지속 가능한 에너지 탐구가 비전통적인 발견을 이끌다

전 세계 에너지 소비가 가속화된 속도로 증가하고 있습니다. 2023년에는 이 성장률이 2.2%였으며, 2010년부터 2019년까지의 연 평균 1.5%와 비교됩니다.

이 더 빠른 에너지 소비 증가율은 주로 중국에 의해 주도되고 있습니다. 중국은 +6.6%로 2010‑2019년 평균의 두 배에 달합니다. 다른 기여국으로는 인도, 이란, 브라질, 아랍에미리트, 알제리, 베트남, 인도네시아가 있습니다. 반면 일본, 한국, 남아프리카, EU에서는 에너지 소비가 감소했으며, 미국은 안정적인 수준을 유지했습니다.

전체적으로 전 세계 에너지 소비는 2000년 이후 약 3분의 1 증가했습니다. 현재 연간 약 5억 8천만 테라줄로 추정되며, 이 소비량은 2040년까지 7억 4천만 테라줄에 이를 것으로 전망됩니다.

하지만 가장 우려되는 점은 이 에너지의 압도적인 대부분이—83%—화석 연료에서 나오며, 석유가 가장 큰 에너지 원이고 그 뒤를 석탄과 천연 가스가 잇습니다. 이들 연료는 대량의 CO₂를 대기 중에 배출합니다.

이는 녹색 에너지 혁신이 시급함을 의미합니다. 재생 에너지는 성장할 것으로 예상되지만, 그 증가율은 겨우 4%에 불과해 전 세계 1차 에너지 사용량의 6% 수준에 머물게 됩니다.

따라서 전 세계적인 에너지 시스템 전환 필요성 속에서, 태양 에너지는 잠재적인 게임 체인저로 부상했습니다. 이는 태양이 생성하는 에너지가 전 세계를, 심지어 그 이상을 전력화할 가능성이 있기 때문입니다.

지구는 단 몇 시간의 태양 에너지만으로도 전 세계가 1년 동안 필요로 하는 에너지를 충당할 수 있습니다.

태양 에너지는 또한 현재 이용 가능한 가장 깨끗하고 풍부한 재생 에너지 원입니다. 더불어 탈탄소화, 에너지 비용 절감, 환경 영향 최소화, 에너지 접근성 및 안보 향상의 장점을 가지고 있습니다.

물론 태양 에너지를 활용하는 데는 여러 도전 과제가 있습니다. 그렇지 않았다면 우리는 이미 광범위하게 활용하고 있었겠지요. 태양광의 간헐성이라는 기본적인 문제 외에도, 햇빛이 하루 종일 비치지 않기 때문에 위치, 저장 솔루션, 그리고 이를 활용하기 위한 기술적 과제들이 존재합니다.

태양 에너지를 활용하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.

한 방법은 능동형 태양 에너지를 이용하는 것으로, 전기적 혹은 기계적 장치를 사용해 태양 에너지를 다른 형태의 에너지로 적극적으로 변환합니다. 이는 광전지(PV) 또는 집광형 태양열(CSP) 을 통해 이루어집니다.

광전지(PV)에서는 반도체 물질이 광전 효과를 일으켜 햇빛을 전기로 변환합니다. PV 기술은 일반적으로 태양광 패널이라고 불리며, 각각의 셀에 반도체가 포함되어 햇빛을 흡수해 전류를 생성합니다.

집광형 태양열(CSP)에서는 렌즈와 거울이 넓은 영역의 햇빛을 작은 영역에 집중시켜 전기를 생산합니다. 태양광 발전소, 태양광 타워, 포물선형 트러프 등은 집광형 태양 에너지의 예시입니다.

또 다른 방법은 수동형 태양 에너지를 이용하는 것으로, 외부 장치를 사용하지 않고 지역 기후를 활용합니다. 예를 들어, 건물을 설계해 적절한 일조량을 확보하거나, 단열이 좋은 건물을 짓는 것이 이에 해당합니다. 냉각 지붕이나 녹색 지붕도 이 방법의 예시입니다.

하지만 이것이 태양 에너지 활용 기술의 전부는 아닙니다. 방대한 잠재력을 가진 만큼, 연구자들은 지속적으로 새로운 태양 전력 포획 및 변환 방법을 탐구하고, 비용 효율성과 효율성을 높여 일상 생활에 실제로 적용할 수 있도록 노력하고 있습니다. 

휴대폰 및 자동차에서 태양 전기 생성

옥스퍼드 대학교 연구진이 최근 태양 에너지 기술 분야에서 흥미로운 발전을 이뤄냈습니다. 이 기술을 통해 자동차와 휴대폰 표면에서 태양 전기를 생성할 수 있게 되었습니다.

