초록 ▼

세부과제 Ⅰ : 다공체 내 연소기술을 이용한 100We급 열광전 발전 모듈 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 연구의 주요 결과로서 원통형 다공체를 열광전 발전의 연소 방사체로 활용할 경우 효율적인 열광변환이 가능함을 확인하였으며 넓은 범위에서 안정적인 운전이 가능함을 확인하였다.

세부과제 Ⅱ : CCS/석탄건조 통합 에너지최적화 시스템 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 1차년의 연구를 통하여 이산화탄소를 이용한 유동층 건조와 스팀을 이용한 열교환형 유동층 건조를 수행

세부과제 Ⅰ : 다공체 내 연소기술을 이용한 100We급 열광전 발전 모듈 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 연구의 주요 결과로서 원통형 다공체를 열광전 발전의 연소 방사체로 활용할 경우 효율적인 열광변환이 가능함을 확인하였으며 넓은 범위에서 안정적인 운전이 가능함을 확인하였다.

세부과제 Ⅱ : CCS/석탄건조 통합 에너지최적화 시스템 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 1차년의 연구를 통하여 이산화탄소를 이용한 유동층 건조와 스팀을 이용한 열교환형 유동층 건조를 수행하여 주입가스 온도와 유속, 스팀의 온도와 유량을 변수로 하여 최적의 운전조건을 도출하였으며, 건조된 석탄의 물리적 특성을 파악하기 위하여 공업분석, 원소분석, 발열량분석을 수행하였다.
본 연구를 바탕으로 2차년도에는 이산화탄소 포집 후 재생공정에서 배출되는 가스와 동일한 조성의 모사 가스(CO₂, Steam)를 제조하여 실험실 규모(5 Nm3/h) 유동층 건조 장치에서 운전 및 최적화를 진행할 예정이다.
향후 활용방안으로는 이산화탄소 포집공정이 적용되는 모든 발전소 및 산업체에 활용이 가능하며, 이산화탄소 분리 산업공정에 개발제품에 대한 기술이전(spin off)이 가능할 것으로 전망된다. 또한 건조된 석탄은 연소, 가스화, 액화 등의 공정에 공급하여 활용이 가능할 것으로 예상된다.

세부과제 Ⅲ : CO₂ 포집 및 고순도 수소생산 동시공정용 핵심소재 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
천연가스 개질반응에 분리막반응기를 도입하여 반응효율을 극대화 하고 공정을 단순화하는 것을 목적으로 다공성 스테인리스 스틸 지지체를 이용한 고온내구성 분리막 개발 수행 결과는 다음과 같다.
• 세라믹 필터링법을 이용하여 상용 다공성 스테인리스 스틸 지지체 전처리 조건 확보
• 이물질 침적이 전혀 없는 무전해도금법 도금조건 확보 및 분리막 제조
• 분리막 내구성 향상을 위한 지지체 열처리조건 확보
• 팔미트산을 이용한 지지체 후단 차폐공정 개발 및 분리막 내구자료 확보 (500℃, 70h)
• 수소투과도 49 ml/min/cm2 확보 (DOE 2015년 목표 150% 상회)
• 후단 차폐를 위한 도금조 개발 (세계최초)
• 후단차폐 도금조를 이용한 분리막 개발 및 내구자료 확보 (600℃, 170 시간)
• 대면적 (단면적 62 cm2) 분리막 제조조건 확보 및 성능검증 (30 cm2 분리막 대비 90%이상)
• 국내최초 튜브형 분리막 제조조건 및 성능자료 확보 (직경 1/4인치, 길이 15 cm, 540도 100시간 내구자료 확보)
• 무전해도금법을 이용한 분리막표면 기능성 류테늄 층 형성 및 오염물질에 대한 내성 확보
• 물질전달 극대화를 통한 팔라듐 사용율 +99% 친환경 도금법 개발(폐수처리 단순화)향후 개발된 분리막 제조방법을 통하여 임무형과제로 확대하여 단면적 350 cm2 이상 분리막 제조공정 확보 및 분리막 개질기 구성을 위한 핵심기술 개발을 진행할 계획이다.

세부과제 Ⅳ : CO₂ 포집용 salt-free amino acid 흡수제 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
아미노산 중 alanine을 선정하여 이에 대한 입자상 물질 생성에 대한 메커니즘을 분석하였다. 입자상 물질은 아미노산의 쌍극자 이온을 불안정하게 하기 위해 사용되는 금속수화물과 bicarbonate가 반응하여 생성되는 것으로 나타났다. 이를 방지하기 위하여 금속수화물 대신 MDEA를 양성자 받게로 사용하였으며 이산화탄소 흡수 후에도 입자상 물질이 생성되지 않았다. 또한 본 연구개발 흡수시스템은 이산화탄소 흡수능이 0.8 mol CO₂/molabsorbent 이상으로로 높게 나타났으며 재생에너지도 기존 아미노산 대비 낮은 비용효과적인 흡수제를 개발하였다. 본 연구에서 개발한 입자상 물질 방지 아미노산 계열 흡수제는 다량의 이산화탄소를 배출하는 고정원에 적용할 수 있는 혁신 흡수제로 평가된다.

