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- 입사광을 광촉매로 반응기 챔버로 안내하는 특수 채널 구조의 패널로 구성
- 대량 생산에 적합한 모듈식 설계 덕분에 이 시스템은 상대적으로 저렴
- 다양한 Solar-To-X 공정에 쉽게 적용, 태양열 농장 및 주택 지붕용

우리집 지붕에서 태양열 수소 생산할 수 있다.

모듈식 광(光) 반응기는 분산형 태양광 대 X 프로세스를 수익성 있게 만들 수 있다.

 

수소, 합성 가스 또는 합성 연료는 미래에 집 지붕에서 생산될 수 있다. 새로운 유형의 광 반응기가 이를 가능하게 한다. 입사광을 광촉매로 반응기 챔버로 안내하는 특수 채널 구조의 패널로 구성된다. 대량 생산에 적합한 모듈식 설계 덕분에 이 시스템은 상대적으로 저렴하고 다양한 Solar-To-X 공정에 쉽게 적용할 수 있다.

 

▲ 미래에는 지붕에 있는 모듈식 광반응기가 태양열 물 분해를 사용하여 녹색 수소를 생산할 수 있다. © Amadeus Bramsiepe/ KIT

자연이 보여주는 방법은 다음과 같다. 광합성 동안 식물은 CO2, 물 및 빛만을 사용해 고에너지 화합물을 생성한다. 이것은 광촉매로서 필요한 반응을 유발하는 특수 효소에 의해 가능하다. 소위 Solar-to-X 프로세스는 수소와 CO2로부터 수소, 합성 가스 또는 e-연료를 광촉매로 생성함으로써 이 원리를 모방했다. 이전 접근법의 범위는 떠다니는 잎에서부터 직렬 태양 전지에 의한 태양 물 분할, 태양 합성 가스 나노 공장에 이르기까지 다양하다.

 

그러나 지금까지 이러한 태양열 수소 및 연료 공장은 실험실 또는 파일럿 규모로만 존재했다. 또한 프로세스는 대규모로 사용하기에 충분히 효율적이지 않은 경우가 많으며 필요한 재료와 구성 요소가 너무 비싸다.

 

▲ 광반응기는 기존의 광전지 또는 태양열 모듈과 유사한 방식으로 지붕에 장착된다. © Kant et al./Joule, CC-by-nc-nd 4.0

Solar-to-X용 모듈형 광반응기

지금은 바뀔 수 있다. Karlsruhe Institute of Technology(KIT)의 Paul Kant가 이끄는 팀은 예를 들어 건물 지붕을 태양열 수소 공장으로 전환할 수 있을 만큼 효율적이고 저렴한 모듈식 광반응기를 개발했다. 이것은 태양광을 작은 채널에 집중시키고 관형 반응실로 거의 손실 없이 효과적으로 안내하는 광반응기 패널의 특수 설계로 가능하다.

 

"광반응기는 빛이 오는 방향이나 태양이 하늘의 어디에 있든 관계없이 거의 손실 없이 들어오는 햇빛을 광촉매에 이상적으로 전달해야 한다"고 Kant는 설명했다. .”

 

▲ 반사 다중 통과 광반응기의 손실 메커니즘 분석 (출처: 관련논문 Low-cost photoreactors for highly photon/energy-efficient solar-driven synthesis / Joule)

리플렉터 트로프, 반응기 튜브 및 광촉매

 

연구원들에 따르면, 새로 개발된 광반응기에서 두 가지 요구 사항이 모두 충족된다. 태양광 수소 공장의 각 패널은 병렬로 작동하는 수많은 반응 채널로 구성된다. "단면에서 이러한 채널은 서로 다른 입사 방향에서 빛을 수집하고 관 모양의 거울이 있는 챔버로 보내는 V자 모양의 집광기로 구성된다"고 그들은 설명했다. 반응 챔버에서 광촉매는 이를 통해 흐르는 물을 수소와 산소로 분리한다.

