[지속가능효성] 소금물, 암모니아, 플라스틱 쓰레기로도 만드는 수소 기술

 

수소가 중요한 미래의 에너지라는 건 설명하지 않아도 다 알고 있어요. 친환경적이면서도 지구상에 가장 많이 존재하는 원소일 뿐 아니라 휘발유의 4배, 천연가스의 3배 더 높은 에너지 효율을 가지기 때문이죠. 하지만 수소는 아직 경제적, 그리고 환경적인 측면에서 갈 길이 멀어요. 신재생에너지를 활용해 물을 전기분해해 수소를 생산하는 그린수소, 즉 생산 과정에서도 탄소 배출이 없는 수소가 궁극적인 목표니까요. 효성도 2025년까지 그린수소 및 블루수소 추출 기술 개발과 설비 국산화 등을 목표로 수소 사업을 펼쳐나갈 계획이죠.

 

대한민국의 탄소 중립을 이끌다: 효성, 수소 사업 비전 선포

 

이렇게 수소사회를 만들어가기 위해서 많은 연구가 이뤄지고 있는데요, 이번엔 다양한 방법으로 수소를 생산하는 기술에 대해 살펴보겠습니다.

 

 

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소금물로 만드는 수소

 

소금물을 전기분해해 수소를 얻는 기술은 꽤 오랫동안 연구되고 있습니다. 다만 전기분해 방식이 효율이 떨어지기 때문에 효율을 높이기 위한 방향으로 기술 연구가 이루어지고 있었죠. 그런데 지난 3월, 한국재료연구원에서 해수를 활용해 그린수소를 직접 생산해 수소 생산단가를 획기적으로 줄일 수 있는 ‘음이온 교환막 해수 수전해 기술’을 국내 최초로 개발했다고 합니다.

 

출처: 한국재료연구원

 

‘음이온 교환막 수전해’는 저렴한 비귀금속 촉매를 이용해 고순도의 수소를 저가로 안전하게 생산하는 기술인데요, 수소 생산을 위해서는 반드시 정제수(초순수)를 사용해야만 하므로 수소 생산단가 증가는 물론 수전해 저변 확대를 저해하는 원인이 되어왔다고 해요. 연구팀은 니켈(Ni)이 도핑된 고선택성 2차원 나노시트 형상의 수산화철(FeOOH) 촉매를 전극 표면에 바로 형성 시켜 촉매 일체형 전극을 개발했습니다. 이를 통해 산소발생반응 과전압과 물질전달저항을 감소시켰고, 이 전극을 음이온 교환막 수전해에 적용 및 최적화시켜 염소발생반응을 억제함으로써 높은 수소 발생 효율을 확보할 수 있었다고 하는군요.

 

참고: 투데이에너지 <바닷물로 그린수소 생산한다>

 

 

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암모니아로 만드는 수소

 

암모니아는 질소와 수소가 결합한 물질입니다. 비료, 산업원료 등으로 쓰여왔지만, 질소와 수소를 분리할 수 있다면 좀 더 손쉽게 수소를 얻을 수 있어요. 게다가 액체 암모니아가 액체 수소보다 같은 부피에 50% 많은 수소연료를 저장•운반할 수 있어서 새로운 수소연료 운반체로 주목받고 있습니다.

지난해 KIST 연구진은 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매와 저렴하게 생산할 수 있는 분리막 소재를 개발했습니다. 개발한 촉매와 분리막 소재를 결합하여 암모니아로부터 수소를 생산하는 반응과 동시에 분리막으로 고순도의 수소를 분리해내는 추출기를 구현했다고 합니다. 개발된 기술은 높은 순도의 수소를 연속적으로 생산할 수 있으며, 별도의 수소 정제장치 없이 연료전지와 직접 연계하여 소형 전력발생장치에도 적용이 가능합니다.

 

암모니아 기반 분리막 반응 수소추출 장치 출처: 한국과학기술연구원

 

현재 암모니아 운반선을 이용한 대륙 간 운반으로 암모니아에서 수소를 추출하여 활용하는 저장, 운송 관련 인프라는 전 세계적으로 상용화되어 있습니다. 이번에 개발된 기술이 이러한 인프라에 활용된다면 수소경제 사회로 들어가는데 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 예상됩니다.

