2021년 03월 04일(목)

2014년 빛낼 에너지 분야 신기술 BEST 10

에너지경제신문   | 입력 2014.01.08 15:33   수정 2014.01.08 17:14:20

기술이 돈이다. 또 돈이 기술이다. 신기술은 더 많은 돈을 만들고, 더 많은 돈은 신기술을 창조한다. 세상은 신기술을 바탕으로 발전해왔다. 기술이 기술을 낳고, 그 기술은 다른 기술과 더해져 또 다른 신기술을 잉태한다. 기술과 기술이 더해지는 것이 융합이다. 융합은 창조의 동의이음어다. 창조경제는 다름 아닌 융합과 창조의 결합체다. 

직조 펠트형 유연태양전지, 차세대 에너지관시스템, 원자력 압력용기 보수기술, 원전 충전펌프, 극 초저온 카메라, 배관 내부 건전성 진단 장비 등은 에너지 신기술들이다. 창조경제의 주인공들이다. 갑오년 새해를 밝힌 신기술을 모았다.

1. 현대차, ‘완전 무공해’ 수소연료전지차 개발

수소연료전지차는 기존 석유를 사용하는 내연기관 자동차와는 개념부터 다른 신개념 미래형 친환경차로 수소를 사용해 순수한 물(수증기)만 배출되는 완전 무공해 자동차다.

GM, 도요타, 혼다, 벤츠 등은 2015~17년 상용화를 목표로 차량을 개발 중이나, 연료전지 스택 개발 등 차량 독자 기술력, 양산을 위한 생산 기술 확보 등의 어려움으로 지금까지 양산에 성공하지 못했다.

현대차는 덴마크와 스웨덴을 시작으로 수소연료전지차에 대한 관심이 높은 유럽의 정부기관, 관공서 등을 중심으로 판매를 시작하며, 2015년까지 글로벌시장에서 총 1000대 규모의 수소연료전지차를 판매해 나간다는 계획이다.세계 최초로 양산되는 투싼ix 수소연료전지차는 지난 14년 간의 현대차 수소연료전지 기술력의 결실로서, 미래 친환경차로 주목 받는 수소연료전지차 시대를 주도하기 위한 현대차의 야심작이다.

기존의 가솔린 내연기관이 석유(가솔린) 등 혼합연료를 폭발시킨 힘으로 구동축을 돌리는 데 비해, 연료전지는 전기모터가 구동축을 돌리게 되어 있다. 이 때 전기모터를 돌리는 에너지를 생산해 내는 것이 바로 연료전지이다. 연료전지 작동 원리는 전해질을 사이에 두고 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하며 두 전극을 통해 수소이온과 산소이온이 지나가면서 전기를 발생시키고 부산물로서 열과 물을 생성한다. 연료전지를 이용한 발전시스템은 크게 다음과 같이 세 부분으로 구성된다.

수소탱크와 연료전지스택(fuel cell), 그리고 인버터. 수소와 공기 중의 산소는 전류를 얻기 위해 연료전지스택으로 공급된다. 연료전지스택 내에서 화학반응으로 발생된 전류는 DC전류이며 인버터를 통해 AC전류로 변환된다. 가솔린 내연기관의 에너지 효율이 20%에 불과한데 비해, 연료전지의 에너지 효율은 40∼60%로 에너지 효율이 극히 높으며, 물 이외는 아무 것도 배출되지 않는 친환경 에너지다.
임효준 기자 lhj@ekn.kr

2. 효성굿스프링스, 국내 최초 냉각재 재순환 ‘원심형 펌프’ 개발

효성의 계열사(펌프 제조업체)인 효성굿스프링스가 한수원 중앙연구원 두산중공업과 함께 국내 최초로 원자력발전소의 핵심 설비 중 하나인 원심형 충전펌프 국산화 개발에 성공했다. 원심형 충전펌프는 원자로 냉각재(붕산수) 계통에 재순환 유량과 냉각재의 농도를 조절하는 설비로 1년 365일 24시간 안정적으로 연속 운전을 해야 하는 원자력발전소의 핵심 기기이다. 원자력발전소에서 사용하는 펌프 중에서 운전 압력이 가장 높은 펌프다.

