바이오차가 녹색 수소 비용을 낮출 수 있을까?

적절한 수소 촉매 찾기

수소는 이론적으로 에너지를 저장하고 전기화하기 어려운 전력 적용 분야에 완벽한 연료가 될 수 있습니다. 이는 수소가 몇 가지 거의 이상적인 특성을 가지고 있기 때문입니다:

– 연료전지는 사용 지점에서 이산화탄소를 배출하지 않고 전기를 생산합니다.
– 수소는 금속공학 및 기타 전기화하기 어려운 산업 공정에 필요한 높은 온도를 제공할 수 있습니다.
– 전기분해는 재생 가능한 전기를 사용해 물에서 수소를 생산할 수 있습니다.
– 수소는 탄소를 함유하지 않지만, 전체 환경 영향은 생산 및 사용 방식에 따라 달라집니다.

하지만 수소 기반 경제의 부상은 비용 효율적인 수소 생산이 어려워 방해받고 있습니다. 이는 녹색 수소가 일반적으로 전기분해를 통해 생산되며, 그 비용과 효율성이 전극 재료에 부분적으로 의존하기 때문입니다. PEM 전해조는 특히 백금과 이리듐과 같은 희귀하고 비싼 백금족 금속에 의존하는 반면, 알칼리 시스템은 보다 풍부한 니켈 기반 촉매를 사용할 수 있습니다.

따라서 현재보다 더 나은 수소 생산 방법이 존재하지 않는 한, 대규모로 화석 연료를 대체하는 모습을 보기는 어려울 것입니다.

이 때문에 과학자들은 촉매 재료로서 철 나노로드, 실리콘 카바이드, 혹은 코발트-텅스텐과 같은 다양한 대안을 탐구하고 있습니다.

또 다른 녹색 수소 생산 옵션은 탄소 기반 촉매 재료일 수 있으며, 이는 아이러니하게도 탄소 배출을 제한하는 확실한 해결책이 될 수 있습니다.

인도 연구원들이 Swami Rama Himalayan University와 Graphic Era (Deemed to be University)에서 수행한 새로운 리뷰에서는 이 목적을 위해 바이오차 유래 탄소 나노소재의 활용을 조사했습니다. 바이오차는 제한된 산소 조건에서 바이오매스를 열분해하는 과정(예: 열분해)으로 생산됩니다. 이는 바이오차 유래 탄소 나노소재가 탄소 나노튜브(CNT), 그래핀, 탄소 양자점, 나노시트 및 나노플레이크 등을 포함하여 높은 표면적, 조절 가능한 구조, 우수한 전기 전도성 및 유리한 전기촉매 특성을 제공하기 때문입니다.

그들은 Next Energy¹에 연구 결과를 발표했으며, 제목은 “바이오차 유래 탄소 나노소재를 이용한 지속 가능한 수소 생산: 합성, 전기촉매 성능 및 향후 전망”입니다.

수소 생산 개선

우주에서 가장 풍부한 원소가 수소 원자라 하더라도, 지구에서는 일반적으로 다른 원소와 결합해 있습니다. 따라서 순수한 H₂ 가스를 생산해야 하는데, 일반적으로 선호되는 방법은 물(H₂O)의 전기분해를 통한 생산입니다. 그러나 물 분해와 관련된 동역학 장벽을 극복하기 위해 높은 전압이 필요하므로 제한됩니다.

이 전압 제한을 극복하는 것이 전기촉매 재료의 주요 역할입니다.

기능적인 수소 경제에 필요한 생산 규모를 충족하려면 이러한 촉매가 풍부하고 저렴한 원소로 만들어져야 합니다. 이러한 관점에서 바이오매스 유래 탄소 나노소재는 비교적 풍부한 원료와 높은 표면적, 전기 전도성, 화학적 안정성 및 조절 가능한 전기화학적 특성을 결합할 수 있기 때문에 유망한 후보입니다.

하지만 이는 간단한 과정이 아니며, 바이오매스를 사용 가능한 바이오차와 촉매로 전환하는 데는 단순히 열분해만이 아니라 광범위한 기계적, 열적, 화학적 처리도 필요합니다.

출처: Next Energy

불행히도, 진행 중에도 원료 바이오매스를 일관되게 산업 규모로 탄소 나노소재로 전환하는 방법은 아직 완전히 파악되지 않았습니다.

“관심이 증가하고 있음에도 불구하고, 효율적이고 저렴한 수소 생산 전기촉매로서 바이오차 기반 탄소 나노구조를 설계하고 최적화하는 방법에 대한 체계적인 이해가 아직 부족합니다.”

