[기고] 중국, 무공해 전기 생산이 가능한 세계 최초의 석탄 연료 전지 공개

중국 과학자들이 석탄을 배터리 안에 넣어 기존의 연소 방식보다 더 높은 에너지 효율을 달성하면서도 이산화탄소 배출이 전혀 없는 방법을 개발했다.

석탄 화력 발전은 심각한 오염, 높은 탄소와 적당한 효율성의 이미지를 떠올리게 한다. 하지만 새로운 석탄 발전 기술은 오랫동안 석탄 사용을 정의해 온 이산화탄소 배출을 회피하고 연소를 완전히 제거함으로써, 오랫동안 형성되어왔던 고정관념을 깨뜨렸다.

사우스 차이나 모닝 포스트에 따르면, 선전대학교 중국과학원 회원인 셰허핑이 이끄는 연구팀이 처음으로 무탄소 배출 석탄 연료 전지(ZC-DCFC)를 개발했다. 이 시스템에서 석탄은 분쇄, 건조, 정제 및 표면 전처리를 거친 후 셀의 양극 전극이 있는 공간인 챔버로 공급된다.

산소는 음극에 공급되며, 셀 내에서 미세 석탄 분말은 산화막을 가로질러 전기화학적으로 산화되어 중간 증기 사이클이나 기계식 터빈 없이 직접 전기를 생산한다.

양극 출구에서 반응에 의해 생성된 고순도 이산화탄소는 현장에서 포집되어 촉매적으로 합성 가스와 같은 귀중한 화학 원료로 전환되거나, 중탄산나트륨과 같은 화합물로 광물화된다. 전체 과정이 조용하고 깨끗하다.

기존의 석탄 발전은 석탄을 연소시켜 열을 발생시키고, 그 후 물을 증기로 끓여서 터빈 발전기를 돌리는 것에 의존해왔다. 터빈 발전기는 내연 기관의 카르노 효율 한계에 여전히 발목이 잡혀 있다.

"이 프로세스는 열이 일로 전환되거나 일이 열로 전환되는 동안에 모든 열기관의 효율에 상한이 있다는 카르노 사이클에 의해 제한된다. 에너지 효율은 약 40%로 제한된다. 무탄소 배출 석탄 연료 전지(ZC-DCFC)에서는 연소 및 열 엔진과 관련된 효율 손실을 방지함으로써 이론적 효율성을 상당히 높일 수 있다."고 선전대학교 중국과학원 회원인 셰는 심사 저널 Energy Reviews에 게재한 논문에서 언급했다.

2018년부터 셰회원의 팀은 재료, 셀 내구성, 연료 처리 및 지속적인 석탄 공급 문제를 해결하며 기술을 단계적으로 발전시켜 왔다. 초기 세대의 탄소 연료 전지는 낮은 전력 밀도와 짧은 작동 수명으로 인해 어려움을 겪었다.

그러나 새로 개발된 전지는 최근에 들어온 항목이 먼저 처리되는 스택 확장성, 장기 안정성, 탄소 변환 효율성 및 전반적인 시스템 통합의 개선을 포함하고 있으며, 이는 연구팀이 논문에서 목표로 삼은 분야이다.

"이 개념은 지하 2km(1.2마일)에 위치한 깊은 석탄층에도 확장될 수 있습니다."라고 셰회원은 말했다. 이런 깊이에서 석탄을 채굴하는 전통적인 방법은 엄청나게 비싸다. 이 기술은 석탄을 현장에서 전기로 변환할 수 있으며, 지표면으로 전력을 전달하는 데만 사용할 수 있다. 이 접근 방식은 얕은 석탄 매장량이 점차 감소함에 따라 압력을 완화하는 데 도움이 될 수 있다.

셰회원의 그룹은 또한 2025년에 시작된 심층 지구 탐사 및 광물 자원 탐사를 위한 중국 과학기술 메이저 프로젝트에 따른 획기적인 프로젝트를 주도하고 있다. 고온, 압력 및 부식성 환경을 견딜 수 있도록 무탄소 배출 석탄 연료 전지(ZC-DCFC)를 조정하면, 연료 전지가 직접 深지구 탐사 이니셔티브에 기여할 수 있다.

이 연구는 2060년까지 탄소 중립을 달성하겠다는 중국의 목표와 일치한다. 그러나 이런 실험실 규모의 혁신이 조만간 중국의 기존 석탄 화력 발전을 대체할 것으로 기대하는 것은 비현실적인 사안에 속한다.

HBIS 그룹 쉬안스틸의 수석 엔지니어인 웨이즈장은 2025년 말까지 석탄 발전이 중국 전체 설비 용량의 약 45%를 차지했지만, 여전히 중국 전력의 거의 60%를 공급했다고 말했다. 한편, 석탄 발전소의 절반은 가동된 지 15년밖에 되지 않았으며, 산업적인 측면에서는 아직 젊다.

웨이는 실무상의 어려움을 지적하며 석탄 연료 전지가 실험실에서 나와 상용화가 현실화되기 위해서는 시간과 비용이 필요하다고 말했다. 따라서 그는 이 기술이 2045년 이후에나 비용 경쟁력이 있을 것이라고 전망했다.[파이낸셜신문]