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상용 디젤로부터 수소 생산 가능한 개질 촉매 개발
우리 대학 기계공학과 배중면 교수, 이강택 교수와 한국에너지기술연구원(KIER) 이찬우 박사 공동 연구팀이 상용 디젤로부터 수소 생산이 가능한 고활성, 고내구성 디젤 개질 촉매 개발에 성공했다고 16일 밝혔다.
연료 개질(fuel reforming)은 탄화수소로부터 촉매 반응을 통해 수소를 추출하는 수소 생산 기술이다. 액체 연료인 디젤은 수소 저장 밀도가 높고 운반과 저장이 쉽다는 장점이 있어 디젤 개질을 통한 수소 공급 장치를 헤비트럭의 보조전원장치, 잠수함의 공기불요추진체계 등 모바일 연료전지 시스템에 적용하고자 하는 연구가 지속돼왔다.
그러나 디젤은 고 탄화수소의 혼합물로 긴 사슬 구조의 파라핀, 이중 결합을 갖는 올레핀, 벤젠 고리 구조를 갖는 방향족 탄화수소를 포함하고 있어 고 탄화수소를 효과적으로 분해하기 위한 높은 활성도의 촉매가 요구된다. 그뿐 아니라, 촉매의 성능 저하 요인인 코킹 및 열 소결에 대해 강한 내구성을 갖는 촉매가 요구돼 디젤 개질 기술 활용에 어려움을 겪어왔다.
연구팀은 용출(산화물 지지체에 이온 형태로 고용시킨 활금속을 열처리를 통해 금속나노입자 형태로 지지체 상에 고르게 성장시키는 방법) 현상을 통해 합금 나노입자를 형성하도록 촉매를 설계함으로써 고활성, 고내구성 디젤 개질 촉매를 개발하는 데 성공했다. 용출된 금속 나노입자는 지지체와 강한 상호작용을 갖는 특성이 있어 고온에서 높은 분산도를 유지할 수 있고, 이종 금속 간 합금을 형성해 상승효과로 촉매 성능 향상을 노릴 수 있다는 점에서 착안했다.
연구팀은 산화환원반응 촉매의 지지체로 흔히 쓰이는 세리아(CeO2)의 격자 내 백금(Pt)과 루테늄(Ru)을 미량 침투시킨 다성분계 촉매를 제조하기 위해 용액 연소 합성법을 도입했다. 이 촉매는 디젤 개질 반응 환경에 노출되었을 때 백금과 루테늄이 지지체 표면으로 용출된 후 백금-루테늄 합금 나노입자를 형성한다.
연구팀은 촉매 분석뿐만 아니라 밀도범함수 이론 기반 계산을 통해 활금속의 용출 및 합금 형성에 대한 거동을 에너지적 관점에서 규명하는데 성공했다. 백금-루테늄 합금 촉매를 사용해 기존 단일 금속 촉매와 개질 성능을 비교해 본 결과, 개질 활성도가 향상돼 저온(600oC, 기존 800oC)에서도 100%의 연료전환율을 보였으며, 장기 내구성 평가(800oC, 200시간)에서 성능 열화 없이 상용 안정적으로 상용 디젤로부터 수소를 생산하는데 성공했다.
우리 대학 기계공학과 이재명 박사과정이 제1 저자로, 한국에너지기술연구원 연창호 박사과정, 기계공학과 오지우 박사, 한국에너지기술연구원 한광우 박사, 기계공학과 유정도 박사, 한국기초과학지원연구원 윤형중 박사가 공저자로 참여했으며, 한국에너지기술연구원 이찬우 박사, 기계공학과 이강택 교수, 배중면 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 환경·재료·화학 분야 국제 학술지 `어플라이드 카탈리시스 비: 인바이러멘탈, Applied Catalysis B: Environmental'(IF 24.319, JCR분야 0.93%)에 지난 6월 17일 字 온라인판에 게재됐다(논문명: Highly Active and Stable Catalyst with Exsolved PtRu Alloy Nanoparticles for Hydrogen Production via Commercial Diesel Reforming).
배중면 교수는 "상용 디젤로부터 수소를 안정적으로 생산할 수 있다는 점에서 매우 의미있는 성과이며, 초기 수소 경제 사회에서 모바일 연료전지 시스템의 활용성 제고에 크게 이바지할 것으로 기대된다ˮ며, "이번 연구에서의 촉매 설계에 대한 접근법은 개질 반응뿐만 아니라 다양한 분야에서 응용 및 적용될 수 있을 것이다ˮ라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
2022.08.16
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이상엽 교수, 지방산∙바이오디젤 생산 가능한 미생물 개발
〈 이상엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 비식용 바이오매스 기반의 최고성능을 갖는 지방산과 지방산 유도체로 전환하는 미생물 균주 및 발효 공정을 개발했다.
