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[탈탄소화된 미래를 위한 비전 에너지 시스템 전환의 복잡성을 풀어보자]두드러진 예 중 하나는 물 전기 분해를 통한 수소 생산이다. 이 공정은 저탄소 수소를 약속하지만 고유한 일련의 장애물이 있다.

박민제 | 기사입력 2025/01/31 [09:56]

[탈탄소화된 미래를 위한 비전 에너지 시스템 전환의 복잡성을 풀어보자]두드러진 예 중 하나는 물 전기 분해를 통한 수소 생산이다. 이 공정은 저탄소 수소를 약속하지만 고유한 일련의 장애물이 있다.

박민제 | 입력 : 2025/01/31 [09:56]

 

탈탄소화된 미래를 위한 비전 에너지 시스템 전환의 복잡성을 풀어보자

 

 

세계가 더 깨끗한 에너지 시스템으로의 전환이라는 시급한 필요성에 직면하면서 점점 더 많은 연구자들이 신기술의 설계와 최적화에 뛰어들고 있습니다 . 이러한 노력의 최전선에는 NYU Tandon 의 화학 및 생물 분자 공학 조교수인 Dharik Mallapragada 가 있습니다 . Mallapragada는 새로운 에너지 기술이 진화하는 에너지 환경에 어떻게 통합되는지 이해하고 혁신, 확장성 및 실제 구현 간의 복잡한 상호 작용을 밝히는 데 전념하고 있습니다.

 

말라프라가다의 지속 가능한 에너지 전환 그룹은 다양한 정책 및 지리적 맥락에서 저탄소 기술과 에너지 시스템 통합을 분석하기 위한 수학적 모델링 접근 방식을 개발하는 데 관심이 있습니다. 이 그룹의 연구는 미국과 같은 선진국과 글로벌 기후 완화 노력 의 핵심인 글로벌 남부의 신흥 시장 및 개발도상국에서 가속화된 에너지 전환을 지원하는 데 필요한 지식과 분석 도구를 만드는 것을 목표로 합니다.

 

연구와 현실의 연결

"저희 그룹은 떠오르는 에너지 기술을 설계하고 최적화하는 데 집중하여 빠르게 진화하는 에너지 시스템에 완벽하게 들어맞도록 합니다."라고 Mallapragada는 말합니다. 그의 팀은 정교한 시뮬레이션 및 모델링 도구를 사용하여 실험실에서 과학적 발견을 확장하는 동시에 현대 에너지 그리드 의 역동적인 현실에 적응하는 두 가지 과제를 해결합니다.

 

그는 "에너지 시스템은 정적이지 않습니다."라고 강조했습니다. "오늘날 이상적인 설계 목표는 내일 바뀔 수 있습니다. 우리의 목표는 정책 입안자, 벤처 캐피털리스트 또는 산업 리더 등 이해 관계자에게 연구와 정책 개발을 모두 안내하는 실행 가능한 통찰력을 제공하는 것입니다."

 

 

Dharik Mallapragada는 NYU Tandon 의 화학 및 생체분자 공학 조교수입니다 .

 

 

말라프라가다의 연구는 종종 사례 연구를 사용하여 새로운 기술을 통합하는 과제를 설명합니다. 두드러진 예 중 하나는 물 전기 분해를 통한 수소 생산입니다. 이 공정은 저탄소 수소를 약속하지만 고유한 일련의 장애물이 있습니다.

 

저탄소 수소를 생산하기 위한 전기 분해 의 경우, 사용되는 전기는 깨끗해야 합니다."라고 그는 설명했습니다. "이것은 깨끗한 전기에 대한 수요와 그리드  탈탄소화 에 미치는 영향에 대한 의문을 제기합니다. 이 새로운 수요가 그리드 탈탄소화 능력을 가속화하거나 방해할까요 ?"

 

또한 장비 수준에서는 과제가 넘쳐납니다. 바람과 태양과 같은 간헐적 재생 에너지를 활용하기 위해 유연하게 작동할 수 있는 전해조는 종종 이리듐 과 같은 귀금속 에 의존하는데 , 이는 비쌀 뿐만 아니라 현재 소량으로 생산됩니다. 이러한 시스템을 글로벌 탈탄소화 목표를 충족하도록 확장하려면 재료 공급망을 크게 확장해야 할 수 있습니다.

 

"우리는 새로운 프로세스의 공급망을 조사하여 귀금속 사용 및 기타 성능 매개변수가 향후 수십 년 동안 확장 가능성에 어떤 영향을 미치는지 평가합니다."라고 Mallapragada는 말했습니다. "이 분석은 연구자들에게 실질적인 목표로 전환되어 효율성, 확장성 및 리소스 가용성의 균형을 이루는 대체 기술 개발을 안내합니다."

 

새로운 촉매 나 재료를 개발하는 동료들과 달리 , 말라프라가다는 실험실 혁신과 대규모 구현을 연결하는 의사 결정 지원 프레임워크에 집중합니다. 그는 "우리의 모델링은 확장성을 방해할 수 있는 재료 공급망이나 생산 비용에서 비롯된 초기 단계의 제약을 식별하는 데 도움이 됩니다."라고 말했습니다.