바이오차 연구 이해하기

문헌 검토

이 주제에 대한 체계적인 분석이 부족하기 때문에 연구진은 2020년 1월부터 2026년 2월까지 발표된 과학 문헌을 수집했으며, 몇 가지 주제에 중점을 두었습니다:

• 바이오차 생산 및 전구체 특성.
• 바이오차 기반 탄소 재료의 합성 및 나노스케일 가공.
• 물리적, 화학적, 구조적 특성.
• 금속 촉매/기타 촉매 재료와의 결합/하이브리드화.
• 수소 발생 반응(HER) 및 산소 발생 반응(OER)의 전기촉매 과정.
• 전기화학적 성능.
• 환경 친화적인 수소 생산의 안정성, 확장성 및 향후 전망.

바이오차 생산

바이오차는 농업 잔류물, 목재 폐기물, 가축 분뇨 등을 포함한 바이오매스를 산소 제한 조건에서 가열하여 생산되는 탄소 함량이 높은 물질이다. 열분해 온도는 원료와 원하는 특성에 따라 달라지며, 이 리뷰에서는 단일 온도 범위를 넘어서는 처리 조건을 설명한다.

열분해 외에도, 가스화나 수열탄화와 같은 방법을 통해 식물성 바이오매스를 바이오차로 전환할 수 있다.

산업적 활용 가능성 외에도, 바이오차는 농업용 토양 개선에 사용됨 및 탄소 포집에 점점 더 활용되고 있다.

Source: Discover Soil

바이오차는 수소 생산 연구에 적합한 탄소 나노재료로 가공될 수 있다. 제안된 촉매 중 일부는 금속이 없으며, 다른 일부는 바이오차 유래 탄소와 코발트, 철, 몰리브덴 또는 기타 촉매 물질을 결합한다. 이 접근법은 저가 바이오매스를 고부가가치 재료로 전환할 수 있지만, 전체 탄소 이점은 원료 조달, 처리 에너지, 화학 처리 및 최종 수명 주기에 따라 달라진다.

Source: Next Energy

수소 생산을 위한 활성화

바이오차 처리의 첫 단계는 물리적 방법이다. 이는 입자 크기를 줄이고 기공 크기와 표면 형태를 확대하기 위해 필요하다. 마이크로파, 초음파, 기계적 분해(압축, 밀링, 연삭, 파쇄, 토레피케이션) 등 다양한 방법을 활용할 수 있다.

그 다음, 매우 높은 온도의 고압 증기를 사용하여 복합 식물성 리그노셀룰로오스 매트릭스를 보다 단순한 구조로 분해한다.

화학 물질도 공정의 일부이다. 산 처리로 셀룰로오스의 활용도를 높일 수 있다. 사용되는 산에는 황산, 염산, 질산, 아세트산, 옥살산, 인산 등이 있으며, 선택된 시약과 농도에 따라 최종 물질이 달라진다. pH 스펙트럼의 반대쪽에서는 암모늄 수산화물(NH4OH), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2)과 같은 알칼리 화합물이 폴리머와 리그닌 사이의 화학 결합을 용해시키는 데 사용된다.

이러한 공정은 바이오차의 화학 구조를 변형하거나 다른 원소를 첨가하여 전기화학적 전위를 “도핑”하는 것과도 결합될 수 있다.

“수산기, 카보닐기, 카복실기와 같은 산소 함유 표면 기능기들은 친수성을 향상시키고 전해질과의 계면 접촉 및 표면 반응성을 개선한다. 이러한 기능기는 또한 산화환원 반응에 참여하고 전하 전달 과정을 촉진한다.”

Source: Next Energy

수소 생산 촉진

앞선 단계들은 모두 바이오차의 나노구조를 변형시켜 탄소 나노구조—탄소 나노섬유, 그래핀, 탄소 나노튜브, 탄소 점, 탄소 나노시트—를 훨씬 더 많이 포함하도록 만든다.

이렇게 하면 몇 가지 핵심 특성에 최적화된다:

• 높은 전기 전도성, 자유 전자의 흐름을 가능하게 함
• 화학적 안정성 및 높은 다공성 표면적
• 수소 흡착·탈착 특성이 적합하여 수소 발생 반응에 영향을 줌

Source: Next Energy

바이오차 수소의 수익성 확보

수소가 일반 연료로 보편화되지 못한 주요 장애물은 비용이다. 부분적으로 이는 희귀하고 귀금속을 사용하는 고가 촉매 때문이었다.

