CeO2에서 수소 만들기? 빠른 결과를 위해 전자레인지만 사용하세요

화석 연료는 우리의 기후에 해를 끼칩니다. 우리가 알다시피, 세계는 재생 가능하고 지속 가능한 녹색 에너지 원으로 빠르게 전환하고 있습니다. 이러한 기후 친화적 연료를 찾는 과정에서 수소는 탈탄소화의 잠재적 원천으로 부상했습니다.

기술 덕분에 거의 혹은 전혀 온실가스 배출 없이 수소를 생산할 수 있게 되었습니다. 수소에 대한 관심이 매우 높아 미국 에너지부는 연간 ‘청정 수소’ 생산량을 거의 0에서 2030년까지 1천만 메트릭톤, 2050년까지 5천만 메트릭톤으로 늘리겠다는 국가 목표를 설정했습니다. 

하지만 이 과정에는 중요한 병목 현상이 있습니다. 금속 산화물의 산화‑환원에 의존하는 전통적인 열전기 방식은 매우 높은 온도에서 작동해야 합니다. 온도가 섭씨 1500도까지 올라갈 수 있습니다. 

최근 포항공과학기술대학교(POSTECH) 연구팀이 이 병목을 우회하는 방법을 고안했습니다.

이 과정은 친숙하지만 충분히 활용되지 않은 에너지 원인 “마이크로파” 에너지를 이용합니다. 맞습니다! 가정용 전자레인지에 쓰이는 동일한 에너지입니다. 해당 연구의 제목은 ‘Thermodynamic Assessment of Gd-doped CeO2 for microwave-assisted thermochemical reduction¹‘ 입니다. 

다음 섹션에서는 이 연구의 함의를 논의합니다. 

마이크로파를 이용한 청정 수소 생산의 핵심 제한 사항을 해결하는 획기적 기술

팀은 POSTECH에서 근무하는 다학제 연구자들로 구성됐으며, 윤건수 교수님이 이끌었습니다. 물리학과 고급 핵공학 전공 박사과정 학생인 유재민, 진형규 교수, 그리고 기계공학과 박사과정 학생인 이동규가 참여했습니다. 지속 가능한 에너지 추구에 있어 돌파구로 인정받아 Journal of Materials Chemistry A의 앞표지 안쪽에 실렸습니다.

연구진은 마이크로파가 음식은 효율적으로 가열하지만 화학 반응도 촉진할 수 있다는 전제에서 시작했습니다. 이를 Gd‑도핑 세리아(CeO2)의 환원 온도를 낮추는 데 적용했습니다. Gd‑도핑 세리아는 수소 생산의 벤치마크 물질이며, 마이크로파 에너지는 이 물질의 환원 온도를 60% 이상 낮춰 섭씨 600도 이하로 만들 수 있습니다. 

마이크로파 에너지는 반응에 필요한 열 에너지의 75%를 대체할 수 있습니다. 이 발견은 지속 가능한 수소 생산에 있어 확실히 돌파구라 할 수 있습니다.

연구와 그 결과가 왜 혁신적이라고 평가될 수 있는지에 대해 진형규 교수는 다음과 같이 말했습니다:

“이 연구는 열화학 수소 생산 기술의 상업적 타당성을 혁신적으로 바꿀 잠재력을 가지고 있습니다. 또한 마이크로파 구동 화학 공정에 최적화된 새로운 물질 개발의 길을 열어줄 것입니다.”

윤건수 교수는 이 새로운 메커니즘 도입과 기존 공정 제한을 극복한 것을 ‘주요 성과’라 부르며, 이는 연구팀의 긴밀한 다학제 협업 없이는 불가능했을 것이라고 강조했습니다. 

팀이 달성한 또 다른 돌파구는 산소 결함(Oxygen Vacancies) 생성에 있습니다. 이러한 물질 구조 결함은 물을 수소로 분해하는 데 도움을 줍니다. 전통적인 방법은 매우 높은 온도에서 몇 시간씩 걸리지만, POSTECH 팀은 마이크로파 기술을 활용해 섭씨 600도 이하의 온도에서 몇 분만에 동일한 결과를 얻을 수 있음을 보여주었습니다.

