왜 H₂- 메탄올인가?
Silicon Fire 메탄올 및 Silicon Fire 실리콘 :
신재생에너지 산업의 선두주자
Prof. Dr.-Ing. Roland Meyer-Pittroff,
뮌헨 공과대학(Technical University Munich)
1. 에너지의 가용성 및 저장
우리의 가장 중요한 에너지원은 화석 연료인 석탄, 석유 및 가스, 쓰레기 및 폐기물, 재생 에너지이며, 무엇보다도 수력 발전, 바이오매스(메탄,수소로 만든 합성 연료), 풍력 및 태양 에너지와 함께, 원자력 에너지도 이를 수용하는 한 포함됩니다. 수십 년에 걸친 재생 에너지에 대한 큰 지원에도 불구하고, 2010년 독일에서는 화석 연료가 여전히 1차 에너지 요구량의 78%를 차지했으며(재생 에너지 9.4 %), 이러한 상황은 수입에 대한 의존성 및 환경에 대한 영향과 관련하여 연료공급의 안전성에 대한 우려를 불러일으켰습니다. 특히 연소 중에 방출되는 이산화탄소에 의해 야기된 온실 가스 효과 때문에 더욱 그렇습니다.
바람과 태양 에너지는 미래에 대한 거대하고 새로운 희망입니다. 이러한 에너지원에서 에너지를 사용하는데 있어 주요 문제는 불안정한 공급인데, 이는 모든 요구와 마찬가지로 에너지 수요와 함께 나중에 언젠가 가능하다가 아니라 필요할 때 필요한 양을 사용할 수 있어야 하는 것이 중요하기 때문입니다.
그러므로 결정적인 문제는 에너지를 저장하는 것입니다! 다양한 유형의 에너지(예: 열, 이동, 전기 에너지)를 저장하는 것은 다양한 방법(예: 축열기, 플라이휠에너지 저장장치, 배터리 저장)을 원칙적으로 사용할 수 있지만, 이는 매우 비싸고 따라서 많은 양의 에너지를 위해서는 경제적으로 비현실적입니다. 이에 반해 현실적인 방법은 잠재적인 에너지(양수발전소) 및 화학결합 에너지를 저장하는 것입니다.
화학반응은 보통 에너지의 흡수나 전달과 함께 일어납니다. 적절한 에너지 흡수 및 반응을 전달하는 에너지의 적절한 직렬 연결을 통해, 우리가 핵에너지를 제외할 경우, 물질의 양이나 질량과 관련하여 가장 많은 양의 에너지가 저장될 수 있습니다. 우리의 모든 화석 연료는 수백만 년에 걸쳐 화학적으로 저장되고 연소되어 다시 방출되는 태양 에너지를 포함합니다.
우리 자동차에서 전기 배터리로 사용되는 양질의 오래된 납 축전지는 여전히 대부분의 경우 전기 저장 시스템으로서 최고의 가격 대비 성능 비율을 가지고 있지만, 그 질량에너지는 휘발유나 미네랄 오일이 연소될 때 열로 방출하는 에너지의 약 400분의 1에 불과합니다.
풍력 및 태양에너지의 주요한 문제는 에너지저장의 문제입니다!
이 기술을 대규모로 사용하기 위한 현재 글로벌 최첨단 기술은 전기 에너지로 변환하여 기존의 전기 그리드에 공급하는 것입니다. 그러나, 발전 및 소비는 라인 주파수의 매우 낮게 규정된 허용 오차(0.4 %)내에서 일정하게 유지하기 위하여 전력망에서 항상 정확한 균형을 유지해만 합니다. 이는 풍력 및 태양광 발전설비는 언제든지 전력생산이 중단될 수 있음을 의미하며, 그 이유로 인하여 전력계통에 수요공급에 동등하게 큰 저장량과 조절 용량이 있어야 하므로 현재까지는 기본적으로 전력계통의 부하에 따라 자동 조정되는 증기 및 가스터빈이 있는 화력발전소가 그 역할을 하고 있습니다. 그 결과, 지금까지 풍력 및 태양광발전설비는 화력발전소를 대체할 정도 까지는 안되며, 그래도 연료를 절약에 일조하고 있습니다.
