항상 '친환경적'이지 않은 연료전지 Are fuel cells environmentally friendly? Not always
"전기 생산 방식이 핵심 요소"
물전기분해 수소생산 연료전지 구동 시
환경적 측면 불합리
출처 LGCNS
*연료전지(燃料電池, Fuel Cell)
연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치]
[관련자료]
매력적인 발전기술, 연료전지
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연료 전지는 자동차 및 가정용 열원 시스템을 위한 미래 기술로 여겨지고 있다. 그 결과 연료 전지는 신재생 에너지 전환에서의 핵심적인 역할을 하고 있다. 하지만 연료 전지가 언제나 친환경적일까? 스위스 EMPA 연구진은 연료에 따라 연료 전지의 친환경 정도가 별할 수 있다고 결론을 내렸다. 미래에는 태양에너지에 의해 생산된 수소를 연소시켜 사용하는 연료전지를 통해 자동차를 운전할지도 모른다. 이는 무배출자동차를 실현시켜줄 핵심 기술이다. 동시에, 연료전지 기술을 바탕으로 한 소규모 열병합발전 단위도 각 가정별로 설치되어 사용될 수도 있다. 연료전지 기반의 열병합발전은 천연가스나 바이오가스를 전기 에너지로 전환하는 것으로, 이 과정에서 생산되는 열에너지는 건물 온열에 추가적으로 사용될 수 있다. 이러한 기술적 가능성에도 불구하고, 연료전지는 과연 환경적으로 좋은 기술일까? EMPA의 Dominic Notter 박사는 연료전지의 생산과 총 사용시간, 재활용을 포함한 연료전지 사용의 전과정평가(life cycle assessment, LCA)를 실시하였다. "전기 생산 방식이 핵심 요소" 그 결과, 자동차용 연료전지는 재생가능한 에너지원으로부터 생산된 수소를 사용할 경우에만 생태학적으로 타당한 것으로 나타났다. 유럽 전력망의 전기에너지를 끌어다 쓰거나 물전기분해를 통한 수소 생산 등으로 연료전지를 구동할 때에는 환경적 측면에서 불합리한 결과를 보였다. 즉 이러한 방법으로 전기를 생산할 경우 단위 kWh 동안 상당히 높은 CO2 배출 규모를 확인할 수 있었다. 현재, 산업용 수소는 압도적으로 천연가스에서 직접 생산된다. 하지만 이러한 경로를 통한 연료전지 사용은 환경적으로 아무런 이득을 얻을 수 없다. 오히려 전통적인 연소 엔진식 자동차 구동이 환경적으로 덜 해로운 수준이다. 수소를 생산하기 위해서는 먼저, 전기 에너지가 필요하다. 이후 수소로부터 생산된 전기 에너지로 자동차가 움직인다. 이러한 이중 전환은 에너지 효율을 매우 떨어뜨린다. 전기 자동차 배터리 충전을 위해 같은 용량의 전기 에너지를 사용하는 사람들이 오히려 더 친환경적이게 된다. Notter 박사는, 미래에는 다른 식으로 전개될 것이라고 강조하였다. 연료전지가 태양에너지, 풍력, 수력에서 전기를 생산함으로써, 경쟁력으로 갖추게 될 것이라고 설명하였다. 배터리로 구동되는 전기 자동차에 비해 연료전지는 적은 양의 에너지를 필요로 하고 재충전 속도 또한 빠르기 때문이다. "열병합 발전 단위: 세계 최고의 에너지 효율" 열병합발전 단위와 비교를 하면, Stirling 엔진에 견줄 수 있는 기술로는 최첨단 탄소 나노튜브 기반의 연료 전지를 들 수 있을 것이다. 1816년, 스코틀랜드 Robert Stirling에 의해 발명된 무배출기계는 열에너지를 운동에너지로 변환하는 장치이다. 열병합발전의 2가지 형태 모두 천연가스를 통해 운전되며, 매우 높은 효율로 천연가스를 전기 에너지로 전환시킨다(천연가스 에너지 총량의 90% 수준). 형태 불문한 열병합 발전은 에너지 효율 측면의 최고봉으로 칠 수 있다. 하지만, 백금과 같은 희토류를 사용하는 현재의 연료전지는 미래지향적이지 못하다. 백금이 고가일 뿐만 아니라 미래에는 확보가 요원하기 때문이다. 반면 Stirling 엔진은 철로만 구성되어 있다. "가스 자동차보다 환경친화적이지 못한 유럽 배전망 기반의 전기 자동차" Notter 박사팀은 열병합 발전 단위에 대해, 1kW 출력의 연료전지가 동일 출력의 Stirling 엔진과 비교가능하다고 보았다. 분석에 사용된 연료전지 자동차는 55kW 출력을 가졌으며, 이는 55kW의 강력한 전기 자동차와 55kW의 크기가 작은 가솔린 자동차와 비교 가능하다. 이를 바탕으로, 자동차 상품, 서비스 등에 대한 전과정 평가를 수행하였다. 그 결과, 현재의 유럽 전력 공급망을 사용하는 경우 가솔린 자동차가 가까스로 앞선 것으로 나타났다(단, 150,000km 주행거리 이후 100km 당 6.1 l 소비로 가정). 유럽 전력으로 충전하는 전기 자동차는 약간 더 높은 환경 오염물질을 배출하였으며, 6.4 l/100 km 가솔린 소비와 비슷한 수준이었다. 현재의, 수소 생산을 위해 유럽 에너지를 사용하는 작은 연료 전지 자동차는 최악의 경우로 나타났다. 100km 당 12.1 l의 가솔린을 필요로 하는 고가의 스포츠 자동차와 동일한 환경 영향이 발생하는 것으로 나타났기 때문이다. 하지만 연료 전지는 핵심 미래 기술이다. 특히 풍력과 태양 에너지로부터의 잉여 에너지를 수소의 형태로 일시적 저장이 가능하며, 개별 가정의 열원 및 기동력 제공에 탁월한 형태이기 때문이다. 현재, 풍력 발전소는 시장 판매량 이상의 전기를 생산할 경우 가동을 중단하고 있으며, 이는 청정 에너지를 쓸모없이 폐기하고 있는 형국이다. 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 |
Are fuel cells environmentally friendly? Not always
July 15, 2015
Source:Empa
Fuel cells are regarded as the technology of the future for both cars and household heating systems. As a result, they have a key role to play in the switch to renewable energies. But are fuel cells always more environmentally friendly? An international team of scientists headed by Empa performed a series of calculations and reached a conclusion: It depends on the fuel. .
