청정 에너지를 위한 효율적인 수소 생산 열기

세계 인구와 경제의 지속적인 성장으로 에너지 수요가 크게 증가했으며, 그 중 약 80%는 화석 연료로 충당됩니다. 이러한 자원은 급격히 감소하고 있을 뿐만 아니라 환경에서 온실 가스(GHG)의 상당한 증가에도 책임이 있습니다.

그 결과, 현재는 태양, 풍력, 수력, 유기 물질 및 지열과 같은 재생 가능 에너지 원에 대한 관심이 커지고 있습니다.

자연적으로 재생되는 자원에서 파생된 재생 가능 에너지는 청정하고 지속 가능한 에너지 시스템에 중요합니다. 그러나 불규칙한 가용성, 높은 초기 비용, 지리적 제한, 넓은 공간 요구 등 다양한 도전에 직면해 있습니다.

여기서 수소가 등장합니다. 전 세계 수소 수요는 2023년에 9700만 톤(Mt)으로 전년 대비 2.5% 증가했습니다.

수소가 청정 에너지 전환에서 하는 역할

우주에서 가장 가벼운 원소인 수소는 그 유연성과 무게 대비 상당한 에너지를 저장할 수 있는 능력 덕분에 보다 지속 가능한 에너지 생태계를 달성하기 위한 유망한 해결책으로 부상했습니다.

수소는 태양과 같은 1차 에너지원이 아니라 물, 천연 가스 또는 바이오매스와 같은 다른 원료에서 생산되어야 하는 2차 에너지원입니다.

천연 가스와 같은 화석 연료를 사용해 생산될 경우(현재 가장 일반적인 방법), 수소는 상당한 연간 CO2 배출량을 초래하므로 청정 에너지가 아닙니다.

하지만 연료 전지에서 사용될 때 수소는 부산물로 물 증기만을 배출하므로 청정 연료가 됩니다.

다목적 에너지 운반체인 수소는 여러 핵심 에너지 과제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 수소는 에너지를 몇 주 또는 몇 달 동안 저장함으로써 재생 가능 에너지의 전력 시스템 통합을 지원할 수 있습니다.

핵 또는 재생 가능 에너지로 생산된 저탄소 수소, 혹은 탄소 포집을 이용한 화석 연료 기반 수소는 다양한 분야의 탈탄소화에 기여할 수 있습니다. 특히 배출 감소가 어려운 중공업 및 장거리 운송 분야는 큰 혜택을 받을 수 있습니다. 그러나 이러한 수소 생산은 2023년 기준 1% 미만으로 여전히 미미한 역할에 머물고 있습니다.

수소는 실제로 다양한 기술을 통해 생산될 수 있습니다. 지속 가능한 수소를 생산하는 가장 효율적인 방법 중 하나는 물 전기분해입니다. 이 에너지 집약적인 전기분해에서는 전기를 사용해 물을 수소와 산소로 분해합니다. 이 기술은 잘 개발되어 상업적으로 이용 가능하지만, 추정 에너지 효율은 약 52%에 불과합니다.

또 다른 접근법은 플라스모리시스이며, 이는 전기분해와 동등한 에너지 수율을 보이며 전력 소비 감소, 주요 비용 절감, 장비 크기 축소라는 장점을 제공합니다. 최근 마이크로플루이딕스와 마이크로 플라즈마 분야의 발전으로 수증기 플라스모리시스를 통한 수소 생산이 에너지 효율 측면에서 매력적이 되었습니다.

전기를 위한 수소를 생산하는 다른 방법으로는 광촉매, 바이오수소, 열화학 공정이 있습니다.

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수소 기술은 유망하지만, 그 광범위한 사용은 여전히 생산 비용, 효율성 및 전반적인 환경 지속 가능성 측면에서 어려움에 직면해 있습니다. 보다 깨끗한 에너지 원이 필요함에 따라 전 세계 연구자들은 새로운 소재와 향상된 기술을 통해 이러한 문제를 해결하려 끊임없이 노력하고 있습니다.

수소 효율성을 높이는 촉매 혁신

수소 기술이 개념 단계에서 상용화 단계로 진전함에 따라, 이러한 시스템을 효율적이고 확장 가능하게 만드는 핵심 과제 중 하나는 재료입니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 다양한 접근법을 연구하고 있습니다.

예를 들어, 이번 달 네이처(Nature)에 발표된(1) 중국 과학원 본부의 연구에서는 백금 대신 사용할 수 있는 작은 철 촉매를 소개했으며, 이는 청정 에너지의 미래를 바꿀 잠재력을 가지고 있습니다.