 

예를 들어, 새로운 촉매가 성능이 좋지만 희귀한 재료에 의존하는 경우, 그의 팀은 비용과 지속 가능성 관점에서 모두 그 실행 가능성을 평가합니다. 이 접근 방식은 연구자들에게 선택성 개선, 에너지 소비 감소 또는 자원 의존성 최소화 등 노력을 어디에 집중해야 할지 알려줍니다.

 

항공의 탈탄소화

항공은 고유한 에너지 수요와 무게와 전력에 대한 엄격한 제약으로 인해 탈탄소화에 특히 어려운 분야입니다. 이륙에 필요한 에너지와 장거리 비행능력에 대한 필요성은 부피와 무게를 최소화하는 고에너지 밀도 연료를 요구합니다. 현재 이는 기존 항공 액체 연료로 구동되는 가스터빈을 사용하여 달성됩니다.

 

그는 "이륙에 필요한 에너지는 최소 전력 요구 사항을 설정합니다."라고 말하며 이러한 요구 사항을 충족하는 동시에 탄소 배출을 줄이는 추진 시스템을 설계하는 데에는 기술적 장애물이 있다고 강조했습니다 .

 

말라프라가다는 두 가지 주요 탈탄소화 전략을 강조합니다. 바이오매스 에서 파생된 것과 같은 재생 가능한 액체 연료 의 사용 과 배터리 구동 시스템 또는 수소 연료를 통해 구현할 수 있는 전기화입니다 . 전기화는 상당한 관심을 모았지만 항공 응용 분야에서는 아직 초기 단계에 있습니다. 질량당 높은 에너지를 가진 수소는 더 깨끗한 대안으로 기대됩니다. 그러나 수소 저장 과 필요한 추진 기술 개발에는 상당한 과제가 있습니다.

 

 

말라프라가다의 연구는 탑재량 감소를 0으로 달성하는 데 필요한 구체적인 전력과 가변적 목표 연료 전지 특정 전력을 충족하는 데 필요한 탑재량 감소를 포함한 여러 요소를 조사했습니다.

 

 

수소는 질량에 따른 에너지 밀도 로 인해 두드러지며 , 항공과 같은 무게에 민감한 응용 분야에 매력적인 옵션입니다. 그러나 항공기에 수소를 효율적으로 저장하려면 -253°C까지의 극한  냉각 이 필요한 액화 또는 견고하고 무거운 저장 시스템이 필요한 고압 격납이 필요합니다. 이러한 저장 과제는 높은 특정 전력 밀도를 가진 고급 연료 전지 에 대한 필요성과 결합하여 수소 구동 항공을 확장하는 데 상당한 장벽을 제공합니다.

 

항공용 수소 사용에 대한 말라프라가다의 연구는 1000nmi 이하 비행(예: 뉴욕 - 시카고 )에 대한 기내 저장 및 연료 전지 시스템의 성능 요구 사항에 초점을 맞추었으며 , 이는 항공 산업에서 규모가 작지만 의미 있는 부문을 나타냅니다. 이 연구는 탑재량 용량에 영향을 미치지 않도록 수소 저장 시스템과 연료 전지의 발전이 필요하다는 것을 확인했습니다. 이러한 시스템에 대한 현재 기술은 탑재량 감소를 필요로 하며, 이는 더 빈번한 비행과 증가된 비용으로 이어질 것입니다.

"에너지 시스템은 고정되어 있지 않습니다. 오늘날 이상적인 설계 대상일 수 있는 것이 내일은 바뀔 수 있습니다. 저희의 목표는 정책 입안자, 벤처 캐피털리스트 또는 산업 리더 등 이해 관계자에게 연구와 정책 개발을 모두 안내하는 실행 가능한 통찰력을 제공하는 것입니다."—Dharik Mallapragada, NYU Tandon

 

항공에 수소를 도입하는 데 있어 중요한 고려 사항은 수소생산에 대한 상류 영향입니다 . 지역 항공의 증가 수요는 탈탄소화 경제에서 필요한 총 수소를 상당히 증가시킬 수 있습니다. 특히 재생에너지로 구동되는 전기분해를 통해 이 수소를 생산하면 에너지 그리드에 추가 수요가 발생하고 추가 인프라 확장이 필요합니다.

 

말라프라가다의 분석은 이러한 수요가 탄소 포집 기술 의 필요성 과 수소 생산의 전반적인 비용에 대한 의미를 고려하여 다른 부문에서 보다 광범위한 수소 채택과 어떻게 상호 작용하는지 살펴봅니다. 이러한 체계적인 관점은 보다 광범위한 탈탄소화 목표를 유지하면서 항공 부문에 수소를 통합하는 것의 복잡성을 강조합니다.

 

말라프라가다의 연구는 학문과 부문 간 협업의 중요성을 강조합니다. 기술적 병목 현상 파악에서 정책 인센티브 형성에 이르기까지 그의 팀의 연구는 과학적 발견 과 사회적 변화 사이의 중요한 다리 역할을 합니다 .

 

글로벌 에너지 시스템이 진화함에 따라 말라프라가다와 같은 연구자들은 혁신이 가능할 뿐만 아니라 실용적이라는 것을 보장하는 데 도움을 주며 앞으로 나아갈 길을 밝히고 있습니다.

 

 

 

 
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