POSTECH 연구가 큰 돌파구를 제시했지만, 전 세계에는 청정 수소 생산을 위한 혁신적인 방법을 연구하는 많은 기관이 있습니다. 혁신적인 청정 수소 생산 방법을 선도하는 기관 중 하나는 미국 에너지부 산하 국립재생에너지연구소(NREL)입니다.

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저비용 수소 생산: 기타 노력

Xcel Energy와 협력해 개발된 NREL의 풍력‑수소(Wind2H2) 시범 프로젝트는 풍력 터빈과 태양광(PV) 어레이를 전해조 스택에 연결해 전기를 물에 통과시켜 수소와 산소로 분해합니다. 이 프로젝트는 현재 콜로라도 주 볼더 근처의 국립풍력기술센터에서 진행 중이며, 재생 가능 자원으로부터 대량 생산이 가능하고 기존 석탄·석유·천연가스와 경쟁할 수 있을 정도의 낮은 비용을 목표로 시스템 효율성을 향상시키고 있습니다.

청정 수소를 생산하는 또 다른 방법은 햇빛을 직접 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것입니다. 태양광 산업은 이미 광전기화학(PEC) 광수확 시스템을 위한 다접합 셀 기술을 개발했으며, 이는 물을 분해할 충분한 전압을 생성하고 물/전해질 환경에서도 안정적입니다. NREL은 자체 PEC 시스템을 보유하고 있습니다.

NREL 시스템은 전해조의 비용과 복잡성을 없애고 햇빛만으로 수소를 생산할 수 있으며, 포집된 빛을 이용해 낮은 발열량 기준(LHV) 기준 12.4%의 태양‑수소 전환 효율을 달성했습니다. NREL은 현재 더 효율적이고 저비용이며 수중 환경에서 부식에 강한 재료와 시스템 개발에 집중하고 있습니다.

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생물학적 수소 

NREL이 탐구하고 있는 또 다른 흥미로운 경로는 ‘생물학적 수소’입니다. NREL 과학자들은 리그노셀룰로오스 바이오매스를 당이 풍부한 원료로 전환하는 전처리 기술을 개발하고 있으며, 이를 직접 발효해 수소, 에탄올 및 고부가가치 화학물질을 생산할 수 있습니다.

또한, 헤미셀룰로오스를 직접 발효해 수소를 생산할 수 있는 클로스트리디움 군집을 찾는 작업도 진행 중입니다.

생물학적 수소 분야에서 진행 중인 다른 연구 영역은 다음과 같습니다:

• Clostridium thermocellum과 같은 효율적인 셀룰라제 미생물을 탐색하여 결정성 셀룰로오스를 직접 수소로 발효함으로써 원료 비용을 낮출 수 있습니다.
• 모델 셀룰라제 박테리아의 규명.
• 항생제 감수성 및 유전적 변형 용이성을 포함한 모델 셀룰라제 박테리아의 유전적 조작 가능성 탐색.
• 폐산 및 용매 생산을 차단하도록 돌연변이를 설계해 수소 수율을 극대화하는 전략 개발.

전 세계의 연구기관·연구소가 활발히 활동하고 있는 반면, 민간 기업도 활발히 참여하고 있습니다. 

1. Linde (LIN )

수년간 청정 수소 생산을 선도해 온 기업 중 하나가 Linde입니다. 이 회사는 효율적인 수소 압축 및 안전한 재급유를 포함한 혁신적인 기술과 수십 년에 걸친 경험을 바탕으로 인프라가 타의 추종을 불허한다 주장합니다. 

청정 수소 생산을 목표로 하는 이 회사의 사업은 여러 방법과 전략을 포함합니다. 예를 들어, 재생 에너지로 구동되는 전해조를 이용한 녹색 수소 생산이 있습니다.

전해조에서는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해합니다. 전해조는 크기·용량·기술에 따라 다양하지만, 기본 화학 반응은 동일합니다.

