가정에서 풍력을 이용 수소를 직접 생산하는 기술

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-05-04 09:45:34
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- 가정용 수소 전기분해 시스템과 소형 풍력 터빈
- 약한 풍력에도 작동하는 경량 구조, 무게 30% 줄여
- 폭풍우에서는 로터 블레이드가 탄력적으로 구부러져 바람 수용
- 탄소 섬유 복합재로 만든 경량 탱크는 재료 절약과 안전에 적합

자신의 정원에서 나온 수소
연구원들은 가정용 수소 전기 분해 시스템을 갖춘 소형 풍력 터빈을 개발하고 있다.


모두를 위한 미니 발전소 :
미래에는 개인 가정에서도 자체 사용을 위해 기후 친화적인 수소를 생산할 수 있다.
이를 위한 기술은 현재 독일 연구자들에 의해 개발되고 있다. 이 시스템은 특별히 개조된 작고 효율적인 풍력 터빈으로 구성되며 전기는 전기 분해를 통해 수소를 생성하는 데 사용된다. 이러한 방식으로 생성된 가스는 가열에 직접 사용하거나 특수 탱크에 저장할 수 있다. 

▲ 이 특별한 약한 풍력 요 로터는 소형 풍력 터빈과 수소 생산을 개인 용도로 사용하기 위한 것이다. © Fraunhofer IAP

수소는 재생 가능 에너지의 도움으로 얻을 수 있는 미래의 기후 친화적 에너지 운반자다.
예를 들어 태양이나 바람의 전기가 물의 전기 분해에 사용되는 경우다. 지금까지 파일럿 프로젝트는 주로 해상 풍력 터빈과 같은 대규모 발전을 목표로 했다.
큰 단점은 개인 가정에서도 수소의 도움으로 난방과 온수를 생산하려면 먼저 가스를 그들에게 운반해야 하는데 이는 힘든 과정이다.

소형 풍력 터빈

프라운호퍼(Fraunhofer) 응용 폴리머 연구소 IAP의 연구원과 BTU Cottbus는 현재 이에 대한 대안을 개발하고 있다. 그들은 미래에 개인 가정이 자신의 정원에서 직접 수소를 생성할 수 있는 시스템을 개발하려고 한다. 이를 위해 홀거 자이들리츠(Holger Seidlitz) 주변의 팀은 수소를 생성하기 위해 전기를 공급해야 하는 특히 작고 효율적인 풍력 터빈을 연구하고 있다.

Seidlitz는 “풍력 터빈은 개인도 이러한 시스템을 정원에 배치할 수 있을 정도로 작게 설계 될 것이다. 경량 구조 전문가들은 이러한 목적을 위해 새로운 프로펠러를 설계했다.
이 프로펠러는 약간의 바람이 불 때 작동한다. Fraunhofer IAP의 마르셀로 암브로지오(Marcello Ambrosio)는 "로터 블레이드의 설계를 이에 맞게 조정했으며 기존 소형 풍력 터빈에 비해 질량을 약 30% 줄였다"고 설명한다.

약한 바람에 효율적이고 폭풍에도 안정적

새로운 미니 풍력 터빈용 저 풍력용 로터는 특수 섬유 복합 재료로 만들어진다.
이것은 몰드에 놓고 액체 수지 또는 기타 플라스틱으로 적신 섬유 스트립으로 구성된다.
모든 것이 단단해지면 가볍고 안정적인 건축 자재가 만들어진다. Fraunhofer IAP의 자동화 시스템은 로터용 섬유가 특히 금형에 정확하게 배치되도록 한다. 이것은 겹침을 방지하고 구성 요소의 질량과 크기를 줄인다.

새로운 미니 로터는 또한 강한 바람을 견디도록 설계되었다.
폭풍우에서는 로터 블레이드가 탄력적으로 구부러져 바람을 맞는다.
"이것은 시스템이 자체적으로 회전 속도를 조절하고 손상되지 않음을 의미한다"고 Seidlitz는 설명했다. 따라서 복잡한 제어 기술과 복잡한 메커니즘을 제거할 수 있다. 새로운 로터에 대한 첫 번째 현장 테스트는 향후 몇 개월 내에 실시될 예정이다. 그런 다음 기존의 소형 풍력 터빈과 직접 비교해 구성 요소를 보여 주어야 한다.

수소 탱크가 있는 전기 분해 플랜트

이 풍력 터빈으로 생성되는 전기는 개인 가정에도 적합한 에너지를 공급하여 물에서 수소를 생성한다. “수소는 현장에서 작은 전해조에서 생성되어 탱크에 저장된다”고 Seidlitz는 말했다. 가스는 예를 들어, 열과 전기를 동시에 생산하는 집안의 연료 전지를 구동할 수 있다. 반면에 수소 자동차 소유자는 향후 집에서 직접 자동차에 연료를 채울 수 있다.

Fraunhofer 연구진은 이미 이러한 소형 시스템에 적합한 탱크를 개발하고 있다.
산업용 수소 탱크는 일반적으로 대형 내압 강철 용기로 구성된다.
수천 개의 개인 가정에서 사용하는 경우 탄소 섬유 복합재로 만든 경량 탱크는 훨씬 더 재료를 절약하고 취급하기 쉽다. 그러나 전제 조건은 충분히 안정적이고 안전하다는 것이다.

탄소 섬유로 만든 안전한 수소 탱크

여기에서도 팀은 이미 해결책을 가지고 있다.
원통형 탱크는 합성수지가 함침된 탄소 섬유 스트립으로 만들어졌다. 그들은 수백 바의 압력을 견딜 수 있는 탱크를 형성하기 위해 굳어진다. 누출을 감지하기 위해 센서가 용기에 내장되어 있다. 이 조기 경보 시스템은 최종 고객이 안전하게 사용하기 위한 중요한 전제 조건이다.
Marcello Ambrosio는 “현재 전기 전도성 잉크를 처리할 수 있는 3D 프린터로 작업하고 있다. 우리는 이것을 섬유 합성물로 직접 작업 한다"고 설명했다.

풍력 터빈과 탱크를 통해 연구원들은 미래에 재생 가능 에너지에서 수소 사용을 발전시킬 수있는 두 가지 기술을 결합하고 있다. 이것은 수소를 공급하기 위한 파이프 라인, 수소 충전소 설치 등의 인프라 구축을 획기적으로 전환시키는 아이디어다.
출처 : Fraunhofer Society

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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