Centrica completes work on 20MW hydrogen ready peaker in Redditch.
Construction is complete on Centrica’s new 20MW hydrogen-blend-ready gas-fired peaking plant in Worcestershire, transforming the previously decommissioned Redditch power plant.
The plant is designed to support times of high or peak demand for electricity. Peaking plants only operate when production from renewables can’t meet demand, supporting the energy transition by maintaining a stable electricity supply. The Redditch site can power the equivalent of 2,000 homes for a full day, helping to maintain stability and reliability on the grid.
The plant is capable of using a blend of natural gas and hydrogen, futureproofing the site and supporting the UK’s transition towards a decarbonised energy system.
The Redditch peaking plant forms part of Centrica’s plans to invest between £600m – £800m a year until 2028 in renewable generation, security of supply, and its customers, including building out a portfolio of flexible energy assets. That includes the redevelopment of several legacy power stations, including the Brigg Energy Park in to a power generation and battery storage asset, and the first power station in the UK to be part-fuelled by hydrogen.
Gregory McKenna,managing director at Centrica Business Solutions, said:
As we transition to a greener, more flexible grid system, gas-fired power plants like the one at Redditch will help meet the UK’s fluctuating energy needs by providing power to homes and communities when demand outweighs supply.
“We have ambitious plans to build out a portfolio of flexible assets which will play a critical role as the safety net for the grid.”
The site was formerly a diesel fuelled power station. The company has carried out remediation works around the site and in an adjacent stream to improve the local environment as part of the construction process. The site is under final testing, with first generation likely in mid-March 2024.
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 물만 공급하면 전기 분해를 통해 수소를 생산하면서 동시에 발전까지 하는 일체형 재생 연료전지(URFC)에 사용할 수 있는 양기능성 촉매의 성능을 획기적으로 높이는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
일체형 재생 연료전지 구동 모식도
양기능성 촉매를 적용할 수 있는 일체형 재생 연료전지의 반응 모식도. 산소 발생 반응이 적용된 물 분해 반응(왼쪽)과 산소 환원 반응이 적용된 연료전지 반응이 통합된 일체형 재생 연료전지는 양기능성 촉매가 필수적이다. [한국과학기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]
한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀은 7일 포항공대·연세대와 공동 연구로 산소 환원 반응과 발생 반응을 촉진하는 팔면체 구조 양기능성 백금-니켈 합금을 이용해 일체형 재생 연료전지용 양기능성 촉매의 성능과 경제성을 크게 높일 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
양기능성 촉매는 물을 분해해 수소와 산소를 생산할 때 양쪽 전극에 별개 촉매를 사용하는 기존 전기화학 시스템과 달리 촉매 하나로 수소와 산소를 모두 생산할 수 있다. 촉매를 하나만 사용하기 때문에 촉매 생산 비용을 절감할 수 있고 전기화학적 에너지 전환 기술의 경제성도 높일 수 있다.
양기능성 촉매를 이용한 일체형 재생 연료전지는 물을 공급하면 물 분해로 생산한 수소로 전기를 만들고 이때 다시 물이 생성되는 과정이 반복되기 때문에 수소 공급이 어려운 고립된 지역이나 잠수함, 우주선 등에 사용될 수 있다.
하지만 고가의 백금(Pt)과 이리듐(Ir)을 사용하는 양기능성 촉매는 비용이 많이 들고 전기화학 반응을 진행하고 나면 사용된 백금 등 물질의 구조변화로 반응 성능이 낮아지는 문제가 있다. 양기능성 촉매 상용화를 위해서는 반응 후에도 장기간 촉매 구조를 유지할 수 있는 가역-내구성 확보가 중요하다.
연구팀은 양기능성 촉매의 가역-내구성을 높이기 위해 각각 산소 환원반응과 발생 반응에서 높은 성능을 보이는 백금과 니켈을 섞어서 다양한 구조의 합금 촉매를 합성하고, 합금 촉매가 팔면체 구조일 때 성능이 가장 우수하다는 사실을 확인했다.
이 촉매는 팔면체 구조일 때 니켈-백금 간 상호작용이 가장 활발하고, 백금, 니켈 단일 물질로 제작한 촉매 대비 산소 환원반응과 발생 반응 성능이 2배 이상 높은 것으로 나타났다.