PEMFC는 수소와 산소로부터 전기를 생산하고 물만을 부산물로 내는 청정 에너지 장치입니다. 그러나 이들은 희귀하고 비싼 백금에 크게 의존합니다. 따라서 널리 채택되기 위해 연구진은 이러한 연료 전지를 위한 고성능 철 기반 촉매를 개발했습니다.

새 촉매는 ‘내부 활성화, 외부 보호’라는 영리한 설계를 통해 유해 부산물을 줄이면서 뛰어난 성능을 달성할 수 있습니다.

Fe/N–C 촉매는 백금족 금속 촉매의 가장 유망한 대안 중 하나이지만, 그 활성도와 내구성이 성능 기준을 충족하지 못합니다. 그래서 연구팀은 2D 탄소 층 위에 다수의 나노돌출부가 분포하고, 그 내부 곡면에 단일 Fe 원자 사이트가 삽입된 새로운 유형의 Fe/N–C 촉매를 설계·개발했습니다.

그 결과, 새로운 촉매는 연속 300시간 이상 작동 후에도 86%의 활성 유지율을 보이며, 백금족 금속이 없는 PEMFC 성능 중 ‘최고 수준’ 중 하나를 달성했습니다.

수소를 기후 중립적으로 생산하기 위한 또 다른 핵심 기술은 프로톤 교환막 물 전기분해(PEM-WE)입니다.

반응을 가속화하기 위해 전극은 특수 전기촉매로 코팅됩니다. 양극에는 특히 산성 산소 발생 반응(OER)에 사용되는 이리듐 기반 촉매가 일반적으로 사용됩니다.

OER는 청정 수소 에너지를 생성하는 물 분해 과정의 산소 생산 단계이지만, 여전히 도전적이고 비효율적입니다. 이 반응은 이리듐 기반 촉매를 사용할 때 가장 효과적입니다.

1803년에 발견된 이리듐은 자연에서 순수 형태로 존재하지 않으며, 백금, 팔라듐, 니켈 또는 구리 생산의 부산물로 상업적으로 회수됩니다.

이리듐은 밀도가 높고 단단한 금속으로 공기, 물, 산에 영향을 받지 않습니다. 이러한 특성 때문에 점화 플러그, 과학 장비, 촉매, 전자용 전도성 잉크, 암 치료 등에 사용됩니다.

이 금속은 순수 형태로 사용되기 어렵고, 주로 백금 합금 형태로 사용됩니다.

하지만 이리듐은 고가의 금속이며 지각에서 가장 희귀한 원소 중 하나입니다. 이리듐 함유 광석은 남아프리카, 미국(알래스카), 브라질, 러시아, 미얀마, 호주에서 발견됩니다.

그 희소성 및 전자 산업 등에서의 높은 수요로 인해 매우 비쌉니다. 이리듐은 실제로 금보다 더 가치가 높으며, 온스당 거의 5,000달러에 달합니다.

따라서 과학자들이 PEMWE의 대규모 채택을 돕기 위해 이리듐을 대체할 새로운 금속을 지속적으로 찾는 것은 당연합니다. 그러나 비이리듐 대안을 발견하는 것은 설계 공간이 방대하기 때문에 쉽지 않으며 진행이 느립니다.

몇 달 전, 도호쿠 대학의 첨단 재료 연구소(AIMR)에서 수행한 연구(2)에서는 물 전기분해를 통한 청정 수소 생산을 위한 효율적이고 내구성 있는 솔루션으로 새로운 다공성 결정 촉매를 상세히 소개했습니다.

이 연구의 물질은 산성 OER을 위해 원자 수준으로 분산된 이리듐이 도핑된 메조포러스 단결정 Co3O4입니다.

메조포러스 스피넬 구조는 높은 이리듐 적재량(13.8 중량%)을 대형 이리듐 클러스터 형성 없이 가능하게 하며, 동시에 안정적인 환경을 조성하는 데 기여합니다.

이 촉매는 248 mV의 과전압(η₁₀)만으로 100시간 이상 성능을 유지했습니다.

또 다른 최근 연구에서는 수백만 개의 서로 다른 나노구조를 탐색하는 ‘메가라이브러리’를 만들어 OER용 이리듐 촉매 대안을 대규모와 빠르게 찾는 데 도움을 주었습니다.

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나노기술을 통한 빠른 촉매 발견

최근 연구(3)는 비용과 에너지 효율이 모두 높은 새로운 수소 연료 생산 촉매를 실제로 발견했습니다.

이번 달 미국화학회지(JACS)에 발표된 이 촉매는 새로운 나노입자 메가라이브러리를 사용해 발견되었으며, 이는 이리듐의 성능을 능가하거나 동등하게 맞추면서도 비용은 훨씬 낮습니다.

