지속가능성
수소 저장 – 리그닌 기반 제트 연료가 해답일까?
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수소 활용하기
Electrification with batteries might not be enough to replace fossil fuels in transportation, especially shipping and air travel. The same can be said for industrial processes requiring very hot temperatures. Even with recent battery technology improvements, electricity is difficult to store without heavy or too large batteries.
오랫동안 고려되어 온 대안은 수소였습니다. 녹색 수소는 재생 에너지로 생산될 수 있어, 친환경 전력을 고밀도 액체 연료로 전환하는 좋은 방법이 될 수 있습니다.
하지만 녹색 수소는 두 가지 이유로 다른 친환경 솔루션에 뒤처져 왔습니다: 수소 생산 비용이 비싸고, 수소 저장이 어렵기 때문입니다.
생산 문제는 기존의 물 전기분해를 벗어나 다양한 각도에서 해결되고 있습니다. 예를 들어, 인공 광합성, 마이크로파 & 세륨 산화물, 혹은 니켈 기반 전기분해, 금속 스와프를 이용하는 방식 등이 있습니다.
저장 문제는 더욱 까다롭습니다. 수소는 매우 휘발성이며 인화성이 높고, 가장 작은 원자라서 담기에 어려운 특성을 가지고 있기 때문입니다. 따라서 과학자들이 이 분야에서 획기적인 진전을 이룬 것이 중요한 이유입니다.
Washington State University, Pacific Northwest National Laboratory, University of New Haven, 그리고 Natural Resources Canada에서 연구한 연구원들은 International Journal of Hydrogen Energy에 결과를 발표했으며, 제목은 “리그닌 기반 제트 연료의 현장 탈수소화: 새로운 지속 가능한 액체 유기 수소 운반체”1입니다.
수소 저장 및 운송
수소 분자(H₂)는 가벼운 수소 원자 두 개로 이루어져 있습니다. 에너지 운반체로 사용할 때는 다음과 같은 특성 때문에 저장과 운송이 까다롭습니다:
- 밀도가 낮음.
- 휘발성이며 인화성 있음.
- 용기 내부의 분자 결합 사이로 새어 나가 담기에 어려움.
이러한 수소의 특성들 때문에 저장 및 운송이 비용이 많이 들고 기술적으로 복잡해집니다.
수소가 강철과 반응하여 취성을 유발하는 경향도 도움이 되지 않으며, 이는 천연 가스에 사용되는 저렴한 파이프라인 네트워크 대신 장거리 운송을 위한 특수 수소 파이프라인이 필요함을 의미합니다.
이러한 문제를 피하기 위한 아이디어는 수소를 암모니아로 전환하는 것, 훨씬 다루기 쉬운 액체 연료입니다. 그러나 이는 전체 공정 효율을 낮춥니다. 암모니아 경제는 또한 처음부터 자체 인프라를 구축해야 합니다.
리그닌 기반 연료
연구원들이 제안한 새로운 대안은 식물에 존재하는 유기 고분자 리그닌을 기반으로 한 실험 연료를 사용하는 것입니다. 이 연료는 Pr Bin Yang 연구실에서 개발되었으며, Pacific Northwest National Laboratory에서 핵자기공명(NMR)으로 분석되었습니다.
이 연료는 이전에 개발되었으며 농업 폐기물을 지속 가능한 항공 연료로 전환할 수 있음을 입증했습니다. 이 연료 혼합물은 화석 연료 기반 제품보다 에너지 밀도가 높았으며, 항공 연료에 일반적으로 첨가되는 방향족 분자(탄소 순환)를 대체함으로써 오염을 감소시켰습니다.
수소를 운반하는 리그닌 연료
실험실 연구는 리그닌 기반 항공 연료를 액체 유기 수소 운반체로 활용할 가능성을 보여주었습니다. 다만 대규모 사용의 효율성이나 경제성은 아직 검증되지 않았습니다.
리그닌 제트 연료(LJF)가 결정성 알루미노실리케이트 위에 있는 백금 나노입자에 노출될 때, 그 안에 포함된 수소 원자(단일, 이중 및 삼환헥실알케인)를 방출하도록 작동합니다.
