에너지/환경

홍콩중문대학, 무릎굽힘으로 발전 가능한 웨어러블 장치 개발

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최근, 중국 홍콩중문대학 기계·자동화공학부 랴오웨이신(廖維新) 연구팀은 보행시 무릎 굽힘으로 생성되는 운동에너지를 통해 발전할 수 있는 웨어러블 장치를 개발해 웨어러블 건강 모니터의 전력 공급에 이용될 전망이다. 해당 연구성과는 "Applied Physics Letter"에 게재됐다. 연구팀은 압전 섬유재료 및 커넥팅 로드를 이용해 엔진 크랭크 구조와 유사한 장치를 설계했다. 해당 장치의 무게는 307g밖에 안되며 다리에 착용한 후 보행시 무릎 자연 굽힘 과정에서 생성되는 운동에너지를 "포획"해 전기에너지로 전환시킨다. 해당 장치를 착용한 후 4Km/h의 속도로 보행시 장치 출력은 1.6μW에 달한다. 해당 장치를 착용한 경우와 착용하지 않은 경우 피시험자의를 보행시 호흡 상황을 비교한 결과, 해당 장치를 착용한 후 보행시 추가적 힘이 필요하지 않았다. 인간의 보행 빈도가 매우 낮기에 진동 과정에서 에너지 수집 효율이 비교적 낮다. 하지만 이번에 개발한 무릎 굽힘 과정에서 생성된 운동에너지를 이용한 발전은 상기 문제점을 극복했다. 새로운 인체 운동에너지 수집 기술은 웨어러블 장치 개발을 추진하여 웨어러블 건강 모니터 등의 "자가 전력 공급"을 달성함으로써 사용자가 경상적으로 충전해야 하는 번거로움에서 벗어날 수 있다.

농촌 습식 폐기물 쾌속 퇴비화 기술 개발

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최근 중국과학원 청두생물연구소 리둥(李東) 연구팀이 2년 연구 끝에 개발한 농촌 생활유기폐기물 현장 쾌속 분해 퇴비화 플랜트 기술이 청두시 솽류구(雙流區)에서 시범응용에 들어갔다. 해당 기술은 음식물폐기물, 짚, 동물배설물 등을 높이 1m, 용적이 220L인 퇴비통에 넣고 전용 분해균을 뿌려 쾌속 부식화 발효를 시키는데 30일 후 폐기물은 토양과 흡사한 갈색 유기질로 분해된다. 퇴비통에서 꺼내 2차 부식화를 거치면 최종적으로 "검은 황금"—유기비료로 변신한다. 현재 중국의 농촌 생활폐기물 처리방식은 주로 간이매립과 야외소각이다. 농촌 생활폐기물은 분포가 광범위하고 규모가 작으며 구성성분이 복잡하다. 연구팀은 습식 폐기물을 농업용 유기비료로 전환시키는 기술을 자체적으로 개발했다. 동 기술은 쾌속 부식화 및 악취제어 통합 퇴비기, 친환경 가정용 퇴비통, 퇴비 분해균 등을 포함한다. 부식화 폐기물 퇴비화 과정에서 분해균은 퇴비주기를 단축시키고 영양분 손실을 줄이는 역할을 한다. 연구팀은 단백질분해균, 유지분해균 등 퇴비 기능성 미생물을 선별한 다음 생물학적 길항 테스트 등 실험을 거친 후 이들을 조합해 유기폐기물 종류별 전용 분해균 제품을 개발했다. 통합화 퇴비설비는 20㎡ 부지면적에서 매일 500kg의 습식 폐기물을 처리할 수 있다. 가정용 퇴비통은 매일 3kg의 습성 쓰레기를 투척할 수 있으며 쓰레기 한 층에 분해균 한층을 뿌리면 된다. 분해과정에서 자가발열 온도는 70℃에 달해 병원균, 회충란 등을 효과적으로 사멸시킬 수 있다. 퇴비설비와 분해균을 배합하여 사용하면 원래 60~90일이 소요되던 분해주기를 15~30일로 단축시킬 수 있다.

