에너지
AI가 녹색 수소 생산을 가속화할 수 있는 방법
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녹색 수소는 화석 연료가 없는 미래를 위한 빠진 핵심 열쇠입니다. 전기만으로는 연료와 화학 원료에 의존하는 산업을 완전히 탈탄소화할 수 없기 때문입니다. 여기에는 대형 트럭, 선박, 항공, 화학 생산, 제철 및 기타 금속공학, 광업 등 거대한 경제 부문이 포함됩니다.
이러한 모든 활동에 대해 녹색 수소는 직접 혹은 암모니아나 재생 연료로 전환되어 액체 연료가 필요한 활동에 전력을 공급할 수 있지만, 화석 연료 자원에 의존하지 않을 수 있습니다.
이 기술의 잠재력은 최근 맥길 대학교(캐나다)와 인도 과학 교육 연구소(IISER) 보팔(인도) 연구원들의 연구에서 분석되었습니다. 연구에서는 녹색 수소의 다양한 가능한 공급원과 지속 가능한 액체 연료 및 기타 탄화수소 제품을 만들 수 있는 전기화학적 방법을 논의합니다.
그들은 그 결과를 Renewable and Sustainable Energy Reviews1에 “Electrochemical energy technologies: Current progress and future opportunities for sustainable energy transitions”라는 제목으로 발표했습니다.
왜 기체와 액체 연료가 중요한가
탈탄소화를 추구하는 핵심 이유는 온실가스 배출 증가로 인한 기후 변화이며, 가장 중요한 배출원은 CO₂이고 그 다음이 메탄(CH₄)입니다.
“기후 변화의 부정적인 흐름을 되돌리지 못하면 경제 불안정, 극심한 기상 현상, 그리고 사회적 불평등 심화와 같은 위험에 직면하게 됩니다.”
따라서 화석 연료 기반 에너지 시스템을 개혁하는 것이 필수적입니다. 최근 재생 에너지의 증가에도 불구하고 전기 생산에만 영향을 미쳐 대부분의 인간 주요 에너지 소비는 전기로 이루어지지 않고 있습니다. 대신 이 에너지 소비는 난방, 산업 생산, 해운, 항공, 트럭 등에 사용됩니다. 결과적으로 전 세계 에너지 원의 80% 이상이 석탄, 석유, 가스와 같은 화석 연료로 구성되어 있습니다.
출처 IEA
이러한 활동을 탈탄소화하기가 어려운 이유는 다음과 같습니다:
- 기존 시스템은 전기로 운용될 수 없으며, 기존 트럭, 선박, 비행기, 공장, 주조소 등을 전기화된 대안으로 교체하는 데는 최소 수십 년이 걸릴 것입니다.
- 많은 시스템은 액체 연료와 연소에 대한 전기 대안이 없어 효율적인 성능을 유지하기 어렵습니다.
- 녹색 연료 대안은 아직까지 화석 연료와 경제적으로 경쟁하기엔 비용이 너무 높습니다.
따라서 기존 에너지, 물류 및 산업 시설을 빠르게 전기화하지 않고도 탈탄소화할 수 있도록, 화석 연료와 화학적으로 동일한 탄소와 수소 원자로 구성된 녹색 탄화수소가 필요합니다. 이는 경우에 따라(트럭, 난방) 매우 어렵고, 항공 운송의 경우 사실상 불가능에 가까운 과제입니다.
지속 가능한 에너지 시스템으로의 전환
녹색 수소의 중요성
수소는 특히 물(H₂O) 형태로 풍부하지만, 순수한 형태(H₂)로는 자연에 존재하지 않습니다. 따라서 녹색 수소를 생산하려면 먼저 수소를 만들어야 하며, 이는 에너지를 소비합니다.
수소가 탈탄소화에 의미 있게 기여하려면 생산 과정 역시 낮은 탄소 발자국을 가져야 합니다. 재생 전기로 구동되는 전기분해가 가장 친숙한 경로이며, 신흥 기술은 바이오매스 유래 분자에서 훨씬 낮은 전압으로 수소를 추출할 수 있습니다.
