태양광 수소 생산 – 플라스틱을 유용한 것으로 전환

태양광 수소 생산은 수십 년 동안 엔지니어들의 목표였습니다. 그러나 이 작업은 비용이 많이 들고 수행하기 매우 어려워, 과학이 태양광 및 지열과 같은 다른 친환경 에너지 생산 방식에 뒤처지게 만들었습니다. 이번 달에 EU 기반 엔지니어 팀이 수소를 깨끗한 부산물로 생산하는 전기화학적 플라스틱 재활용 공정을 소개하면서 이 연구에 큰 발전이 있었습니다. 알아야 할 내용은 다음과 같습니다.

특히, 청정 에너지를 만드는 일은 경우에 따라 그 자체의 장점을 크게 감소시킬 수 있는 어려운 과제입니다. 태양광 패널과 풍력 발전소와 같은 시스템은 설치, 모니터링 및 유지 관리에 많은 비용이 듭니다. 또한 넓은 공간이 필요하고, 종종 친환경적이지 않은 기존 제조 방식을 사용합니다. 이 연구는 이러한 패러다임을 바꾸어, 생산 방법과 전략을 청정 에너지 달성이라는 전체 목표와 일치하도록 하려는 시도입니다.

플라스틱 폐기물

전 세계적으로 플라스틱 폐기물 수준이 사상 최고치를 기록하고 있습니다. 이미 2024년에는 분석가들이 2억 2천만 톤의 플라스틱 폐기물이 생산될 것으로 예측하고 있습니다. 안타깝게도 이 폐기물 중 약 10%만이 재활용 시설에 도달합니다. 따라서 나머지 90%는 매립지, 수로, 도시 거리 등에 남게 됩니다.

악화될 가능성

환경운동가와 연구자들에 따르면 플라스틱 폐기물 문제는 앞으로 몇 년간 더욱 악화될 것입니다. 매년 생산 능력이 향상되면서 사용량과 폐기물도 증가하고 있습니다.

플라스틱 위험이 심화

시간이 지나면서 플라스틱은 유해한 부산물로 분해되어 암과 항생제 내성 같은 건강 문제를 일으킬 수 있으며, 명백한 환경 영향도 초래합니다. 미세 플라스틱 오염 물질이 식품 사슬에서도 발견되었습니다.

특히, 이 플라스틱 폐기물의 큰 부분은 폴리스티렌으로, 엔지니어들이 탄소 재활용 전략을 통해 태양광 수소 생산 전략을 도출하게 된 대상이었습니다.

탄소 재활용으로 폐기물 감소 목표

현재 폐기물 감소를 돕기 위해 다양한 재활용 방법이 존재합니다. 그 중 가장 주목받고 효과적인 방법 중 하나가 탄소 재활용입니다. 이 전략은 폐기물을 분해하고 이를 새로운 재료로 전환해 다른 제조 공정에 활용하는 데 초점을 맞춥니다.

탄소 재활용의 목표는 쓸모없던 플라스틱 폐기물을 변형시켜 초기 산업용 소재 형태로 새 생명을 부여함으로써 궁극적으로 폐기물을 완전히 없애는 것입니다. 오늘날 사용되는 가장 일반적인 탄소 재활용 유형은 다음과 같습니다.

전기화학적 분해

전기화학적 분해는 특정 화학물질과 다양한 전기 전하를 혼합해 폐플라스틱 내부에 새로운 화학 결합을 형성하고 분리합니다. 이 방법은 화학 결합을 성공적으로 끊고 더 작고 유용한 분자를 남기기 위해 많은 전기가 필요합니다.

생분해

생분해는 최근 몇 년간 인기를 얻고 있는 또 다른 탄소 재활용 형태입니다. 이 방법은 곰팡이와 박테리아와 같은 살아있는 유기체를 활용합니다. 이러한 미생물은 플라스틱 폐기물을 분자 수준에서 섭취해 탄소와 산소 분자를 방출합니다.

이 접근법은 대량의 전기나 위험한 화학물질을 필요로 하지 않는 장점이 있습니다. 그러나 진행 속도가 느릴 수 있으며, 환경 조건 및 기타 요인에 따라 분해 과정이 얼마나 걸릴지 정확히 예측하기 어렵습니다.

열분해

열분해는 열을 이용해 분자 결합을 깨고 피롤리시스라는 과정을 통해 탄소 분자를 방출합니다. 이 방법은 열, 증기, 전기를 생성해 제조 요구량을 상쇄할 수 있습니다. 열분해는 배출량이 낮고 대기 오염 물질을 감소시키며, 바이오오일, 탄소 섬유 및 기타 가치 있는 제품을 생산할 수 있습니다.

태양광 패널을 통한 수소 연구

이번 달에 괴팅겐에 위치한 Friedrich Wöhler Research Institute for Sustainable Chemistry의 엔지니어 팀이 연구¹를 Angewandte Chemie 저널에 발표했습니다. 이 연구는 최소 에너지로 수행되며 유해한 부산물을 배출하지 않는 새로운 전기화학 공정을 상세히 다루고 있습니다.

출처 – Friedrich Wöhler Research Institute for Sustainable Chemistry in Göttingen

이 방법은 철 전기촉매(Fe electrocatalysis)로 알려진 공정을 기반으로 하며, 물질을 활성화하고 분해를 돕습니다. 연구는 특히 전기촉매 방식을 이용해 폴리스티렌을 보다 효율적으로 분해하는 방법을 검토했습니다. 엔지니어들은 폐플라스틱을 모노머성 벤조일 제품과 같은 산업용 소재로 전환하는 것이 가능함을 입증했으며, 그 과정에서 수소를 부산물로 생성했습니다.