세부과제 Ⅴ : 전기충전식 아연-공기 이차전지 원천 기술 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 과제를 통하여 고활성의 금속산화물 기반 공기극용 촉매 및 표면 형상 제어가 가능한 담체 기술을 개발하였으며, 아연 표면 개질 기술을 바탕으로 음극의 활용도를 증대시켰으며, 전극 제조 조건 최적화를 통하여, 아연-공기 전지의 가역성을 개선하였다. 본 연구 결과는 고에너지밀도의 아연-공기 이차전지 뿐만 아니라 알칼라인 전해질을 사용하는 다양한 에너지저장장치 개발에 활용이 가능할 것으로 판단된다.

세부과제 Ⅵ : 차량 잉여배열을 이용한 건물에너지 공급 Poly-generation 시스템 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
당 연구개발을 통해 수송 및 건물 에너지 분야에 걸친 융합형 에너지이용 효율 개선 원천기술을 개발하고, 실용화 기술개발을 거쳐 산업체 기술 이전을 도모

세부과제 Ⅶ : 폐열경화성 수지의 열적 전환을 통한 에너지화 기술
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 연구에서는 폐열경화성수지의 대표적인 물질로 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)를 이용하여 실험을 진행하였다. 열경화성 수지의 분해에 가장 적합한 플라즈마 발생 설비로 마이크로 웨이브를 이용한 플라즈마 장치를 선정하였고, 이를 바탕으로 마이크로 웨이브 플라즈마에서의 가스화제 종류에 따른 플라즈마 발생 특성을 고찰하였다. GFRP의 열적 분해 특성 고찰을 위하여, 비등온 조건에서는 승온 속도(5 - 20℃/min), 최종 승온 온도(500 - 900℃)를 변수로, 등온 조건에서는 반응 온도(500-900 oC)와 반응시간(2-10 초)을 변수로 하여 반응 kinetics, 생성가스 조성, char의 물리적 특성과 화학적 특성을 살펴보았다. 비등온열분해의 활성화 에너지는 41-78 kJ/mol로 측정되었고, 가스 배출 특성은 H2와 CO 농도가 CO₂와 CH4 농도보다 높은 것으로 나타났다. Char의 FT-IR의 측정결과와 SEM 측정을 통해서 온도가 증가함에 GFRP의 고분자 물질 분해가 증가하는 것을 확인하였다. 그리고 등온조건에서 활성화 에너지, frequency factor, 반응차수는 각각 35.31 kJ/mol, 6.31 1/s, 0.44-0.64 으로 나타났다. Char의 화학적 특징은 비등온열분해와 유사하였지만 표면에서는 비등온조건과 다르게 작은 기포의 표면이탈 흔적이 관찰되었다. 온도가 증가함에 따라서 가스수율은 증가하고 char 의 비율은 감소를 하였다. 그리고 반응시간이 증가함에 따라서 char 의 수율은 감소를 하였지만 타르의 수율은 큰 변화가 없었다.
2 kW 와 6 kW 규모의 마이크로웨이브 플라즈마 GFRP 가스화기에서 실험을 수행하였으며 그 변수로는 플라즈마 출력 (1.0-4.8 kW), 산소비 (0-2.5), 그리고 스팀비 (0-1) 로 설정하였다. 산소비가 증가할수록 탄소 전환율은 증가를 하였지만 냉가스 효율과 생성가스의 발열량은 감소를 하였으며 이는 가스화 반응에 비하여 연소반응이 활성화되었기 때문이라고 볼 수 있다. 또한, 스팀비가 증가할수록 Water-gas shift reaction 과 이온에 의한 개질 반응에 의하여 수소가 생성량이 증가하였다. 플라즈마 출력 증가는 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는데 영향을 주었으며 생성가스 발열량에 기여를 한 것으로 평가하였다. 그리고 산소비가 증가함에 따라서 고분자 매트릭스분해가 증가하는 것을 SEM 을 통하여 확인하였다. 실험조건 4.2 kW, 산소비 0.5, 스팀비 0.4에서 가장 높은 냉가스 효율과 탄소 전환율을 나타내었으며 4.8 kW 열분해 실험에서의 합성가스의 발열량은 3100 kcal/m3 으로 측정되었다. 이를 바탕으로 폐열경화성 수지의 열적전환을 통한 에너지화 기술을 확립하였다.

세부과제 Ⅷ : 집광시스템 설계를 위한 집광성능예측 프로그램 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
미국 NREL의 SolTrace 프로그램과 상세한 비교 분석을 통해 기존에 KIER에서 개발하였던 접시형과 태양로 집광 방식에 대한 프로그램 검증한 다음에, 구유형과 직선프레넬형 같은 선 집광 시스템에 대한 프로그램 개발을 완료하였다. 광선추적법으로 연간 성능 계산이 가능하여 최적화에 활용할 수 있는 특성을 갖도록 중앙흡수기형 프로그램을 개발하였다.
예비 검사의 선별 과정을 통해 계산 속도를 향상할 수 있도록 하면서 쉐도잉과 블로킹을 고려할 수 있도록 하였다. 병렬계산 기법을 적용하였고, 합리적인 시간 샘플링을 통해 연간 성능 계산 시간을 줄였다. 또한, 다양한 집광 효율 요인들을 고려하면서 헬리오스탯 필드에서 공간 분포로 상세 분석이 가능하게 만들었다. 대표 기상연도 데이터와 청명일 직달일사량 모델을 이용하여 대구 태양열 발전소의 연간 성능 분석을 수행하였고, 중앙흡수기형 헬리오스탯 필드 최적화 설계의 가능성을 확인하였다.
중앙흡수기형에 대해 GPU 병렬계산 기법이 적용 가능하도록 추가 개발이 필요하고, SAM과 IPSE pro 등의 시스템 전체 해석이 가능한 프로그램과 연계할 수 있는 기술 개발은 본 과제에서 개발된 프로그램의 가치를 상승시킬 것이다. 태양열 발전의 집광 시스템과 흡수기 관련 신기술 개발에 활용이 가능할 것으로 예상되며, 지속적으로 중앙흡수기형 집광 시스템의 최적화기술로 심화되기를 바란다.