전력망에서 풍력 및 태양광 발전설비의 점유율이 증가함에 따라 네트워크 안정성 확보의 문제가 상당히 증가하므로, 현재 유럽 전역을 포괄하고 풍력, 태양열 및 양수발전전력이 있는 매우 높은 전송 출력을 위해 설계된 새로운 강력한 양수발전소와 추가 전력선의 필요성에 대해 매우 진지한 논의가 있지만, 역시 종래의 전력원이 유럽 전역에 분배되어 전력망을 안정화할 수 있습니다.
물론, 이러한 대규모 저장 및 전송 설치의 타당성과 경제적 효율성에 관한 전례 없는 우려가 제기되고 있기는 합니다.
따라서, 풍력과 태양 에너지를 사용하는데 있어서 지금까지 엄청난 문제와 비용으로 집행되면서 실행중인 송배전망 구성에 억지로 끼워 넣기보다는 훨씬 더 향상되고 경제적이며 생태적으로 더 합리적인 설비가 있는지 여부에 대한 질문을 단호하게 던져야 합니다.
소비 변동에 정확히 따라야 하는 전력망에 전기를 공급하기 위하여, 비록 비율이 크게 변화할 것이지만, 먼 미래에도 마찬가지로 화석 연료를 포함한 기존의 에너지 공급원이 에너지 요구량을 감당하는데 일정부분 기여하게 될 것이라는 가정으로부터 출발하여, 우선 가용 에너지원은 단순한 발전규정요건과 낮은 전송 손실과 비용으로 소비 근접지역에서의 발전이 가능한 에너지가 우선 사용되어야 합니다. 따라서 화력발전소의 경우 합리적인 열병합 발전형태로 폐열활용을 목표로 하여야 합니다. 이러한 에너지원은 수력발전이 되겠지만, 우선은 화석연료, 바이오발전, 그리고 수용하는 한 핵발전도 해당됩니다.
간헐적 풍력 및 태양 에너지의 사용은 불연속성으로 인해 종속적인 역할을 하는 가운데 , 이것들은 특히 화학 원재료, 또는 실리콘 같은 새로운 금속 에너지원 뿐만 아니라 저장 및 운송이 쉬운 가연물 및 연료의 형태로 화학결합에너지로 변환되는 분야에 적용되도록 규정 지어야 합니다.
예를 들어 독일의 휘발유 연간 소비량은 2천만톤이고 디젤은 3천만톤이다. 즉, 이러한 자동차용 연료는 독일 총 1차 에너지 요구량의 약 16%를 차지하며, 이부분이 재생에너지(화학결합에너지)로 대체되는 것도 확실히 성과적인 목표입니다!
2. 재생 가능, 탄소중립 및 저장 가능한 연료로서의 실리콘-파이어 메탄올 fuel
새로운 재생연료는 오늘날 재생에너지로 간주되는 바이오에탄올과 바이오디젤과는 대조적으로 완벽한 재생에너지가 되어야 하며 탄소중립적이며, 액체상태로 저장 및 취급하기 쉽고, 연료 특성이 좋으며,경제적, 생태적 이점을 제공해야 합니다.
천연 물질 메탄올인 가장 간단한 알코올 CH3OH ("나무에탄올", 알코올 증류에서 "첫 번째 생산물")은 이러한 모든 특성을 충족합니다. 그것은 이미 고부하 차량엔진에 대한 연료와 가솔린 첨가제로서 지금까지의 가치를 입증했습니다. 1923년 이후, 화석연료의 합성가스로부터의 합성물은 산업의 첨단이 되었습니다 (현재 연간 글로벌 생산: 약 4천5백만톤).