차세대 순전기차플랫폼용 40KW 차량 탑재 충전기 공진 변압기 개발

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최근, 닝샤(寧夏)인리(銀利)전기주식유한회사(이하 닝샤인리전기로 약칭)가 개발한 차세대 순수 전기차 플랫폼용 40KW 차량 탑재 충전기 공진 변압기 프로토타입이 검증에 통과된 후 3회 생산분량의 소규모 주문을 접수했다. 해당 제품은 세계 최초로 개발한 고출력 차량 탑재 충전기(OBC)에 응용될 전망이다. OBC를 다양한 순수 전기 상용차에 설치할 경우 지상 직류 충전기에 의존하지 않고 충전할 수 있다. 대출력 OBC는 대형버스, 중형버스, 택시 및 도시 쓰레기 수거차, 청소차 등 특수 차량에 이용될 전망이다. 2017년 11월, 닝샤인리전기는 모 유명 신에너지자동차 기업의 차세대 순수 전기차 플랫폼용 맞춤형 고주파수 변압기, 인덕턴스(Inductance) 제품 개발을 가동했다. 2018년, “신에너지차 맞춤형 차량급 인덕턴스 및 변압기 연구개발” 프로젝트가 닝샤후이족자치구(寧夏回族自治區) 중점 연구개발 계획에 입선됐으며 정부 특별자금의 지원을 획득했다. 2018년 7월, 제4 버전 프로토타입 방안이 확정되어 연구개발 및 테스트 절차를 수행했다. 결과, 전부하(Full load) 조건에서 온도상승이 안정적이었으며 최고 온도점이 65℃에 달하여 일본의 동일 유형 제품 성능을 초과했다. 그 후 제5 버전 프로토타입에 대한 테스트도 고온 작동 검증에 통과됐다. 2019년, 닝샤인리전기가 광둥성(廣東省)선전시(深圳市)에 신축한 공장이 TS16949 인증에 통과되어 자동자 제품 생산 자격을 획득했다.

디젤유 오염 복원 가능한 “나노 스펀지 복원제” 개발

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최근, 중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 기술생물·농업공학연구소 우정옌(吳正岩) 연구팀은 수중 및 토양 내 디젤유를 고효율 제거할 수 있는 새 나노 복원제를 개발했다. 해당 연구성는 “Science of the Total Environment”에 게재되었다. 디젤유 채굴 및 수송 과정에서 적지 않은 디젤유가 수중 및 토양에 유출되어 환경오염을 유발한다. 디젤유에 함유된 분해되기 어려운 방향족탄화수소는 수생생물 및 농작물의 생장에 영향을 미치므로 디젤유 오염 복원은 환경 분야의 연구 핫이슈 및 어려움으로 되고 있다. 전통적인 디젤유 흡착제는 합성 공법이 복잡하고 원가가 높기에 대규모 응용이 어렵다. 따라서 공법이 간단하고 고효율적인 디젤유 흡착제를 개발할 필요가 있다. 프로젝트팀은 나노 스펀지를 기반으로 하고 아미노 실리콘유(Amino silicone oil)와 실란 커플링제(Silane coupling agent) 수식을 통하여 새 소수성 나노 스펀지를 제조했다. 실험 결과, 해당 소수성 나노 스펀지를 복원제로 수중 및 토양에 유출된 디젤유를 고효율적으로 제거할 수 있다. 해당 복원제는 성능이 안정할 뿐만 아니라 제조 공법이 간단하여 광범위하게 응용될 전망이다.

중국 첫 통합형 주유·수소충전소 준공

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최근 중국 첫 급유/수소충전/전기충전 및 체인편의서비스 일괄 제공형 주유·수소충전소가 광둥성 포산(佛山)시에서 준공되었다. 21세기에 개발 잠재력이 가장 큰 청정에너지인 수소에너지는 높은 발열량, 큰 에너지밀도, 저장 및 재생 가능, 무오염 등 장점을 보유한다. 중국은 현재 수소에너지 개발에 박차를 가하고 있다. 국가수소에너지표준화기술위원회가 발표한 “중국 수소에너지 인프라시설” 청서에 따르면 2030년까지 중국은 수소충전소 1,000개소를 구축하고 수소연료전지차를 100만대에 도달시킬 예정이다. 포산시는 광둥성의 수소에너지 보급 시범도시이다. “포산시 수소에너지산업 발전계획(2018—2030년)”에 의하면 포산시는 “수소충전소 및 주유소, 가스충전소 또는 전기충전기 통합설치 격려” 원칙에 따라 2030년까지 포산시 전역에 수소충전소 57개소를 구축한다.

