풍력 및 태양광 발전 변동에 따른 양성자교환막수 전기분해 수소생산 기술 개발 및 응용 III

풍력 및 태양광 발전 변동에 따른 양성자교환막수 전기분해 수소생산 기술 개발 및 응용 III

III. PEM 전해조 핵심기술 연구개발 및 PEM 전해조 수소생산 기술 개발 방향

1. PEM 전해조 기술 연구개발
풍력 및 태양광 발전 수소 생산의 전력 변동 범위가 크고, 수소 생산 장비 장비 수명과 생산된 수소의 순도가 크게 감소하는 것으로 나타납니다. 이러한 효과는 풍력 및 태양광 변동 전력 공급 조건에서 PEM 전해조의 주요 구성 요소가 감쇠되기 때문에 발생합니다. 기술적 관점에서 볼 때, PEM 전해조가 직면한 주요 과제는 재료 연구 및 개발, 조립 공정 및 최적화를 통해 작업 성능과 안정성을 향상시키는 방법입니다. 첨단 소재 연구 및 개발에는 촉매층 및 접착 소재, 부식 방지 양극판, 유기 이온 교환막 및 기타 방향이 포함됩니다. 전해조 부품의 조립 공정 및 최적화에는 주로 막 전극 준비 방법 최적화, 전해조 조립 예압 최적화, 막 전극/전해조 온도 및 열 응력 분포 최적화, 흐름 채널 최적화가 포함됩니다. 최근 몇 년 동안 막 전극은 PEM 전해조의 주요 연구 방향이었습니다.
전해조 촉매, 교환막, 양극판 등의 주요 구성 요소에 초점을 맞춰 촉매 연구 및 개발을 수행하는 주요 방법은 다음과 같습니다. 이원 또는 다중 금속 복합 도핑을 통해 촉매의 활성 및 안정성을 향상시킵니다. 촉매의 활용률과 활성을 향상시키기 위해 내산화성 및 고특이성 표면 물질을 촉매 담체로 선택하는 단계; 코어-쉘 구조 및 나노어레이와 같은 새로운 구조 촉매를 설계합니다. 현재 사용되고 있는 교환막 중에는 DuPont의 퍼플루오로설폰산 양성자막이 가장 일반적이며, Dow Chemical, 3M, Gore, Asahi Glass 등 브랜드의 단쇄 퍼플루오로설폰산 양성자막도 사용됩니다. 교환막의 안정성을 향상시키기 위해 일반적으로 폴리아릴렌 중합체를 사용하여 막을 강화하고 개질하며, 촉매 물질을 사용하여 격막을 개질하여 제품 가스 교차를 줄입니다. 전해조의 경우 분리판 비용이 50% 이상을 차지하며 일반적으로 내식성을 향상시키기 위해 귀금속 코팅을 구성합니다. 제조 비용을 줄이기 위한 향후 연구는 주로 새로운 저가형 양극판 재료 및 표면 처리 공정에 중점을 둘 것입니다.
조립 공정 및 최적화 측면에서 현재 연구는 음극/양극 비대칭 설계, 카드 위치 연결을 통한 전해 부품 고정 최적화 등에 중점을 두고 있습니다. 변동하는 전원 공급 장치에 적응하기 위해 일부 연구에서는 물의 영향을 조사했습니다. 전해조의 유량 변화, 급수관의 분포, 양면 가스 투과에 따른 막전극 구조, 온도 및 압력 변화, 전류 밀도 등. 전해조의 핵심 부품으로는 가장 일반적으로 사용되는 촉매 코팅 막 공정은 다음과 같습니다. 초음파 분무 및 롤투롤 코팅: 전자에 비해 후자는 촉매층의 일회성 코팅을 사용하므로 더 두껍고 균일한 코팅을 더 빨리 얻을 수 있으며 막 전극 대량 생산 요구를 충족합니다. 조립으로 인한 펑크, 균열, 기계적 응력, 불충분한 가습 및 반응 압력을 방지하기 위해 일반적으로 막 전극 및 클램핑 공정을 설계할 때 사용되는 재료 특성을 충분히 연구하고 실험 장치를 기반으로 로딩 테스트를 수행합니다.

