에너지/환경

中, 첫 남극기지용 신에너지 마이크로그리드 급전시스템 구축

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최근 중국전자과기그룹유한회사 중뎬리선(中電力神)자그룹이 개발을 담당한 남극타이산(泰山)기지 신에너지 마이크로그리드 급전시스템이 설치, 성능시험, 계통연계 운전 등 임무를 성공적으로 완성했다. 동 급전시스템은 남극타이산기지의 극저온, 강풍, 고해발, 저기압 등 특수 환경을 감안해 맞춤형 풍력터빈, 태양광발전, 에너지저장전지 및 제어단말을 통해 전반 시스템을 지능적으로 제어한다. 여름철 유인 운행 기간 동 급전시스템은 타이산기지의 디젤발전기와 계통연계되어 전력을 공급하고 겨울철에는 제어단말을 통해 오프그리드(off-grid) 무인 자율화 운행을 하기에 무인 운영 기간 타이산기지 과학기기 및 부대설비에 대한 전력공급이 가능하다. 데이터 분석 결과 동 급전시스템은 타이산기지에서 안정적으로 작동했고 양호하게 운행했으며 전반적 발전효과는 뛰어났다. 특히 제35차 남극과학탐사팀이 기지를 떠난 후에도 시스템은 기지 내 일부 과학설비에 지속적으로 전력을 공급했을 뿐만 아니라 시스템 내부 통신네트워크를 통해 운행상태를 국내로 전송했다. 기존, 중국 남극 과학탐사기지는 모두 액체연료를 에너지원으로 이용했다. 과학기술 발전과 환경보호 인식의 향상과 더불어 날로 많은 국가가 남극에 신에너지 과학탐사기지를 구축할 것을 제안했고 소수 선진국은 이미 신에너지 발전소를 성공적으로 구축해 신에너지로 전통에너지를 부분적 대체했다. 에너지 현지화 및 순환이용은 남극 에너지 개발·이용에서 필수적이다. 남극타이산기지 신에너지 마이크로그리드 급전시스템의 성공적 구축으로 중국의 남극탐사 에너지는 친환경적이고 고효율적이며 지속가능한 방향으로 바뀌고 있다.

