니켈 기반 전기분해를 통한 수소 생산 혁신

수소 생산을 위한 전기분해의 진전

수소는 일부 운송과 산업 분야에서 화석연료를 대체할 후보로 검토됩니다. 연료전지에 사용하거나 직접 전기화하기 어려운 공정에 활용할 수 있지만, 환경적 이점은 수소의 생산 방식과 전체 공급망에 따라 달라집니다.

연료전지는 수소의 화학에너지를 전기로 바꾸고, 수소 연소는 산업 공정의 열원으로 활용될 수 있습니다. 모든 운송 수단이나 산업에서 수소가 가장 효율적인 대안이라는 뜻은 아닙니다.

수소는 천연가스처럼 쉽게 이용할 수 있는 형태로 널리 채굴되는 자원이 아니므로 대부분 다른 물질에서 생산합니다. 전기분해는 그중 한 방법이지만, 당시 세계 수소 생산의 주된 방식은 화석연료를 이용하는 것이었습니다.

물 전기분해는 저배출 수소를 생산하기 위한 주요 연구 분야입니다. 다만 전기분해가 전체 수소 생산에서 가장 널리 사용되는 방식이라는 설명은 정확하지 않습니다.

물 전기분해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 과정입니다. 전력 소비와 설비 비용이 과제이며, 일부 방식에서는 백금 등 귀금속 촉매 비용도 중요합니다.

모든 전해조가 백금 촉매에 의존하는 것은 아닙니다. 촉매 재료, 반응 속도, 기포 배출, 전력 가격 등을 함께 개선해야 경제성을 높일 수 있습니다.

한국 연구진은 상대적으로 저렴하고 풍부한 니켈을 나노구조로 가공해 수소 기포가 전극에서 더 쉽게 떨어지도록 하는 방법을 개발했습니다.

수소 생산을 촉진하는 니켈 나노어레이

POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 김종규 교수와 김재림 연구원은 김용태 교수, 정상문 박사 연구팀과 공동으로 수전해 촉매의 성능 개선을 연구했습니다.

출처: POSTECH

수전해 과정에서 생긴 수소 기포가 전극 표면에 오래 붙어 있으면 물이 반응 부위에 접근하기 어려워집니다. 이는 유효 반응 면적과 물질 전달을 제한해 성능을 떨어뜨릴 수 있습니다.

연구진은 경사각 증착법으로 다공성의 3차원 니켈 나노막대 배열을 만들었습니다. 이 구조는 물속에서 기포가 표면에 잘 달라붙지 않는 초기포소수성을 보여 수소 기포의 빠른 분리를 돕습니다.

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

출처: POSTECH

POSTECH 발표에 따르면, 같은 양의 니켈을 사용한 기존 박막 전극과 비교해 이 나노구조 전극의 수소 생산 성능이 약 55배 향상되었습니다. 이는 해당 실험과 비교 대상에서 얻은 결과이며, 전체 전해조의 에너지 변환 효율이 보편적으로 55배가 된다는 뜻은 아닙니다.

니켈 촉매를 넘어 확장하기

이 연구는 니켈 나노막대를 사용했지만, 기포의 부착을 줄이는 표면 설계라는 아이디어는 다른 촉매에도 응용될 가능성이 있습니다.

다만 모든 촉매에서 동일한 성능을 낼 수 있다고 입증된 것은 아닙니다. 재료의 안정성과 제조 방법, 반응 조건을 각각 검증해야 합니다.

보다 나은 전기분해

기사 작성 당시 세계 수소 생산은 천연가스와 석탄 등 화석연료에 크게 의존했습니다. 이러한 방식은 생산 비용 측면에서 유리할 수 있지만, 탄소 포집 없이 생산하면 상당한 온실가스가 배출됩니다.

따라서 수소 사용 자체만으로 탄소 감축이 보장되지는 않습니다. 생산부터 운송과 사용까지의 배출량을 함께 평가해야 합니다.

재생에너지 전기로 물을 전기분해해 생산한 수소를 일반적으로 그린 수소라고 부릅니다.

이 방식은 화석연료 기반 수소보다 배출을 줄일 수 있지만, 설비 제조와 전력 공급망 등을 포함한 전 과정 배출이 자동으로 0이 되는 것은 아닙니다.

그린 수소 공급망의 비용을 줄이는 기술은 화석연료 대안으로서의 경제성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.

다만 실험실의 촉매 개선만으로 상업적 경쟁력이 결정되지는 않습니다. 설비 규모 확대, 수명, 전력 가격, 저장 및 운송 비용도 중요합니다.

기포 배출을 개선하는 구조는 백금과 같은 기존 촉매와 결합하는 연구에도 활용될 수 있습니다.

그러나 니켈 나노막대와 다른 촉매를 결합했을 때의 실제 성능과 비용은 별도로 확인해야 합니다.

루테늄·규소·텅스텐(RuSiW) 기반 촉매처럼 다른 재료에도 응용을 검토할 수 있습니다. 관련 연구는 「새로운 전기촉매로 생산 비용을 낮춰 그레이 수소의 대안이 되는 그린 수소」에서 다뤘습니다. 이번 니켈 구조 연구가 모든 촉매 조합을 검증한 것은 아닙니다.

보다 나은 수소 공급망

수소를 에너지 시스템에 활용하려면 전기분해뿐 아니라 저장, 운송, 변환과 최종 사용 단계도 개선해야 합니다.

공급망 전반의 손실과 비용을 줄이는 일이 생산 단계의 성능 개선만큼 중요합니다.