세부과제 Ⅸ : 리튬박막전지 대체형 고에너지 마이크로-수퍼커패시터 기술 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
○ 마이크로-수퍼커패시터는 박막리튬전지의 성능을 뛰어넘는 초소형 전자기기에 매우 적합한 전원공급장치로서, 값싸고 친환경적이며 폭발성이 전혀 없는 안전한 미래형 에너지 저장장치임. 향후 종이처럼 얇은 휴대전자기기로의 진화는 약속된 것과 다름없어 이들 디바이스에 에너지를 공급해줄 수 있는 초소형 에너지저장 소자에 대한 필요성 증대
○ 본 연구는 미국에 의해 주도되고 있는 박막리튬전지와 다르게 전세계적으로 처음으로 시도되는 기술인 만큼 국내 기업에 기술이전하여 박막리튬전지를 대신해 초소형 전지시장의 장악 및 신시장 선점을 가능토록 함.
○ 본 마이크로-수퍼커패시터는 ICT 융합형 전원소자임. 2010년 NBIC 국가융합기술지도의 70개 원천융합기술 중 에너지/환경 분야의 “고용량 전기에너지 저장 수퍼 커패시터 원천 소재 개발”이 포함, 향후 2020년까지 국가가 육성해야 할 융합기술의 후보군으로서 친환경 융합기술을 통한 미래 에너지, 환경 신시장 창출 및 선점에 반드시 필요


세부과제 Ⅹ : 고리형 카보네이트 제조를 위한 3차원 금속-유기 다공성 촉매 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
■ 연구배경 및 필요성
ㅇ 저탄소 사회구현을 위한 저탄소 친환경 제품 시장 확대
- 세계 메이저 화학업체 중심 (BASF, Shell, Bayer 등) 기존 고부가 화학제춤 생산공정을 혁신한 CO₂ 활용 제조기술 선점 본격화
- 저탄소/친환경 제품 확대를 위한 국제 무역규제 움직임
ㅇ 온실가스 사후처리 기술 개발 필요성 증대
- 포집된 CO₂의 활용처 확보를 위한 화학제품화 필요
- 고부가 화학제품 중 CO₂ 활용률이 높은 화학제품 제조기술 개발 필요
ㅇ 고리형 카보네이트는 친환경 용매나 리튬 이온 배터리용 전해질로 널리 사용되고 있는 석유화학 제품 중 하나로 50년 넘게 상업생산이 이루어지고 있는 물질이며, 전세계적으로 매년 10~20만 톤 이상이 생산되고 있음. 대표적인 엔지니어링 플라스틱인 폴리카보네이트의 원료 및 친환경 용매인 DMC의 원료로도 사용됨.
ㅇ 기존의 고리형 카보네이트의 제조는 맹독성 물질인 포스겐을 사용하며 복잡한 정제 과정을 포함하고 있으며 상업촉매인 4차 암모늄염은 균일촉매로써 고온 (100~200℃)과 고압(70~100 atm)이 필요하며 분리에 어려움이 있음.
■ 국내외 기술현황 분석
ㅇ 미국, 영국, 독일, 일본 등에서는 산학연 컨소시엄을 통하여 이산화탄소를 원료로 사용하여 고부가가치의 유용한 화학물질이나 청정연료로 전환하는 기술과 이산화탄소를 식품생산 공정이나 반응매개체/solvent 등으로 활용하는 이산화탄소 이용 기술 (Carbon Conversion & Utilization; CCU)의 개발이 활발하게 진행 되고 있음.
- US-DOE, NETL: CO₂의 유용한 활용 분야 투자
- 독일: 이산화탄소 전환공정 및 활용기술 개발 프로그램을 통해 총 30여개의 세부과제를 수행하고 있음. 우레탄, 폴리카보네이트 등과 같은 그린 고분자 등 다양한 화학물질 합성공정 개발
ㅇ 국내에서는 이산화탄소를 포집하고 저장하는 기술 개발에 초점이 맞추어져 있어 이를 유용한 물질로 전환하는 기술의 개발은 미미한 상황임.
- 포집 CO₂ 활용 고부가 화학제품 생산기술 개발 일부 진행
- 산업체 중심의 고부가 화학제품 생산을 위한 CO₂ 활용기술 개발 일부 진행 (SK 이노베이션의 GreenPolTM, LG 화학의 polyether polycarbonate 등)