테스트

테스트는 엔지니어들이 플라스틱 폐기물을 그램 규모로 전환하려는 시도로 시작되었습니다. 구체적으로 팀은 다양한 산화 단계 사이를 순환할 수 있는 철 포르피린 복합체를 만들어 폴리스티렌 분해 과정을 강화했습니다.

결과

테스트 결과, 연구진은 이 방법을 통해 수소를 성공적으로 생성함과 동시에 벤조산(많은 방부제에 포함)과 벤즈알데히드와 같은 다양한 유용한 산업용 물질도 생산할 수 있음을 확인했습니다. 특히 이들은 수소 생산을 목표로 하지 않았으며, 저에너지 탄소 재활용 방법의 효율성을 보여주는 것이 목적이었습니다.

이점

이 연구가 시장에 제공하는 다양한 이점이 있습니다. 우선, 이 공정은 전적으로 철 기반입니다. 철은 희귀하지 않으며 전 세계 어디서든 쉽게 구할 수 있습니다. 이 readily available ingredient는 획득이 쉽고, 저렴하며 대량 생산이 가능합니다.

저렴함

이 수소 생산 방법의 주요 매력은 다른 탄소 포집 방법에 비해 전력 소비를 크게 줄여준다는 점입니다. 철을 주문하고 활용하는 비용이 다른 탄소 재활용 방법보다 저렴합니다.

철은 무독성

철을 사용하는 또 다른 큰 장점은 무독성이라는 점입니다. 자연적으로 존재하며 환경을 해치지 않습니다. 따라서 철 사용은 청정화와 비용 절감이라는 전체 목표와 부합합니다.

효율적

이 제품의 또 다른 큰 장점은 많은 에너지를 필요로 하지 않는다는 것입니다. 따라서 일반 태양광 패널로도 운용이 가능합니다. 이 전략은 제품의 생산 및 사용 주기를 폐쇄 루프로 만들어 비용을 더욱 낮추고 성능을 향상시킵니다.

많은 사람들은 태양광 패널을 이 과정에 통합하는 것이 전 세계적으로 더 효율적인 방법을 만드는 다음 단계라고 보고 있습니다. 특히 고효율 태양광 패널과 최근의 다른 진보가 앞으로 몇 주 안에 이 접근법을 더욱 개선할 수 있습니다.

확장성

새로운 전기화학 철 공정의 또 다른 큰 장점은 산업 수준으로 빠르게 확장할 수 있다는 점입니다. 이 기술은 통합이 쉽고 배치 준비가 되어 있습니다. 이미 이 친환경 수소 생산 방법에 대한 관심이 크게 높아졌습니다.

연구원

탄소 재활용 연구는 괴팅겐에 있는 Friedrich Wöhler Research Institute for Sustainable Chemistry의 Lutz Ackermann이 주도했습니다. 연구팀은 다른 전문가들과 협력해 이 독특한 화학 재활용 방식이 어떻게 더 친환경적인 내일을 만들 수 있는지 전반적인 이해를 얻었습니다.

태양광 수소 연구에서 혜택을 받을 수 있는 기업

시장을 살펴보면 이 개발을 활용해 수익성을 높일 수 있는 몇몇 기업이 눈에 띕니다. 탄소 재활용 사업에 종사하는 기업들은 효율성 향상이라는 추가 이점을 주목하게 될 것입니다. 아래는 이 기술이 공개되면서 이익을 얻을 가능성이 높은 기업 중 하나입니다.

Chart Industries GTLS

위스콘신에 본사를 둔 Chart Industries (GTLS )는 1985년에 시장에 진입했습니다. Charles와 Arthur Holmes가 에너지 및 가스 공급업체에 제품과 지원을 제공하기 위해 회사를 설립했습니다. 초기에는 극저온 장비에 특화했으며, 이후 Earthly Lans 인수를 통해 탄소 재활용 분야로 사업을 확장했습니다.

Earthly Lans는 Chart Industries가 Cryogenic Carbon Capture (CCC) 기술을 제조 공정에 도입하도록 도왔습니다. 이 독특한 시스템은 독자적인 탄소 재활용 공정을 통해 오염을 감소시킵니다. 따라서 산업 규모에서 탄소 오염을 줄이려는 이들에게 가장 친환경적인 옵션 중 하나로 평가받고 있습니다.

Chart Industries는 올해 몇 차례 변동을 겪었지만 대부분의 분석가들은 여전히 강력한 ‘보유‘ 의견을 유지하고 있습니다. 이 회사는 다수의 고위급 인수를 성공적으로 마쳤으며, 아시아, 인도, 호주, 유럽 및 남미에 공장을 설립했습니다.

Chart Industries는 이 저비용 재활용 방식을 통합해 폐기물을 줄이고 수익성을 개선할 수 있습니다. 이러한 개발과 새로운 제품·서비스 덕분에 향후 몇 주·몇 달 동안 GTLS 주식에 대한 수요가 증가할 가능성이 있습니다. 현재 GTLS의 시가총액은 70억 9천만 달러이며 연초 대비 수익률은 21.48%입니다.

태양광 수소 – 미래

태양광 패널을 이용해 수소 및 기타 가치 있는 산업용 화합물을 생산하는 것은 게임 체인저입니다. 이러한 기술들은 서로 결합해 친환경 제조를 더욱 촉진할 수 있습니다. 현재 이 기술들이 아직 대중에게 널리 보급되지 않은 단계이므로, 가장 좋은 방법은 폐기물을 책임감 있게 관리하고 감소시키는 것입니다.

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연구 참고:

^{1. Hourtoule, M., Trienes, S., & Ackermann, L. (2024). 양극성 상업용 폴리머 재활용: 철-전기촉매와 확장 가능한 수소 발생 반응의 결합. Angewandte Chemie International Edition, 63(48), e202412689. https://doi.org/10.1002/anie.202412689}