현재 주요 전해조 기술은 두 가지가 있습니다: 알칼리 전해와 PEM(프로톤 교환막) 전해: Linde에 따르면 두 기술 모두 현장에서 고순도 수소를 필요 시 생산할 수 있다고 합니다.

알칼리 전해는 다공성 다이어프램과 액체 알칼리 용액을 전해질로 사용하는 두 전극을 사용합니다. 전해질 용액은 수산화 이온이 전극 사이를 이동하도록 하여 산소와 수소를 형성하지만, 반응 중에 소모되지 않습니다. 이 기술은 신뢰성이 높고 비용 효율적일 수 있습니다.

반면 PEM 전해는 액체 용액 대신 순수 물과 고체 고분자 전해질을 사용해 전기가 물을 수소와 산소로 분해하도록 합니다. 수소 양성자는 막을 통과해 전자를 만나 음극 쪽에서 H₂ 가스를 형성합니다.

Linde는 또한 다양한 전략을 위한 탄소 포집·활용·저장(CCUS) 기술을 제공하고 있습니다. 기존 천연가스 파이프라인에 수소를 주입하는 혁신적인 공급 솔루션을 갖추어 다양한 최종 적용 분야에 대응합니다. 

Linde는 지하 소금 동굴에 수소를 저장하는 고도화된 저장 운영을 수행합니다. 에너지 파크 개발 파트너로서 경험이 풍부한 Linde는 10년 이상 상업용 고순도 수소 동굴을 운영해 왔으며, 액화 수소 시스템을 구축해 액체 수소를 생산, 저장 및 운송을 용이하게 합니다. 

최신 재무 데이터에 따르면 Linde는 2024년 9월 30일 종료 분기에 83억 5600만 달러의 매출을 기록했습니다. 

2. Air Products (APD )

청정 수소 생산 분야에 크게 기여하고 있는 또 다른 기업은 Air Products입니다. 이 회사는 재생 에너지 기반 청정 수소 생산이 철강 및 화학 공정과 같이 전기화가 어려운 산업 공정을 탈탄소화하는 데 필수적이라고 믿습니다.

Air Products는 이미 저탄소 수소 생산을 촉진하고 에너지 전환을 가속화하기 위해 150억 달러를 투자하겠다고 약속했습니다. 

이 회사의 청정 수소 활용 사례에는 자동차, 버스, 포크리프트, 선박, 열차 및 트럭용 수소 연료 공급이 포함됩니다. 도로 운송은 전 세계 배출량의 거의 12%를 차지합니다. 디젤 버스를 무공해 수소 연료 전지 버스로 전환하면 전 세계 온실가스 배출을 감소시키고 대기 질을 개선할 수 있습니다. Air Products는 수소 버스 연료 공급 분야의 선두주자이며 전 세계 프로젝트에 참여하고 있습니다. 

NEOM Green Hydrogen Company(NGHC)는 ACWA Power, Air Products, NEOM이 공동 출자한 녹색 수소 기반 암모니아 생산 시설을 구축하고 있으며, 재생 에너지로 구동됩니다. 이 공장은 하루 600톤 규모의 탄소‑프리 수소를 녹색 암모니아 형태로 생산해 전 세계 운송 및 산업 부문에 비용 효율적인 솔루션을 제공할 예정입니다.

Air Products의 새로운 넷‑제로 수소 에너지 복합단지는 알버타 주 에드먼턴을 서부 캐나다 수소 경제의 중심지로 만들 예정입니다. 에드먼턴에 건설 중인 변혁적인 수소 시설을 기존 파이프라인 네트워크와 연결하면 정유·석유화학 고객이 에너지 제품의 탄소 강도를 낮추고 지속 가능성 성과를 개선할 수 있습니다. 또한 최고 수준의 액화 설비는 서부 캐나다 전역에서 수소를 무배출 운송 연료로 활용하는 속도를 가속화할 것입니다. 

Air Products의 루이지애나 청정 에너지 복합단지는 걸프코스트 지역 및 그 너머의 이동성 및 산업 시장에 저탄소 수소를 공급합니다. 이 시설은 연간 500만 톤 이상의 이산화탄소 배출량 중 95%를 포집·저장해 루이지애나의 이상적인 지질공극에 영구 저장할 것으로 추정됩니다. 