전기를 사용해 수소를 생산하고 이를 유용한 녹색 탄화수소로 전환하는 방법은 일반적으로 “Power‑to‑X”라 불리며, 여기서 “X”는 가스, 석유 또는 기타 화학 물질로 대체될 수 있습니다. 전기화학적 전환은 순수 수소와 CO₂ 또는 다른 탄소원을 결합해 사용하기 쉽고 저장이 용이한 제품으로 변환합니다.
수소를 다른 화합물로 전환하는 추가 장점은 수소 자체가 저장 및 운송이 매우 어렵다는 점입니다. 비교적 메탄이나 액체 연료는 훨씬 쉽게 다룰 수 있습니다.
마지막으로 재생 전기의 간헐적 특성 때문에 생산량이 수요를 초과하는 순간이 발생합니다. 이때 수소 생산이 현재 대부분 낭비되는 잉여 전력을 흡수할 수 있습니다.
“이산화탄소의 전기화학적 환원으로 생산된 메탄올은 저장 및 운송 문제를 완화하면서 높은 에너지 밀도를 가진 친환경 에너지 운반체가 될 수 있습니다. 메탄은 이산화탄소의 전기화학적 환원으로 생산될 수 있으며 기존 천연가스 파이프라인에 저장될 수 있습니다.”
지속 가능한 연료를 위한 다양한 경로
연구에서는 녹색 수소를 활용해 만들 수 있는 16가지 이상의 부가가치 화학 물질을 확인했으며, 여기에는 일산화탄소(합성 가스의 주요 성분), 개미산, 메탄올, 메탄, 에탄올, 에틸렌, 프로판올 등이 포함됩니다. 많은 경우 이는 여러 단계의 공정을 거쳐 동등하게 유용한 중간 화학 물질을 생산합니다.
전해조를 이용한 녹색 수소의 또 다른 가능성은 바이오매스에서 생산된 수소입니다. 초기에는 박테리아 분해를 이용한 전략이 시도되었지만 수율이 너무 낮았습니다.
새롭게 주목받는 기술은 바이오매스 플랫폼 분자에서 직접 양극에서 수소를 생성하는 방법입니다. 이는 산소 발생 반응(OER) 기반 기존 기술보다 훨씬 낮은 전압으로 수행될 수 있습니다.
이 방법에는 주로 구리 기반 촉매가 사용되지만, 촉매 비활성화를 방지하기 위한 개선이 필요합니다. 다른 금속이나 원소를 첨가하거나 구리 내부에 고급 나노구조를 도입하면 성능을 급격히 향상시킬 수 있습니다.
AI, 전해조, 그리고 수소
전해조는 물을 수소로 분해하거나 바이오매스를 보다 유용한 화합물로 전환하는 데 사용되며, 녹색 에너지와 수소 생산을 위한 유망한 분야입니다.
현재까지 촉매 개선은 다양한 원소, 촉매 유형, 나노구조, 전하 전달 조합을 시도함으로써 이루어졌습니다. 그러나 이는 실질적인 수천 가지 조합을 만들어내며, 새로운 촉매 설계가 실제 환경에서 어떻게 작동할지 예측할 수 있는 단순한 수학 모델이 존재하지 않습니다.
AI는 다른 녹색 에너지 분야에서 이미 활용되고 있기 때문에 이 문제 해결에 도움을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 광전지 개발에서는 AI가 광전자 재료의 밴드갭과 결함 에너지를 예측해 새로운 재료 발견을 가속화했습니다.
마찬가지로 AI는 레독스 흐름 배터리용 새로운 레독스 전해질을 탐색하거나 고체 상태 Na‑이온·Li‑이온 배터리용 전극 재료를 발견하는 데 성공적으로 활용되었습니다.
전기화학 에너지 기술 분야에서도 AI는 연구자들이 복잡한 그림을 보다 쉽게 다루도록 도와줄 수 있습니다.
“AI는 학습에 사용된 데이터 품질에 기반해 표면 활성도, 활성 부위 위치, 결합 거리, 반응물·생성물·중간체의 결합 에너지 등에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.”
이 방법은 많은 추측을 없애고 실험실에서 빠르게 테스트할 수 있는 새로운 유망 후보 물질을 제공할 수 있습니다.
또 다른 AI 활용 사례는 녹색 수소 생산 외에도 바이오매스의 전기화학적 가치화를 설계해 유용한 산, 알데히드, 퓨란, 알코올 등을 생산하도록 하는 것입니다.