빈번한 시동 정지 및 풍력-태양광 변동 전원 공급 장치에서 부품의 수명을 평가하려면 스택 부품의 내구성을 향상시키기 위해 가속 테스트를 통해 더 많은 데이터를 얻어야 하며 이는 현재 연구 개발의 또 다른 과제입니다. 그러나 PEM 전해조 부품에 대한 표준화된 가속 붕괴 테스트 프로토콜이 없으며, 스택 부품의 분해 속도를 측정하기 어려워 기존 연구 결과를 직접 비교하기가 어렵습니다. 표준화된 PEM 전해조 가속 붕괴 테스트 프로토콜을 확립하는 것은 현재 핵심 기술 연구 개발에서 시급히 해결해야 할 병목 문제입니다.
최근 몇 년 동안 PEM 전해조의 핵심 구성 요소에 대한 기술 연구 및 개발이 상당한 진전을 이루었습니다. 우리나라의 물 전기분해에 의한 수소 생산 기술 경로에 따르면 현재 PEM 전해조의 주요 기술 지표는 효율 약 63%, 수명 약 6×104시간, 비용 약 10,000위안/kW입니다. 2030년까지 PEM 전해조의 핵심 기술 지표는 효율 78%, 수명 1×105시간, 비용 절감 4,000위안/kW가 될 것으로 예상됩니다.

2. PEM 전해조 수소생산 기술 개발 방향
풍력-태양광 발전 수소 생산의 원리는 풍력/태양 에너지를 전기로 변환한 후 전해조를 통해 전기를 수소 에너지로 변환하는 것입니다. 현재 4가지 주요 수전해 기술이 있는데, 그 중 알칼리 수전해 기술이 가장 성숙하고 비용이 가장 낮으며 상업 개발 단계에 진입했습니다. 그러나 PEM 수전해 기술은 빠르게 발전하고 있으며 풍력 및 태양광 발전에 대한 적응성이 뛰어나 향후 재생 에너지 전력 수소 생산에서 선호되는 방향이 될 것입니다.
현재 주요 풍력-태양광 결합 수소 생산 방법은 독립형 및 그리드 연결형입니다. 그리드 연결형 수소 생산은 수소 생산 전력의 변동성을 극복하지만, 높은 전력 가격과 제한된 그리드 접근성이라는 문제를 안고 있습니다. 오프그리드 방식은 단일 또는 다중 풍력 터빈에서 생성된 전력을 (그리드를 통과하지 않고) 수소 생산을 위한 수전해 수소 생산 장비에 공급하는 방식입니다. 풍력 자원은 풍부하지만 소비가 제한적인 지역에 적합하며 강력한 비즈니스 모델과 광범위한 개발 전망을 가지고 있습니다. 주로 분산형 수소 생산에 사용되며, 지역적으로는 연료전지 발전 및 에너지 공급에 사용됩니다.
오프 그리드 수소 생산과 유사하게, 비 그리드 수소 생산은 수소를 생산하는 또 다른 효과적인 방법으로, 그리드 연결에 필요한 많은 보조 장비(예: 변환기/변압기, 필터 시스템 등)를 제거하고 비용을 크게 절감합니다. 그리드 연결 수소 생산과 비교. 비그리드 수소 생산은 직류를 사용하여 AC 그리드 액세스로 인해 발생하는 위상차 및 주파수 차이 문제를 효과적으로 방지하고 시스템을 단순화하며 비용을 절감합니다. 오프 그리드/그리드 연결 수소 생산과 비교할 때, 비 그리드 연결 풍력 및 태양광 발전 가수분해 수소 생산은 풍력 및 태양광 발전을 PEM 전해조와 직접 연결하여 그리드 연결 없이 풍력 및 태양광 발전 네트워킹을 실현한다는 점에 주목할 가치가 있습니다. 이를 통해 변동하는 풍력 및 태양광 발전이 전력망에 미치는 영향을 피할 수 있습니다. 이 과정에서 무계통 연결형 풍력 및 태양광 발전 수소 생산에서 변동하는 전원은 간단한 변환 및 정류만 필요하며, 변압기를 통해 전압을 필요한 전압으로 조정하고 AC 전원을 DC 전원으로 정류합니다.
논그리드 수소생산 기술은 관련 분야에서 우리나라의 원천기술로, 변동하는 신재생에너지의 기술적 한계를 깨는 데 도움이 됩니다. 풍력 및 태양광 발전은 그리드 연결 제약을 받지 않으며, 풍력 및 태양광 발전 장비를 더욱 최적화할 수 있어 비용을 크게 절감하고 그리드 연결로 인한 대규모 풍력 터빈/태양광 그리드 오프 사고를 방지할 수 있습니다. 풍력 및 태양광 발전 소비 문제를 해결하는 동시에 그린 수소 에너지 산업 발전을 촉진합니다.