김혜미, 채동언 연구원 등이 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)」 6월 17일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Engineering of an oleaginous bacterium for the production of fatty acids and fuels)
화석원료는 현대 산업의 기초 물질이자 우리 생활 전반에 광범위하게 이용되는 원료 및 에너지원으로 필수적인 물질이다. 그러나 원유 매장량 고갈에 대한 우려와 원유 산업으로 인한 온난화 등의 환경문제가 세계적으로 매우 심각한 상황이다.
특히 우리나라의 경우 석유를 전량 수입에 의존하기 때문에 국제 유가 변동에 매우 취약해 환경문제를 해결과 원유를 대체할 수 있는 지속 가능한 바이오 기반 재생에너지의 생산이 필수다.
따라서 재생 가능한 자원 기반의 바이오 연료 개발이 활발히 이뤄지고 있는데, 그중 경유를 대체할 수 있는 환경친화적 연료인 바이오 디젤이 있다. 바이오 디젤은 주로 식물성 기름이나 동물성 지방의 에스터교환(transesterification) 반응을 통해 만들어지고 있다.
이 특훈교수 연구팀은 바이오 디젤 생산을 위해 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스 주성분인 포도당으로부터 지방산 및 바이오 디젤로 이용할 수 있는 지방산 유도체를 생산하는 균주를 개발했다.
연구팀은 자연적으로 세포 내 기름을 축적하는 것으로 알려진 미생물인 로도코커스(Rhodococcus)를 시스템 대사공학을 통해 대사 회로를 체계적으로 조작해 최고성능으로 지방산 및 바이오 디젤을 생산하는 균주를 개발했다.
먼저 로도코커스의 배양 조건을 최적화한 뒤 포도당을 섭취해 세포 내 과량의 기름(트리아실글리세롤, triacylglycerol)을 축적하게 했다. 이후 선별한 외부 효소를 도입해 효과적으로 기름을 지방산으로 전환해 최고 농도의 지방산 생산 균주를 개발했다. 또한, 지방산을 두 가지 형태의 바이오 디젤 연료 물질로 효율적으로 전환하는 추가적인 유전자 조작을 통해 바이오 디젤을 최고성능으로 생산하는 데 성공했다.
연구팀은 이전에 대장균을 이용해 바이오 연료인 휘발유를 생산하는 미생물 세계 최초로 개발한 바 있다. (Nature 표지논문 게재) 그러나 해당 기술은 생산성이 리터당 약 0.58g 정도로 매우 낮다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 로도코커스 균주를 이용해 포도당으로부터 리터당 50.2 g의 지방산 및 리터당 21.3 g의 바이오 디젤 생산에 성공했다.
이러한 성과를 통해 향후 식물성이나 동물성 기름에 의존하지 않고 비식용 바이오매스로부터 미생물 기반 바이오 연료의 대량 생산까지 가능하게 할 것으로 기대된다.
이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 고효율 미생물 기반 지방산과 바이오 디젤 생산 연구는 앞으로 환경문제 해결과 더불어 원유, 가스 등 화석연료에 의존해온 기존 석유 화학 산업에서 지속할 수 있고 환경친화적인 바이오 기반산업으로의 재편에 큰 역할을 할 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 과기정통부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 미생물 내에 축적된 오일과 이를 기반으로 생산되는 지방산 및 바이오 디젤
2019.06.20
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이현주 교수, 배기가스 정화용 로듐 앙상블 촉매 개발
〈 정호진 박사과정, 이현주 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이현주 교수가 포항공대 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 자동차 배기가스 정화에 사용할 수 있는 분산도 100%의 로듐 앙상블 촉매를 개발했다.
연구팀의 촉매는 자동차 배기가스 정화 반응에서 시중의 디젤 산화 촉매에 비해 50도 낮은 온도에서 100%의 전환율을 달성하는 성능을 보였다. 연구팀의 앙상블 촉매는 기존의 단일원자 촉매, 나노입자 촉매와는 다른 개념으로 금속 앙상블 자리(ensemble site)가 필요한 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.
정호진 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국 화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)’ 7월 5일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Fully Dispersed Rh Ensemble Catalyst to Enhance Low-Temperature Activity, 저온 활성 향상을 위한 완전히 분산된 로듐 앙상블 촉매)
다양한 불균일계 촉매 중 귀금속 촉매는 높은 활성을 보이기 때문에 널리 사용된다. 하지만 귀금속의 희소가치 때문에 귀금속 사용 효율을 극대화하는 것이 매우 중요하다.