닝보재료기술공학연구소, 고비에너지 리튬금속 음극보호 연구에서의 성과

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최근 중국과학원 닝보재료기술공학연구소 신형에너지저장재료·장치 연구팀은 고비에너지 리튬금속 음극보호 연구에서 일련의 성과를 거두었다. 리튬금속 2차전지는 차세대 고에너지밀도 에너지저장장치 영역에서 1순위에 꼽히는 시스템이다. 리튬금속 전지에서 가장 핵심적인 부분이 음극재료이다. 리튬금속은 3,860mA·h/g의 고비용량 및 가장 낮은 산화환원 전위를 보유하기에 미래 리튬-공기, 리튬-황 등 고에너지밀도 시스템을 구현하는 필수재료이다. 또한 중기 목표로 삼고 있는 500W·h/kg급 에너지저장 전지 개발에 사용될 최적의 음극재료이다. 하지만 리튬금속 퇴적 과정에 일어나는 불규칙적 수지상결정 성장 및 리튬금속과 전해액의 불가역적 반응의 제한으로, 순환 과정에서 리튬금속 음극에 매우 불안정한 전극/전해액 계면이 형성됨으로 전지용량은 빠르게 소모되고 전지 내부저항은 증가해 리튬금속 음극의 실제 응용은 다방면의 어려움을 겪고 있다. 리튬금속의 표면 SEI 막화학 및 전기화학 반응 메커니즘을 이해하기 위해 연구팀은 원위치 전기화학 및 원자력현미경을 결합하고 리튬전지용 전해질 lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI)을 연구대상으로 리튬염 농도가 SEI막 형태 및 역학성능에 미치는 영향을 체계적으로 연구해 리튬염 농도 조절을 통해 모듈러스 및 두께가 서로 다른 SEI막을 획득할 수 있음을 발견했다(그림 1a). 이러한 현상은 다양한 용제에서 모두 발생해 그 보편성이 입증되었다(J. Phys. Chem. C 2018, 122, 9825-9834). 대체에너지연구소 예지춘(叶继春) 연구팀과의 공동연구에서 최적 재료 선택 및 구조 설계, 중간 압력 플라즈마 기술 결합을 통해 일종의 탄소종이(carbon paper)/스펀지탄소 2층 구조를 개발했다. 공동연구팀은 탄소종이에서 리튬금속의 낮은 퇴적전위 및 스펀지탄소의 높은 기계적 성능과 전기화학적 불활성을 이용해 일종의 방향성 이층 탄소 구조를 획득했다. 이로써 4mA·h/c㎡의 리튬금속 음극 안정적 순환을 달성했다(Energy Storage Mater. 2018,11,47-56, 그림1b). 뿐만 아니라 일종의 특수한 적층 그래핀을 제조해 일반적 그래핀으로 구현할 수 없는 높은 퇴적 과전압을 확보했다. 상기 유형의 적층 그래핀을 구리폼(Copper Foam) 구조에 흡착시키는 방법으로 여과형 리튬금속을 3차원 구조에 퇴적시켜 높은 전류밀도(5mA·h/c㎡)에서의 안정적 순환을 획득했다(Energy Storage Mater. 2019, 16, 364-373, 그림1c). 연구팀은 상기 유형의 적층 그래핀 및 불화리튬 분산액에 대한 흡인여과를 통해 일종의 불화리튬 수식의 층상 탄소막 구조를 획득했다. 또한 1차 리튬 도금 과정에 적층 그래핀의 흠집 부위에서 불화리튬이 탄소-불소 결합으로 전환되는 현상을 발견하였으며 해당 현상을 이용하여 탄소-불소 결합 수식의 층상 보호구조를 획득함으로써 리튬금속의 보호성능을 대폭 향상시켰다(Adv. Energy Mater. 2019, 1802912, 표지문장, 그림1d). 이외, 연구팀은 일련의 리튬금속 숙주구조 재료도 설계했다. 