메탄올의 단점은 부피와 관련된 열량이 가솔린의 절반에 불과하다는 것입니다. 장점은 노킹방지 특성(옥탄 번호 RON = 105, 슈퍼 가솔린의 경우 95)과 엔진 내부 냉각력이 크다는 것입니다. 이는 엔진성능과 효율이 상당히 높다는 것을 의미합니다.
메탄올을 엔진의 연료로 대규모로 도입하는 아이디어는 새로운 것이 아닙니다. 1980년대와 1990년대 미국과 독일의 화석메탄올(black methanol)에 대한 정부 주요 정책은 자동차 및 광물, 석유산업의 반대로 인해 실패했습니다. 메탄올 연료는 무엇보다도 2006년 노벨상 수상자인 조지 A. 올라(George A. Olah)의 책 "석유와 가스를 넘어: 메탄올 경제"라는 책과 스위스 회사 Silicon Fire AG의 개발로 새 생명을 얻었습니다.
최근 몇 년 동안, Silicon Fire AG는 잘 알려진 기술을 기반으로 새로운 프로세스 조합을 개발했고, 그 중 일부는 특허 등록을 마쳤으며, 재생에너지로 간주되는 다른 연료와 비교하여 재생 실리콘 파이어 메탄올은 근본적인 경쟁우위를 제공합니다.
Silicon-Fire 메탄올의 에너지 공급자는 재생 가능한 방식으로 제조된 수소 H₂로, 최신 기술에 따라 수전해를 통한 재생 전기에너지의 도움을 받아 지금까지 제조되었습니다:
H2O -286 kJ/mol = H2 + 0.5O2 (Reaction 1).
메탄올 합성을 위한 탄소는 지금까지의 생산과 같이 화석연료에 의해 제공되는 것이 아니라 산업현장에서 공기중으로 배출하지 않고 농축시킨 이산화탄소를(예: 화학 공정 또는 대형 고로의 폐가스, 라임 가마, 천연 가스로부터 CO2 포획) 사용합니다. 궁긍적으로는 향후 점점 더 많이 증가되는 대기 중의 CO2를 기술적으로 제거하는 것이 가능 할 것입니다.(현재 385ppm(0.0385% vol)).
즉, Silicon Fire 메탄올은 재생연료이며 CO2 중립적입니다. 메탄올에 대한 합성은 이전 메탄올 생산에 따른 반응기(예: 80bar 및 265°C)의 저압 합성에 따라 촉매로 생산 되었습니다.
3H2 + CO2 = CH3OH + H2O -49.6 kJ/mol.
Silicon Fire AG는 50 l/d의 생산 능력을 갖춘 적합한 이동식 시험설비를 개발했으며 2010년 가을부터 시험에서 성공적으로 사용되었습니다. 1000 l/d용량의 Silicon Fire 이동식 본격적 설비는 이에 기초하여 계획되었으며 이미 상용화 되었습니다. 3000-5000 t/d의 용량을 가진 대규모 산업 시스템의 프로젝트 계획 수립이 완료되었습니다.
Silicon Fire 메탄올의 생산 비용은 100 % 재생원료(물의 전기분해에 의한 수소+ 포집된 이산화탄소)만을 고집하지 않는다면 크게 감소할 수 있으며, 이는 경쟁 바이오 연료에 비하면 월등히 저렴합니다.
EU 지침은 2020년까지 운송부문에서 재생 에너지 점유율을 10%로 요구하지만, 동시에 화석연료와 비교하여 재생에너지는 단지 35%의 온실가스의 잠정적 감소를 목표로 하고 있습니다(2016년 말까지 유효한 수치).
이것은 위에 설명한 재생 순수 재생메탄올(green methanol)의 합성과 화석 합성가스의 전통적인 메탄올 합성을 결합할(grey/black methanol) 수 있는 가능성을 낳는데 이것은 수소의 생산을 위해 물 전해액에서 방출된 산소를 합성가스 생성(산화 또는 화석 연료의 자열 개질반응)에 적용함으로써 특히 유리하게 수행될 수 있습니다. 이러한 방식으로 결합하면 Silicon Fire 메탄올 비용은 바이오에탄올과 바이오디젤 가격보다 상당히 저렴한 대규모 설비(3000 ~ 5000 t/d)가 됩니다.
