ZERO emission energy system LAB
휴먼기계바이오공학과 최원재
ZERO emission energy system LAB은 지구의 탈탄소화를 목표로 새로운 에너지 시스템을 연구·개발하는 선도적 연구실입니다. 본 연구실은 열역학, 열 및 물질전달, 열전기화학 등 기초 이론을 바탕으로, 수소 생산, 고체산화물전지, 에너지 저장, 전과정평가 등 다양한 분야에서 혁신적인 연구를 수행하고 있습니다.
특히, 열화학적 레독스 사이클을 이용한 수소 생산 기술 개발에 집중하여, 고효율·저탄소 수소 생산 시스템의 설계 및 최적화, 소재 개발, 시스템 통합 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 이 과정에서 MIT, SUSTech 등 해외 유수 연구기관과의 공동연구를 통해 글로벌 수준의 연구 역량을 확보하고 있습니다.
고체산화물전지(SOC) 및 하이브리드 시스템 분야에서는 SOC와 내연기관, 열배터리 등을 결합한 초고효율 발전 및 에너지 저장 시스템을 개발하고 있습니다. SOC의 설계 최적화, 열화 및 수명 예측, 실증 연구를 통해 실제 산업 현장 적용 가능성을 높이고 있으며, 선박, 철도 등 대형 운송수단 및 분산형 발전 분야로의 확장도 모색하고 있습니다.
또한, 전과정평가(LCA)와 온실가스 감축 효과 분석을 통해, 에너지 시스템 및 신기술의 환경적·경제적 파급효과를 정량적으로 평가하고 있습니다. 그린수소, 전기차, e-연료 등 다양한 신기술의 온실가스 배출량, 경제성, 정책 효과를 비교·분석하여, 국가 에너지 정책 및 산업계 의사결정에 실질적인 기여를 하고 있습니다.
이외에도, 폐자원 활용 수소 생산, 해외 수소·암모니아 수입, 배터리 열화 등 최신 이슈를 반영한 연구를 지속적으로 확대하고 있습니다. ZERO emission energy system LAB은 미래 에너지 패러다임 전환을 선도하는 연구실로, 지속가능한 사회 구현에 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다.
Green Hydrogen Production
Solid Oxide Fuel Cells
Thermochemical Redox Cycles
수소 생산 및 열화학적 레독스 사이클
본 연구실은 차세대 청정에너지로 주목받는 수소의 생산 기술 개발에 중점을 두고 있습니다. 특히, 열화학적 레독스 사이클을 활용한 수소 생산 시스템의 설계와 최적화에 관한 연구를 활발히 수행하고 있습니다. 열화학적 레독스 사이클은 고온에서 금속 산화물의 산화·환원 반응을 이용해 물을 분해하여 수소를 생산하는 기술로, 기존의 화석연료 기반 수소 생산 방식에 비해 온실가스 배출이 현저히 적고, 재생에너지와의 연계가 용이하다는 장점이 있습니다.
연구실에서는 시스템 효율 향상을 위해 하단 사이클(bottoming cycle)과의 결합, 열에너지 회수, 그리고 반응기 설계 최적화 등 다양한 접근법을 시도하고 있습니다. 또한, 최적의 열역학적 특성을 갖는 소재 개발을 위해 밀도범함수이론(DFT) 기반의 시뮬레이션 연구도 병행하고 있습니다. 이를 통해 실제 운전 조건에서 높은 효율과 내구성을 동시에 달성할 수 있는 수소 생산 시스템을 구현하고자 합니다.
이러한 연구는 MIT, SUSTech 등 해외 유수 연구기관과의 협력 하에 진행되고 있으며, 기술경제성 분석(TEA)과 전과정평가(LCA)를 통해 환경적·경제적 파급효과까지 종합적으로 검토하고 있습니다. 궁극적으로는 장거리 운송, 산업 부문 등 대규모 탈탄소화가 필요한 분야에 적용 가능한 그린수소 생산 기술의 상용화를 목표로 하고 있습니다.