세부과제 Ⅺ : NT-BT 융합 기술을 이용한 이산화탄소로부터 개미산 제조 시스템 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
CCS에서 CCUS로의 패러다임 전환
◦ 경제성 확보가 어려운 초기 CCS 시장에서 저장 이외의 CO₂ 활용 방안 강구
◦ 포집함 CO₂를 활용하거나 고부가가치의 물질로 전환
“온실가스 감축, 지속적인 탄소원의 활용 및 고부가가치의 화합물 생성을 통한 이익 창출”

국내∙외 기술개발 동향
◦ CO₂의 연료와 기술은 기초연구 및 기술검증 단계로 2015년 이후 일부 기술의 상용화가 진행될 것으로 예상
-(미국) APPA-E Electrofuels, OPEN2012 프로그램을 중심으로 기술개발 진행
-(캐나다) NRC-IRAP 프로그램 지원으로 UBC, Mantra에서 기술개발 진행
-(유럽) 핀란드 CRI에서 CO₂로부터 메탄올을 제조하는 공정개발 중
-(일본) RITE를 중심으로 생물학적 CO₂ 전화 기술개발 진행
◦ 국내에서는 미래부 KOREA CCS 2020사업을 통하여 CO₂의 생물학적 유기자원화 및 기술개발이 진행 중

세부과제 Ⅻ : 이온교환을 통해 금속이온이 담지된 석탄의 촉매 적용
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
1) 기술적 배경
- 석탄은 carboxyl 및 alcohol 기능기를 다량 포함. 금속 이온들은 이러한 기능기와의 이온 교환을 통해 complex (salt) 형태로 존재하여 석탄에 고르고 작게 분산됨.
- 주로 석탄 골격에 붙어 있는 carboxyl 기능기 음이온에서 이온 교환이 일어나 금속 양이온들이 이온 결합함.
2) 장점
- Carbon deposition 에 의한 비활성화 감소 (coking 감소).
- Hydrophobic한 석탄 성분을 통해 탄화수소 흡착 향상. 반응 효율 증대 기대됨.
- 석탄 ash 성분인 alkali, alkaline earth 금속 및 탄소 성분도 촉매 활성 보임.
- 석탄 지지체 촉매는 이온교환을 통해 가능하므로 공정 간단하며 경제적임.
- 촉매 사용 후 가스화 또는 연소 통해 금속이온 회수 용이. 고가의 PGM 회수 용이.
- 지지체 가격 저렴 ($50 – 100 / ton).
3) 기술 현황
- Biomass 가스화 공정에서 생성되는 tar의 steam reforming 반응 촉매로 연구 (2013).
- 다른 적용은 없으며, 본 연구가 처음임.
- 다양한 에너지 촉매 개발: 재생에너지, 석탄, 천연가스, 수소, 합성가스, 메탄올 관련.
- 환경 규제 증가에 따라 환경 촉매 성장세: DOC, SCR, TWC.
- 최근 바이오 연료용 촉매 개발 두드러짐.
4) 기술개발의 필요성
- 화석연료의 고갈 및 GHG 문제 해결 방안으로 H2와 같은 새로운 연료에 대한 관심 큼. 다양한 화석 연료 catalytic reforming을 통해 H2 생산. 촉매 저온 reforming을 통해 효율 증가.
- 시장성 매우 큼: 국내 heterogeneous 촉매 시장은 2014년 기준 1조 5천 억원으로 추정. 세계적으로 연간 30조원으로 추정.
- 화학 반응 85% 이상 촉매 적용. H2는 HCs와 heavy oil catalytic reforming에 의해 > 80%.
- 석탄의 촉매 지지체로 적용은 범용성을 가지므로 개발 결과물의 국내 촉매 제조업체로 기술이전 용이함. 상대적으로 실증이 용이하여 수요처의 발굴에 편리.