단일원자 촉매는 모든 금속 원자가 촉매 반응에 참여할 수 있기 때문에 널리 사용되지만, 금속 원자가 독립적으로 존재하기 때문에 앙상블 자리가 필요한 촉매 반응에서 촉매 성능을 발휘하지 못한다.
한편 프로필렌(C3H6)과 프로판(C3H8) 등의 탄화수소는 대표적인 자동차 배기가스 오염물질로 반드시 촉매 산화 반응을 통해 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 전환한 뒤 배출돼야 한다. 탄소-탄소, 탄소-수소 결합을 깨뜨려야만 탄화수소 산화반응이 진행되기 때문에 촉매 반응을 위해서는 금속 앙상블 자리를 확보하는 것이 필수적이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 100%의 분산도를 갖는 로듐 앙상블 촉매를 개발해 자동차 배기가스 정화반응에 적용했다. 100%의 분산도를 갖는다는 것은 모든 금속 원자가 표면에 드러나 있기 때문에 모든 원자가 반응에 참여할 수 있다는 의미이다.
이는 단일원자 촉매도 동일하게 갖는 특징이지만, 앙상블 촉매는 100% 분산도와 더불어 두 개 이상의 원자가 붙어있는 앙상블 자리가 존재한다는 장점 또한 갖고 있다.
그 결과 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO), 프로필렌, 프로판 산화 반응에서 모두 우수한 저온 촉매 성능을 보였다. 이는 탄화수소 산화 반응 성능이 없는 단일원자 촉매나 낮은 금속 분산도로 인해 저온 촉매 성능이 떨어지는 나노입자 촉매의 단점을 보완한 것이다.
특히 연구팀이 개발한 분산도 100%의 로듐 앙상블 촉매는 상용화된 디젤 산화 촉매(DOC, diesel oxidation catalysts)보다 높은 활성과 내구성을 가져 실제 자동차 배기가스 정화에 적용 가능할 것으로 기대된다.
이현주 교수는 “이번에 개발한 촉매는 기존의 단일원자, 나노입자 촉매와는 다른 새로운 금속 촉매 개념으로 학술적으로 기여하는 바가 크다”며 “자동차 배기가스 정화 촉매 분야에도 산업적으로 적용 가능해 가치가 큰 연구이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터사업 초저에너지 자동차 초저배출 사업단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 분산도 100% 로듐 앙상블 촉매를 이용한 자동차 배기가스 정화 반응 개념도
그림2. 단일 원자 촉매와 앙상블 촉매의 촉매 구조와 성능 비교 모식도
그림3. EDS-mapping 분석법을 통해 관찰한 단일 원자 촉매, 앙상블 촉매, 나노입자 촉매 구조 사진
2018.07.23
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EEWS 연구성과 투자설명회 개최
- 사업기획 경진대회 수상자 5팀, 13개 엔젤투자자 대상 투자설명회 개최 -
KAIST가 에너지 고갈과 환경오염, 물부족 및 지속성장 가능성 등 인류가 직면한 글로벌 이슈 해결을 위해 추진하고 있는 녹색성장 프로젝트에 창업투자회사와 산업체 투자자가 직접 투자할 전망이다.
우리 학교는 6일 오후 3시 서울캠퍼스 1호관 1층 국제회의실에서 ‘EEWS 사업기획 경진대회’ 수상작 4개팀을 시상하고 투자설명회를 개최한다.
이번 투자설명회는 사업기획 경진대회 수상자 5명이 창업투자회사와 산업체 투자자를 대상으로 경진대회에서 제안한 녹색사업기획과 녹색사업기술을 직접 설명해 투자를 유치할 목적으로 개최된다.
투자설명회에 참가하는 창업투자회사로는 쿨리지코너 인베스트먼트, 대덕인베스트먼트(주), KPM, 로커스 캐피탈 파트너(Locus Capital Partners), 보광창업투자, 그리고 산업체 투자자로는 삼성물산, 제일모직, 다산네트웍스, 한화 L&C 등 총 13개 업체가 참가할 예정이다.
‘EEWS 사업기획 경진대회’는 KAIST 교수와 대학원생, 동문들에게 EEWS 연구결과의 사업화를 장려하고 창의적 인재발굴을 목적으로 KAIST와 창업투자회사인 디에프제이 아테네 엘엘씨(DFJ Athena LLC) •일신창업투자(주)가 공동으로 개최했다.
이번 대회는 사업기획 부문과 사업기술 부문으로 나눠 진행됐으며 총 8개팀이 참가했다.