이 펌프 제조기술은 세계적으로 단 2개 업체만이 생산이 가능할 정도로 기술적 난이도가 높아 그 동안 원전의 충전펌프는 외국 업체가 독점 공급해 왔다. 이번에 순수 국내 기술로 외산 제품보다도 유량과 압력 조절기능이 더 우수한 제품개발에 성공하고 한수원 중앙연구원을 통해 신뢰성 검증을 완료함으로써 원자력발전의 안전성과 신뢰성을 한층 더 향상 시킬 수 있게 됐다.

이번 원심형 충전펌프의 국내 개발 성공은 펌프 개발과 생산을 담당한 효성굿스프링스와 펌프의 최종 사용자로 신뢰성시험을 맡은 한수원, 원자력 계통 설계를 맡은 두산중공업 등 3사간 긴밀한 협력을 바탕으로 이루어진 것이다. 효성굿스프링스 임우섭 대표는 “그간 수입에 의존해오던 원심형 펌프 개발에 성공함으로써 원자력발전에 필요한 펌프의 국산화율 100%를 달성하게 됐다”며 “원전 분야에서 가장 기술력이 높은 원심형 펌프의 해외 수출에도 적극 힘쓸 것”이라고 밝혔다. 천근영 기자 chun8848@ekn.kr

3. 세계 첫 직조 펠트형 유연 태양전지 상용화

한국전기연구원(KERI) 이동윤·차승일 박사팀은 세계 최초의 직조 펠트형 유연 태양전지(중앙일체형 직조 염료감응형 태양전지) 개발에 주력하고 있다.

연구팀은 이미 탄소나노소재 기술에서의 성과를 인정받은 바 있다. 지난해 한국 전통 문구조를 본 딴 신개념 유연 태양전지인 종이형 태양전지를 세계 최초로 개발, 저명 국제학술지의 이슈논문에 선정되는 등 해외 학계의 큰 관심을 모은 바 있다.

이 기술은 나노·섬유 기술을 태양전지에 접목해 가볍고 자유로이 구부러질 수 있게 만드는 등 기존 태양전지의 한계를 극복할 수 있으며 모바일 기기나 의복, 건물 등 다양한 용도로 활용이 가능하다. 연구팀은 종이형 태양전지에서 한발 더 나아가 염료감응태양전지를 섬유형태로 손쉽게 직조할 수 있는 기술을 개발하고 있다. 상반기 중 상용화가 가능한 5% 이상의 효율로 섬유태양전지가 탄생할 것으로 기대된다.

△유연 태양전지=유연 태양전지는 태양전지의 기판을 플라스틱 기판 또는 얇은 금속기판을 사용해 제작, 유연성이 있도록 제작된 태양전지다. 기판은 전기전도성이 있어야 하므로 플라스틱 기판의 경우 표면에 반도체 산화물을 코팅해 사용한다. 이 때 코팅된 반도체 산화물이 휘어질 때 깨어지는 경향이 있어 유연성에 한계가 있고 이 때문에 상용화에 많은 걸림돌이 되고 있다.

△염료감응 태양전지=염료감응 태양전지(DSSCs)는 기존의 반도체 방식의 실리콘 태양전지나 박막태양전지와는 달리 식물의 광합성 작용을 모사한 전기화학적 원리를 이용하는 태양전지다. 염료와 나노 티타니아, 전해질, 상대전극, 기판 등으로 구성되고, 33%라는 단일 태양전지로는 가장 높은 이론 효율을 지니고 있으며 실제 효율은 10% 내외이다.
양세훈 기자 ysh1020@ekn.kr

4. 가스유속·BP 측정장치 개발

부산도시가스가 개발한 ‘배관 내부 건전성 진단장비’인 가스유속·BP 측정장치와 BP연속회수장치는 눈에 보이지 않는 배관 내부의 BP(Black Powder)를 제거하기 위한 장비다.

특히 이 장비는 노후배관 내부의 BP를 측정함으로써, 동절기 피크시 다량의 BP가 관말지역 수요가에 흘러들어가는 것을 방지하고, 겨울철 가스 수요가 늘어남에 따라 배관내 BP의 활발한 움직임으로 인해 발생하는 수요가 연소기/필터 문제를 최소화하기 위해 개발됐다.