In the future, we might be driving fuel-cell cars that burn solar-generated hydrogen. This would make the “zero emissions car” a reality. At the same time, small combined heat and power units – also based on fuel cell technology – could be placed in our cellars at home. They convert natural gas and biogas into electricity while generating heat as an added “bonus” to warm the building.
Although this is technically possible, does it also make sense for the environment? Empa researcher Dominic Notter teamed up with colleagues from Greece and Brazil to analyze the life cycle assessments for the use of fuel cells: From their production, throughout their entire service life, all the way to their eventual recycling.
How the electricity is generated the key
The result was conclusive: Fuel cells for cars are only ecologically sound if they are able to run on hydrogen from renewable energy sources. It doesn’t make any sense to draw electricity from the European power grid, use it to produce hydrogen via hydro-electrolysis and fuel cars with it; the CO2 emissions per kilowatt hour of electricity would be far too high using this method. At present, industrial hydrogen is predominantly obtained directly from natural gas. However, the fuel cell does not really have any environmental advantages with this kind of fuel, either. A car with a combustion engine currently has the edge: The production of conventional cars is less harmful for the environment.
Nor does the fuel cell stand a chance in the eco-comparison with electric cars for now: First of all, electricity is needed to generate hydrogen, which the car tanks up on. Electricity is then produced from hydrogen again in the car. This double conversion significantly reduces the efficiency level. People who use the same electricity to charge the battery in their electric cars directly travel more economically and thus in a more environmentally friendly way.
It could be different story in future, however, says Notter. A fuel cell car will become competitive as soon as a company chiefly produces its electricity from solar, wind and hydro power – because the vehicle will guzzle fewer resources during production than a battery-operated electric car, have a far greater range and can be refueled more rapidly.
Combined heat and power units: world champions of energy efficiency
When it came to comparing combined heat and power units, the research team pitted a fuel cell based on state-of-the-art carbon nanotubes against a Stirling engine. This zero-emission machine, which was invented and patented by the Scottish clergyman Robert Stirling in 1816, converts heat into kinetic energy. Both types of combined heat and power unit can be operated with natural gas. The result of the calculation: a slight advantage for the fuel cell as it converts a higher proportion of natural gas into valuable electricity. Anyone who uses it to produce heat and electricity simultaneously exploits 90 percent of the energy contained in the natural gas – a huge proportion. Combined heat and power units – regardless of the type – are therefore masterpieces of energy efficiency. The drawback, however: A fuel cell contains rare metals such as platinum, which are becoming increasingly more expensive and might be difficult to obtain in the future; the Stirling engine, on the other hand, can simply be constructed from steel.
Electric cars with EU electricity not more environmentally friendly than gas-powered cars
For their calculations, Notter and his team used the life cycle assessment instrument, which enables the environmental impact of goods and services to be calculated and compared. The researchers calculated the components of the fuel cells from scratch themselves: For the combined heat and power unit, the fuel cell has an output of 1 kW (kilowatts) and is comparable to a Stirling engine, which generates the same amount of electricity. The fuel-cell vehicle in the study has an output of 55 kW and is comparable to a 55-kW, strong electric car and a small, 55-kW, gasoline-powered car.
The result: Taking the current EU power mix as a comparison, with an assumed consumption of 6.1 l/100 km after 150,000 km of mileage, the gasoline-powered compact car is ahead by a nose. The electric car charged with EU electricity produces slightly more environmental pollution – comparable to 6.4 l/100 km of gasoline consumption. Today, a small fuel-cell car that uses EU electricity to generate hydrogen would easily be the worst option. The car would have the same environmental impact as a luxury sports car with a gasoline consumption of 12.1 l /100 km.
However, the fuel cell could be a key future technology – especially when surplus electricity from wind power and solar energy is stored temporarily in the form of hydrogen and thus becomes accessible for household heating or mobility. Currently, wind farms are simply switched off when there is too much electricity on the market and the eco-energy goes to waste.
http://www.sciencedaily.com/releases/2015/07/150715113313.htm
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