Source: Oxford University

맞습니다, 제대로 들으셨습니다: 실리콘 기반 태양 패널을 수많이 설치하는 대신, 일상적인 물건만으로도 점점 더 많은 태양 전기를 생성할 수 있습니다.

이 혁신은 물건 표면에 코팅된 새로운 전력 발생 물질 덕분에 가능해졌습니다. 빛을 흡수하는 이 물질은 얇고 유연하여 거의 모든 표면에 적용할 수 있습니다. 이 혁신적인 접근법은 여러 개의 빛 흡수 층을 하나의 태양 전지에 겹쳐 쌓는 방식입니다. 

이를 위해 옥스퍼드 대학교 물리학과 연구진은 더 넓은 빛 스펙트럼을 활용해 동일한 햇빛 양으로 더 많은 전력을 생산할 수 있는 기술을 개척했습니다.

얇은 막(perovskite) 물질은 일본 국립산업기술연구소(AIST)에서도 독립적으로 인증받아 27% 이상의 에너지 효율을 달성했습니다. 이 수치는 기존 실리콘 광전지와 맞먹는 성능입니다.

연구진에 따르면, 다중 접합(스태킹) 방식을 5년간 실험한 결과 전력 변환 효율이 약 21% 증가했습니다. 이는 초기 효율이 약 6%였던 것이 이제는 햇빛 에너지의 22% 이상을 변환할 수 있게 되었다는 의미입니다.

현재 이 물질이 오늘날 단일층 광전지의 한계를 거의 다 도달한 상태에서, 옥스퍼드 대학의 박사후 연구원 Dr Shuaifeng Hu는 다음과 같이 말했습니다:

“(그들의 기술) 은 향후 45%를 초과하는 효율을 달성할 수 있는 광전지 장치를 가능하게 할 것입니다.”

에너지 효율 외에도 물질의 다재다능함이 중요한 요소입니다. 이 물질은 두께가 1마이크론(0.001mm) 정도로, 실리콘 웨이퍼보다 약 150배 얇습니다. 일반 실리콘 웨이퍼는 두께가 0.5mm에서 400마이크론(0.4mm) 사이이며, 2~25마이크론 범위는 특정 과학적 목적에 사용됩니다.

이 새로운 물질의 얇음은 거의 모든 일반 물체와 건물뿐 아니라 기존 광전지와 달리 거의 모든 표면에 적용할 수 있음을 의미합니다.

이러한 코팅용 신소재를 활용하면서, Dr Junke Wang은 다음과 같이 강조했습니다:

“(그들은) 실리콘을 복제하고 능가하면서도 유연성을 확보했습니다. 이는 많은 실리콘 기반 패널이나 특수 태양광 농장이 필요 없는 더 많은 태양 전력을 약속하기 때문에 중요합니다.”

이 새로운 접근법은 태양을 가장 지속 가능한 재생 에너지 형태로 만들고, 지난 14년간 90%까지 비용이 감소한 현 상황을 더욱 가속화할 것으로 기대됩니다.

세계경제포럼에 따르면, 2010년 전 세계 평균 태양광 광전지로 1메가와트시 전력을 생산하는 비용은 보조금 없이 378달러였으며, 2019년에는 68달러로 급감했습니다. 현재 태양 에너지는 석탄과 원자력보다 저렴하고, 육상 풍력과 거의 동등한 경제성을 가지고 있습니다. 풍력 역시 비용이 감소했지만, 원자력과 석탄은 비용이 상승하거나 약간 감소한 수준에 머물고 있습니다.

이제 얇은 막(perovskite)과 같은 혁신은 실리콘 패널과 특수 태양광 농장의 필요성을 줄여 추가적인 비용 절감을 약속합니다.

연구진은 이 최신 혁신이 기존 물체를 활용해 저비용·지속 가능한 태양 에너지 생산 및 소재 제조 산업을 자체적으로 만들 수 있을 것이라고 전망합니다. 

‘인공 잎’을 이용한 청정 연료 생산

과학자들은 일상적인 물체를 이용해 저렴하게 태양 전기를 생산하는 것뿐만 아니라, 광합성을 재구성해 청정 연료 생산 방식을 혁신하고 있습니다.

2019년 케임브리지 대학 연구진은 인공 잎이 햇빛, 이산화탄소, 물만으로 합성가스를 만들 수 있다는 새로운 기준을 세웠습니다. 

Source: Cambridge University

합성가스는 석유 기반 연료에서 추출되는 가스로, 수소와 일산화탄소의 혼합물이며 플라스틱, 의약품, 연료, 비료 등을 만드는 데 사용됩니다. 우리가 매일 소비하는 제품을 생산하는 만큼, 이를 지속 가능하게 생산할 방법을 찾는 것이 중요합니다.

