에너지/환경

세계 첫 1,000t급 CO2 자원화 이용 "만능 용제" DMF 합성 파일럿 장치 구축

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최근, 금속유기화학국가중점실험실 딩쿠이링(丁奎嶺) 연구팀은 촉매에 의한 이산화탄소(CO2)전환의 혁신적인 새 기법-CO2로부터 "만능 용제" N,N-다이메틸폼아마이드(DMF)를 제조하는 새 경로를 개발했다. 2019년 8월 6일, "CO2 자원화 이용 DMF 합성 플랜트 기술, 공법 및 장비" 프로젝트는 전문가위원회의 과학기술 성과 평가에 통과됐다. 해당 기술은 세계 선진 수준에 도달했다. 해당 프로젝트는 세계 최초의 CO2 원료로부터 DMF를 합성하는 산업화 공정이다. 연구팀은 CO2 온실가스 자원화 이용 문제를 오래 동안 연구했다. 또한 다년간 촉매에 의한 수소화 분야 연구 경험을 기반으로 신형 유기금속촉매를 개발해 온화한 조건에서 CO2를 "탄소 자원"으로 사용함과 아울러 화학적 전환을 거쳐 메탄올, DMF 등 화공 원료를 제조함으로써 CO2 자원화 이용에 "녹색화학"적 해결 방법을 제공했다. 아울러 "석탄가스" 일산화탄소(CO)를 원료로 하는 전통적인 방법을 개변시켰다. 해당 새 공법은 CO2, 수소 및 디메틸아민을 원료로 한다. 연구팀은 촉매로 CO2를 전환시켜 DMF를 합성하는 새 촉매 시스템, 새 플랜트 기술, 새 장비를 개발했으며 1,000t/년의 파일럿 장치를 구축했다. 해당 파일럿 장치는 이미 1,200여 시간 안정하게 작동했다. 72시간 테스트 결과, 해당 장치는 작동이 안정적이고 제품 순도는 99.5% 이상이며 선택성은 99.97% 이상이고 단일 라운드 전환율은 59% 이상이며 제품 1t 당 촉매 소모는 0.65g 이하, 디메틸아민은 640.42Kg, 수소는 320.1표준입방미터, CO2는 331.7표준입방미터이다. 해당 프로젝트의 촉매반응 시스템 및 촉매 시스템은 독창성을 보유하고 있다. 연구팀은 촉매반응 메커니즘 연구 및 촉매 분자 설계를 통해 균일촉매의 선택성, 활성 및 안정성 최적화 제어 어려움을 해결했으며 CO를 원료로 하는 전통적인 공법을 개변시켰다. 해당 핵심 기술은 국제특허를 출원함과 아울러 미국, 유럽, 일본 시장에 진입했다. 해당 프로젝트의 반응기 설계 및 핵심 장비는 창의성을 보유하고 있다. 연구팀은 해당 촉매반응의 "2-쾌속 1-느림(兩快一慢)" 과정 및 캐스케이드(Cascade) 특성에 근거하여 제트(Jet) 및 버블링(Bubbling) 결합형 반응기 설계 아이디어를 제안하여 신형 균일촉매 반응기 핵심 설비를 개발했고 2개 발열반응 특성에 근거하여 고정밀 온도 제어시스템을 개발했으며 경량물질 제거, 탈수, 정제, 안전제어 등 유닛 및 시스템을 통합함으로써 공법 및 장치의 유연성 제어, 안전하고 안정한 작동을 달성했다. 해당 기술 공법은 합리하고 고효율적일 뿐만 아니라 반응조건이 온화하고 친환경적이다. 또한 에너지 효율의 전환율은 53.8%에 달한다. 1t 제품을 생산하는데 종합 에너지소모는 0.3064t 표준석탄(Standard coal), 폐가스 배출은 6.67표준입방미터이며 고체폐기물/폐수 무배출을 달성할 수 있다. 1,000t급 파일럿 장치 구축은 CO2 자원화 이용에 새 경로를 개척했으며 기존의 CO를 원료로 하는 산업화 기술에 비하여 원료 원가를 절감시켰을 뿐만 아니라 원료가 풍부하고 "3가지 폐기물"의 배출을 대폭 감소시켰다. 새 공법은 CO2 및 수소를 원료로 이용하기에 과잉 수소 및 CO2 업체 및 기업의 경제적 효익을 뚜렷하게 높일 수 있다. 향후 해당 신기술의 산업화 시범 장치 구축을 가속화할 전망이다.