연구팀은 질화알루미늄 전구체에 대한 간단한 리튬화 반응을 통해 일종의 안정적인 Li9Al4-Li3N-AlN 리튬금속 숙주 구조를 고효율적으로 제조해 유효비용량이 1,540mA·h/g에 달하는 복합리튬금속 음극을 획득함으로써 부하량이 4.5mA·h/c㎡에 달하는 NCA 양극재료와 매칭되는 안정적 순환을 달성했다(Nano Energy 2019, 59, 110–119, 그림1e). 또한 니켈폼(Nickel foam)을 기저재료로 하고 중간 압력 플라즈마 기술을 사용해 그 표면에 수직 그래핀 배열을 성장시켰고 의사 정전용량(pseudocapacitance) 계면 구조 수식의 숙주재료가 리튬금속 순환 안정성에 대한 증익효과를 규명했다(Adv. Funct. Mater. 2018, 1805638, 그림1f)

순베이잉 1호 시추정, 아시아 육상 시추깊이 8,588m 신기록 경신

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최근 중국석유화공그룹 시베이(西北)유전지사 산하 순베이(順北)석유가스전 순베이잉(順北鷹) 1호 유정의 시추깊이가 8,588m에 도달해 2019년 2월 14일, 순베이 5-5H 유정이 달성한 아시아 육상 최대 시추깊이 8,520m 기록을 경신하였다. 이는 중국이 세계 선진적인 울트라딥웰(ultra deep well) 시추기술을 체계적으로 파악하였음을 의미한다. 순베이석유가스전은 대부분 지하 8,000m 이하에 매장된 아시아 육상 최대깊이의 석유가스전이다. 순베이석유가스전이 위치한 타림분지는 단층운동의 영향으로 지층이 매우 복잡하고 유정 밑바닥 온도가 높다. 8,000m 깊이의 방향제어 시추에서 시추공구가 "면가닥처럼 나른해"지기에 굴진 방향을 바꾸는 성능이 약해지고 마찰저항 토크가 커지며 시추공 궤적 제어의 어려움이 커지는 등 문제가 존재한다. 상기 문제를 감안해 연구팀은 반복적 시험 및 혁신을 통해 마찰저항 저감 공구 개발, 쾌속 시추궤적 최적화 설계, 시추공 궤적 정밀 제어 및 수평정 안전적 굴진 종합평가 등을 통합한 울트라딥 수평정 시추공 궤적 "정밀 유도" 기술을 형성하였다. 이는 굴착비트에 GPS 네비게이션시스템을 설치한 것과 마찬가지로 8,000m 깊이의 지하 3차원 공간에서 예정 방향에 따른 굴착이 가능하다. 울트라딥웰 기술은 순베이1-2H 유정에서 응용에 성공한 후 선후하여 7개 유정으로 확대 응용되면서 점차적으로 보완되었다. 현재 시추공 궤적 일치율은 100%, 지질 적중률은 100%에 달해 순베이석유가스전 고효율 개발의 효자가 되었다. 순베이석유가스전 석유층은 굉장히 두터워 먼저 수직정을 뚫은 후 옆으로 굴진하여 저류층에 접근해야 한다. 연구팀은 최초로 기기 내온, 기계펌프 조건, 드릴 스트링 (Drill String) 강도, 마찰저항 토크 등 다중 요소의 제한을 받는 울트라딥 수평정 안전적 시추평가 방법을 구축하고 이를 토대로 다양한 수직깊이에서의 굴진 변위를 정량적으로 분석하였다. 반복적 시뮬레이션을 통해 최종적으로 수평 변위를 300m에서 650m까지 연장하는 것은 가능하다는 결론을 내렸다. 순베이석유가스전은 2016년에 발견되어서부터 현재까지 약 30개 울트라딥 시추공을 굴착해 70만 t의 연간 생산능력을 갖추었다. 2018년 순베이석유가스전의 원유 생산량은 52만 t을 초과하였다.

