일본산업뉴스요약

심층단면
일본, 탈 탄소에서 실력 발휘
CO₂ 배출, 2075년 ‘실질적 제로’를 목표

“산업혁명 이전보다 평균 기온 상승을 2도씨 미만으로 낮추기 위해서는 2075년 전후에 이산화탄소 배출량을 실질적으로 제로로 하는 ‘탈(脫) 탄소’가 필요하다”. 이러한 보고서를 UN의 기후 변동에 관한 정부간 협의체(IPCC)가 10월에 발표. 온난화 대책을 위한 국제 협약인 ‘파리협정’이 목표로 내걸고 있는 탈 탄소 시기를 처음으로 제시했다. 탈 탄소 사회 실현을 위한 기술 연구가 추진되고 있는 일본의 주목도가 높아질 전망이다.

■ 인공광합성
수소+CO₂=플라스틱 원료

신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)의 인공광합성 개발 프로젝트는 올해, 태양광 에너지를 이용해 물에서 수소를 만들어내는 효율에서 12.5%를 달성했다. 비단결정(非單結晶) 광매체를 이용한 수소 생성 효율로서는 세계 최고 기록이다.

태양광을 이용해 CO₂와 물에서 전분과 산소를 만드는 식물의 광합성을 모방해 태양광 에너지로 CO₂를 자원화하는 것이 인공광합성의 정의 중 하나이다.

NEDO와 인공광합성화학프로세스기술연구조합(미쓰비시케미컬 등)이 개발을 목표로 하고 있는 인공광합성은 우선 물 안의 광촉매에 태양광을 조사(照射). 이 때 발생된 산화력으로 물을 수소와 산소로 분해한 다음 수소를 추출해 CO₂와 합성시켜 플라스틱의 원료가 되는 올레핀을 제조하는 것이다.

2030년 경의 가동을 목표로 하는 산업 플랜트에서는 태양광으로 수소를 생성. 화력발전소와 공장의 배기 가스에서 회수한 CO₂와 합성시켜 올레핀을 제조해 화학제조사에게 공급한다. 온난화를 초래하는 CO₂ 방출을 방지하고 플라스틱 생산을 위한 화석 자원의 사용량도 줄일 수 있는 탈 탄소 플랜트이다.

실용화를 위해서는 효율 향상이 꼭 필요하다. 이번에 달성한 12.5%는 구리∙인듐∙갈륨셀레늄 계열의 광촉매를 이용한 성과다. 개발 초기부터 같은 재료이지만, NEDO의 오가와(小川) 프로젝트매니저는 “미묘하게 조합 비율을 바꿨다”라며 기술의 일부를 밝혔다.

수소 발생에서는 12.5%이지만, 산소 발생도 포함한 총 효율성은 3.7%에 불과하다. 산소 발생용 광촉매도 효율을 높이지 않으면 실용화 기준인 10%에 미치지 못한다. 하지만 2012년의 연구 개발 당시의 1% 이하에서 큰 폭으로 향상되었다.

연구팀은 “산소 발생용 광촉매가 되는 재료도 많이 탐색하고 있다”(오자와 매니저)라고 하며, 총 10%의 효율을 목표로 하는 연구를 가속화하고 있다. NEDO의 인공 광합성은 세계적으로도 선두를 달리고 있다. 앞으로 일본 발 탈 탄소 기술로 성장할 수 있을 전망이다.

■ 페로브스카이트 태양전지
높은 변환 효율 및 낮은 비용

차세대 태양광전지의 강력한 후보인 ‘페로브스카이트(Perovskite) 태양전지’의 연구 성과가 잇따라 나오고 있다. 그 중에서도 도시바와 NEDO는 6월, 703평방센티미터의 필름형 배터리를 제작해 빛을 전기로 바꾸는 에너지 변환 효율에서 11.7%를 기록했다. 이 사이즈로는 세계 최고 기록이다.