녹색사업 부문 최우수상에는 배중면 기계공학과 교수가 제안한 ‘친환경 수소 연료전지 사업’, 우수상에는 박진수 (주)시오스 기술이사가 제안한 ‘친환경 디젤자동차 실시간 NOx 측정기술‘이 선정됐다.
녹색기술 부문 최우수상에는 배병수 신소재공학과 교수가 제안한 ‘고굴절율 내열성 하이브리머 LED 봉지재’ 장려상에는 양민양 기계공학과 교수가 제안한 ‘스마트폰용 ITO-Free 터치스크린’이 선정됐다.
KAIST가 연구결과 사업화를 본격화함에 따라 이번 투자설명회 결과가 주목된다. 사업화에 많은 경험을 가진 창업투자회사와 산업체 관계자들이 KAIST의 창의적이고 수준높은 연구성과에 큰 관심을 보였다고 KAIST 측은 설명했다.
이번 경진대회를 주관한 이재규 EEWS 기획단장은 “EEWS 기획단은 KAIST를 대표할 수 있는 획기적인 연구성과를 지속적으로 내놓을 계획”이라며 “창업투자회사 대표가 경진대회 심사위원으로 참여해 사업성을 최우선 고려한 만큼 엔젤투자자들이 큰 관심을 보였다”고 말했다.
[용어설명]
EEWS란 에너지(Energy) 고갈, 환경(Environment)오염, 물(Water)부족 및 지속성장(Sustainability) 가능성 등 21세기 인류가 직면하고 있는 글로벌 이슈의 해결을 위해 KAIST가 추진하고 있는 연구프로젝트다.
2012.01.05
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온라인전기자동차 미국시장 진출 본격착수
우리학교가 개발한 온라인전기자동차(Online Electric Vehicle, OLEV)의 미국시장 진출이 본격적으로 착수됐다.
서남표 총장은 지난 24일 유타(Utah)주 파크시티(Park City)를 방문해 지난 8월 KAIST 온라인전기자동차사업단과 의향서(Letter of Intent)를 체결한 미국 유타주립대학교 부설 연구기관인 에너지 다이내믹스 연구소(Energy Dynamics Lab, EDL)와 온라인전기자동차 기술 적용에 대한 구체적 방안을 협의했다.
또한, 이번 방문에서 유타주 파크시티에 온라인전기차 기술을 활용하는 시범사업에 대해 논의했다.
온라인전기자동차 기술은 KAIST가 제공하고 시스템 구축은 KAIST와 EDL이 공동으로 수행하는 것으로 양측은 합의했으며, 유타 주 내 표준 및 인증절차, 외부 환경(날씨, 온도 등)에 따른 대처, 급전 설비 설치구간, 부품공급, 전력 수급 방안, 사업계획 등을 논의했다.
시범사업이 추진될 파크시티는 2002년 솔트레이크 시티 동계올림픽의 주요경기가 열린 Olympic Park가 있는 도시로, EDL은 KAIST의 비접촉 충전기술을 시범사업에 적용하는 ‘전기차 무선첨단충전(Wireless Advanced Vehicle Electrification, WAVE)프로젝트’를 파크시티 의회에 제출했으며, 시의회에서는 만장일치로 이를 승인한 바 있다.
이번 프로젝트의 전체 예산은 30~50억 원이 소요될 것으로 보인다. 예산 확보를 위해 파크시티의 초기 지원금에 추가해 미국 에너지성(DOE) 등 연방 연구자금을 지원받을 계획이며, 개인․기관 등의 투자자들과도 접촉해 상당한 공감대를 형성했다.
이를 위해 KAIST와 EDL은 유타주 농구 팀인 재즈(JAZZ) 소유주 겸 밀러 모터 스포츠 파크(Miller Motor Sports Park) 소유주인 브라이언 밀러(Bryan Miller)를 만나 KAIST 온라인전기자동차에 대해 소개했다. 브라이언은 상용화가 가능한 기술 수준을 이룬 KAIST에 찬사를 보내면서 투자 의향을 적극적으로 내비쳤다.
서 총장은 파크시티 시장 다나 윌리엄스(Dana Williams)와 함께 파크시티에 설치된 디젤엔진 열차인 트롤리를 시승했고, 윌리엄스 시장은 온라인전기자동차 도입의사를 재표명했다.