중국석유화공그룹유한회사, 아시아 육상 시추 8,520m 신기록 경신

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2019년 2월 14일, 중국석유화공그룹유한회사 시베이(西北)유전지사는 시베이유전 순베이(順北) 5-5H 유정(Oil well) 시추에서 시추 깊이 8,520m에 달하여 기존 아시아 대륙에서 가장 깊은 순베이펑(順北蓬) 1호 유정의 시추 깊이 8,450m 기록을 경신하였다. 또한 육상 120.65mm 좁은 시추공 8,520m 깊이(최심 기록), 방향성 시추 870m(최장 기록), 갱저 수평 변위 645.16m(최대 기록), 수직 깊이 8,032.84m(최심 기록) 등 4개 항목의 공정기술 아시아 신기록을 세웠다. 2016년에 발견한 순베이 석유가스전에서 이미 원유 생산이 가능한 27개 초깊이 시추공을 시추하였고 2018년 누적 원유 생산량이 52.18만 t에 달하여 70만 t 원유 생산 능력을 구비하였다. 타림분지의 특수하고 복잡한 지질 구조로 인하여 유전 매장 깊이는 아주 깊으며 특히 순베이 석유가스전은 매장 깊이가 8,000m를 초과하여 아시아에서 육상 매장 깊이가 가장 깊은 석유가스전이다. 지하 8,000m 깊이에 매장된 원유를 채굴하기 위해 중국석유화공그룹유한회사 시베이유전분회사는 2002년부터 초깊이 유정 시추 기술을 연구했다. 순베이 석유가스전은 단층운동의 영향으로 드릴링 지층이 아주 복잡하고 시추공 크기가 120.65mm에 달하며 방향성 시추 과정에 갱저 온도가 높을 뿐만 아니라 시추공 궤적을 제어하기 어려운 등 문제점이 존재한다. 상기 문제점을 해결하기 위해 시베이유전지사에서는 기술 연구팀을 구축하고 수년 동안 연구·실천을 통하여 초깊이, 고온 시추공 궤적 정밀 제어 기반의 수평정 시추 기술을 개발하였다. 순베이 5-5H 유정은 사막 중심에 위치했으며 또한 시베이유전에서 타림분지 순퉈궈러(順托果勒) 융기 북쪽 가장자리에 배치한 수평정이다. 연구팀은 단일 증가 단면의 이중 증가 단면으로의 최적화, 고효율 방향성 PDC 드릴 비트 개선, 항고온 혼합 오일 시추액 시스템 응용, 드릴공구 조합 및 시추 파라미터 최적화, 맞춤형 마찰 저항력 감소 조치 확정 등을 통하여 순베이 5-5H 유정의 순리로운 시추를 보장함과 아울러 시추공 궤적 적합률 및 시추 성공률을 확보하였다.

