에너지
스와프(스크랩 금속)를 활용한 물 분해로 수소 생성
수소 및 전기분해 비용
Hydrogen은 운송부터 에너지 저장까지 녹색 경제에 유망한 연료이며, 해운 및 항공과 같은 많은 산업에 현실적인 탄소‑무배출 대체 연료가 될 수 있습니다.
수소 경제의 부상을 가로막아 온 주요 요인 중 하나는 비용, 특히 수소 생산 비용입니다.
그린 수소(재생 에너지 기반)는 주로 전기분해를 통해 생산되며, 이는 많은 에너지와 촉매를 필요로 합니다. 이러한 촉매는 대부분 플래티넘과 같은 금속에 의존하기 때문에 비용이 높습니다. 플래티넘 사용량이 많을수록 전해조의 비용도 상승합니다.
플래티넘과 같은 금속은 비싸기만 할 뿐 아니라 매우 희귀하여, 수소가 에너지 원으로 대량 채택될 경우 공급이 부족해질 수 있습니다.
So, it was important news that researchers announced a drastic reduction in the catalyst requirement for electrolysis.
“우리는 최첨단 상용 촉매에 비해 플래티넘 적재량을 10분의 1만 사용해 물에서 수소를 생산할 수 있게 되었습니다.” – Dr Madasamy Thangamuthu, University of Nottingham 박사후 연구원.
스크랩 금속(스와프)으로 저비용 전기분해
이 발견은 영국 노팅엄 대학교 연구진에 의해 이루어졌으며, Journal of Material Chemistry에 “스크랩 금속에서 고효율 전극으로: 수소 생산을 위한 Pt와 Co의 나노텍스처드 표면 활용“라는 제목으로 게재되었습니다.
초기 결과는 나노스케일에서 스와프를 분석하면서 도출되었습니다. 스와프는 스테인리스 스틸, 티타늄, 니켈 합금 등 금속을 가공할 때 발생하는 폐기물 형태의 금속 나선형입니다. 영국만 해도 매년 수백만 톤의 금속 폐기물을 발생시킵니다.
전자 현미경으로 이러한 스와프를 분석했을 때, 매끄러운 표면이 아니라 수십 나노미터 폭의 홈과 능선이 존재한다는 것을 발견했습니다.
이와 같은 복잡한 구조와 거대한 접촉 면적은 수소 생산을 위한 전기분해 전극 촉매의 이상적인 기판이 될 수 있습니다.
스와프 위에 플래티넘 비가 내리다
스와프에 플래티넘 원자를 추가하기 위해 연구진은 마그네트론 스퍼터링이라는 기술을 사용했습니다. 이 기술은 반도체 제조에서 강력한 자기장을 이용해 초박막 금속막을 증착하는 방법입니다.
출처: Korvus Tech
이 방법은 플래티넘 원자를 스와프 위에 “비처럼” 뿌려, 나노미터 크기의 홈과 능선에 증착합니다.
“우리는 1 cm²의 스와프에 단 28 마이크로그램의 귀금속만을 퍼뜨려, 실험실 규모 전해조를 100 % 효율로 작동시키고 1분당 0.5 리터의 수소 가스를 생산할 수 있었습니다.” – Dr Madasamy Thangamuthu, University of Nottingham 박사후 연구원.
이 방법을 통해 2가지 유형의 수소 발생 전극 촉매를 만들 수 있었습니다:
노팅엄 연구진은 현재 AqSorption과 협력해 이 기술을 확대 적용하는 작업을 진행 중입니다.
수소 혁신을 한데 모으다
새로운 촉매 패러다임
수소 경제를 구축하려면 수소 생산 및 유통 체인의 모든 단계가 가능한 한 효율적이어야 합니다.
최근까지는 플래티넘 및 코발트 기반 촉매의 희소성과 높은 비용 때문에 대체 촉매를 찾아야 했습니다. 예를 들어, 우리는 “니켈 기반 전기분해를 통한 수소 생산 혁신“에서 니켈 나노로드 사용 가능성을 논의했으며, “그린 수소가 회색 수소를 대체하고 새로운 전극 촉매가 생산 비용을 효율화한다”에서는 루테늄, 실리콘, 텅스텐(RuSiW) 등 대체 촉매를 다루었습니다.
스와프를 활용하는 발견은 이러한 새로운 촉매에 대한 필요성을 없앨 수 있습니다.
아마도 이러한 혁신들을 결합해 더욱 효율적인 새로운 촉매 유형을 만들 수 있을 것입니다. 혹은 플래티넘 사용량을 10배 감소시킬 수 있게 된 지금, 플래티넘 나노로드를 이용해 초고효율 촉매를 구현하는 방안도 고려될 수 있습니다.
수소 기술 향상 및 암모니아
이는 “수소가 저장 기술 혁신을 통해 에너지 원으로서 더욱 매력적으로 변하다”에서 논의된 수소의 효율적인 저장과, “배터리 셀이 수소 연료전지의 전 단계인가? 차세대 전기차의 실제 모습”에서 다룬 수소를 전력으로 전환하는 효율성 등 다른 혁신들과 결합될 가능성이 높습니다.