세부과제 XIII : 에너지 소비 제로 다가이온 제거기술 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
○ 해수 담수화 및 염분차 발전 공정의 성공적인 개발 및 상용화를 위해서는 이 공정들의 성능에 직접적인 영향을 미치는 전처리 공정에 대한 연구개발이 필수적임
○ 이는 해수 원수가 용해성 염류, 미생물, 콜로이드성 물질, 조류 등은 포함하고 있어 일반적으로 지하수나 지표수에 비해 막 오염 발생 가능성을 높일 수 있기 때문이며 전처리 설비의 운전이 효과적이지 않다면 막을 이용하는 후단 공정의 성능을 저하시킬 수 있음
○ 특히 해수는 칼슘(Ca²⁺) 및 마그네슘(Mg2+)에 의한 경도가 높아 막을 이용하는 담수화 및 염분차 발전 공정에 스케일 문제가 발생함
○ 막 공정에서 스케일 발생을 억제할 수 있는 재래식 방법으로는 산을 주입해 pH를 낮추거나 과포화성 이온 제거를 목표로 적절한 스케일 방지제를 주입함
○ 또는 기존의 재래식 전처리 공정의 경우 일반적인 정수 처리 방법인 혼화/응집 공정과 여재를 이용한 여과공정을 결합하여 운영되고 있음 (약품투입, 큰 시설용량)
○ 두산 중공업에서 인수한 영국 Enpure 사 및 국내의 한솔이엠이가 DAF(dissolved air flotation, ~1.6 kWh/m3) 및 DMF(dual media filter, 0.05 kWh/m3)를 결합한 공정을 SWRO (seawater reverse osmosis) 담수공정의 전처리 공법으로 사용하고 있음
○ 최근에는 수처리에서 이용되는 막공정의 막 성능향상 및 막비용 감소에 의해서 Microfiltration(MF) 막, Ultrafiltration (UF) 막, 혹은 Nanofiltration (NF) 막을 이용하는 공정을 활용한 전처리 공정 적용방안이 새로운 개념의 해수 전처리 기술로 부상하고 있음
○ MF/UF 막은 기공이 상대적으로 크기 때문에 약품 투입과 병행하여야 다가이온을 제거 할 수 있으며 EuroWater사는 NF 막을 이용하여 inorganic fouling 요소를 99% 이상 제거, 기존 보고된 연구결과에서도 NF를 이용하여 Ca²⁺을 90% 이상 제거 가능함이 보고됨
○ 그러나 막분리 전처리 방법(~1.5 kWh/m3) 역시 본공정의 막오염 문제가 동일하게 발생된다는 한계가 있으며 특히 Ca²⁺ 이온 등에 의해 고밀도 막오염층이 형성되어 공정성능저하 및 해수담수화 공정의 전체 에너지 소비율을 크게 높이는 원인이 되고 있음
○ 이와 같이 전처리 공정이 주공정의 효율적·경제적인 측면에서 바라볼 때 매우 큰 역할을 담당하고 있으며 이로 인해 효율적이며 저에너지 소비형 전처리 공정이 개발될 필요가 있음
○ 본 연구에서는 생물전기화학시스템(bioelectrochemical system, BES)을 활용하여 새로운 해수 다가이온제거 장치로 활용하고자 함 (그림 1)
○ 산화전극조에서 폐수의 존재 하에 전기화학활성균을 촉매로 이용하여 유기물을 분해하면서 전자를 생성(C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24H⁺ + 24e^-)
○ 해수가 주입된 호기성 조건의 환원전극조에서는 지속적으로 OH-(O₂ + 4e^- + 2H₂O → 4OH^-)가 생성되어 해수의 pH를 상승시키며 이상적으로는 해수 내 스케일 유발 다가양이온을 CaCO₃, Mg(OH)₂ 등의 형태로 자발적 침전 제거 함
○ 본 제안 시스템에서는 산화전극부와 환원전극부의 분리막으로서 오로지 AEM만 사용하며 이는 CEM 사용시 Na⁺이온이 산화전극으로 이동하여 미생물의 활성에 영향을 주거나, 제거대상인 다가양이온들이 산화전극부로 이동하는 것을 방지하기 위함임

세부과제 ⅩⅣ : 태양열 저장 및 수소제조용 매체 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
제조된 산소공여입자의 고활성화는 1) 철 입자의 dispersion 유지와 2) hematite상과 내부 scale간의 국부적인 stress가 일으키는 철 산화물의 응집 방지 및 crack/pore 형성이 주요한 인자임을 발견함. 기고 반응의 내부 확산 저항을 낮추기 위해서는 높은 분산도와 높은 내부 기공을 가지는 산소 공여 입자의 제조가 요구되는데 먼저 철 산화물의 분산도를 높이기 위해서 2차 첨가 물질로 La, Cu, Y, Ce 등을 고려할 수 있으며 La, Cu 의 첨가가 효과가 있었으며 각각 3 wt%, 8 wt%의 첨가에 높은 성능을 보였음.
제철소의 부생가스를 기존 IGCC기술로처리 할 경우 복잡한 공정구성과 높은 운영비용으로 경제성이 매우 낮음. 제철소의 부생가스를 활용하여 철 산화물 소재를 반응기에 내부순환 시키면서 고순도의 CO₂ 포집과 수소 생산을 간단하게 구성가능. (아래그림)

세부과제 ⅩⅤ : 차세대 자기조립형 바이러스 복합분리막 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
ㅇ 리튬이차 전지의 한계성, small-scale portable power, power plants, 전기/하이브리드 자동차, house hold용 친환경 신재생에너지와 연계된 새로운 에너지저장/발전 장치 개발 시급
ㅇ 기존 energy harvesting의 낮은 에너지 효율 (thermoelectric device <10%), 출력(Piezoelectric device ㅇ 전기뱀장어와 같은 발전세포를 이용한 신재생에너지 저장/발전 시스템 개발은 생체내에까지 적용할 수 있는 꿈의 에너지원 (발전효율 90%이상, power density 102 W/kg 이상, Energy density 106 J/kg 이상, 저가/안정성 (e.g., NaCl) 전해질 사용가능, 소,중,대형 에너지 저장가능, flexible device 제작 가능)
ㅇ 이를 위한 세포막에 존재하는 선택적 이온 채널 단백질 (e.g., Na⁺/K⁺ ion channel)이 우선적으로 고려될 수 있으나, 세포에서 합성된 단백질들은 물리화학적으로 매우 불안정할뿐만 아니라, 가격이 매우 높음.
ㅇ 만약 경제성 및 기능성이 확보된다고 하더라도, 인공적으로 ATP가 포함된 발전세포를 만들기는 쉽지 않음 (이온 채널 단백질의 방향성 및 membrane 안정화 등).
ㅇ Nature (IF 39)에 게재된 Boron nitrite nanotube membrane을 통한 diffusio-osmotic current를 유도하여 4 kW/m2 고출력, 압력, 농도에 의한 에너지 harvesting/storage이 가능한 나노 채널분리막 개발 연구 결과가 보고되었으나 (새로운 에너지 저장 개념 규명), 고가, 대량 생산 불가, 유연성 부재로 인한 양산성 불가능, 따라서 새로운 나노 channel 연구 필요1)
- 핵심 원천성 기술은 나노채널 분리막 --> 저가의 식물바이러스 나노채널을 이용한 분리막 개발