대기 및 해양 열수송 패턴의 새 변화 규명

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최근, 미국오하이오주립대학(Ohio State University, OSU) 대기과학 박사연구생 허청페이(何誠飛)의 대기 및 해양 시스템의 열 수송 방식변화도 향후 지구 온난화에 영향을 미칠 것이라는 논문이 "Nature Climate Change"에 게재되었다. 지구표면의 열수송은 일정한 규칙을 따르는바 대기와 해양은 열량을 적도-극지 방향으로 수송하며 따라서 지구 시스템은 열평형을 이룬다. 본 논문의 제1 저자 허청페이는 "만약 열량 전달이 없다면 열대와 극지 사이의 온도차는 더욱 큰바 '더운 지역은 더욱 덥고 추운 지역은 더욱 추울'것이다. 따라서 열량 전달이 어떠한 변화를 일으키는가 하는데 관한 연구는 아주 필요하다."고 주장하였다. 연구팀은 열량이 대기와 해양 사이에서의 전달 과정 분석 및 기존의 온도 데이터를 결합한 비교를 통하여 에너지 전달 변화 발생 메커니즘을 발견하였다. 지구 온난화 배경에서 대규모 환류 운동의 강도 감소로 인하여 대기와 해양이 극지 방향으로의 열수송이 감소되고 있다. 그러나 실제로 대기가 극지 방향으로의 열수송은 감소되지 않고 있다. 그 원인은 지구 온난화로 인하여 대기에 더욱 많은 에너지가 축적되며 따라서 대기가 극지 방향으로 수송하는 에너지는 해양에 비하여 더욱 많다. 해양이 극지 방향으로의 열수송이 감소된 구체적인 표현은 대서양 자오선 역전순환류(Atlantic meridional overturning circulation, AMOC) 운동의 비정상이다. AMOC는 지구 온난화 "구동 요인"으로서 지난 2만 년 동안에 여러 차례의 붕괴 및 복원이 발생하였고 따라서 글로벌 기후의 급속한 변화를 유발하였다. 다른 한 측면으로 지구 온난화로 인하여 90%를 초과하는 열량이 해양에 흡수되었다. 해당 열량은 집중적으로 남극해에 "저장"되었으며 또한 해마다 증가되고 있다. 기존의 연구에서 해당 열량은 해양 에너지 수송의 일부분에 속한다고 주장하였지만 연구 결과에 의하면 해당 열은 "가상적"인 해양 에너지 수송이다. 실제 상황은 가능하게 더욱 심각할 것으로 추정되며 해양 에너지 수송 감소 역할이 과소평가 되고 있다. 현재 해수에 저장된 열량은 직접 대기에 수송되지 않는다. 만약 해양이 이렇게 많은 열량을 흡수할 수 없다면 곧 대기 방향으로 열량을 방출하여 글로벌 온도의 급속한 증가를 유발할 것으로 추정된다.

신재생에너지 발전 설비용량 동기대비 12% 증가

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2019년 1월 28일, 국가에너지국 신재생에너지사의 발표에 의하면 2018년 말까지 중국 신재생에너지 발전 설비용량은 동기대비 12% 증가하여 7.28억 kW에 달하였고 전체 전력 설비용량에서 차지하는 비중은 약 38.3%에 달하여 동기대비 1.7%p 향상되었다. 이로써 신재생에너지에 의한 청정에너지 대체 역할이 날이 갈수록 뚜렷해지고 있다. 중국의 재생에너지 개발은 양적 확장으로부터 질적 향샹으로 변화되고 있다. 2018년, 신재생에너지 이용률은 뚜렷하게 향상되었고 수력발전 잉여전력, 풍력발전 잉여전력, 태양광발전 잉여전력 상황이 뚜렷하게 개선되었다. 2018년 말까지 중국 수력발전 설비용량은 동기대비 2.5% 증가한 3.52억 kW, 풍력발전 설비용량은 동기대비 12.4% 증가한 1.84억 kW, 태양광발전 설비용량은 동기대비 34% 증가한 1.74억 kW, 바이오매스발전 설비용량은 동기대비 20.7% 증가한 1,781만 kW에 달하였다. 신재생에너지 발전량은 1.87억 kW·h에 달하여 동기대비 약 1,700억 kW·h 증가되었고 전체 발전량에서 차지하는 비율은26.7%로 동기대비 0.2%p 증가되었는데 그중 수력 발전량은 1.2억 kW·h로 동기대비 3.2% 증가되었으며 풍력 발전량은 3,660억 kW·h로 동기대비 20% 증기되었고 태양광 발전량은 1,775억 kW·h로 동기대비 50% 증가되었으며 바이오매스 발전량은 906억 kW·h로 동기대비 14% 증가되었다. 2019년 국가에너지국은 풍력발전, 태양광발전 무보조 그리드 패리티(Grid parity) 프로젝트 구축을 적극적으로 추진하고 풍력발전소, 태양광발전소 프로젝트 경쟁 배치 업무 메커니즘을 전면적으로 이행하며 신재생에너지 전력소비 새 메커니즘을 구축·개선하고 전력 개혁을 결합하여 분포식 신재생에너지 전력 시장화 교역을 추진하며 신재생에너지 분포식 발전, 마이크로그리드(Microgrid), 청정 난방공급 등 단말 이용을 확대하여 신재생에너지 고품질적 발전을 전면적으로 추진할 계획이다.