연료전지 개선은 일부 운송 분야에서 수소 차량의 경쟁력에 도움이 될 수 있습니다. 관련 논의는 「배터리 전기차 다음은 수소 연료전지차일까?」에서 확인할 수 있습니다. 수소 연료전지차 역시 전기 모터로 구동되는 전기차의 한 종류입니다.

더 효율적인 대규모 저장 방법도 수소의 취급과 유통에 도움이 될 수 있습니다. 「저장 기술의 발전으로 에너지원으로서의 가능성을 높이는 수소」에서 관련 기술을 살펴봤습니다.

잠재적 기타 응용 분야

기포가 잘 달라붙지 않는 나노구조 표면은 수소 생산 외의 반응에도 응용될 가능성이 있습니다.

특히 기체 발생이나 표면 반응이 성능을 제한하는 공정에서 연구할 가치가 있습니다.

수소는 암모니아 합성의 원료이므로 저배출 수소의 비용이 낮아지면 그린 암모니아의 경제성에도 도움이 될 수 있습니다. 다만 암모니아 합성 공정의 효율이 자동으로 같은 비율만큼 개선되는 것은 아닙니다. 해운 연료로서의 가능성은 「그린 암모니아를 통한 세계 해운의 탈탄소화」에서 다뤘습니다.

김종규 교수는 이 연구가 다른 기체 관련 표면 반응과 재생에너지 기술에도 도움이 될 가능성을 언급했습니다.

연구진은 그린 수소 생산을 위한 수전해 공정의 성능을 개선하는 것이 수소경제와 탄소중립 사회에 가까워지는 데 도움이 된다고 설명했습니다.

또한 이산화탄소 환원과 광에너지 변환 시스템 등 표면 반응이 중요한 다른 분야로의 응용 가능성을 제시했습니다.

따라서 향후 이산화탄소 전환이나 인공 광합성 연구와 연결될 가능성이 있습니다. 이는 탄소 포집이나 인공 광합성의 상용 성능이 이번 연구에서 입증되었다는 뜻은 아닙니다. 관련 개념은 「인공 광합성과 생분해성: 지속가능성을 고려한 플라스틱 문제 대응」에서 살펴봤습니다.

수소 솔루션 기업

1. Aker Horizons ASA

니켈 나노막대 연구는 수소 생산과 저장을 개선하려는 여러 연구 중 하나입니다. 공급망의 여러 단계에 투자하면 특정 기술에 대한 집중도를 줄일 수 있지만, 분산 투자가 손실을 막거나 수익을 보장하는 것은 아닙니다.

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

Aker Horizons는 당시 노르웨이의 수소 및 그린 암모니아 프로젝트를 통해 산업과 해운의 탈탄소화를 추진하고 있었습니다.

그룹의 재생에너지와 수소·암모니아 관련 사업은 공급망의 여러 단계를 연결할 가능성이 있습니다. 다만 계획된 모든 시설이 이미 완전한 수직 통합 생산을 수행하고 있다는 의미는 아닙니다.

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

이러한 사업 구성은 여러 그린 에너지 기술과 지역에 대한 노출을 제공합니다. 투자 적합성은 재무 상태와 프로젝트 위험, 투자자의 목표에 따라 달라지며, 사업 분야가 다양하다고 좋은 투자 수익이 보장되지는 않습니다.

2.  Ballard Power Systems Inc.

수소는 이미 정유와 화학 산업에서 널리 사용됩니다. 새로운 에너지 용도로는 발전과 운송 등이 검토되고 있으며, 직접 전기화하기 어려운 분야가 중요한 후보입니다. 새로운 수요의 규모와 구성은 아직 불확실합니다.

Ballard는 연료전지 제조업체로, 1993년 연료전지 버스를 시연한 초기 기술 개발 기업 중 하나입니다.

회사는 버스, 트럭, 철도, 선박, 광업·건설 장비, 발전 분야에 집중하고 있습니다. 당시 전망에서는 2025년까지 트럭 부문의 비중 확대를 기대했고, 유럽이 50~60%, 북미가 약 25%를 차지하는 지역 구성을 예상했습니다. 이는 당시 회사의 전망이며 실현된 결과가 아닙니다.

Ballard의 2023년 자료는 2030년 트럭용 연료전지의 잠재 시장을 약 75억 달러로 추정했습니다. 같은 표의 1,950억 달러는 트럭 관련 전체 잠재 시장을 가리키며, 모든 연료전지 분야의 합계가 아닙니다. 이러한 전망은 채택률 등 여러 가정에 따른 시장 추정치이지 Ballard의 예상 매출이 아닙니다.

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

출처: Ballard

높은 출력, 긴 운행 거리, 빠른 연료 보급이 필요한 일부 중대형 차량에서는 수소 연료전지가 유용할 수 있습니다. 철도에서는 가선 설치를 줄일 가능성도 있지만, 배터리와 가선 방식 등 대안과의 비용·효율 비교가 필요합니다.

출처: Ballard

Ballard는 암모니아를 수소로 분해한 뒤 연료전지에 사용하는 시스템에도 참여합니다. 예를 들어 2022년 발표된 계약에 따라 Amogy의 암모니아-전력 플랫폼에 연료전지를 공급하기로 했습니다. 연료전지가 암모니아를 그대로 직접 사용하는 방식과는 다릅니다.

승용차에서는 배터리 전기차가 확대되고 있지만, 중대형 운송의 탈탄소화에는 다양한 기술이 경쟁하고 있습니다.

수소 생산 비용이 낮아지고 관련 정책과 수요가 확대되면 Ballard에 기회가 될 수 있습니다. 다만 이번 니켈 촉매 연구가 곧바로 수소 가격 급락이나 회사의 수익 증가로 이어진다고 단정할 수는 없습니다.