윌리엄스 시장은 “파크시티는 미래 지속 가능한 기술(Sustainable technology) 도입에 아주 적극적이며, KAIST의 온라인전기자동차 기술을 미국에서 최초로 도입하기를 원해 시의회에서 만장일치로 도입을 결정했다”며, “파크시티는 이러한 녹색기술 도입의 선두에 있으면서, 전체 도시를 전기자동차로 운영하는 것을 계획하고 있으며, 온라인전기자동차는 그 시작이 될 것이다” 라고 말했다.
이에 앞서, KAIST 온라인전기자동차사업단은 비접촉 전력전달기술을 운송시스템에 적용하기 위한 공동연구 및 협력을 위해 국제 연구개발 컨소시엄인 도로충전 및 자동화를 위한 파트너쉽(Partnership for Roadway Electrification and Automation, PREA)에 공동으로 참여하기로 했다.
PREA는 두 개의 미국 국립연구소와 미국 및 뉴질랜드의 유수 대학들로 주도적으로 구성된 비접촉 충전기술의 연구, 개발활동을 심화하기 위해 만들어진 컨소시엄이다.
이번 컨소시엄을 통해 KAIST의 온라인전기자동차 기술은 국제적으로 인정받아, 세계 속의 원천기술로 도약하면서 글로벌 기술경쟁력을 확보하는데 크게 기여할 것으로 보인다.
컨소시엄에 참여한 각각의 기관은 기관별로 진행하고 있는 연구개발, 시범사업, 교통시스템 적용 등에 대해 상호간 이익이 될 수 있는 효과적인 협력 체계 구축을 위해 노력하고 비접촉 전력 전달 기술에 대한 각 기관의 전문성을 활용하여 자동차, 고속도로, 에너지 인프라를 결합, 자동화된 전기 수송 시스템 네트워크를 구축하는데 공동의 목표를 함께한다.
온라인전기자동차사업단 서인수 교수는 “국제 공동 컨소시엄을 통해 향후 우리 기술이 국제표준으로 인정받아 기술 부가가치 창출에도 기여할 수 있도록 컨소시엄 안에서 우리의 역할을 분명히 하겠다” 고 밝혔다.
2010.10.04
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KAIST가 개발한 온라인 전기차, 서울 대공원 달린다
- KAIST 온라인전기자동차 상용화를 위한 첫걸음 내딛어 - 매연과 소음이 심각한 코끼리 열차 친환경 전기 자동차로 탈바꿈
우리대학이 심혈을 기울여 개발한 온라인 전기자동차(On-Line Electric Vehicle, OLEV)가 서울대공원을 힘차게 달린다. 무선으로 전력을 공급받아 운행되는 전기자동차를 세계 최초로 개발하여 서울대공원에 시범사업으로 적용했다.
과천 서울대공원에서 디젤기관으로 운행되고 있는 무궤도 코끼리 열차를 KAIST의 기술력을 통해 온라인 전기자동차로 새롭게 제작했다. 경유를 연료로 운행해 매연과 소음이 심각했던 코끼리 열차가 친환경 전기자동차로 탈바꿈했다.
온라인전기자동차(OLEV)는 정차 및 주행 중에 도로에 매설된 전력선으로부터 무선으로 전력을 전송받아 구동에너지로 사용하거나 배터리를 충전하는 신개념의 전기자동차로써 전기자동차의 상용화를 크게 앞당길 수 있는 기술이다.
즉, 온라인전기자동차는 일반도로에 안전하고 견고하게 보호된 전선을 매설하고 차량하부에 별도의 집전장치를 부착하여 도로에 매설된 전선에 전력이 공급될 때 발생하는 자기장을 차량하부의 집전장치를 통해 효과적으로 모아 동력원으로 사용한다. 집전장치를 통해 모아진 전력은 주행 중 모터로 바로 연결되어 쓰이거나 필요한 경우에는 자동으로 배터리에 충전이 된다.
동력차와 객차 3량으로 이뤄진 이 전기자동차가 서울대공원에서 호수 순환도로 총 길이 2.2Km 구간을 운행한다. 급전구간은 1,2,3구간 각 122.5M, 4구간 5M로 4개 구간 총 372.5M이다. 집전효율은 최대 62kw 효율 74%에 달한다. 전자파 측정결과 정차 중 동력차 옆에서 50mG이내, 주행 중 객차내부는 20mG이내로 매우 안전하다.(국제기준치 20Khz-62.5mG)
이번 시범사업을 통해 KAIST는 온라인 전기차에 대한 신뢰성을 확보하고, 온라인 전기차의 상용화에 성큼 다가섰다.