 

하이라이트:

이 포토 리액터는 다양한 solar-to-x 프로세스에 쉽게 적용할 수 있다. 이를 위해 광촉매만 교체하고 처리 단계를 추가해야 한다. 필요한 것에 따라 광반응기 패널은 수소, 합성 가스 또는 합성 연료를 생성한다. "우리의 개념과 기본 설계는 모든 액체, 기체 또는 이종 다상 광촉매 시스템에 적용할 수 있다"고 Kant와 그의 동료들은 설명했다.

 

▲ 제안된 광반응기 개념의 시연에 사용된 단일 채널 실험실 광반응기의 CAD(Computer-Aided Design) 모델 렌더링

4배 더 높은 효율성

팀은 그들의 태양열 반응기가 확립되고 상업적으로 이용 가능한 광촉매 포타슘 트리옥살라토 철산염(III)과 얼마나 효율적으로 작동하는지 테스트했다. 그들의 평가에 따르면, 이 시스템은 철(III)에서 철(II)로의 환원에 대해 5.8%의 광촉매 효율을 달성했다. "그것은 언뜻 보기에 인상적이지 않을 수 있지만, 이 재료의 경우 이론적으로 달성 가능한 최대값의 62%에 해당한다"고 연구원들은 강조했다.

따라서 새로운 광반응기 패널은 유리 모세관으로 만들어진 단순한 광반응기보다 4배 더 높은 광촉매 효율을 갖는다고 Kant와 그의 팀은 설명했다. 이는 반응기 채널의 설계가 산란광을 반응기 챔버로 반복적으로 유도하기 때문에 달성된다. 또한 반응 챔버의 전체 길이는 빛으로 가득 차 있다. 

▲ 최적화된 반사 다중 통과 광반응기의 성능 (출처: 관련논문 Low-cost photoreactors for highly photon/energy-efficient solar-driven synthesis / Joule)

평방피트당 $22

그러나 상업적으로 실행 가능하려면 이러한 광반응기는 제조 및 설치 비용도 저렴해야 한다. "비용을 줄이기 위해 우리는 확립된 대량 생산 공정을 사용하여 제조할 수 있는 저렴한 재료와 기하학적 구조를 사용한다"고 Kant는 말했다. 패널의 기본 구조는 일반적인 플라스틱 폴리카보네이트와 폴리에틸렌으로 구성되어 있어 성형 및 성형이 용이하다. 압출기를 사용하는 산업 생산이 구조화되어야 한다. 반사체 층은 분사된 알루미늄으로 구성된다.

연구원들은 "이러한 구성 요소의 재료 비용은 평방 미터당 약 9.40달러에 불과하다"고 보고했다. 제조 및 촉매 비용을 추가하면 광반응기 패널 1제곱미터의 비용은 약 $22가 될 수 있다. "따라서 이 접근 방식은 포토 리엑터를 위한 비용 효율적인 설계를 나타낸다"고 팀은 말했다. 그들은 현재 대량 생산을 위해 광반응기를 최적화하기 위해 노력하고 있다. 그들은 또한 자체적으로 특히 효율적인 광촉매를 개발하기를 원한다.

▲ 폴리머와 알루미늄 층으로 만들어진 새로운 유형의 광 반응기의 실험실 데모. © Amadeus Bramsiepe/ KIT

태양열 농장 및 주택 지붕용

과학자들에 따르면 그들의 모듈식 광반응기는 모든 영역으로 확장될 수 있는 간단한 모듈을 사용해 태양열 수소 또는 태양열 연료를 생산할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. Kant와 그의 팀에 따르면 그들의 광반응기 패널은 대규모 태양광 발전소와 자신의 집 지붕에 있는 분산형 시스템 모두에 적합하다. 이것은 인공 광합성 및 태양열 물 분해 분야를 더욱 발전시킬 수 있다. "이것은 단순히 화석 연료의 사용을 불필요하게 만들 수 있다"고 Kant는 말했다.
(Joule, 2023; doi: 10.1016/j.joule.2023.05.006)
출처: KIT / 칼스루에 공과대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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