세부과제 ⅩⅥ : 가압운전에 용이한 금속지지체 기반 튜브형 고체산화물 연료전지 소재기술
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
창의연구사업 2차년도 마무리 이후 연구개발 결과를 주요사업으로 전환하여 금속지지체 기반 연료전지 스택 및 시스템 개발로 확대 예정이다.

세부과제 ⅩⅦ : 전력수요반응을 위한 태양열저장 적용기술 타당성 연구
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
○ 최근 하계 및 동계에 국가전력망의 전력공급능력의 저하로 대정전의 가능성이 지속되고 있으며, 이를 위한 다양한 대응 기술이 필요.
- 하계 및 동계의 전력수급위기는 발전공급능력의 저하와 함께 지속적으로 증가하는 냉방 및 난방수요가 중요한 원인이며,
- 또한 산업용 전력수요는 가열 및 건조 등과 같은 산업용 열공정에서 최근에 전기를 소비하는 방식의 열수요 증가가 중요 원인임.
- 그러므로, 전기소비형 열수요에 대하여 비전기식 열공급시스템을 이용하여 피크시간대에 활용하는 접근이 가장 효과적일 것임
○ 본 기술은 이와 같은 피크시간대 전력수요저감에 기여하기 위하여 태양열저장에너지를 이용하는 기술임.
- 개별주택인 지열히트펌프를 적용한 솔라하우스(Solar house)의 경우, 태양열축열조를 이용하여 주택의 피크시간대 난방용 주택전력수요 저감에 활용할 수 있음.
- 건물군의 경우 여름철에 남는 태양열을 대규모 중·장기저장식(Weekly, Seasonal)축열조에 저장하는 방식으로 겨울철 피크시간대에 집중적으로 열공급운전제어로 효과를 기대할 수 있음.
- 산업용열공정에 적용된 태양열축열조를 이용하여 동계 및 하계 피크시간대 산업공정열로 소비되는 전력소비저감에 기여할 수 있을 것임.
- 지난 2000년대 국내 제조업의 전력소비추세2)는 동력용의 경우 감소하거나 정체하였고, 가열·건조용 전력수요가 급격히 증가하였음. 가열·건조공정은 정밀공정과 달리 저급에너지원 즉 유류로 충당가능한 열수요임.
- 산업공정열용 전력수요에 대해서는 태양열저장에너지로 대체가능한 가열 및 건조공정에 대한 상세한 연구가 국내에서는 이루어지지 않은 상황이며, 따라서 본 연구를 통하여 가열건조공정에 대한 현황파악을 포함한 타당성검증연구까지 필요한 실정으로 판단됨.

세부과제 ⅩⅧ : 고효율 저가 페로프스카이트 태양전지 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
․ 염료감응태양전지(Dye-sensitized Solar Cells; DSSCs)의 광흡수물질을 Lead-Halide 계의 페로프스카이트(Perovskite)화합물로 치환한 페로프스카이트 태양전지는 높은 효율과 단순한 제조공정으로 인해 많은 관심을 받고 있음. 유-무기 복합구조의 페로프스카이트는 기존 DSSCs의 고가의 Ru계 염료를 대체할 신규 물질로 다양한 영역에서 높은 빛의 흡수를 보임과 동시에 뛰어난 전하 전달 특성을 보이며, 진공장비와 같은 고가의 장비가 필요치 않아 저가의 공정 구현이 가능함.
그림 1. 페로프스카이트 태양전지의 외형, 구조 및 에너지준위
․ 페로브스카이트 감응 태양전지의 일반적인 구조는 FTO 투명전극 위에 전하전달 특성
향상을 위해 형성된 TiO₂조밀층, 그 위 약 300nm 두께로 TiO₂와 CH₃NH₃PbI₃ 페로브스 카이트가 나노구조 혼합물로 채워진 광흡수층, 그 위에 약 100nm 두께의 p-doped spiro-OMeTAD가 형성된 정공전달층, 그리고 맨 위에 전자전달을 위한 20 nm 두께의 금(Au) 전극으로 구성됨
․ 작동 원리는 페로브스카이트가 빛을 흡수하여 전자가 여기되고, 여기된 전자는 TiO₂ 층으로 전달된 후 전도체를 지나 외부로 흘러 전기를 발생시키고, 페로브스카이트가 빛을 흡수한 후 원자가띠(valence band)에 생성된 정공은 정공전달물질에 의해 원상태로 복원되며, 마지막으로 외부 회로를 통해 흘러간 전자는 상대전극에서 정공전달물질로 전달되게 됨.
ㅇ 국내외 기술현황 및 트렌드 분석
그림 2. 태양전지 세계 최고효율 (2014년 5월) 17.9%의 고효율 페로프스카이트 태양전지가 발표됨.
- 국내외 국가들의 페로브스카이트 태양전지 기술 개발 현황
․ 용액공정 및 진공증착을 통한 CH₃NH₃PbI₃ 및 mixed halide계 페로브스카이트 물질의 결정
성 및 형상 조절을 통한 효율 향상 연구가 진행되고 있음
․ 고가의 HTM 및 Au 대체를 위한 탄소기반 상대전극을 적용한 태양전지 제조 연구가 최근 수행 됨
․ 영국 옥스퍼드 대학, 스위스 로잔공대, 미국의 UCLA, Northwestern 대학, stanford 대학, 일본의 Toin 대학, Tokyo 대학, 한국의 성균관대, 한국화학연구원이 활발한 연구를 수행 중에 있음
․ 저온 공정을 통한 flexible 태양전지 제조 연구가 최근 보고 되고 있음
․ 대면적 페로브스카이트 태양전지 제조를 위한 용액 공정에 대한 보고는 상대적으로 연구가 되고 있지 않음