부산도시가스에 따르면 ‘가스유속·BP측정장치’는 구역별 가스유속과 BP측정이 실시간으로 가능해 배관망 해석의 중요한 데이터로도 활용하고, 유속 측정을 통한 관말지역 압력관리가 가능하다는 것.‘BP연속회수장치’는 관말부 다량 BP 발생지역에 활용해 배관건전성을 높이는 특징을 지니고 있다. 가스의 연속적 공급이 가능해 민원해소는 물론 이동성이 뛰어나 가스배관 차단, 이설작업시에도 사용이 가능한 장점을 지니고 있다.

BP연속 회수장치는 용량이 큰 필터 내에 수량 조절이 가능한 다섯 개의 Element가 배열돼 있으며 2개 시스템으로 구성돼 있다. 한 개조는 연속해서 BP를 걸러냄과 동시에 다른 한 개 조의 필터에는 에어튜브에서 고압가스를 아래 방향으로 불어, BP를 아래로 떨어뜨리며 이때 BP수집 박스를 통해 BP를 회수할 수 있도록 설계됐다. 부산도시가스 관계자는 “관말지역의 수요가 중 차압이 자주 발생하는 지역에 설치해 배관 내부에 존재하는 미분을 제거하는데 매우 효과적”이라고 설명했다.
이정훈 기자 jhlee@ekn.kr

5. ‘플랙시블 마이크로 수퍼커패시터’ 개발 초읽기

기실 수퍼커패시터는 새로운 기술은 아니다. 하지만 그래핀이나 탄소와이어 등을 이용 크기가 나노 수준으로 줄어들고 휜다면 이야기가 달라진다.

일반적으로 수퍼커패시터는 계면에 전자가 탈부착하는 방식으로 작동해 전기화학적인 리튬이온전지보다 안전하다. 또 순간출력이 높아 풍력 블레이드 날개 방향전환장치, ABS자동차 브레이크 등에 쓰인다.

美 버클리大 화학공학과 마부디안 교수팀은 한발 더 나아가 크기를 마이크로 단위로 줄이고 게다가 유연성까지 더한 수퍼커패시터를 개발 중이다. 박사과정의 벤 시아 부교수는 광경화성 수지를 열분해해 수명이 5000사이클이 넘으면서도 저렴한 마이크로 수퍼커패시터용 양극재 소재를 개발했다. 동료 존 P. 알퍼 부교수는 실리콘 나노와이어를 활용해 고온에 적합한 양극재 소재를 개발했다.

이들과 함께 학부과정의 김문석은 마이크로 수퍼커패시터에 유연성을 더해 구부러지는 마이크로 수퍼커패시터를 개발해 올해 논문을 통해 발표할 예정이다. 장수명, 극한성, 유연성을 갖춘 초박형 수퍼커패시터는 인공심장, 심해탐사선이나 우주정거장의 로봇팔 등에 응용될 수 있다. 장수명이기 때문에 교체가 필요없고 우주 방사능이나 황산화물을 배출하는 심해 열수구 등 극한의 조건에서도 작업이 가능하다.

또 유연성을 갖췄기 때문에 부착면이 2차원 평면이나 3차원 입체 모두 가능하며 때로는 인공심장처럼 표면이 움직여도 상관없다. 세계 전지산업의 주류는 리튬이온전지이며 적용 대상도 노트북, 스마트 기기, 자동차, 저장장치 정도다. 이들은 시장이 광범위하게 형성돼 있어 기업이 규모의 경제를 실현하면 손쉽게 수익을 거둘 수 있다.

美 버클리大의 플렉시블 마이크로 수퍼커패시터는 기술개발이라는 가치 외에도 이차전지 산업의 출구가 고부가가치 창출과 기술을 통한 신시장 개척에 있다는 경영학적인 시사점도 제시하고 있다.
안희민 기자 ahm@ekn.kr

6. 반영구적·환경친화적 전지…한국, R&D공모 등 개발 착수

레독스흐름전지는 전해액에 전기를 저장하는 전지로 2014년 본격적인 실용화가 기대되는 전지다. 레독스 흐름 전지는 1974년 美 NASARK 발표한 기본 원리를 토대로 연구개발이 시작됐다.

일본에서는 1980년대 이후 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)가 연구를 주도했고 실질적으로 스미토모전기공업이 상용하에 앞장섰다.