 

참고: 한국과학기술원 <암모니아로부터 고순도 수소를 대용량으로 생산, 수소경제 사회로 한걸음 더>

 

 

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메탄가스로 만드는 수소

 

현재 전 세계에서 사용하는 수소 65%가량은 천연가스를 분리해서 얻은 것입니다. 우리나라도 수소 생산을 위해 천연가스를 수입하고 있어요. 그런데 시선을 하수•음식쓰레기•분뇨 등을 모아놓은 밀폐 저장탱크(소화조) 안에 두면 해결책이 보입니다. 분해 과정에서 발생하는 바이오가스 성분의 60~65%가 메탄으로, 고질화 과정을 거치면 순도 높은 메탄만을 뽑아낼 수 있기 때문이죠.

창원시 마산합포구에서 발생하는 하수•음식쓰레기•가축분뇨 등을 처리하는 덕동물재생센터에서는 ‘바이오가스 수소화시설 시범사업’이 진행될 예정입니다. 환경부와 창원시는 이곳에 하루에 바이오가스 2만5000㎥를 생산할 수 있는 소화조와 수소생산시설 등을 갖출 계획이거든요. 시설이 완전가동되면 하루 메탄 생산량은 1만6000㎥이고, 이를 분리하면 수소 3.5t을 얻을 수 있다고 합니다.

참고: 한겨례 <하수처리장에서 수소차 7천대 쓸 수소에너지 만든다?>

 

 

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AI와 태양광으로 만드는 수소

 

빌 게이츠가 후원하는 스타트업 중 미국의 청정에너지 업체 ‘헬리오겐(Heliogen)’은 인공지능(AI)을 이용해 1,000℃ 이상의 온도를 생성하는 새로운 태양광발전 시스템을 개발했습니다. 그동안은 대부분 컴퓨팅 기술로 한 번만 태양광 거울을 정렬시켰어요. 바람이 불거나 지반이 서서히 가라앉는 등의 변화에 대응하기 힘들었죠. 기존의 기술로는 최대 565℃의 온도밖에 발생시킬 수 없었지만, 헬리오겐은 AI 기술을 이용해 태양광 거울을 훨씬 더 정확하게 정렬시켜 1,000℃의 벽을 깰 수 있었습니다.

 

출처: 헬리오겐(heliogen.com)

 

이 기술이 중요한 이유는 시멘트, 철강, 유리 등을 포함한 다양한 산업 자재 제조공정에 사용될 수 있기 때문입니다. 헬리오겐의 기술이 적용되면 전 세계 산업계의 온실가스 배출을 획기적으로 줄일 수 있어요.

 

여기에 하나 더, 추가적인 기술 개선에 성공할 경우 1,500℃ 온도까지 달성할 수 있다고 하는데요. 온도가 1,500℃에 도달하면 물로부터 수소 분자를 분리해 배출가스 없는 수소 기반의 연료를 만들어낼 수 있습니다. 할리오겐도 회사의 장기적인 목표를 그린수소 생산으로 두고 기술 개발에 힘쓰고 있다고 해요.

 

참고: 사이언스타임즈 <탄소 배출로부터 지구를 구할 기술 등장>

 

 

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플라스틱 쓰레기로 만드는 수소

 

영국 체스터대학 연구진이 현지 에너지 기업인 파워하우스 에너지와 함께 재활용 가능한 플라스틱을 자동차나 가정에서 활용할 수 있는 전기 및 수소에너지로 전환하는 기술을 개발했습니다.

분리수거가 되지 않았거나 세척이 되지 않은 플라스틱을 5cm 길이로 잘게 자른 뒤 이를 1,000℃의 뜨거운 가마에 녹이면 이 과정에서 가스가 발생하는데요, 이 가스를 정제해 변환해서 전기에너지 또는 수소에너지를 만들 수 있다고 합니다. 특히 이 기술은 플라스틱의 종류를 가리지 않으며, 내부가 이미 오염돼 있어도 적용할 수 있어서 더욱 관심을 끌고 있습니다.

참고: 나우뉴스 <플라스틱 쓰레기→전기•수소로 바꾸는 기술, 첫 개발>

 

 

수소 생산을 위해 고안된 기술들은 곧 다양한 분야에서 활용되고, 이를 통해 수소사회로의 전환이 가능해질 것입니다. 기술은 완성되어가는 과정에서 더욱 발전하는 것이니까요. 앞으로도 계속 나올 다양한 기술들이 기대됩니다.