지속가능성
해수에서 얻는 수소와 담수? 태양광 솔루션이 등장하다
물과 수소에 대한 수요 대응
전 세계 여러 지역에서 인구가 증가함에 따라 가장 필요로 하는 자원 중 하나는 담수입니다. 이는 점점 커지는 우려이며, 예를 들어 누가 나일 강 물을 사용할 수 있는지에 대한 논의가 거의 이집트와 에티오피아를 전쟁 직전까지 몰아넣은 사례와 같이 지정학적 불안정의 요인이 될 수도 있습니다.
담수화 방법이 점점 보편화되고 있지만, 에너지 소모가 매우 크고, 태양광 패널을 대량 배치해도 충분하지 않은 경우가 많습니다.
또 다른 필요는 저장이 가능하고 중장비 및 산업용 연료로 사용할 수 있는 형태의 재생 에너지입니다. 이론적으로 수소는 좋은 선택이 될 수 있지만, 아직까지 비용이 너무 높아 대규모로 배치되지 못하고 있습니다.
여기서도 태양광이 도움이 될 수 있지만, 전기분해를 통한 수소 생산 비용이 그 활용을 제한하고 있습니다.
두 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 태양광 전기분해 기술이 등장했으며, 이 기술은 신선한 물이 아니라 해수를 사용합니다. 수소 생산의 부산물로 담수를 생산하기도 합니다.
이 기술은 Johns Hopkins University, Michigan State University, Cornell University, Lehigh University, 그리고 MIT 연구진에 의해 발명되었으며, 해수에서 12% 이상의 효율을 달성한 태양광 기반 친환경 수소 생산이라는 제목으로 Energy & Environmental Science 저널에 발표되었습니다.
해수를 유용하게 활용하기
해수는 지구 표면의 70%를 차지하는 가장 풍부한 자원일지도 모릅니다. 전 세계 인구의 40% 이상이 가장 가까운 해안으로부터 100km(62마일) 이내에 거주하고, 50% 이상이 200km(124마일) 이내에 살고 있어 접근성이 뛰어납니다.
출처: StatsMapsNPix
“그렇기 때문에 우리는 이 기술을 고안했습니다. ‘지구상에서 가장 풍부한 자원이 무엇인가?’ 라는 질문에 대한 답은 바로 태양과 해수이며, 두 자원은 사실상 무한하고 무료입니다.”
안타깝게도 해수는 염분이 많아 인간이 마시거나 농작물에 물을 주기에 적합하지 않습니다. 그래서 건조 지역에서는 대기 중 물 수확이나 폐수의 더 나은 처리와 같은 대체 수자원 방안이 검토되고 있습니다.
그럼에도 불구하고, 대규모로 풍부한 물을 공급하기 위한 유일한 지속 가능한 해결책은 담수화일 가능성이 높습니다. 이러한 국가들은 대체로 햇빛이 풍부한 지역에 위치하고 있기 때문에, 이온막을 이용한 혹은 직접 증발 방식의 태양광 담수화가 잠재적 해결책이 될 수 있습니다. 그러나 이러한 시스템의 고정 비용이 물 생산을 상당히 비싸게 만들고 있습니다.
“물과 에너지는 우리 일상에 모두 필수적이지만, 일반적으로 더 많은 에너지를 생산하려면 더 많은 물을 소비해야 합니다.
반면에 우리는 식수를 필요로 합니다. 전 세계 인구의 3분의 2가 물 부족에 직면하고 있기 때문입니다.”
덧붙여, 수소 생산에 필요한 초순수(증류수)를 요구하기 때문에 해수 자체는 수소 생성에 적합한 물 공급원도 아닙니다.
태양광의 더 나은 활용
지금까지 담수화의 경제성은 가능한 한 저렴하게 물을 생산하려는 과정에서 대규모이면서도 비용이 많이 드는 태양광 수집 시설을 구축해야 하는 문제에 부딪혔습니다.
이 연구팀이 한 일은 이러한 시설이 물을 생산하는 동시에 더 가치가 높은 수소도 생산하도록 만든 것입니다.
일반적으로 광전지 설비는 태양광 출력의 일부만 활용할 수 있습니다. 100% 효율은 불가능하며, 파장의 일부는 패널 실리콘에 의해 사용될 수 없기 때문입니다.
이로 인해 광전지 설비에서는 많은 태양 에너지가 낭비됩니다. 더 나아가, 이 태양 에너지는 열을 발생시켜 패널 효율을 더욱 낮추게 됩니다(대부분의 설계는 30°C(86°F) 이하에서 최적 작동합니다).
한 번에 모든 것을 수행하기
이러한 문제들을 개별적으로 해결하는 것이 경제적으로 경쟁력을 갖추기 어렵다면, 보다 전체론적인 접근이 해답일 수 있습니다. 연구진은 동일한 장치가 동시에 전력, 수소, 그리고 담수를 생산한다면 시너지 효과가 발생할 수 있다고 생각했습니다. 이때 필요한 것은 오직 햇빛과 해수뿐입니다.
그들이 구상한 설계는 각 하위 공정의 제한을 다른 문제의 해결책으로 활용함으로써 모든 문제를 동시에 해결하려는 목표를 가지고 있습니다:
- 수소와 담수 생산을 동일한 장치에서 수행해 자본 비용을 공유하고 태양 스펙트럼 전체를 활용합니다.
- 물은 해수에서 얻어져 수소 생산에 대한 자원 제약을 없앱니다.
- 초순수 담수 생산이 열을 흡수해 태양광 패널을 냉각시키고 전기 생산량을 증가시킵니다.
- 해수가 전기촉매제와 직접 접촉하지 않으므로 부식 및 원치 않는 화학 반응 문제가 사라집니다.