우리나라에서는 현재 산업부 진창수 ESS PD가 2010년 에너지기술연구원 시절 레독스 흐름 전지를 개발한바 있다. 레독스흐름전지는 전해액을 반응시켜 충반전하는 전지 셀부와 전해액 탱크, 전해액을 탱크에서 전지 셀부로 순환시키는 펌프, 외부의 전기계통과 접속하기 위한 쌍방향 인버터 등으로 구성된다. 레독스 흐름 전지는 몇가지 특징이 있다.

첫째 전해액 속 V이온의 이온가 변화를 제외하면 전지 반응이 없어 수명이 길다. 전해액의 수명은 반영구적이며 셀부도 10년 이상 사용하다. 둘째 용량을 저장할 수 있는 전해액 탱크부와 출력을 조정할 수 있는 전지 셀부를 분리할 수 있어 최적 설계가 가능하다. 셋째 각 셀에 공급되는 전해액이 같아 유지보수가 용이하고 충전상태도 간단히 모니터링 할 수 있다.

넷째 전해액이 양음극 탱크로 분리저장돼 있기 때문에 대기·정지시 자기방전이 없다. 다섯째 밀리초 단위의 순시 응답성이 있고 단시간일 경우 고출력 방전이 가능하다. 마지막으로 배기가스를 배출하지 않고 전해액 속의 바나듐도 반영구적으로 리사이클할 수 있어 환경 친화적이다.레독스 흐름 전지는 차세대 대형 축전지로 주목받으며 올해 상반기 우리나라도 산업부가 R&D 공모에 나서는 등 본격적으로 개발될 예정이다. 안희민 기자

7. 디스플레이용 탄소나노 인쇄 소재 신기술 개발

한국전기연구원(KERI) 나노융합기술연구센터 이건웅 박사팀은 차세대 유연(flexible) 전기전자·에너지 소자 적용을 위한 인쇄전자공정에 접목이 가능한 차별화된 미래선도 나노소재 제조기술을 선도하고 있다. 지난 2008년 탄소나노튜브를 이용한 투명전극 기술을 개발하고 기술이전한데 이어, 지난해에는 ‘꿈의 나노소재’로 불리는 그래핀 대량 제조기술 개발을 통해 세계 최초로 박리 그래핀 분야 기술이전 및 상용화를 진행하고 있다.

올해 역시 인쇄전자뿐만 아니라 기존의 나노복합체 연구 등에 아주 쉽게 응용할 수 있는 고전도성 탄소나노 소재 페이스트(paste) 기술을 세계 최초로 개발하는데 성공했다. 이 기술은 탄소나노소재 실용화에 걸림돌이었던 분산 문제를 해결함으로써 인쇄전자, 전도성 섬유, 전자파 차폐(EMI Shielding) 및 고성능 나노복합체 등 고전도성 나노 페이스트(Nano Paste)가 요구되는 다방면 분야에서 탄소나노소재를 쉽게 응용할 수 있게 됐다. 연구 결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션’ 온라인 판에 게재되기도 했다. 연구팀은 2014년도부터 관련 기술을 이전할 기업을 물색해 상용화를 추진할 예정이다. 임효준 기자

8. 극초저온 카메라, LNG탱크 내부 위험상황 감독

LNG탱크 내부에서 발생할 수 있는 위험상황을 모두 감시 감독한다.올해 초 제품개발이 완료돼 상용화될 것으로 예상되는 ㈜영국전자(대표 김배훈)의 극 초저온 카메라(액화 LNG탱크 내부 감시 카메라)는 그동안 일본 IHI사만이 독점하고 있던 탱크 내부 감시 카메라 시장에서 국산화 된 제품의 품질이 얼마나 뛰어난지를 보여줄 것으로 기대된다.

이 제품이 주목받고 있는 이유는 그동안 독점돼 왔던 일본제품에 대응할 수 있는 국산화제품이라는 점이다.전 세계에는 수많은 LNG탱크들이 있고 영하 160도에 달하는 탱크 내부를 관찰 감시코자 하는 수요 또한 매우 높은 상태다.

그러나 전 세계에서 유일하게 일본의 IHI사만이 탱크 내부 감시 카메라를 독점하고 있고 가격 대당 40억원선으로 고가의 장비여서 사용자들의 접근이 어려웠던 게 사실이다.이에 영국전자는 보다 저렴하고 더 보강된 품질을 갖춘 극 초저온 카메라를 개발해 이 분야에서 세계적 명성을 쌓을 토대를 마련할 것으로 전망되고 있다.