지난해 2월, 공극간격 1cm에서 80% 효율이 기술적으로 가능하다는 것을 입증했으며, 7월에는 자체 개발한 급전장치 및 집전장치를 개조된 하이브리드 버스에 장착해 세계 최초로 공극간격 17cm 이상에서 최대 70% 이상의 효율을 달성하는데 성공했다. 올해에는 20Cm이상에서 최대 효율 80%에 이르는 기술을 확보할 목표이다. 연구개발 1년 만에 놀라운 기술적 진보를 이뤄낸 것.
노력과 끈기로 연구원들이 만들어낸 값진 연구개발 성과이며 KAIST의 무한한 도전정신이 보여준 놀라운 결과다.
온라인전기자동차의 전력 전달 원리인 비접촉 자기유도 방식 충전기술이 자동차에 적용되어 일반도로에서 실용화가 되기 위해서는 현재 운행되는 자동차의 환경에 맞게 도로바닥으로부터 차량 하부까지의 지상고를 법적 기준치(한국 12cm) 이상으로 유지하면서 높은 효율을 유지해야 한다.
KAIST는 세계적으로 불가능한 것으로 여겨졌던 이 기술적 한계를 도로, IT, 자동차, 전기, 전자 분야 전문가로 구성된 융합연구팀을 가동하여 2009년 원천기술개발 단계에서 극복하고, 산학연 협력 연구체계를 구축하여 실제 도로환경에 구현하여 실용화 가능성을 입증하였다. 현재 120건 이상의 특허가 출원된 상태이다.
KAIST는 서울시와 협의하여 대공원의 나머지 코끼리열차 7대를 추가로 개조하여 운행할 계획이다. 또한, 제주도 중문단지, 서울 상암 월드컵 공원 순환도로 등에도 온라인전기버스 시험인프라를 구축할 계획이다.
온라인 전기자동차사업단 조동호 단장은 “주차장, 버스 시점, 종점, 교차로 등에 온라인전기버스용 비접촉 충전인프라를 구축(전체 전용버스 노선의 20% 수준)하여 본격적인 도로 급전인프라 구축 이전에 온라인전기버스 보급 촉진에 기여할 예정이다” 라며 “지방자치단체와 협력하여 시험사업 및 시범사업 추진을 통해 제한된 지역을 운행하는 버스 중심 대중교통 시스템을 우선 공략하여 상용화 가능성을 실증할 것”이라고 밝혔다.
한편, 온라인 전기차 준공식 및 시승행사가 지난 9일(화) 11시부터 서울 대공원 동물원 입구(무궤도열차 순환구간)에서 있었다.
<보충자료>
■ KAIST는 지난 2009년 5월 정부의 추경사업으로 온라인전기자동차사업을 본격적으로 시작한 이후 캠퍼스 내의 테스트베드에서 온라인전기버스, 온라인전기승용차(SUV)의 실험모델 운행에 성공하여 주목을 받은 바 있다.
■ 전세계 자동차 시장은 석유에너지 고갈과 환경오염 문제로 인해 친환경 에너지 절약형 자동차 위주로 변신하고 있는 중이다.
세계 각국 정부는 그린카 기술개발, 전기자동차의 구입지원, 탄소가스 배출에 대한 과세, 연비향상 의무화 등의 정책을 적극적으로 채택하고 있으며, 이에 따라 자동차업체들은 친환경 자동차 특히 전기자동차 개발에 경쟁적으로 투자를 하고 있는 상황이다.
주행 중에 이산화탄소를 전혀 배출하지 않고 소음이 적으며 화석연료에 의존하지 않는 전기자동차 상용화를 위한 많은 노력에도 불구하고 현재까지 개발되고 있는 순수 전기자동차는 배터리에만 전적으로 의존하기 때문에 배터리의 중량과 부피가 지나치게 크고 비용이 과도하게 증가하는 난제를 안고 있다.
일부 국가에서는 배터리를 국가가 소유하고 배터리를 교환하는 방식을 통해 문제 해결을 시도하거나, 구입 초기 세제지원 등을 통한 전폭적인 지원을 통해 전기자동차의 보급을 위해 노력하고 있으나 구입후 배터리 유지보수에서 개인의 부담금이 과다한 문제 등 아직까지 현재 전기자동차가 가지고 있는 배터리 문제와 충전 인프라 문제를 근본적으로 해결하는 데는 한계를 지니고 있다.■ 이러한 일반 전기자동차의 배터리 문제와 충전 인프라문제, 배터리 유지보수 과다 부담금 문제 등을 동시에 해결하는 방안으로 제시된 개념이 주행 중 도로 바닥에서 급전을 받고 배터리도 충전을 하면서 급전선로가 없는 구간에서는 배터리만으로 주행하도록 하는 온라인전기자동차 방식이다.