세부과제 ⅩⅨ : 우주용 이차전지 핵심 기술 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 과제에서는 우주용 이차전지 기술 개발을 위해, 상용 리튬 이온 전지 셀들에 대한 mission profile 평가 등을 수행하고, 성능 결과에 대한 gap 분석을 통해, 향후 우주용 리튬이온 전지 기술 개발을 위한 기본 성능 및 기술 개발 전략을 수립하였다. 본 연구 결과는 다양한 고에너지밀도의 이차전지 기술 개발 뿐만 아니라 달탐사 프로젝트에 적용될 수 있는 고신뢰성 우주용 에너지저장장치 개발에 활용이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼

Ⅰ : Development of 100We-class Thermophotovoltaic Power Generation Module with Combustion in Porous Media
Ⅳ. Result and Recommendations
As a primary result, it was confirmed that efficient conversion from thermal to radiation energies and wide range of stable operation were possible by using t

Ⅰ : Development of 100We-class Thermophotovoltaic Power Generation Module with Combustion in Porous Media
Ⅳ. Result and Recommendations
As a primary result, it was confirmed that efficient conversion from thermal to radiation energies and wide range of stable operation were possible by using the cylindrical porous media as the burner and emitter of thermophotovoltaic energy conversion.

Ⅱ : Development of Energy Optimization System by Integration of CCS/coal-drying
Ⅳ. Result and Recommendations
We identified experimental conditions such as inlet gas temperature, inlet gas velocity, steam temperature and steam flow rate in the type of heat exchange fluidized bed dryer. Coal characterization (proximate analysis, ultimate analysis,
Thermogravimetric Analysis(TGA), heating value analysis) were performed to identify the effect on the change of moisture content. Next plan is that the optimization and operation of lab scale(5Nm³/hr) fluidized bed dryer using simulated gas (this simulated gas is similar after regeneration reactor from CCS process).
Henceforward as for the utilization planning, this system is available to apply at the power plants and steel plants. Futhermore, upgraded coal can be used in the power plants, gasification and liquefaction process.

Ⅲ : Development of core materials for simultaneous CO₂ capture and high-purity H2 production
Ⅳ. Result and Recommendations
The following results were obtained from this project to develop high-temperature tolerable membrane for a membrane reformer:
• Pre-treatment method of porous stainless steel support was developed by ceramic powder filling method
• The performance of pre-treated supported was verified by membrane fabrication with a previous sputtering-CMP process
• A innovative electroless plating method was developed to deposit a high quality membrane without contaminants such as carbon
• Membrane stability at high-temperature was increased by heat-treatment at oxidation atmosphere
• Membrane stability was secured by shielding the bottom of the porous support by palmitic acid(the membrane was tested at 500℃ for 70h)
• Hydrogen permeation flux was ∼49 ml/min/cm², which is ∼150% of DOE 2015 target
• A innovative plating bath was developed to shield the bottom of the porous support
• The membrane made by the newly developed plating bath was tested at 600℃ for ∼170h and showd
• Membrane having area of 62 cm²) was developed and tested (∼90% performance comparing with the previous small one (30 cm² ))
• Thermally stable tubular type membrane was developed for the first time in Korea (OD 1/4 in, length 15 cm)
• Ru was electroless-plated on the membrane to protect the membrane from contaminents and increase thermal stability
• Palladium yielding was achieved ∼99.9% to simplify the eliminate the waste water In the next stage, this project is being continued through the mission-oriented project and larger tubular membrane having a area of 350 cm² will be developed for a membrane reforming process.

Ⅳ : Development of salt-free amino acid solvent for CO₂ capture
Ⅳ. Result and Recommendations
We have investigated with the mechanism of solid precipitate during CO₂ capture process with amino acids. To avoid the formation of solid precipitate, the present work developed novel mixture of alanine with the N-methyldiethanolamine (MDEA). NMR spectroscopy analysis showed that bicarbonate formation is favored. It is not observed any solid precipitate in this system. The alanine-MDEA system is higher CO₂ loading and lower regeneration energy than those of MEA. It can be applied CO₂ capture process.

Ⅴ : Electrically Rechargeable Zn-Air Battery Technology
Ⅳ. Result and Recommendations
We successfully synthesized the highly catalytic oxide catalyst/cathode, the surface-modified Zn anode for enhancing the reversibility of Zn-air battery, and optimized the detailed experimental conditions of the cell components. These technologies can be applied to the developments of various energy storage devices using the aqueous electrolyte.