오랫동안 연구자들은 이리듐 대안을 찾고 있었습니다. 하지만 수십 년이 걸리던 것이 이제는 노스웨스턴 대학 과학자들이 개발한 강력한 새로운 도구를 통해 단 하루 만에 발견되었습니다.

이 새로 발명된 도구는 메가라이브러리라고 불리며, 세계 최초의 나노물질 ‘데이터 공장’입니다. 각각의 라이브러리는 하나의 작은 칩에 수백만 개의 서로 다른 나노입자를 포함합니다.

이 기술은 토요타 연구소(TRI) 연구진과 협력하여 수소 생산을 위한 상업적으로 적합한 촉매를 찾는 데 사용되었습니다. 그 물질은 이후 규모를 확대했으며, 장치 내에서 작동함을 보여주었습니다. 모든 과정이 기록적인 시간 안에 이루어졌습니다.

새 촉매를 찾기 위해 연구진은 네 가지 저비용·풍부한 금속, 즉 코발트(CO), 크롬(CR), 망가니즈(MN), 루테늄(Ru)을 사용했습니다. 이 금속들은 모두 촉매 성능으로 알려져 있습니다.

1. 코발트 (CO)
2. 크롬 (CR)
3. 망가니즈 (MN)
4. 루테늄 (Ru)

그 후 메가라이브러리를 활용해 이 금속들의 방대한 조합을 빠르게 스크리닝하여 이리듐과 성능을 맞출 수 있는 새로운 물질을 찾았습니다.

팀은 실험실 성능에서 상업용 이리듐 기반 물질에 필적하거나 심지어 비용의 일부만으로도 뛰어난 성능을 보이는 새로운 물질을 발견했습니다.

이 발견은 녹색 수소를 저렴하게 만들 가능성을 제시합니다.

게다가, 이 새로운 물질은 메가라이브러리 접근법의 효과를 입증하며, 다양한 응용 분야를 위한 새로운 소재를 발견하는 방식을 바꿀 수 있습니다.

수석 연구원인 Chad A. Mirkin은 메가라이브러리 플랫폼의 주요 발명가이며 2016년에 처음 소개했습니다.

“우리는 아마도 세계에서 가장 강력한 합성 도구를 해방시켰으며, 이를 통해 화학자와 재료 과학자들이 이용할 수 있는 방대한 조합을 탐색해 중요한 소재를 찾을 수 있게 되었습니다.”

메가라이브러리 프로젝트에서 팀은 이 능력을 에너지 부문이 직면한 주요 문제에 집중시켰습니다. 문제는, 미르킨이 지적했듯이:

“이리듐만큼 우수하지만 더 풍부하고, 더 쉽게 구할 수 있으며, 훨씬 저렴한 물질을 어떻게 찾을 수 있을까요? 이 새로운 도구는 유망한 대안을 빠르게 찾을 수 있게 해주었습니다.”

Mirkin은 노스웨스턴 대학 Weinberg College of Arts and Sciences의 화학 교수이며, McCormick School of Engineering에서 화학·생물공학, 생물의학공학, 재료과학·공학을 겸임하고 있습니다.

녹색 수소는 세계적인 필수이지만, 가장 희귀한 소재에 의존한다는 제약이 있습니다.

“우리의 예상 수요를 충족시키기에 전 세계에 충분한 이리듐이 없습니다.”

– Ted Sargent, Weinberg의 화학 교수이자 McCormick의 전기·컴퓨터공학 교수

“우리가 물을 분해해 대체 에너지를 생성하려고 할 때, 순수 공급 측면에서 이리듐이 충분하지 않습니다.”

– Sargent

이 금속을 대체할 새로운 후보를 발견하는 것은 메가라이브러리 도구에 완벽히 부합하는 응용 분야이며, 전통적인 재료 발견의 느리고 힘든 과정을 혁신할 수 있습니다. 전통적인 시행착오 방식과 달리, 메가라이브러리는 최적 조합을 신속히 식별합니다.

각 메가라이브러리는 수백 수천 개의 작은 피라미드형 팁을 사용해 개별 ‘점’을 표면에 인쇄합니다. 여기의 각 점은 금속 염의 정교하게 설계된 혼합물을 포함하며, 가열 시 환원되어 고유한 크기와 조성을 가진 단일 나노입자를 형성합니다.

Mirkin에 따르면:

“각 팁을 작은 실험실의 작은 사람이라고 생각할 수 있습니다. 한 사람이 한 번에 하나의 구조를 만드는 대신, 수백만 명의 사람이 있습니다. 즉, 칩 위에 전체 연구자 군대가 배치된 셈입니다.”