반응 단계별 촉매 표면의 X선 광전자 분광법 분석
반응이 진행되면서 산화된 백금이 전기화학적 구조 복구 이후 백금으로 99% 복구되는 것으로 확인됐다. [한국과학기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]
연구팀은 또 이 합금 촉매가 반응에 반복적으로 사용되는 과정에서 백금 산화물이 형성되면서 성능이 떨어진다는 사실을 확인하고, 백금 산화물에 전기를 가해 다시 백금 상태로 환원시키는 구조복구 방법도 개발했다.
이 방법을 사용하면 백금 촉매 성능이 99% 회복되고, 복구된 합금 촉매는 수소 생산 과정과 전기를 생산하는 과정을 10차례 반복하는 동안 안정적인 성능을 유지하는 것으로 확인됐다.
연구팀은 수소와 전력 생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지는 비싼 촉매 투입량을 줄이면서 성능을 유지할 수 있어 생산 비용을 낮출 수 있다며 특히 촉매 구조 복구 기술이 이를 상용화하는 데 기여할 것으로 기대한다.
오형석 박사는 "촉매의 가역-내구성 향상 기술은 전기화학적 에너지 전환 시스템에 중요한 양기능성 촉매 개발에 새 방향성을 제시한 것"이라며 "향후 일체형 재생 연료전지와 같은 전기화학 시스템의 상용화 및 탄소중립을 앞당기는 데 이바지할 것"이라고 말했다.
이 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 최신호에 게재됐다.
월간수소경제 = 성재경 기자 | 혼다는 2016년 3월 수소전기 세단 클래리티(Clarity)를 출시하며 일찌감치 수소차 시장에 뛰어들었지만 이렇다 할 성과를 내지 못했다. 충전 인프라에 기반한 시장 자체가 작았고 자국에서는 도요타 미라이의 아성을 넘지 못했다.
혼다는 4년 만에 클래리티를 단종 수순을 밟았고, 수소사업에 이렇다 할 의지를 보이지 않았다. 그러다 지난해 초 제너럴모터스(GM)와 손을 잡고 연료전지시스템 공동개발을 선언하면서 화려한 복귀를 예고했다. 그리고 올해 초 혼다를 대표하는 스포츠유틸리티차량(SUV)인 CR-V 수소전기차 출시를 앞두고 미국에서 연료전지시스템 생산 소식을 전했다.
CR-V 수소전기차 일본, 미국 출시 예정
지난해 3월 일본의 도쿄 빅사이트에서 열린 ‘FC 엑스포’ 현장에서 가장 붐빈 곳은 혼다와 도요타 부스라 할 수 있다. 특히 혼다가 개발하기로 한 80kW급 차세대 연료전지시스템 앞은 시부야의 ‘스크램블 교차로’처럼 인산인해를 이뤘다.
이는 올해 열린 ‘H2 & FC 엑스포’ 현장에서도 마찬가지였다. 혼다는 1년 만에 실차를 전시회 부스에 공개했다.
올해 열린 ‘H2 & FC 엑스포’ 현장에 선보인 CR-V e:FCEV 차량으로 전기충전을 따로 지원한다. 혼다가 선보인 CR-V e:FCEV는 준중형 SUV로 현대차 넥쏘급 차량이다. 수소탱크 2개가 들어가면서 뒤쪽 트렁크 공간 일부가 줄긴 했지만, 전체적으로 여유로운 공간을 확보하고 있었다.
요코하마시 미나토미라이21 지구에 설치된 풍력발전기인 ‘하마윙’ 실증현장을 찾았다 시청 직원이 몰고 온 2017년형 혼다 클래리티를 처음 접했다. 외부 디자인과는 별개로 실내만큼은 도요타 미라이2보다 확실히 넓었다. 도요타가 지난해 ‘올 뉴 크라운 세단’의 수소전기차 버전을 새롭게 출시한 것도 상품성 확보 차원으로 볼 수 있다.
이 점에서는 현대차의 판단이 옳았다. 수소탱크, 열관리를 위한 라디에이터 공간 확보를 위해서는 세단보다 SUV가 유리하다. 실내 공간이 기존 내연기관차와 비슷하거나 여유롭게 나와야 고객의 선택을 받을 수 있다.
시트로엥, 푸조, 피아트 등을 소유한 스텔란티스가 경상용차(LCV)를 중심으로 수소전기차 모델을 출시한 것도 같은 맥락이다. BMW만 해도 자사의 SUV 차량인 iX5에 도요타의 연료전지를 장착했다.