연구원들은 이 과정을 Lignin Jet Fuel 기반 액체 유기 수소 운반체(LJF-HyC)라고 명명했습니다.
핵자기공명(NMR)과 가스크로마토그래피 분석에서 탈수소화로 생긴 생성물은 원래 연료의 약 18.5중량%였습니다. 이는 회수 가능한 수소가 연료의 18.5%라는 뜻이 아닙니다.
“이 새로운 리그닌 제트 연료 기반 기술은 다루기 쉬운 지속 가능한 항공 연료 안에서 효율적이고 고밀도 수소 저장을 가능하게 하여, 저장 및 운송을 위한 고압 탱크의 필요성을 없앨 수 있습니다.”
기존 인프라 활용
이 과정이 흥미로운 이유는 이미 제트 연료 및 유사한 액체 연료를 운반하기 위한 방대한 인프라가 존재한다는 점입니다. 따라서 순수 수소를 저장·운송하려는 대신, LJF를 이용해 A 지점에서 B 지점으로 수소를 운송할 수 있습니다.
제트 연료 저장이 일반적이고 경제적이기 때문에, 수소를 저장하는 데에도 쉽게 활용될 수 있습니다.
“이 혁신은 기존 인프라와의 호환성 및 규모 확대 가능한 생산을 위한 경제적 타당성에 대한 유망한 기회를 제공합니다.
이는 지속 가능한 항공 연료와 수소 기술 모두의 효율성, 안전성 및 생태적 이점을 향상시키는 시너지 시스템을 구축하는 데 도움이 될 수 있습니다.
연구원들의 차기 목표는 수소화 반응을 향상·완료시켜 효율성과 비용 효율성을 높이는 AI 기반 촉매를 설계하는 것입니다.
수소 기업
PLUG 가격 차트
Plug Power (PLUG ) 는 연료 전지에 중점을 둔 녹색 수소 분야의 선두 기업입니다. 특히 2013년 이후 매출이 8배 성장했으며, 40,000대 이상의 포크리프트에 연료 전지를 공급하고 있습니다. 또한 수소 생산, 물류, 대규모 전력 생산 및 배송 등 수소 인프라 구축에도 활발히 참여하고 있습니다.
출처: Plug Power
이 회사는 2027년까지 생산량을 14배 확대하면서 생산 비용을 킬로그램당 $10에서 $4로 낮추는 것을 목표로 하고 있습니다.
출처: Plug Power
2020년 이후 생산 능력을 19배 확대하기 위한 대규모 투자로 인해 아직 수익을 내지 못하고 있습니다. 이로 인해 2023년 초부터 말까지 매출이 거의 두 배로 증가했습니다. 현재 및 향후 사업의 대부분은 북미에서 나올 것으로 예상됩니다.
이 회사는 자사의 솔루션을 직접적인 이동 연료 또는 전기차(EV)의 보완으로 보고 있습니다. 수소는 재생 에너지 생산 시점과 일치하지 않는 전기차의 피크 충전으로 인한 전력망 압력을 감소시킬 수 있기 때문입니다.
출처: Plug Power
주요 연료 전지 생산업체인 Plug Power는 수소 기반 경제 전환으로부터 큰 혜택을 받을 수 있습니다. 저렴하고 안전한 수소 운반체가 등장하면 수소를 연료원으로 사용하는 경제성이 크게 개선될 것입니다.
따라서 Plug Power는 전반적인 수소 전환에 베팅하기 좋은 주식이며, 수소를 생산·저장·운송하는 더 저렴한 방법이 발명될 때마다 연료 전지에 대한 수요가 증가할 것입니다.
연구 참고:
1. Andrew S. Lipton et al. (2025) 리그닌 기반 제트 연료의 현장 탈수소화: 새로운 지속 가능한 액체 유기 수소 운반체. International Journal of Hydrogen Energy Volume 98, 13 2025년 1월, Pages 1275‑1282