- 전력이 동일 장치 내에서 바로 수소 생산에 사용되므로 배터리, 전력망 업그레이드 등이 필요 없습니다.
첨단 제조
개념은 단순해 보이지만, 이러한 모든 작업을 동시에 효율적으로 수행하도록 관리하는 것은 실제 엔지니어링 도전 과제입니다.
증발기와 PEM 전해조는 공기 간극으로 분리되어 해수와 전기촉매제 사이의 직접 접촉을 방지합니다.
설계를 개선하기 위해 몇 가지 추가 기능이 도입되었습니다:
- 모세관 위크를 사용해 물을 얇은 필름 형태로 포집하고, 이 필름이 태양광 패널과 직접 접촉해 증발을 통해 패널을 냉각합니다.
- 열 효과를 활용해 증기 압력을 높여 증류수 생산률과 효율적인 수소 생성에 기여합니다.
- 증기‑액체 상변화에서 방출되는 에너지를 이용해 수소 생산 효율을 향상시킵니다.
- 일방향 해수 흐름을 적용해 염분 축적을 방지합니다. 이는 모든 담수화 시스템에서 영구적인 문제입니다.
공정이 끝날 무렵, 약간 더 염분이 남은 해수를 다시 바다로 되돌릴 수 있으며, 수소로 전환되지 않은 증류수는 깨끗한 식수로 활용될 수 있습니다.
“설계가 어려웠던 이유는 복합적인 결합이 많았기 때문입니다: 담수화와 전기분해가 결합되고, 전기분해와 태양광 패널이 결합되며, 태양광 패널과 담수화가 태양, 전기, 화학, 열 에너지 전환 및 전달을 통해 결합되었습니다.”
프로토타입 테스트
연구진이 하이브리드 태양광 증류‑수 전기분해(HSD‑WE) 장치를 테스트했을 때, 10 cm × 10 cm 크기의 작은 셀도 자연 햇빛 아래 해수만으로 시간당 200 ml의 수소를 생산했으며, 에너지 효율은 12.6%에 달했습니다.
테스트는 야외에서 실제 해수와 현실적인 날씨 조건 하에 수행되었으며, 특히 흐린 날씨가 하루 중 어느 시점에 수소 생산량을 감소시키는 것이 관찰되었습니다.
경제적 타당성
연구진은 다양한 지역에서 프로토타입이 생산할 수 있는 수소량을 계산했습니다. 현재 평균 $10/kg인 친환경 수소와 비교했을 때, 첫 해 이후에는 훨씬 효율적이며, 3년 운영 시 $5/kg, 15년 운영 시 $1/kg 수준으로 감소합니다.
이는 기존 친환경 수소 비용이 에너지와 자본 비용에 의해 빠르게 한계에 도달하고 있기 때문입니다.
전통적인 전해조와 비교했을 때, HSD‑WE는 대부분 수동적으로 작동하며, 별도의 연결, 물 운송, 저장 등의 추가 자본 비용 없이 태양으로부터 직접 에너지를 얻습니다.
“우리는 탄소 배출을 피하고 오염을 방지하고자 합니다. 동시에 비용에도 신경을 씁니다. 비용이 낮을수록 대규모 채택을 위한 시장 잠재력이 커지기 때문입니다. 우리는 향후 설치에 대한 거대한 잠재력이 있다고 믿습니다.”
기업 물 부족을 해결하는
Xylem Inc.
(XYL )
유럽의 Veolia와 함께 Xylem은 물 정화, 폐수 처리, 그리고 담수화 분야에서 전 세계적인 리더입니다. 23,000명 이상의 직원(그 중 6,000명 이상이 엔지니어)과 150개국에서 사업을 운영하고 있으며, 미국을 중심으로 35,000개 이상의 직접 산업 고객을 보유하고 있습니다.
주요 시장은 지방 자치단체의 식수와 폐수이지만, 의료, 전력, 식음료, 석유·가스, 마이크로일렉트로닉스 등 다른 분야에도 전용 솔루션을 제공합니다.
출처: Xylem
Xylem은 오존 발생기, UV 램프, 담수화 막, 초순수 발생기 등 물을 정화하거나 생산하는 핵심 특허 장비를 제공할 수 있습니다. 또한 터빈, 펌프, 배관, 주입 설비, 소프트웨어 등 물 관련 작업에 필수적인 “단순” 장비와 유지보수, 수리, 설치 서비스도 제공합니다.
출처: Xylem
물 시장은 여전히 매우 파편화된 시장이며, Xylem은 이 분야에서 가장 큰 기업 중 하나이지만, 800억 달러 규모의 서비스 가능한 시장 중 약 10%의 점유율만을 차지하고 있습니다.
회사는 매출의 약 4%를 연구개발에 투자하고 있습니다. 또한 PFAS (과불소화합물, 영구 화학물질)에 대한 새로운 규제로부터 혜택을 받을 것으로 예상되며, 6,000개 이상의 유틸리티 시설이 이러한 PFAS 처리를 필요로 합니다.
전반적으로 이러한 요인들은 회사의 투자 프로필을 전통적인 산업 기업(대체로 경기 순환형)보다 전체 경제와 함께 성장하는 유틸리티 기업에 가깝게 만들며, 대부분의 소비자보다 약간 높은 성장률을 보일 것으로 예상됩니다.
Xylem Inc. 최신 소식
참조 연구:
1. Xuanjie Wang, et al. (2025) “해수에서 12% 이상의 효율을 달성한 태양광 기반 친환경 수소 생산”. Energy Environ. Sci., 2025, Advance Article. https://doi.org/10.1039/D4EE06203E
