니켈 기반 전기분해를 통한 수소 생산 혁신

수소 생산을 위한 전기분해의 진전

Hydrogen is considered a serious candidate for replacing fossil fuels. This is true in transportation, thanks to fuel cells, and in industrial processes where hydrogen’s high combustion temperature can replace coal & natural gas when electrification is not an option.

수소는 화석 연료를 대체할 수 있는 진지한 후보로 여겨지고 있습니다. 이는 연료 전지를 통한 운송 분야와 전기화가 불가능한 경우 석탄 및 천연 가스를 대체할 수 있는 높은 연소 온도를 가진 수소가 산업 공정에서 활용될 수 있기 때문입니다.

An issue is that hydrogen is not often found in easily accessible natural deposits like natural gas. Instead, it needs to be artificially generated, with electrolysis being the most commonly used method.

문제는 수소가 천연 가스와 같은 쉽게 접근 가능한 자연 매장량에서 흔히 발견되지 않는다는 점입니다. 대신 인공적으로 생산해야 하며, 전기분해가 가장 일반적으로 사용되는 방법입니다.

Electrolysis is the breaking down of water into hydrogen and oxygen. Among the issues with the way electrolysis is currently done are low efficiency (wasting energy) and high costs, mostly due to expensive catalysts like platinum.

전기분해는 물을 수소와 산소로 분해하는 과정입니다. 현재 전기분해 방식에서 발생하는 문제점으로는 낮은 효율(에너지 낭비)과 주로 백금과 같은 고가 촉매 때문에 높은 비용이 있습니다.

A research team from Korea might have found a way to both boost efficiency and replace the expensive catalysts with much more affordable and abundant nickel.

수소 생산을 촉진하는 니켈 나노어레이

The researchers of Professor Jong Kyu Kim’s team at the Department of Materials Science and Engineering at POSTECH (포항대학교, 한국) have been looking to solve a major issue with hydrogen electrolysis.

출처: POSTECH

문제는 생산된 수소가 촉매에 “붙어” 물에 접근하지 못하고 계속 작동하지 못한다는 점입니다. 이는 효율을 감소시켜 필요한 에너지를 늘리고 결국 필요 이상으로 비싼 촉매를 요구하게 됩니다.

대신 김종규 교수와 그의 팀은 완전히 수직 정렬되지 않은 정밀한 니켈 나노로드 돌기를 제작했습니다. 니켈 막대의 나노구조와 기울어진 각도는 초공기소수성이라고 불리는 현상을 보여주어 수소 기포가 더 쉽게 분리되도록 합니다.

이로 인해 물이 촉매에 도달할 수 있는 공간이 확보되어 전기분해 효율이 향상됩니다.

출처: POSTECH

이 방법은 전통적인 얇은 막 구조에서 동일량의 니켈을 사용할 때보다 수소 생산 효율을 무려 55배 향상시켜, 공정 효율을 크게 높일 수 있습니다.

니켈 촉매를 넘어 확장하기

The technology used nanorods of nickel but does not have to be limited to this metal. In fact, this metal of oblique nanorods reducing hydrogen adhesion can theoretically be used with any other catalyst. So, what does it mean for hydrogen prospects?

이 기술은 니켈 나노로드를 사용했지만 반드시 이 금속에만 국한될 필요는 없습니다. 실제로 수소 부착을 감소시키는 경사형 나노로드는 이론적으로 다른 모든 촉매와도 사용할 수 있습니다. 그렇다면 수소 전망에 어떤 의미가 있을까요?

보다 나은 전기분해

Currently, most hydrogen produced in the world is made from natural gas. This is economically more profitable but defeats the purpose of producing hydrogen to reduce carbon emissions.

현재 전 세계에서 생산되는 대부분의 수소는 천연 가스로부터 만들어집니다. 이는 경제적으로 더 유리하지만, 탄소 배출을 줄이기 위해 수소를 생산한다는 목적에 어긋납니다.

To get truly carbon-neutral hydrogen, producing it from electricity generated from renewables is the way go, usually called “green hydrogen”.

진정한 탄소 중립 수소를 얻기 위해서는 재생 에너지로 생산된 전기로 만드는 것이 일반적으로 ‘그린 수소’라고 불리는 방법입니다.

Any method that can reduce the overall cost of the green hydrogen supply chain is one step closer to making it a viable alternative to fossil fuels.

그린 수소 공급 체인의 전체 비용을 낮출 수 있는 모든 방법은 화석 연료에 대한 실질적인 대안으로 다가가는 한 걸음입니다.

This could be true for “classical” high-efficiency, high-cost platinum catalysts, maybe in combination with the nickel rods.

이는 고효율·고비용의 ‘고전적인’ 백금 촉매에도 적용될 수 있으며, 니켈 막대와 결합될 가능성도 있습니다.

It could also be possible to see it applied to other recently discovered cost-effective electrolysis catalysts, like ruthenium, silicon, and tungsten (RuSiW) that we covered in our article “그린 수소가 회색 수소를 대체하고 새로운 전기촉매가 생산 비용을 효율적으로 만든다“.

보다 나은 수소 공급망

Electrolysis is also just one of the steps that can be improved to make hydrogen a keystone of our energy systems.

전기분해는 수소를 에너지 시스템의 핵심으로 만들기 위해 개선될 수 있는 단계 중 하나에 불과합니다.