이 프로젝트는 Air Products가 미국에서 진행하는 가장 큰 투자이며, 2050년까지 루이지애나 주의 온실가스 배출을 넷‑제로로 만들기 위한 목적을 가지고 있습니다. 

Air Products는 또한 뉴욕 주 매시너에 그린필드 부지에 하루 35톤 규모의 녹색 액체 수소 생산 시설을 건설·소유·운영하기 위해 약 5억 달러를 투자할 계획이며, 액체 수소 유통 및 디스펜싱 운영도 함께 구축할 예정입니다. 이 프로젝트는 전체 수명 동안 600만 톤의 CO₂ 배출을 회피할 것이며, 세인트 로렌스 강의 수력 발전 전력을 사용해 탄소‑프리 액체 수소를 생산합니다.

2024년 9월 30일 종료 회계연도에 이 회사는 120억 달러 이상의 매출을 기록했습니다. 

청정 수소와 함께하는 미래

기업과 연구기관이 신뢰성 높고 비용 효율적인 수소 생산 방식을 지속적으로 개발하도록 장려하는 요인은 충분합니다. 예를 들어 미국 에너지부는 2023년에 양당법(Bipartisan Infrastructure Law)으로 배정된 70억 달러 규모의 자금을 활용해 7개의 “수소 허브”를 선정했습니다. 허브가 선정되려면 매일 최소 50–100 메트릭톤의 청정 수소를 생산하고 온실가스 배출을 감소시킬 수 있음을 설득력 있게 입증해야 했습니다.

DOE가 선정한 가장 활발한 수소 허브 참여 기업으로는 AES Corporation (AESC ), Air Liquide, Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), 그리고 (TRP ). 

첨단 기술은 수소 생산 및 유통을 촉진하는 데에도 활용됩니다. 예를 들어 NREL은 700바 압력 수소 디스펜싱 호스를 자동 로봇을 이용해 에너지 시스템 통합 시설(Energy Systems Integration Facility)에서 가속 테스트 및 사이클링을 수행합니다. 로봇은 호스를 구부리고 비틀어 수소 연료전지 차량의 탱크에 수소를 공급하는 반복적인 스트레스를 모방합니다. 연구원들은 새로운 및 사용된 호스의 기계적·열적·압력 스트레스 효율성을 조사합니다.

수소는 현재 큰 주목을 받고 있으며, 그 모멘텀은 앞으로도 계속 커질 것입니다. 전 세계 수소 프로젝트 구축 현황을 추적하는 기관에 따르면 2022년 한 해에만 680개의 대규모 수소 생산 프로젝트가 발표되어 직접적인 투자 규모가 2400억 달러에 달했습니다.

2022년에는 사모펀드와 벤처 캐피털이 수소 기업에 사상 최대 규모의 투자를 진행했으며, 사모펀드가 31억 달러, 벤처 캐피털이 26억 달러를 192개의 스타트업에 투자했습니다.

이러한 모멘텀의 의미에 대해 Breakthrough Energy 미국 정책·옹호팀의 이사인 Adria Wilson은 “최근 정책적 성공으로 인해 저렴하고 청정한 수소가 향후 10년 내, 아니면 그보다 sooner에 탈탄소화 도구가 될 것”이라고 말했습니다.

하지만 낙관적인 전망에도 불구하고 아직 갈 길이 멀다는 점을 기억해야 합니다. 세계자원연구소(World Resources Institute)의 자료에 따르면 수소의 95%가 화석 연료를 원료로 생산되고 있습니다. 일반적으로 증기 개질(SMR) 공정을 통해 물을 고온에서 가열해 천연가스와 반응시켜 수소와 이산화탄소(CO₂)를 생성합니다. 이 과정은 킬로그램당 10~14kg CO₂e를 배출하는데, 이는 휘발유 한 갤런을 생산·연소할 때 배출되는 탄소와 비슷합니다.

청정 수소 생산 방식은 이러한 기존 방식을 없애야 합니다. 전환은 빠르면서도 지속 가능한 방법을 통해 이루어져야 합니다.

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