혼다의 연료전지는 미국 미시간주 브라운스타운에 있는 6,500㎡(7만 제곱피트) 규모의 연료전지시스템 제조시설에서 생산된다. 이 공장은 혼다와 GM이 2017년 1월 8,500만 달러를 투자해서 세운 합작투자 생산시설로 ‘Fuel Cell System Manufacturing LLC(FCSM 유한책임회사)’란 이름을 달고 있다.
FCSM에는 80여 명의 직원이 일하고 있으며, 연료전지 전극 코팅을 위한 자동화 설비, 클린룸 시설을 갖추고 있다. 연료전지 스택 조립을 자동화하기 위한 다양한 방법이 최초로 통합되어 운영되지만, 마지막 스택 체결 작업 등은 사람 손으로 이뤄진다.
미 미시간주 브라운스타운에 있는 연료전지시스템 제조시설(FCSM)에서 한 직원이 80kW 연료전지 스택 위에 주변장치를 조립하고 있다.(사진=혼다)
혼다와 GM의 엔지니어들은 2013년부터 차세대 연료전지시스템 개발을 함께해왔다. GM이 니콜라와 손을 잡으면서 잠시 한눈을 판 적은 있지만, 양사의 관계는 굳건해 보인다.
두 회사가 도요타, 현대차를 따라잡기 위해서는 규모의 경제를 갖추는 일이 매우 중요하다. 이를 위해 셀 설계를 개선하고, 전극에 들어가는 값비싼 귀금속 사용을 줄이고, 보조장비를 단순화했다. 또 부품 조달을 일원화해서 개발비, 제조비용을 낮추기 위해 힘써왔다.
American Honda의 제이 조셉(Jay Joseph) 부사장은 지난 1월 24일 FCSM의 생산 시작 발표회 현장에서 “혼다의 마지막 연료전지 차량인 클래리티(2019년형)와 비교했을 때 한 세대 발전된 새로운 연료전지”라며 “전보다 더 가볍고 더 작고 더 높은 출력을 가지며, 높은 신뢰성을 확보했다”고 말했다.
미 브라운스타운에 있는 FCSM의 셀 전극 코팅 장비.(사진=혼다)
혼다는 FCSM 공장에서 나온 새로운 연료전지를 오하이오주에 있는 퍼포먼스 제조센터(Performance Manufacturing Center)로 보내 CR-V 수소전기차를 제작하게 된다. 혼다는 이 차량에 들어가는 연료전지시스템 제조비용을 과거 클래리티의 3분의 1 수준으로 낮추는 것을 목표로 한다.
혼다의 80kW급 스택에는 총 307개의 셀이 들어가는 것으로 알려진다. 넥쏘에 탑재되는 95kW급 연료전지 스택은 440개의 단위 셀로 이뤄진다. 이는 출력을 낮추는 대신 내구성을 크게 높이는 방향으로 개발이 진행됐음을 의미한다.
모자란 출력은 배터리로 보완하면 된다. 실제로 이번 차량에 리튬이온 배터리팩을 충전하기 위한 충전구를 별도로 제공한다. 플러그인 하이브리드(PHEV)처럼 17kWh 배터리 충전만으로 60km 정도를 달릴 수 있다.
다만 생산 대수는 많지 않다. 혼다는 일본의 수소차 시장, 미 캘리포니아 시장의 규모를 고려해 연 2,000대 생산을 예정하고 있다. 또 SUV뿐 아니라 다른 시장의 가능성도 높게 보고 있다.
GM은 이동형 연료전지 발전기에 집중
혼다가 수소 기술의 핵심인 연료전지시스템 개발에 다시 나선 것은 탄소중립 요구 때문이다. 혼다는 수소 활용 범위를 확대하기 위해 네 가지 핵심 영역을 식별했다. 여기에는 CR-V를 포함한 수소전기차 모델, 수소상용차 모델, 고정형 연료전지 발전소, 수소건설기계가 든다.
혼다는 2030년까지 연료전지 6만 대 판매를 목표로 하고 있다. 이를 위해서는 차량뿐 아니라 고정형 발전소 등으로 수요를 확대해야 한다.
혼다는 지난해 3월 캘리포니아주 토랜스(Torrance)에 있는 American Honda Motor 캠퍼스에서 고정형 연료전지 발전소 시범사업을 시작했다. 캠퍼스 내 데이트센터에 필요한 비상전력을 공급하기 위한 설비로 500kW급 용량으로 구축됐다.