2018년 중국 10대 환경뉴스

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(1) 생태문명 헌법에 명기 2018년 3월 11일, 제13기 전국인민대표대회 제1차회의 제3차전원회의에서 "생태문명"을 기입한 "중화인민공화국 헌법수정안"을 통과시켰다. 이로써 근본법의 차원에서 생태문명을 중국특색사회주의 전반구도 및 두 번째 100년 분투목표 체계에 포함시켜 중국특색사회주의 생태문명 건설에 근본법적 보장을 제공하였다. (2) 전국생태환경보호대회 개최 및 시진핑 생태문명사상 공식 확립 2018년 5월 18일~19일, 베이징에서 열린 전국생태환경보호대회에서 시진핑 총서기는 생태환경 보호를 강화하고 오염방제 총력전을 힘써 추진할 데 관한 사업을 전면적으로 배치하였다. 대회는 시진핑 생태문명사상을 공식적으로 확립함으로써 새시대 생태문명 건설에 근본 지침 및 실천 동력을 부여하였다. (3) 생태환경부 설립 2018년 3월 17일, 제13기 전국인민대표대회 제1차회의는 국무원 기관개혁 방안을 심사·허가하였다. 해당 개혁안에 따라 생태환경부를 설립해 원래 각 정부부서에 분산되었던 생태환경 보호 직책을 통합하고, 생태보호 및 오염방제를 일괄적으로 관리하며, 생태와 도시농촌의 각종 오염배출 감독관리 및 행정집법 직책을 통합적으로 행사함으로써 지하와 지상, 물가와 물속, 육지와 해양, 도시와 농촌, 일산화탄소와 이산화탄소 등 5개 영역을 연결시켰다. (4) 되돌아보기식 생태환경보호감찰로 "고압" 수위 유지 2018년 5월말부터 중앙생태환경보호감찰조는 두 번으로 나누어 선후로 허베이성, 네이멍구자치구, 헤이룽장성 등 20개 성(자치구)에 내려가 제1회 감찰 때의 시정사항 개선상황을 재차 감독하였다. 되돌아보기식 감찰은 목적성 감독을 통해 지적된 문제를 정확하게 해결하는데 취지가 있다. 되돌아보기식 감찰을 통해 43,486개 대상에 개선명령을 내렸고 11,286개 대상을 처벌하였고 또한 5,787명 관련 담당자를 경고했고 8,644명 관련 담당자를 처벌했다. 이외에 대중이 관심하는 돌출한 환경문제 7만 건을 해결하였다. 감찰조는 2019년부터 약 4년간 제2회 중앙생태환경보호 감찰을 시작할 계획이다. (5) 중공중앙, 국무원 오염방제 총력전 관련 "의견" 발표 2018년 6월 16일, 중공중앙과 국무원은 "생태환경보호를 전면적으로 강화하고 오염방제 총력전을 힘써 추진할 데 관한 의견"을 발표하였다. "의견"은 푸른 하늘, 맑은 물, 오염 없는 땅 등 3대 보호작전을 전면적으로 배치하였고, 향후 3년간 목표임무 및 행동조치를 명확히 밝혔으며, 구체적 지표를 명시하였고, 총력전 시간표와 로드맵을 확정하였다. (6) 친링 북쪽 기슭 시안 경내 불법 별장 철거 2018년 친링(秦嶺) 북쪽 기슭 시안(西安) 경내 불법 별장이 또다시 여론의 초점이 되었다. 시진핑 총서기는 상기 문제에 관해 여러 번 중요지시를 내렸고 중앙정부는 특별팀을 파견해 개선을 독촉하였다. 2018년 7월부터 샨시성(陝西省)은 상기 불법 별장 및 기타 생태환경을 파괴하는 문제를 조사해 관련 책임자를 엄히 처벌하였다. 해당 별장은 철거되었고 생태는 다시 회복되었다. (7) "7+4" 대표적 사업 및 특별행동 전면적 전개 2018년에 생태환경부는 푸른 하늘 보호작전 등 7개 대표적 사업을 추진하였다. 또한 "뤼둔(綠盾)2018" 자연보호구 검사감독 특별행동, 식수 수원지 복원 등 4개 특별행동을 전개하여 뚜렷한 효과를 거두었다. 2018년 말까지 전국 31개 성(자치구, 직할시)의 1,586개 수원지 환경문제가 기본적으로 해결되었고, 국가급자연보호구의 불법·규정위반 문제가 효과적으로 억제되었으며, 전국 338개 지급(地級) 이상 도시의 대기질은 지속적으로 개선되었다. (8) 생태환경 부문을 대상한 "사건을 거울로 삼는" 특별관리 활동 전개 2018년 7월부터 생태환경부 당조직과 기률검사조는 전국 생태환경부문을 대상해 "사건을 거울로 삼아 양호한 정치생태를 구축하자"는 특별관리 사업을 전개하였다. 각급 당조직은 멍웨이(孟偉) 엄중기률위반 사건을 결합해 비평과 자아비평을 전개하고, 문제를 찾으며, 개선조치를 마련하고, 당관리 책임을 철저히 관철함으로써 정치 및 작풍 건설에서 뚜렷한 성과를 거두었다. (9) 원자력안전법 시행, 토양오염방제법 출범 2018년 1월 1일 "원자력안전법"이 전면적으로 시행되었다. 생태환경부(국가원자력안전국)은 전국적 "원자력안전법 시행원년" 활동을 전개하여 시진핑 총서기가 제안한 "이성, 협력, 병행"의 핵안전관을 전면적으로 관철하였고, 법에 따라 엄격히 감독·관리하였으며, 원자력안전관리체계 및 관리능력 현대화를 추진하였다. 2018년 8월 31일, 제13기 전국인민대표대회상무위원회 제5차회의는 "토양오염방제법"을 통과시켰다. "토양오염방제법"은 토양오염 제어의 기본원칙, 토양오염 제어의 기본제도, 예방보호, 거버넌스 및 복원, 경제적 조치, 감독검사 및 법률책임 등 주요내용을 명확히 규정하였다. 이는 토양오염 방제제도 체계가 기본적으로 구축되었음을 의미한다. 해당 법은 2019년 1월 1일부터 시행된다. (10) "국민생태환경행동규범(시행)" 발표 2018년 6월 5일, 생태환경부는 중앙정신문명건설지도위원회판공실, 교육부, 공청단중앙, 중화전국여성연합회와 공동으로 "국민생태환경행동규범(시행)"을 발표하였다. "국민 10개 조항"이라 불리는 해당 "규범(시행)"은 생태환경 관심, 에너지자원 절약, 녹색소비 실천, 저탄소출행 선택, 쓰레기 분리수거, 오염발생 감소, 자연생태 보호, 환경보호실천 참가, 감독신고 참여, 아름다운 중국 건설 등을 포함한다. "국민 10개 조항"의 발표는 국민의 생태환경 인식을 강화하고, 국민이 친환경 이념을 자각적으로 실천하도록 유도하며, 전사회에 사회주의생태문명관을 홍보하고, 사람과 자연이 조화롭게 발전하는 현대화 건설의 새로운 국면을 공동으로 형성하자는 데 취지를 두었다.