For example, better fuel cells could make hydrogen vehicles strong competitors to EVs, something we discussed in our article “배터리 셀은 수소 연료 전지의 전 단계에 불과한가? 전기차의 진정한 차세대”.

And more efficient large-scale storage solutions can make hydrogen a lot easier to handle and distribute, something we discussed in our article “수소가 저장 기술 혁신을 통해 에너지 원으로서 더욱 매력적으로 변하다”.

잠재적 기타 응용 분야

The use of inclined nanorods for creating super-aerophobicity could have applications beyond hydrogen.

경사형 나노로드를 이용한 초공기소수성 생성은 수소를 넘어선 응용 가능성을 가질 수 있습니다.

The first effect is that with cheap and efficient hydrogen production comes equally efficient ammonia production. Ammonia has a few significant advantages over hydrogen for applications like fuel for shipping, something we discussed in “그린 암모니아를 통한 전 세계 해운 라인 탈탄소화“.

Professor Jong Kyu Kim also mentioned that nanorods technology could benefit other chemical processes involving gas.

“By enhancing the efficiency of the water electrolysis process for green hydrogen production, we are advancing towards a hydrogen economy and a carbon-neutral society.

This breakthrough benefits water electrolysis and holds promise for various other renewable energy applications where surface reactions play a crucial role, such as carbon dioxide reduction and light energy conversion systems.”

So this innovation could go beyond hydrogen, and could have a serious impact on carbon capture and artificial photosynthesis, an idea we started to explore in “인공 광합성 및 생분해성: 지속 가능성을 염두에 둔 플라스틱 위협 대응”.

수소 솔루션 기업

1. Aker Horizons ASA

The discovery on how to use nickel nanorods is just the latest in a series of innovations boosting the prospects of hydrogen as an alternative fuel and energy storage solutions. So it might pay off to have a diversified exposure to all the stages of the hydrogen supply chain.

Aker Horizons는 그린 에너지를 중심으로 하는 Aker 그룹의 자회사입니다. Aker 그룹은 재생 에너지와 해양/오프쇼어 사업에 집중하는 중요한 노르웨이 대기업이며, Aker Horizons는 탄소 포집, 그린 수소 및 재생 에너지 등을 포함한 여러 자회사를 보유한 지주회사입니다.

출처: Aker

이 회사는 특히 노르웨이에서 북극 해운의 탈탄소화를 목표로 수소 및 그린 암모니아 생산에 활발히 참여하고 있습니다.

Aker Horizons는 해상 풍력 발전부터 수소 생산, 그린 암모니아 생산에 이르는 그린 수소 및 암모니아의 전체 수직 통합을 수행할 수 있습니다.

또한 프랑스의 폐기물-에너지 전환, 독일의 바이오매스 플랜트, 중동(사우디아라비아 및 UAE)에서의 탄소 포집 프로젝트에도 참여하고 있습니다.

이는 그린 에너지 부문 전반에 대한 노출을 원하는 투자자에게 좋은 주식이 되며, 그린 암모니아 및 해운 분야에서 강력한 입지를 가지고 있을 뿐만 아니라 다른 그린 에너지와 지역적 다변화도 제공합니다.

2.  Ballard Power Systems Inc.

수소의 주요 시장이 무엇이 될지는 아직 확실하지 않습니다. 전력 생산 및 자동차 연료가 될 수도 있지만, 전기화가 어려운 중장비 분야에 국한될 가능성도 있습니다.

Ballard는 연료 전지 제조업체이며, 1993년 최초의 연료 전지 버스를 출시한 기술 선구자입니다.

이 회사는 버스, 트럭, 열차/트램, 선박, 광업/건설 및 전력 등 중장비 시장에 집중하고 있습니다. 버스가 사업의 핵심이었지만, 2025년까지 트럭이 주요 사업 부문이 될 것으로 예상합니다. 또한 유럽이 주요 시장(50-60%)을 유지하고, 그 다음으로 북미(25%)가 뒤따를 것으로 보고 있습니다.

트럭용 연료 전지는 계속 성장할 것으로 예상되며, 2030년에는 75억 달러 규모(전체 TAM 1,950억 달러 중)로, 다른 모든 수소/연료 전지 응용 분야를 합친 규모와 거의 맞먹습니다.

이러한 성장은 개선되고 저렴해진 전기분해와 같은 새로운 기술로 인해 수소 생산 비용이 감소하면 가속화될 수 있습니다.

출처: Ballard

높은 전력 요구와 빠른 충전 필요성 때문에, 중장비 차량은 자동차와 같은 경량 차량보다 수소 및 연료 전지 시장에 더 적합합니다. 또한 철도와 트롤리 버스에 필요한 전차선 설치 필요성을 감소시킵니다.

출처: Ballard

이 회사는 암모니아에도 낯선 것이 아닙니다. 예를 들어 최근 계약을 통해 Amogy에 “독특한 암모니아 분해 기술에 기반한 암모니아-전력 플랫폼”에 연료 전지를 제공하고 있습니다.

전기차가 자동차 시장을 빠르게 장악할 가능성은 있지만, 중량 차량은 탈탄소화가 더 어렵습니다.

이 분야에서 확립된 리더십을 바탕으로 Ballard는 수소 경제를 향한 정책 추진과 니켈 기반 전기분해에 의한 수소 생산 비용 급감의 주요 수혜자가 될 것입니다.