년 4월에 열리는 제28회 과학 통일 국제회의에서 한 발표 내용을 편집한 것입니다.

기후 변화 우려와 COVID-19 이후 경제를 재시작하려는 시도가 결합되어 수소 및 연료 전지 기술을 중심으로 흥미로운 발전이 이루어졌습니다. 수소 경제는 리튬 배터리 기반 경제보다 훨씬 보편적인데, 그 이유는 리튬을 채굴하고 배터리 전극 재료로 가공할 수 있는 국가와 회사가 거의 없기 때문입니다.

많은 국가와 산업이 수소 공간에서 일함으로써 경제적으로 이익을 얻을 수 있으며, 이는 개별 배치에서 수소 허브 나 밸리 와 같은 더 큰 개념으로 성장하고 있습니다 . 예를 들어, 캘리포니아 주립 대학교 로스앤젤레스 허브에는 태양광 발전(PV) 설치, 견고한 전기 자동차(EV) 충전, 연료 전지 차량 함대, 수소 연구 및 연료 공급 시설과 같은 지속 가능한 기술이 포함됩니다. 유사한 조합으로 이 개념은 다양한 형태와 크기로 반복되어 전기와 운송을 위해 수소를 활용할 것입니다.

연료 전지는 전기화학적 발전기입니다

연료 전지는 연료와 산화제를 사용하여 전기를 생산하는 전기화학적 발전기입니다. 이 전지의 장점은 연소 엔진과 달리 전기로의 변환이 직접적이고 열기계적 대응 제품보다 효율이 높다는 것입니다. 오늘날 대부분의 연료 전지는 수소를 연료로 사용하고 공기 중의 산소를 산화제로 사용하는 양성자 교환막 연료 전지에 집중합니다. 편리하게도 전기 외에 다른 배출물은 적절하게 관리되는 순수한 물과 열뿐입니다.

© Smithsonian Institution, Science Service Historical Images Collection

수소 및 연료 전지의 역사는 180년이나 되었지만, 최근의 실용적인 응용 프로그램은 아폴로(1966)와 스페이스 셔틀(알칼리 연료 전지) 프로그램(1981-2011)에서 우주 탐사에 구현되었습니다. 연료 전지의 장점은 현재와 같은 이유로 분명했습니다. 장기적으로 볼 때 배터리보다 훨씬 가벼운 시스템입니다. 스페이스 셔틀 프로그램은 각 셔틀에 7kW 연료 전지 3개를 사용했습니다. 최대 10kW의 시스템은 가정, 지게차 또는 휴대용 발전기에서 사용할 수 있습니다. 새로운 시스템은 연료 전지 스택당 100kW 또는 200kW로 성장했으며 필요한 모든 전력에 연결할 수 있습니다.

캘리포니아 주립대 LA 수소 연구 및 연료 시설

캘리포니아 주립대 LA 수소 연구 및 연료 시설은 세계에서 가장 큰 캠퍼스 기반 현장 수소 생성 스테이션입니다. 전기와 물을 사용하여 하루에 60kg의 수소를 생산하는데, 이는 하루에 최대 20대의 승용차에 연료를 공급하기에 충분합니다. 그랜드 오프닝은 2014년 5월 7일에 거행되었으며, 그 이후로 운전자에게 수소를 공급해 왔습니다.

연료 공급 시설로 운영되는 동안 목표는 응용 연구, 인력 교육 및 대중 홍보를 수행하는 것입니다. 수년에 걸쳐 이 시설은 10,000명 이상의 방문객을 맞이했으며, 그 중 85%는 K-12 및 대학생이었고 나머지는 산업 및 정부 전문가였습니다.

정확한 수소 연료 측정

2014년 11월, 캘리포니아 주립대 LA 시설은 연료 고객에게 수소를 킬로그램 단위로 직접 판매하도록 승인하기 위해 정확한 계량을 시연하는 세계 최초의 시설이 되었습니다. 이 성과는 국가 표준 기술 연구소가 이 경험을 바탕으로 새로운 수소 계량기 정확도 요건을 채택함에 따라 국가적으로 더 큰 영향을 미쳤습니다.