IV. 풍력 및 태양광 변동 전원을 이용한 물 전기분해 및 수소 생산의 응용 동향
1.풍력결합 수소생산 현황 및 경제성
현재 국내외 연구의 초점은 다양한 응용 시나리오에서 그리드 연결 풍력 수소 생산의 적용 가능성과 경제성에 있습니다. 그리드 연결 풍력 발전 수소 생산은 바람에 의한 포기를 효과적으로 흡수할 수 있습니다(해당 바람에 의한 포기율은 35.8%에서 7.5%로 감소). 주요 연구 방향에는 시스템 구성 최적화 및 제어 전략 시뮬레이션이 포함되며 주로 전압, 전류, 온도, 압력 및 전극 재료의 전기화학적 특성이 빈번한 전력 변경 하에서 수소 생산 장비 작동에 미치는 영향을 탐색하고 작동 및 시작-중지를 최적화합니다. 제어 전략 및 전해조의 서비스 수명 연장. 풍력 결합 수소 생산에서 해상 풍력 수소 생산은 미래의 주류 형태 중 하나입니다. 최근 몇 년 동안 20개 이상의 풍력 결합 수소 생산 실증 프로젝트가 해외에서 건설되었습니다. 유럽의 주요 연구 방향은 다음과 같습니다. 전력망에서 수소의 에너지 저장 이점을 탐색하고 풍력 에너지 활용도, 발전 품질 및 전력망 안정성을 개선합니다. 수소 저장을 통해 재생 에너지의 비율을 높이기 위한 "전력-가스" 프로젝트를 수행합니다. 네덜란드 등 해상풍력 수소생산 프로젝트 개발은 2030년 3~4GW 해상풍력 수소생산 프로젝트를 구축하고, 2040년에는 설치용량 10GW, 수소생산규모 8×105톤에 도달할 예정이다. 기존 수소와 비교하면 생산 방식에서 전기분해는 풍력발전 수소 생산의 경제성을 결정하는 핵심 요소이다. 물을 전기분해해 수소를 생산하는 데 드는 비용의 70%는 전기요금에서 나온다. 현재 전기요금을 기준으로 풍력발전 수소 생산 비용은 기존 수소 생산 비용의 2~3배에 이른다. 킬로와트시당 비용을 0.25위안으로 통제하면 풍력 수소 생산 비용은 기존 수소 생산 비용과 동등합니다. 전기 가격이 낮아지면 경제적 이점이 있을 것입니다.

2.수소생산과 결합된 태양광발전의 현황과 경제성
수소 생산과 결합된 태양광 발전은 재생 에너지로부터 수소를 생산하는 또 다른 주요 방법입니다.
태양광발전 산업화 수소생산의 병목현상은 높은 비용에 있다. 태양광 발전 비용의 하락은 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 비용을 크게 줄일 것입니다. 2025년에는 킬로와트시당 태양광 발전 비용이 0.3위안 미만이 될 것으로 추산되며 그때까지 태양광 발전 수소 생산은 동등한 수준이 될 것으로 예상됩니다. 풍부한 조명 자원이 있는 지역에서는 킬로와트시당 태양광 발전 수소 생산 비용이 0.15위안으로 낮아져 수소 생산 비용이 더욱 낮아질 것으로 예상됩니다. 2035년과 2050년까지 태양광발전 비용은 킬로와트시당 0.2위안, 0.13위안으로 모든 면에서 양호한 경제성을 달성할 것이다.
최근 연구 예측과 "중국 2030 '재생 가능한 수소 100' 개발 로드맵"에 따르면 우리나라의 육상 풍력 및 태양광 발전 수전해 수소 생산은 거의 동등합니다. 그러나 PEM 수전해 수소 생산 장비는 알칼리 전해조에 비해 가격이 5배 이상 높고, 평준화 수소 생산 비용도 약 40% 더 높다. 따라서 PEM 전해조 수소 생산의 향후 개발을 위한 핵심 추진 요소는 장비 제조 및 운영 비용을 줄이는 것입니다. 수소 생산 산업의 규모와 해당 핵심 기술의 지속적인 혁신으로 PEM 전해조 비용은 50% 이상 절감되고, 수소 균등화 비용은 20% 절감될 것으로 예상됩니다.