페로브스카이트는 결정 구조의 명칭이다. 재료비가 저렴해 실리콘계(系) 태양전지보다도 낮은 가격이다. 변환 효율의 세계 최고치는 현재 22.7%. 실리콘계에 근접하지만, 손에 쥘 수 있을 정도의 작은 사이즈의 기록이다. 실용화를 위해서는 면적을 크게 하지 않으면 안되지만, 대형화할 경우 효율이 떨어진다. 재료 도포 시에 바로 막이 형성되기 때문에 면적이 커질수록 품질의 균일화가 어렵다.

도시바는 두 번으로 나눠 재료를 도포하는 방법을 채택했다. 첫 번째엔 반응 속도를 낮추고 두 번째 도포 후에 반응 속도를 높인다. 막이 형성되는 속도를 제어할 수 있어 휘어지는 필름에서도 큰 면적의 균일화된 페로브스카이트 태양전지를 만들 수 있게 되었다.

도시바는 2025년의 제품화를 목표로 하고 있다. 도시바연구개발센터의 아마노(天野) 주임연구원은 “실리콘계와 경쟁하지 않는, 페로브스카이트 태양전지만의 용도로 보급해나가고 싶다”라고 말한다. 유리판을 이용하는 실리콘계는 무거워 지면 등에 한정되어 있다. 가볍고 유연한 필름형 페로브스카이트 태양전지의 경우 벽과 창문, 실내 등으로 태양전지 용도가 확대되어 탈 탄소화 사회 가능성을 높일 수 있다.

■ 축열 발전
전력 낭비 없이 전부 사용

탈 탄소 사회 실현을 위해서는 재생가능에너지 활용이 꼭 필요하다. 하지만 날씨에 좌우되는 태양광 및 풍력발전이 대량 도입될 경우, 전력 공급 과잉 및 부족이 발생하기 쉽다. 축전지로 충∙방전을 안정화하는 해결책이 있지만 높은 비용이 걸림돌이다.

이를 해결하기 위해 에너지종합공학연구소(도쿄)는 축열발전을 제안. 환경성 사업에 채택되어 개발에 착수했다.

에너지종합공학연구소가 제안한 축열발전은 재생에너지의 잉여 전력으로 히터를 가동시켜 높은 열을 발생시키는 것이다. 이 열을 저장하고 필요할 때 방열해 수증기를 생성시켜 터빈으로 발전한다. 축전지로 예를 들면 축열은 축전, 방열은 방전이다.

축열에는 용융염(Molten Salt)이 이용된다. 고열로 소금이 녹아 액체가 되면 축열, 액체가 소금으로 되돌아가면 방열이다. 해외에서는 태양광의 열을 저장해 야간에 증기 터빈으로 발전하는 태양열발전소에 용융염을 사용, 기술적으로 확립되어 있다.

열은 방출되기 쉬워 효율성은 나쁘지만, 용융염은 저렴하다. 에너지종합공학연구소 프로젝트시험연구부의 오카자키(岡崎) 주관연구원에 따르면, 축열발전의 1회 충∙방전 비용은 1킬로와트시(kWh) 당 0.2엔. 이에 반해 축전지는 20엔이다. 축열발전은 초기 비용이 1kWh 당 2,000엔으로 저렴하다. 축열∙방열을 1만 회 이상 반복하는 축열발전은 수명이 길어 비용이 낮다(축전지는 초기 비용이 1kWh 당 6만엔, 수명이 300회로 계산).

오카자키 주관연구원은 “효율성과 비용 중에 어떤 것이 중요한가”라고 강조하며 축열발전의 실용성을 강조하고 있다. 게다가 발열은 발전뿐만 아니라 열을 그대로 생산 공정에 투입하면 코제너레이션시스템(CGS,열전병급장치)이 되어 종합 효율이 향상된다.

재생에너지의 잉여전력이 발생할 타이밍에 고열을 만들어 축열하고, 방열로 만든 전기와 열을 생산 현장에서 이용한다면 공장도 탈 탄소화가 가능하다.

해외에서는 독일의 지멘스, 미국의 구글의 모회사 알파벳도 축열발전 개발에 착수했다. 국가 프로젝트로서 개발 중인 일본이 시장을 선도할 수 있을지 주목된다.

 -- 끝 --