(캘리포니아 주립대 학생이 캘리포니아 주립대 LA 수소 연구 및 연료 시설을 소개하는 환상적인 3분짜리 비디오를 제작했는데, YouTube 에서 볼 수 있습니다 . 자세한 내용은 www.calstatela.edu/ecst/h2station 에서 확인할 수 있습니다 .)

2019년 2월, 캘리포니아 주립 대학교 LA는 대학 커뮤니티에서 도시형 공유 모빌리티 모델로 사용할 무공해 연료 전지 현대 투싼 차량을 공개했습니다. COVID-19 이전에 학생과 교수진은 이 서비스를 사용하여 처음 2시간 동안 무공해 차량을 무료로 운전했습니다. 18대의 차량 중 6대는 주차 및 교통부의 필요에 따라 배치되었고 12대는 공유 모빌리티 서비스에 전념했습니다. 그 여파로 이 프로그램을 관리한 Waive 회사는 팬데믹에서 살아남지 못했습니다. 11대의 차량이 제조업체로 반환되었고 나머지 7대는 캠퍼스의 필요에 따라 계속 제공됩니다. 캘리포니아 주립 대학교 LA는 2022년 후반에 다른 공급업체와 함께 연료 전지 차량으로 일부 공유 모빌리티 활동을 재개할 계획입니다.

©Cal State LA

캘리포니아 - 깨끗한 교통의 트렌드 세터

캘리포니아는 전 세계적으로 깨끗하고 지속 가능한 교통의 트렌드 세터였으며, 거대하고 강력한 자동차 회사들이 무공해 차량을 배치하도록 강요했습니다. 현재 캘리포니아는 도로에서 10,000대를 넘는 수소 구동 차량의 가장 큰 함대를 자랑합니다. 이는 많은 수는 아니지만, 영원한 닭과 달걀 난제를 깨는 시작입니다. 자동차 제조업체가 차량을 제공하고, 주정부가 수소 인프라에 대한 책임을 집니다. 아마도 몇 년 안에 최대 50,000대의 연료 전지 차량을 볼 수 있을 것입니다.

©캘리포니아 주립대 LA

캘리포니아는 미국에서 가장 많은 공공 수소 충전소를 운영하고 있으며 49개이고 124개가 더 추가될 예정입니다.[ 충전소 지도 보기 | California Fuel Cell Partnership(cafcp.org) ] 개발 프로세스는 처음에 여러 충전소가 근처에 있고 가동 중단 시간 동안 서로를 지원하는 클러스터 모델로 제안되었습니다.최신 모델은 1,000kg/일 이상의 소매를 담당하는 대형 충전소와 약 400kg/일의 소규모 백업 충전소가 있는 주요 복도를 강조합니다.2020년에 캘리포니아는 3개 회사가 시간이 지남에 따라 3개 배치로 건설할 120개 이상의 충전소 네트워크를 수주했습니다.[참조: California Hydrogen Station Race Winners: First Element, Equilon, Iwatani .] 일부 회사는 특히 중장비 운송을 위해 민간 자금을 지원하여 허브 앤 스포크라는 독립적인 수소 네트워크를 개발하려고 합니다.허브에서 수소를 생산하는 경우 현장에서 트럭과 차량에 연료를 공급하고 인근 충전소에 수소를 공급합니다.

트럭과 버스

현재 전 세계적으로 수천 대의 연료 전지 버스가 배치되어 있습니다. 여러 제조업체가 연료 전지를 버스에 통합할 수 있습니다. 연료 전지 버스는 런던에서 운행 중입니다. 캐나다는 2010년 밴쿠버 동계 올림픽에서 연료 전지 버스를 시연하는 데도 성공했습니다.

수년에 걸쳐 연료 전지 트럭을 출시하려는 시도가 있었습니다. 초기 시장 출시는 Toyota, Hyundai, Refire, Hyzon, Gaussin 등의 신규 참여업체의 지원을 받았습니다. Volvo와 Daimler는 자체 트럭을 생산하기 위해 제휴를 맺었습니다. [참조: Volvo 의 Daimler와의 연료 전지 트럭 제휴는 수소 열풍으로의 복귀입니다 .]