Ⅵ : Development of Poly-generation System for Heat Demand of the Building Utilizing Waste Heat from the Car
Ⅳ. Result and Recommendations
On the basis of the current development of core technologies for utilizing waste heat of the car into building energy supply, making an endeavor to technology transfer into industry after three years commercializing projects

Ⅶ : Energy conversion technology of waste thermoset resin through thermal treatment
Ⅳ. Result and Recommendations
Wasted GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics), which is the representative thermosetting plastics, was chosen as a thermosetting resin sample. The experimental variables were heating rates(5 - 20 oC/min) and temperature (500 - 900 oC) and reaction times(2 - 10 seconds) in non-isothermal and isothermal conditions. Thermal kinetics, gas concentrations, physical and chemical characteristics of char was determined. Activation energies were ranged from 41 kJ/mol to 78 kJ/mol for non-isothermal condition. Hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) contents were higher than carbon dioxide (CO₂) and methane (CH4) in a non-isothermal condition. The polymer decomposition was enhanced with increaisng temperature from FT-IR and SEM observation. In an isothermal condition, activation energy, frequency factor and a reaction order were obtained as 35.31 kJ/mol, 6.31 1/s, 0.44 – 0.64, respectively. Although chemical characteristics of char was similar to non-isothermal condition, a larger evolved gas bubble trace on char was observed in SEM data under isothermal condition.
GFRP microwave plasma gasification experiments were carried out in 2 kW and 6kW microwave plasma reactors. The effects of plasma power (1.0-4.8 kW), oxygen/fuel (0-2.5) and steam/fuel ratios (0-1) on the gasification characteristics of GFRP in a microwave plasma reactor have been determined. While carbon conversion increased with increasing oxygen/fuel ratio, the product gas heating value and cold gas efficiency decreased with increasing oxygen supply due to the onset of combustion. With increasing steam/fuel ratio, water-gas shift and ion-reforming reaction favored higher concentration of H2. Increasing the plasma power was found to promote the conversion of carbon dioxide to carbon monoxide. The char surfaces of GFRP samples were analyzed by scanning electron microscopy. The optimum performance of cold gas efficiency and carbon conversion were obtained at power of 4.2 kW, steam fuel ratio of 0.4, and oxygen fuel ratio of 0.5. The highest syngas higher heating value of 3100 kcal/m³ was observed in a plasma pyrolysis condition.

Ⅷ : Development of solar flux modeling program for concentrating system design
Ⅳ. Result and Recommendations
We completed the development of the optical modeling program for line focus systems of parabolic trough and linear Fresnel after validating the existing KIER optical modeling program by detailed comparisons with NREL’s SolTrace. The main strategy to development of the central-receiver system is to calculate annual performance and to optimize solar thermal power plant system with the Monte Carlo ray-tracing method. We accounted for shadowing and blocking by pre-screening selection algorithms for calculation acceleration. The application of parallel computing and the minimization of sampling time for annual calculations also reduced calculation time. Meanwhile, we developed the program that is able to consider various effects on optical efficiency and to allow detailed optical performance evaluation in the heliostat field. With typical meteorological year data and a clear-day direct insolation model, we analyzed the annual performance of the Daegu solar thermal power plant and proved feasibility of optimal design for the central-receiver system.
We suggest additional development of the developed program in order to utilize GPU parallel computing for further acceleration. The link with NREL’s SAM or comercial power plant simulation programs such as IPSE pro will be very valuable. We hope the developed program contribute to new technologies in concentrating solar power plants and to optimization of the central-receiver system.

ⅩⅣ : An oxygen carrier development for solar thermal storage and hydrogen production
Ⅳ. Result and Recommendations
Activation of the produced oxygen carrier particles 1) dispersion of the iron particles and maintain 2) hematite prevent agglomeration of iron oxide, causing a localized stress between phases and internal scale and crack / pore formation is also found to be a major factor. In order to reduce the internal resistance of the diffusion contribution reaction is the production of oxygen carrier particles having high dispersion and high internal porosity are required to be first given a primary additive material, Cu, Y, Ce, etc. in order to enhance the degree of dispersion of iron oxide and La, respectively, was the addition of the effects of the Cu 3 wt%, 8 wt% of high performance.
This technology enables to switch industrial off-gas used for power generation only to high purity hydrogen in the steel mills. The hydrogen produced can be fed directly into the nation's largest hydrogen demand in neighboring petrochemical process to meet the internal demand of the steel mill.

ⅩⅥ : Metal-supported tubular solid oxide fuel cells for presurrized operation
Ⅳ. Result and Recommendations
After finishing this work successfully, we will develop metal supported SOFC stack and system technology through KIER main research program.

ⅩⅨ : Core Technology of Rechargeable Battery for Lunar Exploration
Ⅳ. Result and Recommendations
In the present work, the mission profile tests for the commercial LiB cells were performed. Base on the performance data, the gap analysis between the required and measured performance specifications was successfully carried out and the key performance parameters for battery technology development were addressed. These results can be applied to the developments of various energy storage and will be used to define the objective of the space mission and to make a plan for developing the reliable battery technology for the Korea’ lunar exploration.