마지막으로, 고효율·저비용 수소 전기분해, 저장 및 활용 기술은 암모니아를 대량 연료·운송·장기 저장 형태로 활용하는 것과 결합될 수 있습니다. 이는 “그린 암모니아를 통한 전 세계 해운 라인 탈탄소화”와 “암모니아 생산이 환경에 큰 해를 끼치지만 엔지니어가 개발한 청정 방법”에서 논의된 바와 같이 암모니아를 연료·운송·장기 저장 매체로 활용하는 방안과도 연결될 수 있습니다.
수소 중심 기업
1. Sibanye Stillwater
(SBSW )
스와프를 이용한 수소 생산은 플래티넘 기반 전기분해를 경제적으로 만들면서 그린 수소의 대량 채택 가능성을 크게 높일 수 있습니다.
이는 최근 몇 년간 압박을 받아온 플래티넘 시장에 큰 활력을 줄 수 있습니다.
플래티넘 실적 부진의 핵심 요인 중 하나는 연료 자동차 및 트럭의 촉매 변환기에 대한 수요에 크게 의존했기 때문입니다. 세계가 전기차(EV)로 전환하면서 이 금속에 대한 수요 지속 가능성이 의문시되었습니다.
또한, 항공우주 산업의 스크랩 금속을 활용한 플래티넘 기반 전기분해가 수소 경제의 핵심이 된다면, 향후 수십 년간 플래티넘 수요는 보장될 것입니다.
남아프리카공화국에 본사를 둔 Sibanye Stillwater는 세계 최대 플래티넘 생산업체 중 하나이며, 전 세계 플래티넘 생산량의 80 %를 차지하는 국가에서 25 %를 담당하고 있습니다.
또한 팔라듐, 로듐, 루테늄 등 플래티넘족 원소도 생산하며, 현재는 금 및 배터리 금속 시장 진출을 위해 다각화하고 있습니다.
플래티넘 시장은 전기차(EV)와 내연기관(ICE) 채택 논쟁에 의해 좌우되어 왔습니다. 플래티넘 및 기타 플래티넘족 원소를 활용한 수소 전기분해 기술이 급속히 혁신함에 따라 상황이 바뀔 가능성이 있습니다.
플래티넘은 수소를 전기로 변환하는 대부분의 연료전지 설계에 필수적입니다. 따라서 스와프 기반 전기분해를 포함한 수소 기술 전반의 진전은 Sibanye Stillwater와 같은 플래티넘 중심 광산업체에 이익이 될 것입니다.
2. Ballard Power Systems Inc.
(BLDP )
Ballard는 연료전지 제조업체이며, 1993년에 최초의 연료전지 버스를 생산한 기술 개척자입니다.
이 회사는 버스, 트럭, 열차·트램, 선박, 광·건설, 전력 등 중·대형 시장에 집중하고 있습니다. 버스가 핵심 사업이었지만, 2025년까지 트럭이 주요 사업 부문이 될 것으로 예상하고 있습니다. 또한 유럽이 주요 시장(50‑60 %)을 차지하고, 그 뒤를 북미(25 %)가 잇습니다.
트럭용 연료전지 시장은 2030년에 75억 달러 규모(전체 1,950억 달러 TAM 중)로 성장할 것으로 예상되며, 이는 다른 모든 수소·연료전지 적용 분야를 합친 규모와 거의 맞먹습니다. 새로운 기술 덕분에 수소 생산 가격이 하락하면 이 성장세는 더욱 가속화될 수 있습니다.
출처: Ballard
전력 요구량이 높고 급속 충전이 필요하기 때문에, 중·대형 차량은 경량 차량(자동차)보다 수소와 연료전지에 더 적합한 시장입니다. 또한 철도와 트램버스에 필요한 전차선(케이블) 설치를 줄이고, 장거리 운송 시 빠른 재충전을 가능하게 합니다.
출처: Ballard
Ballard는 암모니아 분야에도 익숙한데, 예를 들어 최근 계약을 통해 Amogy에 “암모니아‑전력 플랫폼(특수 암모니아 분해 기술 기반)”에 연료전지를 제공하고 있습니다.
전기차(EV)가 자동차 시장을 빠르게 장악할 가능성이 있지만, 중·대형 차량은 탈탄소화가 더 어려운 편입니다. Ballard는 이 분야에서 확고한 리더십을 보유하고 있어, 수소 경제를 촉진하는 정책 추진 시 주요 수혜자가 될 것입니다.
촉매 기술 진보로 수소 생산 비용이 급속히 낮아지고, 이는 수소‑구동 차량 연료 비용을 기계적으로 감소시킵니다. 지정학적 긴장으로 석유 가격이 상승하고 탄소세가 확대됨에 따라, 특히 높은 출력과 장거리 주행이 요구되는 트럭·버스 등 차량에서는 수소가 유리한 선택지로 부상할 가능성이 있습니다.