온라인전기자동차는 일반도로에 안전하고 견고하게 보호된 전선을 매설하고 차량하부에 별도의 집전장치를 부착하여 도로에 매설된 전선에 전력이 공급될 때 발생하는 자기장을 차량하부의 집전장치를 통해 효과적으로 모아 동력원으로 사용하는 원리로써 집전장치를 통해 모아진 전력은 주행 중 모터로 바로 연결되어 쓰이거나 필요한 경우에는 자동으로 배터리에 충전이 된다.
이 경우 온라인 전기자동차는 일반 전기차와 비교하여 약 1/5수준의 배터리를 장착하고도 자유로운 운행이 가능하므로 비싼 배터리 문제를 해결할 수 있으며, 별도의 충전소 개념없이 도로에 충전소를 설치하는 원리이므로 충전인프라 문제 또한 쉽게 해결할 수 있다.
온라인전기자동차 기술을 일반 노선버스에 적용할 경우 버스 시점, 종점, 정류장, 교차로 및 주차장 등에 전체 버스 운행노선의 20% 가량에만 급전 인프라를 구축하더라도 충전의 걱정없이 편리하게 운행이 가능하다.
■ 온라인전기자동차의 향후 사업 추진 방향은 1단계로 정해진 노선과 지역을 운행하는 버스 중심의 대중교통시스템 진입을 통해 경제성과 안전성을 확보하고 2단계로 핵심기술을 지하철 및 철도 등 궤도차량에 적용한 뒤 궁극적으로는 온라인전기승용차 시장을 개척하여 수송시스템을 혁신하는 것이다.국내에서는 서울특별시와 제주도를 비롯하여 많은 지방자치단체들의 친환경 도시교통시스템 구축에 온라인전기자동차 기술을 적용하고자 희망하고 있는 상황이다.
해외에서도 많은 언론과 기관들이 KAIST의 온라인전기자동차 기술에 관심을 가지고 기술개발 현황과 성과에 대해 보도를 하고 있다. 특히 KAIST는 말레이시아에서 계획하고 있는 에코단지에 온라인전기자동차 시스템을 구축하기 위해 협의를 진행하고 있다.
이와 동시에 전기자동차 시대를 앞당기기 위해 필수적인 충전 인프라 구축 사업에 있어서도 접촉식 충전방식보다 안전성과 경제성 면에서 우수한 비접촉 충전방식을 도입할 수 있도록 노력할 계획이며, 놀이공원, 수송터미널, 공항, 군부대, 산림욕장 등 특정한 구역에서의 시험사업 및 시범사업을 통해 상용화의 기반을 구축할 계획이다.
■ 온라인 전기버스의 상용화를 위해서는 ‘실험시제품 개발(09년) → 시험시제품 개발(10년) → 실용시제품 개발(11년) → 표준시제품 개발(12년) → 상용제품 개발(13년 이후)’의 로드맵에 따른 단계별 연구개발이 필요하며 이를 통한 기술적 완성도를 높여 나갈 필요가 있다.
KAIST는 지방자치 단체와 연계한 시험사업과 소규모 인프라 구축사업을 통해 상용화 가능성과 기술적 완성도를 지속적으로 높여나갈 계획이다.
■ 한편 온라인전기자동차 개발 관련 급집전 핵심기술과 결과물은 타산업과의 융합연구를 통한 활용 및 파생기술 보급의 가속화를 가능하게 할 전망이다. 국내에서도 이미 일부 그룹에서 비접촉 충전기술을 이용한 새로운 수요창출을 준비하고 있는 상태이다.
급집전 기술의 주요 활용분야로는 노트북, 휴대폰, 휴대플레이어 등의 휴대기기 분야, TV•가전제품, 청소기 등의 가정용 전기기기 분야, 가정용, 산업용, 군용 등으로 활용이 가능한 로봇분야, 사파리, 보트, 물놀이 공원 등 레저분야, 시내버스, 마을버스, 고속버스, 택시, 승용차, 골프카, 대규모 단지 내 이송차량, 트럭 등 자동차 분야, BRT/PRT, 경전철, 지하철, 고속철도 등 철도분야 등을 꼽을 수 있다.
■ 미래 전기자동차 시대는 자동차 산업이 가진 엄청난 잠재력을 고려할 때 과거 아날로그 시대에서 디지털 시대로의 전환에 견줄만한 새로운 산업의 창출과 직결된다.
이러한 전기자동차 시장에서의 주도력을 가지기 위해서는 기존 산업을 점진적으로 개선 발전시키는 Evolution Path를 통한 접근이 아니라 Revolution Path를 통한 접근이 필요하다.
