[외신 번역/자체 번역] 금속 연료가 청정 에너지가 될 수 있을까? 1편

원문 기사: https://www.chemistryworld.com/news/burning-metal-to-make-clean-energy/4014723.article

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언뜻 보기에는 친환경적으로 보이지 않는 기술

화석 연료에 대한 의존도를 줄여야 할 필요성이 그 어느 때보다 강하게 대두되고 있습니다. 전 세계적으로 사용되는 에너지는 매년 300억 톤 이상의 이산화탄소를 대기 중으로 방출합니다. 에너지 부문의 탈탄소화와 같은 중요한 목표와 더불어, 각국의 연구원들은 지구를 파괴하지 않고 우리 삶에 동력을 공급할 수 있는 새로운 방법을 모색하고 있습니다.

 

수소, 연료 전지 및 배터리는 아마도 오늘날 가장 개발되고 잘 알려진 대체 에너지 운반체일 것입니다. 그러나 청정 에너지 산업에 기여할 수 있는 아이디어는 무수히 많습니다. 그 중 최근 학계에서 많은 관심을 끌기 시작한 한 가지 개념은 바로  '금속을 연료로 사용할 수 있는가'입니다.

출처: © Bart van Overbeeke / 철가루를 공기와 함께 연소시켜 열을 만들 수 있습니다.

 

금속 가루를 태우는 것은 언뜻 보기에는 환경 문제를 해결할 가능성이 거의 없는 방법처럼 보일 수 있습니다. 그러나 대체 에너지 운반체를 찾는 과학자들은 이 방법이 일부 측면에서는 전력을 공급하는 친환경적인 방법이 될 수 있다고 말합니다.

 

탈탄소 에너지

가장 중요한 것은 금속 연료에는 탄소가 없다는 점입니다. 철 나노 입자를 태우면 산화철이 생성됩니다. 그런 다음 산화된 물질은 재생 가능한 전기를 사용하여 다시 철로 환원될 수 있으며, 이는 이론적으로는 탄소가 없는 하나의 사이클을 완성합니다.

 

캐나다 몬트리올에 있는 맥길 대학의 대체 연료 연구소를 이끌고 있는 Jeff Bergthorson은 "저는 가끔 금속 연료를 고체 수소에 대입합니다. 두 경우 모두 - 만약 당신이 친환경적이고 지속 가능한 방식으로 이것들을 고려한다면요 - 당신은 재생 에너지를 사용하고 있는 것이고, 당신은 그것을 에너지 운반체나 연료를 생산하는 데 사용하고 있는 셈입니다."

 

Bergthorson은 수소가 전기분해에 의해 생성될 때 연소 생성물인 물이 환원되어 우리가 연소할 수 있는 연료를 제공한다고 설명합니다(과정에서 물을 재생함). 금속 연료의 경우 이와 동일한 개념이 적용됩니다. 철의 경우 계속해서 반복되는 부산물이 없는 사이클에서 산화철을 가져와 철로 재활용합니다.

 

출처:  Elements © Shutterstock / Bergthorson은 붕소, 마그네슘, 알루미늄, 규소, 티타늄, 철 및 아연을 연소하여 금속 산화물을 생성할 수 있는 연료로 사용할 수 있다고 말합니다. 그런 다음 이러한 산화물은 금속 연료로 환원됩니다.

 

"알루미늄을 연료로 사용하는 것과 알루미늄-공기 배터리 사이에는 직접적인 유사점이 있습니다. 이는 수소 연소 엔진과 수소 연료 전지의 차이와 같습니다."라고 Bergthorson은 덧붙입니다. "단순히 화학적 형태로 에너지를 저장하고 운반하는 방법에 대해 이야기하고 있는 겁니다."

 

금속 연료를 저장하고 운반함에 있어서 용이함은 실제 주요 장점 중 하나입니다. "철은 삽으로 옮길 수 있죠. 트럭과 선박으로 운반해도 매우 안전하고요."라고 그는 말합니다. "비싸고 복잡한 장비가 필요한데다 안전 위험까지 있는 있는 수소를 운반하는 것보다 훨씬 안전하죠."

 

Bergthorson은 이러한 이점이 금속 연료가 국제 에너지 무역을 위한 청정 에너지 상품으로서 중요한 역할을 하는 데 기여할 것이라 덧붙였습니다. "우리는 항상 화석 에너지를 사고 팝니다. 이는 우리 경제의 정상적인 부분입니다. 경제의 큰 부분이지요. 하지만 청정 에너지 거래는 어떻게 이뤄질까요?' 그는 묻습니다. "지금은 모두 수소에 집중하지만 누구나 그것을 쉽게 사거나 팔 수 있을까요? 사람들은 우리가 알루미늄을 전 세계로 운송할 때 에너지도 함께 운송한다는 생각을 지금도 거의 못 하고 있죠."