전체 칩에는 1억 5600만 개의 입자가 있었으며, 각각은 Co, Cr, Mn, Ru의 다양한 조합으로 형성되었습니다. 로봇 스캐너가 이 입자들이 산소 발생 반응(OER)을 얼마나 잘 수행하는지 분석했습니다.

“처음으로 우리는 촉매를 빠르게 스크리닝할 뿐만 아니라, 최고의 촉매가 규모 확대된 환경에서도 잘 작동하는 것을 확인했습니다.”

– 연구 공동저자 Joseph Montoya, TRI의 선임 연구 과학자

평가를 바탕으로 연구진은 40개의 최고 성능 후보를 선택했으며, 낮은 활성을 가진 것부터 높은 활성을 가진 것까지 실험실에서 추가 테스트를 진행했습니다. RuCoMnCr 산화물은 밀리그램 수준으로 규모를 확대한 뒤 촉매 성능을 연구했습니다.

결국 한 조합이 돋보였습니다: Ru52Co33Mn9Cr6 산화물.

따라서 팀은 다중 금속 촉매를 얻었으며, 이는 단일 금속 대비 더 높은 활성을 가지고 있음이 알려져 있습니다.

“우리 촉매는 실제로 이리듐보다 약간 높은 활성을 가지고 있으며 뛰어난 안정성을 보입니다,” 라고 Mirkin이 말했습니다. “이는 흔치 않은데, 보통 루테늄은 덜 안정적이지만 조성에 포함된 다른 원소들이 루테늄을 안정화시키기 때문입니다.”

이 촉매는 1 A/cm²에서 1.58 V, 3 A/cm²에서 1.77 V의 전압을 생성했습니다.

장기 성능 측면에서, 이 새로운 촉매는 가혹한 산성 환경에서도 1,000시간 이상 고효율과 놀라운 안정성을 유지했으며, 비용은 이리듐의 약 1/16 수준이었습니다.

“상업적으로 실현 가능하도록 만들기 위해 해야 할 일이 많지만, 우리는 실험실 규모뿐 아니라 장치에서도 유망한 촉매를 빠르게 식별할 수 있다는 점이 매우 흥미롭습니다,” 라고 Montoya가 말했습니다.

– Montoya

새 촉매를 찾는 과정에서 팀은 방대한 고품질 소재 데이터셋을 구축했으며, 이는 머신러닝과 AI가 차세대 소재를 설계하는 데 길을 열 수 있습니다.

TRI, Northwestern, 그리고 그 스핀아웃인 Mattiq는 이미 메가라이브러리를 초고속으로 탐색하는 알고리즘을 개발했습니다.

하지만 이것은 시작에 불과합니다. AI와 마찬가지로, 메가라이브러리 접근법은 에너지 변환을 위한 촉매 발견을 넘어, 고급 광학 부품, 바이오 의료 기기, 배터리 등 거의 모든 기술을 위한 소재 발견을 혁신할 수 있습니다.

“우리는 배터리, 핵융합 등 모든 종류의 소재를 찾을 것입니다,” 라고 Mirkin이 말했습니다. “세상은 현재 필요에 맞는 최적의 소재를 사용하지 않습니다. 사람들은 당시 사용 가능한 도구로 최적의 소재를 찾았고, 이제는 그 소재에 기반한 거대한 인프라가 구축되어 있어 벗어나기 어렵습니다. 우리는 이를 뒤집고 싶습니다. 이제는 타협 없이 모든 필요에 가장 적합한 소재를 진정으로 찾아야 할 때입니다.”

수소의 힘에 투자하기

Bloom Energy Corp (BE )는 고정 연료 전지 전력 생산에 종사하고 있습니다. 이 회사는 상업적으로 두 가지 제품을 제공하는데, 수소 생산을 위한 Bloom Electrolyzer와 전기를 생산하는 Bloom Energy Server가 있습니다.

이 회사는 세계 최대 규모의 전해조를 사용해 수소를 생산하고 있으며, 이는 NASA Ames Research Center에 설치되어 상업용 PEM 또는 알칼리 전해조보다 메가와트당 약 25% 더 많은 수소를 생산합니다.

지금까지 Bloom Energy는 전 세계 1,200개 이상의 설치를 통해 1.5 GW의 저탄소 전력을 배치했습니다.

시가총액이 123억 8천만 달러인 BE 주식은 현재 $53.15에 거래되고 있으며, 연초 대비 138.36% 상승했습니다. 최근에는 하이퍼스케일러와 데이터 센터의 관심이 증가하면서 주가가 $55를 넘어 새로운 사상 최고치를 기록했습니다. 또한 7월에 Oracle과의 중요한 계약을 체결했으며, 앞으로도 더 많은 계약이 예상됩니다.

EPS(TTM)는 0.11이며, P/E(TTM)는 495.23입니다.