다만 이 장비에는 기존 클래리티용 연료전지시스템이 재사용된 것으로 알려진다. 연료전지시스템 4개를 한 묶음으로 해서 250kW 단위로 출력을 높일 수 있게 설계됐다. 설치 환경에 맞게 연료전지 장치의 레이아웃을 변경해 정육면체, L자, Z자형 등으로 설치 구조를 유연하게 바꿀 수 있다.
혼다는 이스즈와 손을 잡고 25톤급 기가퓨얼셀(GIGA FUEL CELL) 수소트럭도 개발 중이다. 이 차량은 지난해 연말부터 일본의 공공도로에서 시범운행에 나섰다. 올해 9월까지 진행되는 도로 실증을 통해 연료전지시스템의 호환성, 차량 제어기술 등을 검증하게 된다.
혼다의 연료전지시스템을 장착한 이스즈의 25톤급 기가퓨얼셀 수소트럭이 도로 실증에 나섰다.(사진=혼다)
이 차량은 지난해 일본에서 열린 ‘재팬 모빌리티쇼 2023’의 이스즈그룹 부스에 전시되기도 했다. 실증 차량은 한 대로 도치기현, 사이타마현, 도쿄도, 가나가와현 등이 속한 일본 관동지방에서 물류 업무를 수행한다.
혼다와 이스즈는 지난 2020년부터 대형 수소트럭 개발을 본격적으로 진행해왔다. 기가퓨얼셀의 사양을 보면, 100kW급 연료전지 스택 4기가 적용됐으며 정격출력은 320kW다. 700bar 충전으로 최대 56kg의 수소를 저장할 수 있고, 500마일(800km) 이상 운행을 목표로 한다. 양사는 기가퓨얼셀의 출시 시점을 2027년으로 잡고 있다.
수소모빌리티에 대한 혼다의 명확한 로드맵과 달리 GM은 수소차 개발에 소극적이다. 차량보다는 수소연료전지 발전기 사업에 관심이 있다. 이는 GM이 LG에너지솔루션과 세운 배터리 합작법인인 얼티엄셀즈를 중심으로 전기차 사업에 공을 들이고 있기 때문이다.
GM은 쉐보레, 뷰익, 캐딜락, GMC 등 인기 모델의 전동화에 집중하고 있다. 픽업트럭, SUV의 경우에도 전기차 출시에 방점이 맞춰져 있다. 이들 차량에 연료전지 발전기로 급속충전 기능을 제공할 수 있다.
GM은 하이드로텍(HYDROTEC)을 통해 육상·항공·해상을 위한 배출가스 제로 수소연료전지 솔루션를 제공한다.
GM이 제시한 하이드로텍의 연료전지 발전기 모델은 총 세 가지다. 이동형 급속충전기에 해당하는 MPG(Mobile Power Generator), 기존 주유소나 충전소 한쪽에서 DC 급속충전 기능을 제공하는 엠파워(EMPOWER) 급속충전기, 소음 없이 효율적으로 전력을 공급하는 팔레트형 MPG가 여기에 든다. 전력망이 부족한 곳에 간단하게 설치해서 전기차를 충전할 수 있다.
GM 하이드로텍의 ‘엠파워’ 급속충전기.(이미지=GM)
올해 미국에서 출시되는 CR-V 수소전기차 판매량은 많아야 2,000대다. 미국은 수소 충전 가격이 높고 대부분의 충전소가 캘리포니아주에 속해 있다. 대형트럭의 운행경로를 중심으로 충전소 구축이 진행되고 있어 일반 운전자가 편하게 접근하기에는 한계가 있다.
그럼에도 글로벌 판매량이 높은 인기 모델에 연료전지를 적용해 합리적인 가격에 제품을 출시한다면 수소전기차 대중화에 일조할 수 있다. 특히 수소 충전, 전기 충전이 모두 가능하다는 점이 신선하게 다가올 수 있다.
전기차와 수소전기차는 대립 관계가 아니다. ‘모빌리티의 전동화를 통한 탄소배출 감축’이라는 같은 목표를 공유한다. 상품성을 갖춘 다양한 모델이 개발되어 시장에서 경쟁해야 한다. 그래야 대중의 수요를 파악할 수 있고, 수소모빌리티의 미래를 열어가는 데도 도움이 된다.