난징대학, 온실가스의 온난화 효과 과소평가 가능성 제안

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최근 난징(南京)대학 대기·지구시스템과학교육부국제협력연합실험실 연구팀은 에어로졸의 간접적 기후효과 연구에서 획기적 진전을 거두었다. 해당 연구성과는 "Aerosol-driven droplet concentrations dominate coverage and water of oceanic low-level clouds"란 제목으로 "Science"에 게재되었다. 해당 성과는 주어진 기상조건에서 구름-물 경로(cloud liquid water path) 및 수송량에 대한 영향을 통해, 해양 하층운 복사강제력의 대부분 변화(75%)를 구름 응집핵(CCN)의 변화로부터 해석할 수 있음을 규명하였다. 이는 기존 연구에서 해양 하층운 복사강제력에 미치는 CCN의 영향이 엄청 과소평가되었음을 설명함과 아울러 온실가스의 온난화 효과도 심하게 과소평가되었을 가능성을 의미한다. 해당 성과는 기존에 연구해온 인간활동으로 인한 기후변화에 대한 인식을 높여주었고 또한 미래 기후변화 예측에도 중요한 의미가 있다. 구름 응집핵으로서의 에어로졸 입자에 의해 야기되는 구름 복사강제력 변화는 인간활동에 의해 유래된 복사강제력의 주요 구성 부분일 뿐만 아니라 기후 평가에서 불확실성이 가장 큰 항목이기도 하다. 입사 태양복사에 대한 해양 하층운의 유의적 반사작용 및 이로 인한 냉각효과를 감안해 에어로졸 입자가 어떻게 해양 하층운의 성질에 영향을 미치고 나아가 해양 하층운 복사강제력에까지 영향을 미치는지를 밝히는 것은 지구시스템의 에너지수지 및 기후변화를 이해하는데 중요한 의미가 있다. 기존 연구에서 사용해온 위성관측에 기반한 에어로졸 광학신호(예를 들어 광학 두께 또는 에어로졸 지수)로 에어로졸-구름 상호작용을 연구하는 방법은 반전기술의 제한을 받아 구름속에 진입한 실제 CCN 농도를 나타내기 어렵고 깨끗한 대기속의 CCN 농도는 더욱이 측정할 수 없다. 그리고 CCN과 기상요소가 구름에 대한 영향을 어떻게 분리할 것인지는 해당 연구에서 또 하나의 어려움이다. 상기 두 문제를 해결하기 위해 연구팀은 다음과 같은 방법을 제안하였다. 새로 구축한 구름방울 수농도(Nd) 및 구름밑면 상승속도(Wb) 반전방법을 통해 구름밑면 과포화 상태에 상응하는 CCN 농도를 획득함으로써 상기 에어로졸 광학신호를 이용한 에어로졸-구름 상호작용 연구의 어려움을 해결하였다. 또한 기상요소에 기반해 구름을 분류한 후 각 유형에 대한 CCN의 영향을 별도로 연구함으로써 기상요소의 간섭을 효과적으로 배제하였다. 그림에서 색상은 구름방울 수농도를 나타내고 단위는 ㎤이다. 구름방울 수농도 분포를 통해 선박 배출 흔적을 쉽게 식별해낼 수 있다. 1㎤당 구름방울 수가 50 이상일 때 강수가 억제되는 동시에 구름에 덮인 면적은 더 커진다. 선박 배출 흔적이 겹치는 곳에서 구름방울 농도와 구름 면적은 더 크게 나타난다. 작은 구름방울로 구성된 구름층이 클수록 우주로의 태양에너지 복사는 더 많아진다. 동 연구는 이스라엘 히브리대학 Daniel Rosenfeld 교수를 중심으로 중국 산시성(陝西省)기상과학연구소 주옌녠(朱延年) 박사, 난징(南京)대학 왕밍화이(汪名懷) 교수, 저장(浙江)대학 위사오차이(俞紹才) 교수 및 미국, 독일의 학자가 공동으로 완성하였다.