“견고한 AI 모델은 실험 데이터와 시뮬레이션 데이터를 모두 활용해 구조‑특성 관계를 포착함으로써 원하는 제품의 선택성, 제어 및 높은 파라데이 효율을 달성하기 위한 전기화학 반응 설계를 합리화할 수 있습니다.”
상용화에 도달하는 것은 결코 쉽지 않다
AI 덕분에 더욱 유망하고 수익성이 높아질 가능성이 있지만, 물이나 바이오매스에서 전해조를 이용한 전기화학적 수소 생산은 아직 매우 낮은 킬로그램당 가격으로 대규모 생산에 이르지 못했습니다. 이때 비로소 화석 연료와 효율적으로 경쟁할 수 있습니다.
이 기술의 추가적인 실증이 필요하며, 단순히 실험실에서 개념을 개선하는 것만으로는 충분하지 않습니다.
내구성, 선택성, 전류 밀도, 파일럿 규모 경제성 등 모든 요소가 개선돼야 실험실 수준의 유망한 방법을 전 세계 테라와트 규모로 확장해 석탄·가스·석유를 크게 대체할 수 있습니다.
그럼에도 불구하고 이러한 전환은 곧 실현될 가능성이 높으며, 전해조와 녹색 연료의 경제성을 개선하는 것이 지난 100년 동안 현대 문명이 구축한 대부분의 기술과 인프라를 전기화하는 것보다 비교적 쉬울 수 있습니다.
투자자 입장에서는 위에서 논의된 전기화학 경로 대부분이 아직 초기 단계라 공개 시장 노출이 제한적입니다. 보다 실용적인 접근법은 수소를 대규모로 생산·활용하기 위한 기반 인프라를 이미 상용화하고 있는 기업을 살펴보는 것입니다. 그 중 하나가 Bloom Energy이며, 이 회사의 고체산화물 전해조와 연료전지 기술은 전기화학 에너지 시스템 전반의 구축에 대한 노출을 제공합니다.
재생 연료에 투자하기
Bloom Energy
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Bloom Energy는 전해조 기술과 연료전지 분야의 글로벌 리더입니다.
현재 이 회사의 주요 시장은 연소 없이 연료를 고효율 전기로 변환하는 연료전자로, 고온 공기와 고농도 CO₂ 흐름을 생성합니다. 설계는 본질적으로 모듈식이며, 전력량을 늘리려면 셀을 추가하면 되며 메가와트 규모까지 확장 가능합니다.
출처: Bloom Energy
2024년부터 현재까지 Bloom Energy는 병원·원격 현장·예비 전력 시장에서 데이터 센터 시장으로 초점을 전환했으며, 이로 인해 매출과 주가가 크게 급등했습니다.
이는 또한 AI 데이터 센터가 현재의 AC/DC 혼합이 아닌 완전 DC 아키텍처로 전환되면서 공간과 장비를 절감한 덕분입니다.
Bloom은 연료전지 기술과 탄소 포집 기술을 결합하는 파트너십을 시작했으며, 이를 통해 천연 가스로 구동되더라도 생산된 에너지가 사실상 탄소 중립이 됩니다. 2022년부터는 고효율 수소 고체산화물 전해조도 생산하고 있습니다.
이로써 Bloom은 전기화학 시스템을 확장하는 데 필요한 전문성을 보유하게 되었지만, 연구에서 언급된 바이오매스 전해 및 CO₂ 전환 경로는 현재 핵심 상용 제품군에는 포함되지 않습니다.
따라서 투자자는 Bloom Energy의 데이터 센터 시장에서의 향후 성공에 주로 투자해야 하며, 이는 수소 및 녹색 연료 시장에서의 잠재적 확장보다 단기적인 성공을 더 크게 좌우할 것입니다.
(Bloom Energy에 대한 자세한 내용은 당사의 투자 보고서에서 확인할 수 있습니다.)
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참조 연구
1. Ignacio Aguilar at al. 전기화학 에너지 기술: 지속 가능한 에너지 전환을 위한 현재 진행 상황 및 미래 기회. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 242, 2026년 12월, 117313. https://doi.org/10.1016/j.rser.2026.117313