EU 내에서 가솔린에서 재생에너지 10%의 점유율을 요구하는 EU의 요구를 충족시키기 위해서는 Silicon Fire 메탄올을 포함하여 약 2600만 톤의 재생 에너지 메탄올이 필요하거나, 일일 용량이 각각 5000t인 16개의 대규모 설비가 필요할 것입니다.
3. 금속 에너지 저장소로서의 실리콘
현재 사용 가능한 고전압 직류 송전기로 수천 킬로미터의 거리에서 전기에너지를 운송하는 것은 매우 높은 비용과 손실이 따릅니다. 많은 분야에 더 효율적인 에너지를 수송하는 한 가지 가능성은 전기생산 위치에서 순수 금속으로 금속산화물의 전기화학적 감소, 에너지가 필요한 위치로 금속을 수송하고, 에너지 운반체로서 수소의 생산을 위해 금속의 재산화를 통해 에너지를 추출하는 것인데, 예를 들면, 에너지 운반체로 수소를 생산하는 것입니다.
알루미늄, 특히 실리콘과 같은 금속은 이 에너지 수송에 적합합니다.
이러한 금속은 산화물 감소를 위해 많은 양의 특정 에너지를 필요로 하며, 이는 금속산화에 다시 방출됩니다. 또한, 그들은 비독성이고 그 표면이 통과하는 산화물 층에 의해 보호된다는 장점이 있으므로 금속을 취급하고 운반하는 것은 위험하지 않습니다.
실리콘은 원자재로서의 활용성에 제한이 없다는 특별한 장점이 있습니다. 실리콘 산화물 SiO2는 석영(모래)입니다; 지구 지각의 질량 기준 25.8%는 규산염이나 석영 형태의 실리콘으로 구성되어 있습니다.
전 세계적으로 거래되는 실리콘 금속의 상당 부분은 이미 전기아크로에서 석영 모래의 감소를 통해 재생 가능한 상태로 생산되고 있으며, 숯은 흔히 지속 가능한 임업과 수력발전의 전기에너지에서 자주 발생합니다.
Silicon Fire 메탄올 합성을 위해 필요한 수소는 총 공식에 따른 실리콘 Si의 도움으로 물 H2O를 감소시킴으로써 유리하게 생산될 수 있습니다:
Si + 2H2O = SiO2 +2H2 -339,5 kJ/mol (Reaction 2)
따라서 수소와 함께 석영(모래)이 다시 생성됩니다.
위의 반응 2에서 반응열과 생성된 수소의 열량을 입력 실리콘에 에너지 함량으로 추가하면 29 MJ/kg에서 실리콘의 질량 관련 에너지 함량은 석탄과 거의 같습니다.
산화물층의 부동태화(不動態化)로 인해, 반응 2는 직접 실행되지 않고 산화물 층의 분리 후, 예를 들어, 가성소다와 함께 실행됩니다. 오래 전 제1차 세계대전 동안 항공기구를 띄우기 위하여, 이동식 슈커트와 실리콜공장은 실리콘을 SiO2로 산화시키고 물을 H2로 환원시키는 과정에서 규산나트륨을 중간생산물로 하여 수소를 생산하는데 사용되었습니다.
Silicon Fire AG는 금속 실리콘 또는 페로실리콘과 25% 수산화나트륨용액과 함께 작동하는 화학반응 기반의 Silicon Fire 수소시스템을 개발 및 계획했으며, 수소와 석영(모래)은 규산 나트륨 형성을 통해 최종 제품으로 생산되며, 가성소다를 회수할 수 있습니다. 1kg의 수소를 생산하려면 약 7.6kg의 실리콘이 필요합니다.
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