베이징대, 페로브스카이트 태양전지 수명 대폭 향상

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최근, 베이징대학 공학원 재료과학·공정학부 저우환핑(周歡萍) 연구팀은 화학·분자공정대학 옌춘화(嚴純華) 연구팀과 공동으로 전환효율을 보장하는 조건에서 페로브스카이트 태양전지의 수명을 연장시켰다. 해당 연구성과는 "Eu3+/Eu2+ 산화환원 이온쌍을 이용한 요오드화납 페로브스카이트 태양전지 작동 수명 향상"이라는 제목으로 "Science"에 게재되었다. 소자 수명(안정성) 및 광전기 전환효율은 태양전지의 최종 발전 원가를 결정하는 2개 핵심 요인이다. 전세계에서 일반적으로 사용하는 결정질 실리콘 태양전지 효율은 이론적 한계에 접근하였기에 원가를 한층 더 절감시키기 어렵다. 원가 및 효율 우위를 모두 보유한 페로브스카이트 태양전지는 해당 분야의 연구 관심사로 되었다. 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 결정 구조를 보유한 유기/무기 혼성화 금속 할로겐화물을 흡광층으로 이용하고 있다. 해당 전지는 간단한 제작 방식, 낮은 생산원가 및 뛰어난 광전 성능으로 2009년부터 관심사로 되었으며 또한 광전기 전환효율은 3.8%에서 23.7%로 상승하여 개발 전망이 가장 빠른 태양광발전 기술로 되었다. 그러나 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제는 가장 큰 어려움으로 되었고 또한 페로브스카이트 산업화에서 원가, 공법, 수명 등 측면도 시급히 해결해야 될 문제이다. 본 연구는 페로브스카이트 소재가 광조사 및 열복사 작용 조건에서 불안정한 문제점을 해결하기 위해 페로브스카이트 활성층에 Eu3+/Eu2+ 산화환원 이온쌍을 도입하는 새로운 메커니즘을 제안하였다. 해당 이온쌍은 Pb0과 I0 결함을 동시에 제거함과 아울러 소자 사용 수명 기간 내에 순환적으로 역할을 발휘할 수 있다. 이를 기반으로 배터리 초기 효율을 향상시켰고 특히 배터리의 장기적 안정성을 뚜렷하게 향상시켜 할로겐화납 페로브스카이트 태양전지에서의 안정성을 제한하는 주요한 본질적 문제를 해결하였는데 이는 페로브스카이트 태양전지 산업화 생산을 추진시킬 전망이다.

중미, 전세계 해양 온난화 최신 추정값 산출

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최근 중국과 미국 과학자는 공동으로 상층 해양 온도가 얼마 상승하고 향후 어떻게 변화할지에 대한 추정값을 산출하였다. 산출 결과에 의하면, 향후 "파리기후협정" 목표에 도달하려면 21세기 마지막 20년에 해양 상층부 온도는 1991~2005년 평균에 비하여 0.4℃ 상승하여야 한다. 해당 논문은 "Science"에 게재되었다. 해양 온난화에 대한 추산 결과는 일치하지 않다. 2013년에 발표된 국제 정부 간 기후변화 제5기 평가보고서는 5개 해양 열함량 변화 추이에 대한 추정값을 밝혔다. 그중 최소 추정값은 최대 추정값의 절반이다. 중국과학원 대기연구소 청리징(成裡京)은 미국 세인트토마스대학(St.Thomas University), 캘리포니아대학 버클리캠퍼스(University of California, Berkeley) 및 미국국립기상연구소(National Center for Atmospheric Research, NCAR)와 공동으로 연구를 수행하여 해양 온난화 정도에 대한 분쟁은 기존의 해양 관측 데이터 정밀도 부족 및 데이터량 부족으로 유발되었다고 주장하였다. 2005년 후 해양에 새 장비를 설치하여 비교적 양호한 전세계 해양 열함량을 예측하였지만 2005년 전으로 거슬러 올라가 그 이전의 해양 상황을 관측할 수는 없다. 연구에 의하면, 2017년 해양 상층부 2,000m 깊이 열함량을 새롭게 추정하였다. 일본기상청, 호주연방과학산업연구기구(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO), 미국프린스턴대학(Princeton University) 등도 업그레이드된 방법 또는 개선된 방법을 이용하여 해양 열함량 변화에 대하여 추정하였다. 해당 새로운 추정 방법은 고도의 일치성을 나타냈는바 1955년 후 전세계 해양 열함량은 상승 추이를 나타냈다. 현재의 기후 모델은 역사적 해양 온난화를 아주 잘 모의할 수 있다. 1970~2010년 사이에 해양 상층부 2,000m 깊이의 온난화 속도는 0.39W/m2이며 최근 관측 결과와 거의 일치하다. 모델로 예측한 결과에 의하면 향후 아무런 기후 정책을 이행하지 않으면 21세기 마지막 20년에 모든 상층부 2,000m 깊이 해양의 평균 온도는 0.78℃ 상승(1991~2005년의 평균 상태 대비)할 전망인데 이는 지난 60년 해양 온난화 총량의 6배이다.