"사막의 오아시스" 공기에서 태양광으로 수소 연료생산

 

호주 멜버른대학과 맨체스터대학 연구팀이 사막과 같은 물이 없는 지역 공기에서 직접 전기분해로 수소를 생산하는 데 성공했다.

연구팀은 공기 중에서 물을 흡수하고 전기분해를 사용하여 태양 전지판이나 풍력 터빈으로 구동되는 수소를 만들 수 있는 직접 공기 전기분해(DAE)’라는 프로토타입 장치를 개발했다. 이 장치는 액체 상태 물 없이 공기 중의 수분을 사용해 전기분해를 통해 99% 이상의 순도를 가진 수소를 직접 생산한다. 

Photo by Oregon Department of Transportation/Flickr (CC BY 2.0)

연구팀은 황산이 물을 포획하는 스펀지 역할을 하는 최고의 재료임을 발견하고 이를 기반으로 고순도 수소를 만드는 데 사용했다. 

수소는 연소할 때 부산물로 물만 생산하는 탄소 제로 연료다. 하지만, 순수한 수소는 자연에 풍부하지 않고, 수소를 생산하기 위해서는 에너지 투입이 필요하다. 대규모 생산은 일반적으로 탄소 배출을 발생시키는 화석 연료를 사용한다.

하지만 이 장치를 사용하면 물이 부족한 사막 지역에서도 탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있다. DAE는 태양열 또는 풍력 에너지로 구동할 수 있다

특히 DAE는 습도 4%에서도 물을 포획할 수 있다. 보통 사막의 습도는 약 20%다. 이는 호주 중부지역과 중동과 같은 곳에서 수소 생산이 가능하다는 뜻이다. 또한 원격으로도 작동할 수 있다.

연구 결과(논문명: Hydrogen production from the air)는 최근 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 실렸다.

DAE 모듈 개략도. Image: The University of Melbourne, nature communications, Commons License CC BY 4.0

 

연구팀은 1m 높이의 태양열과 풍력터빈으로 구동하는 프로토타입 2개를 만들었다. 태양 전지판과 5개의 DAE 모듈이 병렬로 층층이 쌓인 태양열 구동 독립형 수소 타워를 구축했다. 타워의 설치 공간은 태양 전지판뿐이어서 널은 토지 공간을 차지하지 않는다.

이 장치는 흡습성 액체를 가진 스펀지 모양의 물질로 구성되어 있다. 즉, 공기에서 수분을 흡수하는 유체로 실리카 겔 주머니와 기능이 비슷하다. 흡수된 물 분자는 전극에서 수소와 산소가스로 분해되는 전기분해 과정을 거친다.

연구팀은 DAE 장치 하나를 20C~40C의 외부 온도와 20%~40% 범위의 상대 습도에서 12일 동안 실험했다. 그 결과 하루에 약 1,500ml의 수소를 생산할 수 있었고 약 95%의 패러데이 효율(faradaic efficiency)을 보였다. 패러데이 효율은 전기분해 반응에서의 효율로 전자가 주어진 전기화학적 변환 효율의 척도다.

나머지 하나는 8개월 동안 유지 보수 없이 수소의 패러데이 효율은 약 90%를 유지했다. 특히 다양한 기상 조건에서 태양광 강도에 따라 자동화된 안정적인 수소 생산을 달성했다. 

이 장치는 시간당 1제곱미터당 최대 93리터의 수소를 생산하는 것으로 추정된다. 이를테면 10제곱미터가 있다면 가정집 전체에 전력을 공급할 수 있다. 이는 가정에서 요리와 난방을 위한 천연가스를 대체할 수 있다.

따라서 DAE 장치의 확장을 위해 표면과 부피, 스펀지 재료를 추가로 개선하거나 늘이면 상용화에 가까이 접근 가능하다는 얘기다.

연구팀은 내년에 10제곱미터 크기 버전을 만들 계획이다. 또 이 장치 실험이 주로 실내에서 진행된 만큼 다음 단계는 먼지와 같은 실제 문제를 처리하는 방법을 확인하기 위해 사막 등 야외에서 실험할 계획이다.