다롄화학물리연구소, 바이오매스를 가시광으로 처리하여 수소 및 디젤유 제조

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최근, 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 왕펑(王峰) 연구팀은 실험 과정에서 광에너지(태양에너지, 인공광원) 및 바이오매스[짚(straw), 임목 폐기물 등] 하위제품을 원료로 이용하여 디젤유 및 수소를 제조함으로써 바이오매스 에너지, 수소 에너지의 공동 이용 새모델을 개척했다. 해당 논문은 "Natural Energy"에 게재됐다. 수소는 화학산업 및 미래지향의 이상적인 청정에너지로서 관련 기술은 관심사로 떠오르고 있다. 광촉매에 의한 수소 제조 과정에서 광생성 전자(Photogenerated electron)는 양성자를 환원시켜 수소를 생성할 수 있다. 하지만 광생성 홀(Photogenerated hole)이 반응 기질과 작용이 발생하지 않는다면 광촉매 자체를 산화시킬 수 있으며 따라서 수소 제조 효율을 감소시켜 광촉매 비활성화 등 현상을 초래한다. 상기 문제를 해결하기 위해 희생시약(Sacrificial reagent)을 도입하여 광생성 홀을 소모함으로써 수소 제조 효율 및 광촉매 안정성을 향상시킨다. 그러나 해당 과정에서 폐기물이 생성됨과 아울러 획득한 수소에너지는 심지어 희생시약 생산에 요구되는 에너지량에도 도달하지 못한다. 따라서 수소 생산과 더불어 바이오매스를 유용한 화학품 또는 연료로 전환시키는 기술 개발이 시급하다. 짚, 임목 폐기물 등 바이오매스는 자연계에서 생산량이 가장 많은 지속가능한 탄소 자원으로서 석유화학 자원을 대체하여 대량의 생산/생활용품을 제공할 수 있다. 광에너지를 이용한 가수분해로 수소를 제조하는 방법은 가시광 조건에서 바이오매스 원료를 분해하는 방법으로서 일반적으로 더욱 높은 광에너지 이용률 및 수소 생성 속도를 획득할 수 있다. 연구팀은 실험 과정에서 가시광으로 바이오매스 하위제품인 메틸푸란류 화합물을 처리하여 수소 및 디젤유 두 가지 에너지 제품의 생산을 달성했다. 해당 반응으로 상온 상압 조건에서 성분이 아주 풍부한 디젤유를 획득할 수 있을 뿐만 아니라 디젤유 중 산소를 제거함으로써 시판 디젤유와 더욱 접근하는 재생 가능한 고품질 오일 제품을 획득할 수 있으며 그 부산물은 수소이다. 광에너지 및 바이오매스를 이용하여 수소를 제조한 후 생성된 바이오매스 생성물을 또다시 심층적으로 가공하여 고품질 디젤유를 제조할 수 있다.

