[논문]탄소중립과 그린 수소에너지 전환을 위한 PEM 수전해 시스템에서 작동 전압 및 효율의 열역학적 이해

주형국; 봉성율; 박승용; 이창현

doi:10.5229/jkes.2023.26.4.56

탄소중립과 그린 수소에너지 전환을 위한 PEM 수전해 시스템에서 작동 전압 및 효율의 열역학적 이해
Understanding Thermodynamics of Operating Voltage and Efficiency in PEM Water Electrolysis System for Carbon Neutrality and Green Hydrogen Energy Transition 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.26 no.4, 2023년, pp.56 - 63

주형국 (단국대학교 과학기술대학 에너지공학과) , 봉성율 (공주대학교 화학교육과) , 박승용 (단국대학교 과학기술대학 에너지공학과) , 이창현 (단국대학교 과학기술대학 에너지공학과)

초록
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태양, 파도, 바람 등 친환경 재생에너지원을 이용한 전력 생산 기술이 성숙함에 따라 재생에너지 전력의 경제성과 규모 측면에서 빠르게 발전하고 있다. 특히, 전기화학적인 방법으로 수소를 생산하는 기술은 이러한 재생에너지와 효율적으로 연계될 수 있는 방법 중 하나로 주목받고 있다. 수전해 기술은 작동 온도에 따라서 저온(100 ℃ 이하), 중온(300-700 ℃), 고온(700 ℃ 이상) 수전해로 나눌 수 있으며, 에너지 소비량 및 전압 효율 평가는 열역학 법칙에 따라 계산한다. 그러나 수전해 평가에서 열역학적 전압(thermodynamic voltage)과 열중성 전압(thermo-neutral voltage)의 개념이 혼용되어 사용되고 있다. 본 총설에서는 저온 PEM (proton exchange membrane) 수전해 기술을 바탕으로 작동 전압과 효율 평가에 대한 이해를 높이고, 열역학적 전압과 열중성 전압의 차이점을 명확히 하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The development of renewable energy technologies, such as solar, wave, and wind power, has led to the diversification of water electrolysis technologies, which can be easily coupled with renewable energy sources in terms of economics and scale. Water electrolysis technologies can be classified into three types based on operating temperature: low-temperature (700 ℃). It can also be classified by the type of electrolyte membrane used in the system. However, the concepts of thermodynamic and thermo-neutral voltages calculations and are very important factors in the evaluation of energy consumption and efficiency of water electrolysis technologies, are often confused. This review aims to contribute to a better understanding of the calculation of operating voltage and efficiency of PEM water electrolysis technologies and to clarify the differences between thermodynamic voltage and thermo-neutral voltage.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. World hydrogen export and import strategy. (a) Mapping global hydrogen hotspots, as presented by KPMG, highlighting countries with export potential (based on hydrogen industry) and import needs (based on energy consumption industry).¹⁰⁾ (b) Saudi Aramco and Japan blue ammonia supply chain (blue hydrogen production → blue ammonia transportation → hydrogen conversion and/or direct ammonia utilization).¹¹⁾
그림 Fig. 2. The U.S. Department of Energy's (DOE) H2@Scale initiative outlines plans to reduce carbon emissions across various sectors by clean hydrogen.⁹⁾
9)" alt="Fig. 3. The first Energy Earthshot, launched 7th June 2021. Hydrogen Shot seeks to reduce the cost of clean hydrogen by 80% to $1 per 1 kg in 1 decade ("1 1 1").⁹⁾" onerror="this.src='/images/noimg.png'" class="objectfit" /> 그림 Fig. 3. The first Energy Earthshot, launched 7th June 2021. Hydrogen Shot seeks to reduce the cost of clean hydrogen by 80% to $1 per 1 kg in 1 decade ("1 1 1").⁹⁾
그림 Fig. 4. The thermodynamic energy values of water electrolysis as a function of temperature at atmospheric pressure: total energy (ΔH), electrical (ΔG) and thermal (TΔS) demands. Figure reproduced with permission from Ref [5].
그림 Fig. 5. Thermodynamic voltage and thermo-neutral voltage of water electrolysis as a function of temperature at atmospheric pressure. Figure reproduced with permission from Ref [5].