고체산화물전지(Solid Oxide Cell) 및 하이브리드 시스템
고체산화물전지(Solid Oxide Cell, SOC)는 높은 효율과 연료 유연성, 그리고 전기·수소 동시 생산이 가능한 차세대 에너지 변환 장치로 각광받고 있습니다. 본 연구실은 SOC의 설계 최적화, 열화 모델링, 수명 예측, 그리고 내구성 향상에 관한 연구를 중점적으로 수행하고 있습니다. 특히, SOC와 내연기관(ICE)을 결합한 하이브리드 발전 시스템 개발을 통해 70% 이상의 초고효율 발전을 실현하고자 하며, 선박 및 철도 등 대형 운송수단에의 적용 가능성도 탐구하고 있습니다.
연구실에서는 FLUENT, COMSOL 등 첨단 시뮬레이션 도구를 활용하여 SOC의 유로 설계, 열관리, 전기화학적 반응 특성 등을 정밀하게 분석합니다. 또한, 실험실 규모의 테스트 스테이션을 구축하여 시뮬레이션 결과를 실제로 검증하고, SOC의 열화 현상 및 수명 예측 모델을 개발함으로써 장기 운전 신뢰성을 확보하고 있습니다. SOC와 열배터리(thermal battery)를 결합한 시스템 연구도 활발히 진행 중이며, 이를 통해 재생에너지의 간헐성을 극복하고, 전력 및 수소를 효율적으로 저장·공급하는 통합 에너지 시스템을 구현하고 있습니다.
이러한 연구는 한국철도기술연구원, 한국수자원공사, KETEP 등 다양한 기관의 지원을 받아 진행되고 있으며, 실제 산업 현장 적용을 위한 실증 연구와 기술 이전도 병행하고 있습니다. SOC 기반 하이브리드 시스템은 미래 분산형 발전, 친환경 운송, 산업용 에너지 공급 등 다양한 분야에서 핵심 역할을 할 것으로 기대됩니다.
전과정평가(Life Cycle Assessment) 및 온실가스 감축 효과 분석
본 연구실은 에너지 시스템 및 신기술의 환경적 영향을 정량적으로 평가하기 위해 전과정평가(LCA)와 온실가스 감축 효과 분석을 체계적으로 수행하고 있습니다. 수소 생산, 저장, 운송, 활용에 이르는 전 과정에서 발생하는 온실가스 배출량을 분석하여, 각 기술의 환경적 우수성과 한계를 명확히 규명합니다. 특히, 그린수소의 생산 및 활용이 철강, 운송, 발전 등 다양한 산업 부문에서 온실가스 감축에 미치는 효과를 비교·분석하고 있습니다.
연구실은 국내외 에너지 정책, 전력 믹스, 수소 생산 경로, 차량 종류 등 다양한 변수에 따른 시나리오 분석을 통해, 실제 적용 시 기대되는 온실가스 감축량과 경제적 비용을 산출합니다. 또한, 전기차, 연료전지차, 배터리 열화, 충전 시간 등 최신 이슈를 반영한 Well-to-Wheel(WTW) 분석도 활발히 진행하여, 정책 수립 및 산업계 의사결정에 실질적인 근거를 제공하고 있습니다.
이와 함께, 폐자원 활용 수소 생산, 해외 수소·암모니아 수입, e-연료(e-fuel) 등 다양한 신기술의 환경성 평가도 수행하고 있습니다. 이러한 연구는 국토교통부, 한국가스공사, 한국에너지공단 등과의 협력 하에 진행되며, 국내외 학술대회 및 저명 학술지에 다수의 연구성과를 발표하고 있습니다.
1
Alkaline electrolysis model development
Dohyung Jang, Wonjae Choi, Hyun-Seok Cho, Won Chul Cho, Chang Hee Kim, Sanggyu Kang
Journal of Power Sources, 2021
2
REACTOR TRAIN SYSTEM FOR SOLAR THERMOCHEMICAL FUEL PRODUCTION
Aniket S. Patankar, Xiao-Yu Wu, Wonjae Choi, Harry L. Tuller, Ahmed F. Ghoniem
Journal of Solar Energy Engineering, 2022
3
Life Cycle Greenhouse Gas Emissions of Hydrogen Imported by Maritime Transportation: A South Korean Case Study
G. Kwak, J. Lee, Y. Jung, W. Choi
Energy Conversion and Management: X, 2025
1
THERMOCHEMICAL REDOX CYCLE COMBINED WITH A BOTTOMING SYSTEM
2
OPTIMAL MATERIAL FOR THERMOCHEMICAL REDOX CYCLE
3
암모니아 SOFC 시뮬레이션 모델 개발 및 철도차량 청정연료 전과정분석 연구