중국 대기오염 방제에서 뚜렷한 성과 취득

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최근 베이징에서 열린 2019환경보호산업혁신발전대회에 따르면 중국의 대기오염 방제사업은 뚜렷한 성과를 거두었지만 오염물 배출총량은 여전히 높은 수준이며 배출감소 임무 역시 막중하다. 지난 6년간 중국은 대기오염 방제사업을 통해 주요 오염물 배출량을 뚜렷이 감소시켰고 중국 전역의 환경대기질을 전체적으로 뚜렷이 개선시켰다. 2018년 중국 338개 지급 이상 도시의 흡입성먼지입자(PM10) 평균 농도는 2013년 대비 26% 감소했고 미세먼지입자(PM2.5) 평균 농도는 2015년 대비 22% 감소했다. 2013년 이후 중국의 질소산화물(NOx) 및 이산화황(SO2) 배출총량은 각각 28%, 26% 감소했다. 미 항공우주국(NASA)의 위성원격탐사 데이터에 따르면 2013년부터 2018년 사이 중국의 이산화질소(NO2) 및 SO2 연직칼럼농도는 전반적으로 뚜렷한 하강세를 보였다. 이산화황 및 산성비 감소는 중국이 오염방제사업에서 거둔 성과를 대변하는 전형적인 사례이다. 지난 6년간 중국의 산성비 조성면적은 감소세를 보였고 2018년에 이르러 국토면적에서 산성비 강수지역이 차지하는 비율은 5.5%로 감소했는데 그 감소폭은 거의 50%에 달한다. 2013년부터 2017년 사이 중국 74개 중요 도시의 입방미터당 PM2.5 평균농도는 25% 감소했다. 이와 관련한 주요 배출감소 프로젝트, 에너지 구조조정, 산업 구조조정은 각각 입방미터당 10μg, 6.8μg, 4.2μg을 기여한 40%, 27%, 17%를 차지했다. 그 중 석탄연소보일러 관리, 산업기준 업그레이드 개조, 발전소 초저배출 개조, 비산먼지 종합관리 등은 PM2.5 농도 개선에 큰 기여를 했다. 중국의 대기오염 방제사업은 큰 진전을 가져왔지만 대기 오염물 배출량은 여전히 세계 앞자리를 차지한다. 제곱킬로미터당 배출강도 면에서 중국 특히 징진지(京津冀) 지역의 배출감소 임무는 여전히 막중하다. 향후 PM2.5 평균 농도, 오존, 휘발성유기화합물(VOC) 총량 감소 등의 협동방제가 관건이다. 이외 스모그와 탄소의 협동방제도 중요한데 산업, 에너지, 친환경기술 등과 연계시켜 시급히 대처할 필요가 있다.

자체로 개발한 N형 양면 이중유리 모듈 규모화 생산 돌입

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최근, 톈허(天合)광에너지주식유한회사가 자체로 개발한 N형 양면 이중유리 고효율 모듈이 규모화 생산에 들어갔다. 해당 72 버전형 모듈의 포지티브 출력(Positive power)은 최대로 425W에 달하고 모듈 전환 효율은 20.7%에 달한다. 이로써 시스템의 원가 절감을 달성하여 태양광발전 시스템의 발전 수익을 효과적으로 향상시킬 전망이다. 독일 프라운호퍼태양광에너지시스템연구소(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems)는 실험실 효율이 25.8%에 달하는 소면적 단일면 TOPCon 배터리를 개발하여 태양광발전 분야 학술계 및 산업계의 부동태화 접합 배터리 연구 새 고조를 불러 일으켰다. 2015년, 톈허광에너지태양광발전과학·기술국가중점실험실은 중국 최초로 i-TOPCon이라 명명한 양면 구조 기반 규모화 생산이 가능한 TOPCon 배터리 연구를 수행했다. N형 양면 이중유리 모듈은 양면 비율이 80% 이상에 달하는 N형 i-TOPCon 양면 배터리, 다중 메인 격자, 반피스(Half-piece), 이중유리, 양면 및 사각형 단결정 설계를 기반으로 혁신적으로 통합시킴으로써 저감쇠, 낮은 작동 온도 및 양호한 약광(Low light) 응답 특성을 달성하였다. 이는 모듈의 실제 발전 성능을 대폭 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 모듈 뒷면의 발전량을 5%~30% 증가시킬 수 있다. 톈허광에너지주식유한회사는 이에 앞서 면적이 244.62cm2인 N형 기판에 최대 포지티브 출력이 24.58%인 실험실 배터리를 제조함과 아울러 독일 하멜른 태양에너지연구소(ISFH) 산하 검측실험실의 인증을 획득했다. 이는 톈허광에너지태양광발전과학·기술국가중점실험실이 태양광발전 배터리 전환 효율 및 모듈 출력 방면에서 경신한 19번째 세계기록이다.