참고문헌 (20)

S. Giddey, S. P. S. Badwal, and H. Ju, Polymer？electrolyte membrane technologies integrated with？renewable energy for hydrogen production, in: Current？Trends and Future Developments on (Bio-) Membranes,？pp. 235-259, Elsevier (2019).
H. Ju, D. H. Seo, S. Chung, X. Mao, B.-S. An, M.？Musameh, T. R. Gengenbach, H. Shon, A. Du, A.？Bendavid, K. Ostrikov, H. C. Yoon, J. Lee, and S.？Giddey, Green ammonia synthesis using CeO 2 /RuO 2 ？nanolayers on vertical graphene catalyst via？electrochemical route in alkaline electrolyte, Nanoscale,？14(4), 1395-1408 (2022).
IRENA, World Energy Transitions Outlook 2023, https://www.irena.org/Digital-Report/World-EnergyTransitions-Outlook-2023 (accessed October 6, 2023).
Enerdata, 세계에너지소비통계, https://yearbook.enerdata.co.kr/total-energy/world-consumption-statistics.html？(accessed October 6, 2023).
H. Ju, S. Badwal, and S. Giddey, A comprehensive？review of carbon and hydrocarbon assisted water？electrolysis for hydrogen production, Appl. Energy, 231,？502-533 (2018).

상세보기
W. Choi and S. Kang, Greenhouse gas reduction and？economic cost of technologies using green hydrogen in？the steel industry, J. Environ. Manag., 335, 117569？(2023).
IRENA&ACE, Renewable Energy Outlook for ASEAN:？a REmap Analysis, International Renewable Energy？Agency (IRENA), Abu Dhabi and ASEAN Centre for？Energy (ACE), Jakarta (2016), http://www.irena.org/menu/index.aspx?mnuSubcat&PriMenuID36&CatID141&SubcatID3751 (accessed October 6, 2023).
T. D. Rapson, C. M. Gregg, R. S. Allen, H. Ju, C. M.？Doherty, X. Mulet, S. Giddey, and C. C. Wood, Insights？into nitrogenase bioelectrocatalysis for green ammonia？production, ChemSusChem, 13(18), 4856-4865 (2020).
U.S. National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap,？https://www.hydrogen.energy.gov/library/roadmapsvision/clean-hydrogen-strategy-roadmap (accessed October？23, 2023).
KPMG, Geographic hydrogen hotspots, https://kpmg.com/xx/en/home/insights/2021/01/geographichydrogen-hotspots.html (accessed October 23, 2023).
Aramco, How can we deliver one of the fuels of the？future?, https://www.aramco.com/en/campaigns/powered-by-how/blue-hydrogen?gclidCjwKCAjwkNOpBhBEEiwAb3MvvYbiNiREt1TBOauPv3TsBavxlG6znFSKCFtJEFXRDrRy8Ami_21-LhoC878QAvD_BwE？(accessed October 23, 2023).
이재훈, 조원철, 김창희, 수전해용 분리막 연구 동향 및？전망, 공업화학전망, 24(4), 1-21 (2021).
J. Kim and K. Lee, Research trend in electrocatalysts for？anion exchange membrane water electrolysis, J. Korean？Electrochem. Soc., 25(2), 69-80 (2022).
김혜성, 송락현, 박석주, 이승복, 홍종은, 조동우, 임탁형,？프로톤 전도성 세라믹 기반 고온 수전해 기술 개요, New？& Information for Chemical Engineers, 39(4), 378？(2021).
C. Lamy and P. Millet, A critical review on the？definitions used to calculate the energy efficiency？coefficients of water electrolysis cells working under near？ambient temperature conditions, J. Power Sources, 447,？227350 (2020).

상세보기
A. Rahbari, R. Hartkamp, O. A. Moultos, A. Bos, L. J.？P. van den Broeke, M. Ramdin, D. Dubbeldam, A. V.？Lyulin, and T. J. H. Vlugt, Electro-osmotic drag and？thermodynamic properties of water in hydrated nafion？membranes from molecular dynamics, J. Phys. Chem. C,？126(18), 8121-8133 (2022).

상세보기
P. Millet, Fundamentals of water electrolysis, in: A.？Godula-Jopek (ed.), Hydrogen Production, pp. 33-62,？John Wiley & Sons, Ltd (2015).
S. P. S. Badwal, S. Giddey, and C. Munnings, Hydrogen？production via solid electrolytic routes, WENE, 2(5),？473-487 (2013).
K. W. Harrison, R. Remick, A. Hoskin, and G. D. Martin,？Hydrogen Production: Fundamentals and Case Study？Summaries; Preprint, National Renewable Energy Lab.？(NREL), Golden, United States (2010), https://www.osti.gov/biblio/971440 (accessed October 19, 2023).
P. Lettenmeier, Voltage Efficiency - White paper, Siemens？Energy Global GmbH & Co. KG, Germany (2021).

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