다롄화학물리연구소, 스크린 인쇄 기술로 신형 고유연성 평면전지 "인쇄"

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최근 중국과학원 다롄화학물리연구소 우중솨이(吳忠帥) 연구팀은 저원가 규모화 스크린 인쇄(Screen Printing) 기술을 개발해 상업응용 전망이 밝고 유연성·안전성이 높은 장수명 2차 수계(water system) 평면화 초소형 망간-아연 전지를 제조했다. 해당 성과는 "National Science Review"에 게재되었다. 차세대 소형화 웨어러블 전자제품의 발전은 이에 상응하는 신개념의 고안전성 및 장수명 초소형 에너지저장장치, 특히 평면화 초소형 전지에 대한 수요를 자극하고 있다. 평면화 초소형 전지는 고도로 집적된 일체화 특성을 보유하기에 기존 샌드위치 구조 전지의 부피가 크고 기계적 유연성이 떨어지며 굽힘 상태에서 계면이 쉽게 분리되는 등 결함을 극복하여 신형 웨어러블 전자장치 출력원으로 자리매김하고 있다. 연구팀은 간단하고 효율이 높은 저원가 규모화 스크린 인쇄 기술을 개발해 기계적 유연성이 양호하고 안전성이 높은 장수명 신개념 수계 평면화 초소형 망간-아연 전지를 성공적으로 제조했다. 먼저 이산화망간, 아연 분말, 그래핀을 기능성 재료로 하여 망간-아연 전지의 양극·음극 및 그래핀 집전체(current collector) 요변성(Thixotropy) 잉크를 각각 배합한 다음 다단계 스크린 인쇄 방법을 사용해 평면화 초소형 망간-아연 전지의 저원가 규모화 제조를 달성했다. 신형 망간-아연 전지는 친환경적이고 안전성이 높을 뿐만 아니라 초장수명 작동을 구현했다. 이외, 인쇄 기저의 다양성은 응용 장면별 수요를 충족시킬 수 있다.

중국과기대, 신형 촉매에 의한 이산화탄소의 고선택적 에너지 전환 달성

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최근, 중국과기대 허페이(合肥)미세규모물질과학국가연구센터 쑨융푸(孫永福)/셰이(謝毅) 연구팀은 바이메탈 활성부위 초박형 나노시트 촉매를 설계함과 아울러 해당 촉매가 이산화탄소 광환원 생성물에 대한 높은 선택성을 달성했다. 해당 연구성과는 "Nature Energy"에 게재됐다. 이산화탄소 과도 배출은 온실효과를 초래하며 인류의 지속가능한 발전에 영향을 미치는 주요 문제이다. 식물의 광합성 작용에서 영감을 받고 과학자들은 인공 광합성 작용을 이용하여 자연환경 조건에서 촉매로 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환시키는 방법을 설계했다. 이는 대기 중의 이산화탄소 농도를 감소시키는데 도움이 될 뿐만 아니라 고부가가치 탄소 기반 연료를 획득할 수 있다. 하지만 이산화탄소 환원 생성물 종류의 다양성, 환원 생성물의 환원전위가 비슷한 등 문제점으로 환원 생성물의 선택성을 효과적으로 제어할 수 없다. 따라서 이산화탄소의 메탄으로 고선택성 환원은 큰 어려움으로 되고 있다. 프로젝트팀은 바이메탈 활성부위 초박형 나노시트를 설계하여 이산화탄소 환원 생성물의 선택성을 정밀 제어했다. 기존에 제조한 결함상태 CuIn5S8 초박형 나노시트를 사례로 이론적 시뮬레이션 및 원위치 적외선 분광 테스트 결과, 다음과 같은 과정이 입증됐다. 1) 저배위(Low coordination) 구리 및 인듐 위치는 이산화탄소 분자와 작용하여 고안정성 구리-탄소-산소-인듐 중간체를 생성하고 해당 중간체가 동시에 분열되어 자유상태의 일산화탄소 분자를 형성할 경우 매우 높은 반응에너지 장벽을 극복해야 한다. 2) 상대적으로 해당 중간체의 탄소 원자에 수소를 첨가하여 수산기 중간체를 형성하는 반응은 발열반응이고 또한 자발적으로 진행될 수 있기에 약 100%에 달하는 메탄 선택성을 획득할 수 있다. 광촉매 테스트 결과, 황 함유 결함 CuIn5S8 초박형 나노시트는 가시광선 조건에서 이산화탄소를 메탄으로 환원시키는 선택성은 약 100%에 달함과 아울러 비교적 높은 생성률을 달성할 수 있음이 입증됐다.