현대는 수소 트럭을 배치하는 여러 프로젝트를 내놓았습니다. 스위스에서 진행한 7대의 연료 전지 트럭 프로젝트는 산악 지역에서 뛰어난 성과를 보였습니다. 배터리 대응 차량이 먼 거리를 오르는 데 어려움을 겪었을 산악 지역에서 말입니다. 30대의 트럭이 오클랜드 항구에서 운영되는 물류 서비스 제공업체인 글로비스 아메리카를 위해 북부 캘리포니아로 올 예정입니다. 이 트럭에는 700바 저장 장치가 장착되어 있어 500마일의 주행이 가능합니다.

©Cal State LA

aussin은 창고 및 항구 물류 전기 및 연료 전지 차량을 제조하는 프랑스 회사입니다. 이 회사는 야심 차고 대담합니다. 연료 전지에 대한 자신감을 증명하기 위해 1년도 채 안 되는 기간에 세계 최초의 수소 레이싱 트럭을 조립하여 2022년 다카르 랠리에 참가했습니다. Gaussin 팀은 레이스의 모든 단계를 성공적으로 완주했습니다. (Gaussin의 역사, 포부 및 제품에 대한 자세한 내용은 Dakar Rally to See Its First Hydrogen Truck Entry by Gaussin in Partnership With Aramco 기사 에서 확인할 수 있습니다 . )

기관차와 기차

콜로라도에 있는 Vehicle Projects라는 회사는 수소의 초기 시절에 여러 가지 혁신적인 중장비 수소 프로젝트에 참여했습니다. 그 중 하나는 2011년에 시연된 BSNF(Burlington Northern Santa Fe Railway)의 스위치 기관차로, Commerce 시의 스위치 야드에 있었습니다. 127톤 기관차는 1MW 이상의 과도 전류를 허용하는 반면, 240kW Ballard PEM 연료 전지는 지속적으로 재충전했습니다. 수소 저장량은 350bar에서 70kg이었습니다 . 기관차는 연료 공급당 최대 10시간 동안 까다로운 스위칭-셔팅을 시연했습니다.

©Vehicle Projects

경전철은 여러 제조업체에서도 매우 적극적으로 추진되었습니다. 연료 전지 열차는 비용이 많이 드는 전기화의 번거로움 없이 편리하고 무공해 운송을 제공하며, 따라서 수소 인프라가 몇 개의 연료 보급 지점에서만 필요하기 때문에 강력한 이점이 있습니다.

©Vehicle Projects

창고 물류

놀랍게도 창고 물류 산업은 가장 많은 수소 연료 전지 차량을 보유하고 있습니다. 수만 대의 지게차가 배치되었습니다. 연료 전지 지게차는 이 산업에 자연스럽게 적합합니다. 연료 전지는 빠르게 연료를 공급하고 오염 없이 실내에서 24시간 연중무휴로 작동할 수 있습니다. 배터리 기반 지게차는 몇 시간 동안 재충전해야 하거나 배터리를 교체하고 재충전하기 위한 특별한 공간이 필요하며 귀중한 공간과 인력을 차지합니다.

©CMB-TECH

해양 산업

2017년에 해양 산업도 실제 프로젝트에 대해 생각하기 시작했습니다. 동시에 연료 전지 산업은 Ballard와 PowerCell에서 현재 제공하는 것과 같이 항해에 적합한 연료 전지 패키지를 개발하여 대응했습니다. 전 세계적으로 페리와 푸셔와 같은 여러 개의 소형 선박이 건조 중이거나 최근에 완공되었습니다.

앤트워프-브뤼헤 항만청은 곧 최초의 수소 연료 예인선인 Hydrotug를 맞이할 예정입니다. Hydrotug는 수소와 기존 디젤 연료로 작동할 수 있는 BeHydro V12 이중 연료 중속 엔진 2개로 구성되어 있습니다 . 네덜란드 로테르담 항구, 스페인 발렌시아 항구, 캘리포니아 로스앤젤레스 항구 등 전 세계의 다른 항구도 다양한 수소 배치를 추진하고 있습니다.