탄소 기반 촉매의 경우, 다음과 같은 다른 비용 요소가 이 공정의 향후 경제적 타당성에 영향을 미친다:

• 바이오매스 재배, 수집, 운송 및 저장
• 열분해 및 증기 처리, 매우 에너지 집약적임
• 화학·기계적 공정을 통한 바이오차 개선, 장비 비용 및 최종 오염 고려

현재 과학 문헌은 실험실 환경에서 얻은 결과에 초점을 맞추면서 바이오차의 내구성 및 재생 능력을 충분히 다루지 못하고 있다.

일부 실험실 연구는 유망한 전기화학적 안정성을 보고하지만, 이 리뷰는 장기 내구성, 오염 저항성, 재생 가능성 및 실제 산업 조건에서의 성능이 충분히 연구되지 않았다고 지적한다.

또 다른 해결되지 않은 문제는 바이오차 특성의 균일성 부족이다. 바이오매스 원료, 열분해 조건, 후처리 방식에 따라 거의 무수히 많은 변이가 존재한다.

따라서 일부 포뮬러가 유망하더라도, 최종 제품의 품질을 보증하는 명확한 시험 방법이나 인증 절차가 아직 없으며, 대규모 산업 적용을 위해서는 이러한 절차가 필요하다.

“이러한 어려움을 극복하려면 정부 입법, 산업 투자, 학술 연구를 포함하는 협력적 이니셔티브가 필요합니다. 정책 입안자들은 에너지, 환경, 농업 분야에서 바이오차의 혁신, 상용화 및 장기 사용을 촉진하는 지원 체계를 제공해야 합니다.”

그럼에도 불구하고 저가 바이오매스를 한 번에 대규모로 활용하고, 탄소를 포집하며, 희귀 원소를 전혀 필요로 하지 않으면서 녹색 수소 비용을 낮출 수 있는 잠재력은 이 기술을 매우 매력적으로 만듭니다.

실험실 연구는 바이오차 유래 탄소 나노소재의 기술적 잠재성을 입증했지만, 시험 조건과 보고 방법이 달라 결과를 직접 비교하기는 어렵습니다. 다음 단계는 생산 및 성능 시험을 표준화하고, 장기 내구성을 검증하며, 전 과정 및 기술‑경제 평가를 완료하고, 가장 유망한 후보들을 산업 파일럿 프로젝트로 진행하는 것입니다.

녹색 수소에 투자하기

Plug Power

Plug Power (PLUG ) 연료전지, 전해조, 수소 저장 장비, 충전 인프라 및 수소 생산 서비스를 제공합니다. 회사는 74,000개 이상의 연료전지 시스템과 280개가 넘는 충전소를 배치했으며, 전해조는 6대륙에 걸쳐 배치되었다고 밝혔습니다.

Plug는 여전히 투기적 투자 대상으로 남아 있습니다. 수소 생산 및 전해조 사업을 확대했지만 재무, 실행, 자금 조달 및 상용화 위험에 계속 직면하고 있습니다. 수소 생산 비용을 낮추는 혁신은 잠재 시장을 지원할 수 있지만, 회사의 재무 문제를 단독으로 해결하지는 못합니다.

출처: Plug Power

이 연구와의 관련성은 주로 전해조 사업에서 비롯됩니다. Plug는 현재 백금족 금속 촉매에 의존하는 기술인 프로톤 교환막 전해조를 제조합니다. 바이오차 유래 소재 또는 관련 탄소‑금속 하이브리드가 향후 촉매 요구량을 감소시키고 전극 성능을 향상시키며 시스템 비용을 낮춘다면, 전해조 제조업체는 이러한 개선으로 혜택을 받을 수 있습니다.

하지만 검토된 바이오차 소재는 아직 실험실 단계에 머물러 있으며, Plug Power가 현재 사용 중이거나 사용할 계획이라는 징후는 없습니다. 따라서 이 회사는 바이오차 유래 촉매에 직접 노출된 것이 아니라 녹색 수소의 광범위한 확대에 대한 하류 노출로 보는 것이 적절합니다.

출처: Plug Power

(Plug Power에 대한 전용 투자 보고서에서 자세히 읽어보세요.)

최신 Plug Power (PLUG) 주식 뉴스 및 개발

참조 연구

^{1. Vishal Rajput. 바이오차 유래 탄소 나노소재를 이용한 지속 가능한 수소 생산: 합성, 전기촉매 성능 및 향후 전망. Next Energy. 권 13, 2026년 10월, 100995.https://doi.org/10.1016/j.nxener.2026.100995}