다른 주요 이점으로는 철, 알루미늄과 같은 금속이 풍부하고 에너지 밀도가 높기 때문에, 대부분의 다른 에너지 운반체에 비해 부피 대비 많은 에너지를 함유하고 있다는 점입니다. 과학자들은 수십 년 동안 이러한 특질을 잘 알고 있었지만, 금속을 연료로 사용하는 것이 실제로 이루어지리라 생각하기 시작한 것은 불과 몇 년 전입니다.

 

물과 만나다

Vincent van der Schaft는 말합니다. "철은 지각에서 가장 흔한 원소 중 하나입니다. 정말 흔하고 저렴하죠. 이는 어디에서나 사용할 수 있는 에너지 운반체가 되기 위한 필수 요소입니다." 그는 네덜란드의 에인트호번 대학에 기반을 둔 학생 주도의 금속 연료 연구 그룹 Solid의 일원 중 한명입니다. "그리고 몇 가지 다른 좋은 특성도 있습니다. 가장 중요한 점은, 철이 실제로 가스 불꽃의 온도와 가장 유사한 온도에서 연소된다는 겁니다." 그는 이 사실이 새로운 연료를 사용하기 위해 오래된 설비나 산업 공정을 개조할 때 맞닥드릴 수 있는 몇 가지 어려운 엔지니어링 문제를 해결하는 데에 큰 도움을 줄 것으로 보고 있습니다. 

 

작년 Solid는 금속 연료 부문에 있어서는 가장 규모가 큰 시연을 보였습니다.  금속 연료 시스템을 이용해  지역 양조장에 전력을 공급한 것입니다. 이 프로젝트에는 Swinkels Family Brewers가 소유한 시설에 MP100으로 알려진 철 버너를 설치하는 것도 포함되었습니다. "연소 설비는 약 15미터 길이의 정말 큰 산업 설비입니다. 그리고 대부분은 매우 긴 버너 튜브로 덮여 있어요." 그는 기류가 철 가루를 버너로 운반하여 연소한다고 설명합니다. 발열 반응은 물을 가열하고 증기를 생성하는 데 사용되는 많은 에너지를 생성하는 반면, 산화철은 재사용을 위해 걸러집니다. 그런 다음 증기는 양조장으로 공급되어 대량 생산 과정에 필요한 전력을 공급합니다.

 

현재 설치된 버너는 양조장만큼 큰 시설에 전력을 충분히 공급할 만큼 크지 않지만, 프로젝트의 요점은 이런 환경에서 금속 가루를 에너지로서 사용할 수 있음을 증명하는 것이었습니다. "그곳에 있던 MP100 설비의 출력은 100kW로 자동차와 비슷합니다" van der Schaft는 말합니다. "양조 과정에서 이 기술을 사용할 수 있음을 보여주기 위한 시연이었지요."

 

출처: © Bart van Overbeeke / 네덜란드의 연구원들은 100kW 보일러 시스템에서 철 분말을 사용하여 지속 가능한 에너지 운반체 역할을 할 수 있음을 입증했습니다.

 

Solid는 또한 올해 세계 최초의 철 동력 선박을 초연하기를 희망했지만 현재의 버너로는 이를 시연하는 것이 불가능하다고 결론지었습니다. 올해 Solid 팀을 이끌고 있는 Ellen Meijerink 말합니다. "MP100은 양조장이나 선박용으로는 충분히 크지 않기 때문에, 이 프로젝트의 다음 단계는 규모를 늘리는 것입니다. 우리는 지금 200kw의 새로운 설비를 작업 중입니다." 그녀는 Solid와 더불어 많은 협력자들도 이미 더욱 큰 규모의 버너를 설치할 계획에 착수하고 있다고 덧붙였습니다.

 

한편 Meijerink는 Solid가 금속 분말에서 청정 에너지를 생성하는 다른 방법도 모색 중이라고 말합니다. "철 가루를 연소하지 않고 여기에 증기를 추가하고 있어요. 이 과정은 산화물을 다시 생성하지만, 여기에서는 수소를 추출해낼 수 있습니다."

 

 

2편에서 계속됩니다

 

 

 

 

 

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