수소 페리인 수년간의 설계 및 제조를 거쳐 샌프란시스코는 Sea Change를 볼 수 있게 되었습니다. 운항 노선을 운항할 예정입니다. Switch Maritime가 건설을 완료하고 2021년 11월에 페리의 해상 시험을 시작했습니다. 페리는 Cummins에서 공급하는 360kW의 연료 전지 전력을 사용하며 246kg의 수소를 담을 수 있는 용량을 가지고 있습니다. (첫 번째 연료 공급은 Cal State LA 수소 연구 및 연료 공급 시설에서 생산된 수소가 들어 있는 수소 트레일러에서 이루어졌다는 점이 주목할 만합니다.)수소 페리 , 노선을 운항. Switch Maritime는 2021년 11월에 페리의 건설을 완료하고 해상 시험을 시작했습니다. 페리는 Cummins에서 공급하는 360kW의 연료 전지 전력을 사용하며 246kg의 수소를 담을 수 있는 용량을 가지고 있습니다. (첫 번째 연료 공급은 Cal State LA 수소 연구 및 연료 공급 시설에서 생산된 수소가 들어 있는 수소 트레일러에서 이루어졌다는 점이 주목할 만합니다.)

©ZeroAvia

비행

항공 역시 수소 배치에 적합한 분야입니다. 다른 산업이 친환경으로 전환됨에 따라 항공은 방식을 바꾸지 않으면 배출량의 훨씬 더 큰 부분을 차지할 수 있습니다. 따라서 ZeroAvia는 연료 전지 기반 추진을 공중에서 상상할 뿐만 아니라 실현합니다. 최근 발표에서 Airbus도 수소 비행기를 사용할 것을 제안했지만, 그 작업은 수소를 연소하는 터빈을 사용하는 데 기반을 두고 있습니다.

2020년 9월, ZeroAvia는 "영국 크랜필드에 있는 회사 R&D 시설에서 Piper Malibu 6인승 비행기로 진행된 세계 최초의 수소 연료 전지 구동 비행을 완료했습니다." 비행은 8분 동안 진행되었고 1,000피트까지 상승했습니다.

바람과 수소

노르웨이의 연구 기관 SINTEF는 풍력으로 구동되는 2.5MW 전기 분해 생산인 수소 연구 및 시범 프로젝트 Haeolus 에 참여하고 있습니다 . 일본의 Kawasaki는 호주와 다른 국가들이 세계에 깨끗한 연료를 공급하고자 하는 가운데 액체 수소 선박 운반선을 설계하고 있습니다. (호주는 일본을 위해 액체 수소를 생산할 계획이므로 Kawasaki는 호주에서 일본으로 수소를 운반하기 위해 LH2 선박 운반선을 건조하고자 합니다.) 이는 많은 터빈 제조업체가 터빈을 수소로 작동하도록 전환하려는 노력과 잘 맞습니다.

미국의 수소 허브 노력은 유럽 연합의 노력보다 약간 뒤떨어져 있습니다. 유럽은 늦게 시작했지만 훨씬 더 빠르게 진행되고 있는 것 같습니다. 독일과 일본은 이미 각각 100개 이상의 수소 충전소를 보유하고 있습니다. 연료 전지 및 수소 공동 사업의 지침에 따라 유럽은 비교적 많은 수의 수소 밸리 에 자금을 지원해 왔습니다.H2V 웹사이트. 우리는 많은 수소 프로젝트가 전 세계로 확산되어 많은 국가와 산업에 기회를 창출하는 것을 보게 될 것입니다. 수소 경제에 따뜻한 환영을 전해주세요.H2V 웹사이트 에서 해당 프로젝트에 대한 설명을 찾을 수 있습니다.H2V 웹사이트 에서 해당 프로젝트에 대한 설명을 찾을 수 있습니다.H2V 웹사이트 에서 해당 프로젝트에 대한 설명을 찾을 수 있습니다.H2V 웹사이트 에서 해당 프로젝트에 대한 설명을 찾을 수 있습니다.H2V 웹사이트 에서 해당 프로젝트에 대한 설명을 찾을 수 있습니다. 에서 찾을 수 있는 프로젝트, 설명 . 우리는 많은 수소 프로젝트가 전 세계로 퍼져나가 많은 국가와 산업에 기회를 창출하는 것을 보게 될 것입니다. 수소 경제에 따뜻한 환영을 전해주세요.