지구 온난화 문제에 대응하기 위해 온실가스 배출을 줄이는 재생에너지 활용이 중요하다. 한국은 수소경제 선도국가를 목표로 수소차 및 연료전지 기반의 산업생태계를 구축하고 탄소배출 없는 수소 생산 시스템을 구축하려고 한다. 이 논문에서는 이러한 목표를 위해 \(1,000^{\circ}\mathrm{C}\)의 고온에서 태양열로 메탄을 분해하는 반응기 개발을 위한 연구를 수행하였다. 이에 앞서 다른 연구자들은 다양한 형태의 태양열 메탄 분해 반응기 개발과 실험을 수행하였다.
<h1>1. 서 론</h1> <p>화석연료 사용에 따른 지구온난화 문제가 현실화됨에 따라 온실가스 배출을 줄이기 위해 재생에너지의 활용 영역 확대가 요구되고 있다. 이러한 재생에너지 중 수소는 연소 시 오염물질을 발생하지 않는 친환경 에너지원으로서 주목받고 있다. 특히 한국에서는 수소경제 선도국가로 도약하기 위해 수소차 및 연료전지 기반의 산업생태계를 구축하고 탄소배출 없는 수소 생산 및 공급시스템을 조성하려고 추진 중에 있다. 수소는 일반적으로 메탄 리포밍, 수전해, 열분해 등을 통해 생산되는데 이 과정에서 열 또는 전기를 공급하기 위해 화석연료를 사용하게 되면 오염 물질인 탄소가 배출되게 된다. 이러한 수소제조 공정 중 열을 이용하는 경우 고온의 열원이 필요한데, 집광된 태양에너지를 이용할 경우 탄소 배출 없이 메탄에서 수소를 생산할 수 있는 에너지를 제공할 수 있다. 직접 열분해를 통해 메탄에서 적절한 수율을 얻기 위해서는 \( 1,200 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 이상의 온도가 필요하다. 여기에 촉매가 사용되면 열분해 온도를 상당히 낮출 수 있다. \( { } ^ { [1 \sim 4] } \)</p> <p>본 논문은 촉매를 이용하여 \( 1,000 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 대의 온도 환경에서 태양열 메탄 분해 반응기를 개발하기 위한 사전단계로서 광학 시뮬레이션 및 전산유체역학을 수행하였다. 태양로와 같은 고온 환경에서 사용되는 흡수기, 반응기와 같은 흡수체에 대한 시뮬레이션은 실험 결과를 예측하고 이를 분석함으로서 다음 단계의 실험적 실증을 준비하는데 있어 시간과 비용적인 측면에서 효율적이다. 태양열을 이용한 메탄 열분해 연구는 \(2000 \)년대 초반부터 지금까지 진행되어 왔다. \( { } ^ { [5 ~ 13] } \) Abanades et al. 은 반응기 본체가 스테인리스강이며 내부에는 흑연 관이 장착되어 있으며 쿼츠(quartz)를 통해 집광된 태양열이 내부에 흑연 관을 직접 가열하는 메탄 분해 반응기를 개발하고 실험을 수행하였다. 또한 성능 예측모델을 개발하고 실험결과와 비교하여 검증하였다. \( { } ^ { [5,6] } \)</p> <p>Magg et al.은 원형 개구부의 쿼츠가 장착되고 원통형 캐비티 형상을 한 \( 5 \mathrm { ~kW } \) 급 직접 가열식 태양열 메탄 분해 반응기를 개발하고 실험을 수행하였다. 또한 동일한 반응기에서 Hirsch et al. 은 반응기 내부 벽면에 나선형 캐비티를 추가하여 개선된 반응기를 통한 실험을 수행하였다. 이때 Ozalp et al. 은 반응기 내부의 나선형 캐비티 유무에 따른 메탄 분해에 대한 시뮬레이션을 수행하여 성능을 비교하였다. Yeheskel et al.은 CFD를 통해 최적화된 직접 가열식 체적 반응기를 개발하였는데, 높은 반응온도, 쿼츠보호 및 경계층 분리가 없는 방향성 흐름(directional flow)이 특징인 반응기를 이용하여 메탄을 수소와 탄소 입자로 생산하는 실험을 수행하였다.</p>