2010년에 개발에 들어가 올 초 개발이 완료되는 극 초저온 카메라는 영하 160℃에서 액체로 존재하는 액화질소 및 액화 LNG용액에 직접 잠수해 극 초저온 상태의 용기와 함체 내부관찰이 가능하다.어안렌즈 카메라와 줌 카메라 특수라이트의 일체형으로 제작되며, 개발이 완료되면 한국가스공사와 다각도로 협력해 국내외 LNG탱크들의 효과적인 운용을 위해 설치될 것으로 보인다.
이정훈 기자 jhlee@ekn.kr

9. 국내 개발 ‘원자력 압력용기 보수 신기술’ 국제표준 승인

국내 연구진이 개발한 원자력 압력용기 손상부 보수 기술이 전 세계 원전 설계 및 운영의 기준으로 적용되는 미국 기계학회(ASME) 기술 표준으로 채택됐다.미래창조과학부는 한국원자력연구원의 황성식 박사 연구팀이 원자력 발전소의 핵심부품인 원자력 압력용기를 용접 없이 보수할 수 있는 기술을 개발해 ASME 기술기준의 코드 케이스(code case) 승인을 받았다고 구랍 22일 밝혔다.

원자력 압력용기는 내부 표면을 스테인리스 소재 피복재로 마감하는데, 이 피복재가 손상되면 1차 냉각수가 침투해 압력용기 본체가 부식될 위험이 있다.손상된 원자력 압력용기는 보통 ‘용접’ 기술로 보수한다. 하지만 압력용기에 높은 열을 가하면 소재의 성질이 변할 수 있고, 추가 열처리 작업이 필요하기 때문에 보수 기간이 길어진다.

연구팀은 ‘도금’ 기술을 이용해 원격으로 손상부에 금속 보호막을 만들어 보수하는 방법을 개발했다. 고무 성분을 이용해 압력용기 내 손상 부위를 정밀하게 본 뜨고, 특수 제작된 도금 수조를 압력용기에 투입해서 니켈 성분을 함유한 도금액을 손상부위에 공급, 니켈 금속 보호막을 생성하는 방법을 고안한 것이다.

보수 과정에서 압력용기에 열적 변화를 주지 않고, 냉각수가 가득 찬 수중 환경을 유지한 상태에서 원격 작업으로 보수가 완료되는 것이 장점이다.미래부는 “기존 ASME 기술기준 내용을 국내 실정에 맞게 바꾸는 ‘개정’ 활동은 몇 차례 있었지만, 원천 기술을 개발해 새로운 기술기준을 세우고 ASME 표준으로 제정된 것은 처음이라 의미가 크다”고 설명했다.
천근영 기자 chun8848@ekn.kr

10. 차세대 에너지관리시스템(EMS) 국산 상용화 구축

한국전기연구원(KERI)는 현재 우리나라의 전력계통의 감시, 운영, 계획을 위한 전력거래소 나주 천안 서울급전소의 국산 상용화 에너지관리시스템(EMS)을 구축하는 사업을 진행하고 있으며 올 하반기에 성과를 나타낼 것으로 예상하고 있다. KERI는 해당 사업을 통해 자동발전제어, 안전제약경제급전, 최적조류계산 등 차세대 EMS 발전응용프로그램을 개발할 예정이다.

EMS는 대한민국 전체의 전력소비 추이에 맞추어 발전소, 송전망, 변전소, 배전망에 이르는 전력설비를 종합적으로 관리하고 제어하는 핵심설비이자 정보기술과 통신기술 및 S/W 공학기술이 결합된 첨단 복합설비로 IT와 통신기술, 소프트웨어 공학기술이 결합된 첨단 전력IT시스템이다.차세대 EMS가 개발되면 ‘지능형전력망(스마트그리드)’ 등 빠르게 발전해가는 전력시장 변화에 적극적으로 대응할 수 있게 될 전망이다.

전력계통 운영 외에도 고속철도 감시시스템, 상하수도 관리시스템, 지하철 관리시스템, 고속도로 관리시스템은 물론 빌딩자동화시스템 등 다양한 분야에 적용 가능하며 향후 ‘지능형전력망(스마트그리드)’사업의 국산화를 위한 중추적인 역할을 담당하게 될 것으로 기대된다.
양세훈 기자 ysh1020@ekn.kr

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