중국과기대, "솔방울 구조" 촉매로 물전기분해에 의한 수소제조 원가 대폭 절감

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최근, 중국과기대학 쑹리(宋禮)/장쥔(江俊) 연구팀은 물전기분해에 의한 수소제조 연구에서 촉매작용 효과가 가장 뛰어난 백금 금속을 이용하여 바늘 끝 모양으로 분포된 "솔방울 구조" 촉매를 교묘하게 설계했다. 해당 촉매의 백금 금속 사용량은 상업용 백금-탄소 촉매의 75분의 1에 불과하여 촉매 원가를 대폭 감소시켰다. 해당 연구성과는 "Nature Energy"에 온라인으로 게재됐다. 전통적 촉매의 촉매작용은 일반적으로 촉매 표면에서 발생함과 아울러 단일 또는 근접한 여러 개 원자만 반응에 참여한다. 전통적인 백금 촉매도 마찬가지로 표면의 백금 원자만 촉매반응에 활발하게 참여하고 내부층 백금 원자는 촉매반응에 참여하지 않는다. 상기 현상을 개변시키기 위해 연구팀은 단위 질량 조건에서 최대 표면적을 보유한 구형(sphere)을 선택하여 기존의 편평한 모양의 촉매를 "구형"으로 설계함으로써 2차원 평면에 국한된 촉매반응을 3차원 입체 기반 반응으로 개변시켰다. 동시에 매 하나의 백금 원자를 구형 표면에 배치함으로써 그들이 모두 활발하게 촉매반응에 참여하게 했다. 이로써 촉매는 표면에 바늘끝 모양으로 가득찬 "구형"을 형성했으며 매 하나의 바늘 끝에 하나의 단일 원자 백금이 배치됨으로써 백금 원자는 모두 촉매반응에 참여했다. 이론적 시뮬레이션 결과, 만곡된 구면(Spherical surface)은 첨단부 백금 원자 위치에서 아주 강한 국부적 전기장을 형성하였는데 이는 리튬 원자의 촉매작용 효율을 한층 더 증가시켰다. 최종 테스트 결과, 전해액의 반응물이 매 하나의 표면이 바늘 끝 모양으로 분포된 "솔방울"을 통과하는 과정에서 수소 생성 속도는 대폭 증가된다.

세계 첫 초초고압 2회선 전력순환망 운영 돌입

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최근 슝안(雄安)—스자좡(石家莊) 1,000KV 교류 초초고압 송변전 프로젝트가 72시간의 시운행을 마치고 상업운영에 돌입했다. 이로써 세계 첫 초초고압 교류 이중순환망—화베이 초초고압 교류 순환망이 본격적 운영에 들어갔다. 이 또한 슝안신구 최초의 초초고압 전력망이다. 총투자규모가 34.4억 위안(한화로 약 5,855억 원)인 해당 송변전 프로젝트는 바오딩(保定), 스자좡, 헝수이(衡水), 싱타이(邢台) 등 4개 시와 13개 현을 지난다. 동 프로젝트는 2018년 3월에 착공해 도합 2222.6km의 커먼타워 2회선(common-tower double-circuit line) 송전선로를 새로 부설했고 슝안과 스자좡에 초초고압 변전소를 증축했다. 해당 프로젝트는 기존의 시멍(錫盟)—산둥, 멍시(蒙西)—톈진난(天津南), 위헝(榆橫)—웨이팡(濰坊) 등 초초고압 프로젝트와 공동으로 화베이 전력망 초초고압 교류 순환망을 구성한다. 뿐만 아니라 시베이 및 장베이(張北) 지역 풍력발전, 태양광발전 등 청정에너지의 징진지루(京津冀魯)로드센터로의 전송을 위해 다방향적 통로를 제공함으로써 징진지루 지역의 청정에너지 수용능력을 대폭 증강시켰다. 이외에 징진지 "2+26도시"의 "푸른하늘지키기", 2022년의 "무탄소 올림픽" 및 동계 청결 난방을 위한 "석탄을 전기로 전환" 등 목표 달성을 유력하게 지원할 전망이다. 해당 프로젝트도 "선체결 후착공"(착공 전에 철거손해담보계약 체결 및 준법성 절차 마무리)방식을 시범적으로 추진했다. 즉 착공 전에 심사비준, 환경영향평가 비준, 수토유실방지방안 비준, 안전 관련 등록보고, 품질감독 관련 등록 등 모든 착공에 필수적인 요건을 마무리하고 220개 경로협의서 및 통로철거협의서를 체결함으로써 프로젝트의 친환경성을 보장했다.