온라인 전기자동차 개발을 통해 전기자동차시대를 혁신적으로 앞당길 수 있다면 대한민국은 자동차 시장에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 확보할 수 있을 것이고, Evolution을 통해서는 확보가 불가능한 원천기술을 Revolution을 통해 확보함으로써 국가 신성장 동력 확보에 크게 기여할 수 있을 것이다.
2010.03.09
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우성일교수 연구팀, 친환경 고체산화물 연료전지 시스템 개발
-바이오디젤 생산과정의 부산물인 글리세롤을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템
-10월 14일 앙게반테 케미 자매지, "켐서스켐(ChemSusChem)" 온라인판에 게재
생명화학공학과 우성일(58)교수 연구팀은 바이오디젤(bio-diesel) 생산과정의 부산물인 글리세롤을 연료로 이용한 고체산화물연료전지 구동기술을 개발하는데 최근 성공했다.
우교수팀은 이번 연구를 통해 글리세롤을 연료로 고체산화물연료전지를 조업하여 발전시 생성되는 이산화탄소의 발생량을 석탄 및 석유에 비해 각각 40%, 26% 가까이 줄이는 결과를 얻었다. 석탄 및 석유를 이용하는 화력발전을 통한 전기 1kWh 생산시 발생하는 이산화탄소는 각각 991g, 782g이다. 반면 글리세롤은 585g이다. 또한 기존 수소를 연료로 이용했을 때의 80%에 달하는 효율을 얻을 수 있었다.
이번연구에 사용한 바이오매스로부터 얻은 글리세롤 개질과정의 이산화탄소는 바이오매스를 생산하는데 재사용함으로써 저탄소, 녹색성장에 획기적으로 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
이 연구결과는 지난 14일 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)의 자매지인 "켐서스켐(ChemSusChem)" 온라인판에 게재됐으며 관련기술은 국내특허 출원중이다.
연구팀 관계자는 “이번 연구결과는 고체산화물 연료전지에 바이오매스로부터 바이오디젤을 생산할 때 얻어진 글리세롤 연료를 사용함으로써 기존 화석연료보다 이산화탄소의 배출량을 줄이고 배출된 이산화탄소는 바이오매스 생산에 재사용할 수 있어 지구 온난화 방지에 기여할 수 있다”고 말했다.
고체산화물연료전지는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로서 에너지 효율이 ~50%에 달하는 가장 발전된 형태의 연료전지이다. 연료로 쓰이는 수소를 생산하기 위해 탄화수소를 개질하게 되는데 이 과정에서 이산화탄소가 발생하게 된다.
바이오디젤은 브라질, 미국, EU등을 중심으로 고유가에 대응하기 위하여 생산을 확대해오고 있으며, 최근에는 일본, 중국, 인도 등이 후발국으로 참여하여 그 규모가 점차 커지고 있다. 2009년 바이오디젤의 생산량은 78억톤에 달할 것으로 예상되고 있으며 2010년에는 104억톤으로 증가할 것으로 예상된다.
글리세롤은 바이오디젤 1 톤을 생산할 때 0.1 톤 정도 부산물로 생산되는 물질로서 바이오디젤의 공급증가에 따른 잉여의 글리세롤이 생성된다. 고체산화물 연료전지에 잉여의 글리세롤을 연료로 사용하였을 경우 저탄소 녹색 성장에 크게 이바지 할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 최근에는 지구온난화 주범인 이산화탄소의 양을 줄이기 위하여 국제적으로 탄소배출권 거래제도에 대한 관심이 집중되고 있는 실정이다.
탄소배출권 거래제도는 전 세계의 온실가스 배출총량을 정하고 이를 국가나 기업별로 할당하는 제도로서 할당량보다 많이 배출하려는 국가나 기업은 할당량보다 적게 온실가스를 배출한 곳으로부터 배출권을 사야한다.
바이오디젤의 경우 1톤을 생산할 때 이산화탄소 2.2 톤의 배출량을 감면받게 되므로 바이오디젤의 부산물인 글리세롤을 이용하여 고체산화물 연료전지를 조업할 경우 탄소배출권을 획득할 수 있어 부가가치를 창출할 수 있다.
이번 연구는 초미세화학공정연구센터(ERC), 에너지, 환경, 물, 자원의 지속 가능성(EEWS) 및 세계수준의 연구중심대학(WCU) 사업의 지원을 받아 생명화학공학과 박사과정 원정연(元正淵)연구원이 주도적으로 진행했다.
켐서스켐(ChemSusChem) Paper Link :
http://www3.interscience.wiley.com/journal/114278546/home
2009.10.27
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