세계 첫 4원계 무코발트 재료 배터리 개발

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최근, 창청(長城)자동차 산하 펑차오(蜂巢)에너지과학기술유한회사는 세계 최초로 무코발트(Cobalt free), 4원계 재료를 개발함과 아울러 20억 유로(EURO)를 투입해 유럽에 공장을 구축함으로써 2025년에 이르러 전세계적으로 약 120GWh의 배터리 생산능력을 달성할 전망이다. 해당 무코발트 재료 기반 배터리 코어(Battery core) 제품의 재료 성능은 기존의 NCM811재료와 동등한 수준이지만 원가는 NCM811재료에 비해 5%~15%로 절감됐다. 무코발트 배터리는 2020년 제3분기에 규모화 생산에 들어갈 예정이다. 다른 1개 종류의 4원계 배터리는 더욱 양호한 내열성, 소량 가스 발생량, 고안전성 등 특성을 보유하고 있으며 2020년 제4분기에 4원계 재료 배터리 코어의 표준운영절차(SOP)를 달성할 전망이다. 기존의 3원계 시스템의 리튬이온 동력 배터리에서 양극재 원가 점유 비율이 30%~45%에 달한다. 그중 코발트 원가 점유 비율이 높다. 예를 들어 523 시스템의 코발트 원가 점유 비율은 20%에 달한다. 코발트의 희소성으로 인한 가격 변동은 배터리 코어 원가에 직접적인 영향 준다. 연구팀은 무코발트화의 2가지 핵심 기술을 파악했다. 1) 홀전자의 전자스핀이 없는 특정 원소를 도핑하여 전자의 초교환(Superexchange) 현상을 감소시킴과 아울러 Li/Ni 무질서 배열을 감소시킴으로써 전기적 성능을 향상시켰다. 2) M-O 결합에너지가 큰 원소를 도핑하여 결정체 충방전 과정에서의 체적 변화를 감소시킴으로써 안정한 구조를 형성하여 사이클 수명 및 안전성을 향상시켰다.

8,882m의 아시아 육상 최대 깊이 탐사정 시추완결

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2019년 7월 19일, 타리무(塔裏木)유전에 위치한 중국석유(CNPC) 중점 리스크 탐사정(Exploration Well) 룬탄(輪探) 1호정이 8,882m 깊이에 도달한 후 시추완결(well completion) 단계에 진입했다. 룬탄 1호정은 아시아 육상 최대 깊이 시추정 기록, 8,877m의 아시아 육상 최대 검층깊이 기록, 8,641—8,649.5m 구간의 아시아 육상 최대 깊이 코어 샘플링 기록 등을 갱신했다. 타리무분지 타베이(塔北)융기 룬난(輪南)저융기(Low Uplift)의 캄브리아계 암염층하부(subsalt) 대지변두리(platform margin) 해안사구(Dunes beach)대에 위치한 룬탄 1호정은 CNPC시부(西部)시추공정유한회사가 2018년 6월에 시추를 시작했다. 시추팀은 지질자료 부족, 울트라딥(ultra deep), 초고압, 초고온, 황함유 등 시추 어려움을 감안해 공정지질 통합화 및 정밀 지질층리 연구를 견지함과 아울러 시추정 구조, 드릴공구 인장강도, 수력학 등 면에서 최적화 논증을 진행했다. 시추정 구조를 "4차 오픈 4차 완결"로 최적화 설계했고 "5차 오픈 5차 완결"을 예비로 준비했다. 웰보어(wellbore)의 완전성을 보장하기 위해 스몰 커플링 고강도 드릴로드 및 매칭용 고무 스태빌라이저를 맞춤제작했고 드릴공구 인장강도를 높였으며 케이싱 파이프 마모를 줄였다. 또한 현장 실제상황에 근거해 목표층 굴진용 최적 시추액 배합 및 성능을 실험을 통해 획득했다. 아울러 시멘트페이스트 시스템 고온성능 평가시험을 수행하고 초고온 시멘팅 안전시공을 확보함으로써 목표층 시멘팅을 위해 충분한 기술축적을 이루었다. 룬탄 1호정의 성공적 시추는 타리무유전의 울트라딥웰 시추기술이 또다시 세계 선진수준에 도달했음을 의미한다. 뿐만 아니라 룬난 하부캄브리아계(Lower Cambrian) 백운암 저류층-덮개층 조합(reservoir-seal assemblage)의 유효성 및 석유가스 부존 가능성(Hydrocarbon Potential) 탐구, 캄브리아계 암염층하부 해안사구체(Dunes beach body) 백운암의 새 유형 발견, 룬난 석유가스탐사의 새 영역 개척, 심부 층서 탐사 진척 촉진, 석유가스 탐사매장량/생산량 증대를 위한 대체지역 확보에 중요한 의미가 있다.

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.