인공 잎은 햇빛으로 구동되는 탄소 중립 장치로, 대기 중에 CO₂를 배출하지 않습니다. 게다가 흐린 날에도 효율적으로 작동합니다.

광합성, 즉 식물이 햇빛 에너지를 이용해 이산화탄소와 물을 유기물로 전환하는 자연 과정을 모방해, 연구진은 코발트 촉매와 두 개의 광흡수체를 인공 잎에 결합했습니다. 물에 담그면 한 흡수체는 촉매의 도움으로 산소를 생성하고, 다른 흡수체는 물과 CO₂를 수소와 일산화탄소로 환원해 합성가스를 형성합니다.

광흡수체가 낮은 일조량에서도 작동하기 때문에, 이 기술은 하루 종일, 전 세계 어디서든 사용할 수 있습니다.

다른 인공 잎 장치들은 주로 수소만을 생산하지만, 케임브리지 연구진의 장치는 재료와 촉매 조합 덕분에 합성가스를 생산할 수 있습니다.

분자 촉매에 사용된 코발트는 비용이 낮고 풍부하며, 백금이나 은보다 일산화탄소 생산에 더 효율적입니다.

또한 그들의 광흡수체는 실리콘이나 염료 감응 물질 대신 페로브스카이트로 제작되었습니다. 페로브스카이트 광흡수체는 높은 광전압과 전류를 제공해 화학 반응을 구동하고 CO₂를 CO로 환원합니다.

합성가스 다음 단계는 석유를 대체할 지속 가능한 액체 연료를 개발하는 것입니다. 합성가스를 만든 뒤 액체 연료로 전환하는 대신, 연구팀은 이산화탄소와 물만으로 액체 연료 자체를 만드는 것을 목표로 하고 있습니다.

전 세계 에너지 수요의 일부분만을 전기가 충당할 수 있는 상황에서, 합성 휘발유는 중요한 발전이 될 수 있다고 케임브리지 화학과의 Erwin Reisner 교수는 말했습니다. 그는 “중량 운송, 해운, 항공을 지속 가능하게 구동할 액체 연료에 대한 큰 수요가 있다”고 강조했습니다.

최근 몇 년간 Reisner 교수는 그의 연구팀과 함께 새로운 인공 잎을 개발했습니다. 이 장치는 먼저 합성가스를 만들지 않고 바로 청정 에탄올과 프로판올을 생산합니다. 이는 구리와 팔라듐 기반 촉매를 개발함으로써 달성되었습니다.

논문의 제1저자인 Motiar Rahaman 박사는 다음과 같이 말했습니다:

“태양의 힘만으로 실용적인 액체 연료를 생산할 수 있다는 것은 우리 연구에 새로운 길을 열어 주는 흥미로운 진전입니다.”

현재 이 장치는 개념 증명 단계에 머물고 있습니다. 연구진은 잎을 더 효율적으로 햇빛을 흡수하도록 최적화하고, 촉매를 개선해 더 많은 햇빛을 연료로 전환하며, 궁극적으로 대량 생산이 가능하도록 규모를 확대하려고 노력하고 있습니다.

Reisner 교수는 올해 초 왕립공학원 신흥 기술 분야 교수직을 수상했습니다. 250만 파운드 규모의 이 상은 그의 팀이 태양 화학 기술을 실험실에서 시장으로 전환하는 데 큰 도움이 될 것입니다.

Reisner 팀이 제품 규모 확대에 매진하는 동안, 워털루 대학의 Yimin Wu 교수는 동일 시기에 또 다른 논문을 발표했습니다. 이 논문 역시 ‘인공 잎’ 개념을 활용해 유해한 CO₂를 저렴하게 유용한 대체 연료로 전환했습니다.

다시 말해, 광합성 과정을 모방한 이 인공 잎은 메탄올과 산소를 생산했으며, 자연 잎이 포도당과 산소를 생산하는 것과는 다릅니다. 

핵심 성분은 구리 산화물(Cu₂O)로, 8면 입자를 갖도록 최적화된 빨간색 분말 형태였습니다. 이는 구리 아세테이트, 포도당, 도데실 설페이트, 수산화 나트륨을 특정 온도에서 가열한 물에 첨가해 만들었습니다. 

물과 혼합해 CO₂에 노출시키면, 이 물질은 또 다른 화학 반응을 촉발해 산소를 방출하고 CO₂를 메탄올로 전환합니다. 백색광을 제공하는 태양 시뮬레이터를 사용했으며, 용액이 가열되면서 메탄올이 증발해 수집되었습니다.

양자점으로 만든 이중 유리 태양창

이 분야의 또 다른 발전은 양자점입니다. 양자점은 2~10 나노미터 크기의 작은 반도체 입자로, 그 작은 크기로 인해 독특한 전자·광학 특성을 가져 다양한 용도로 활용됩니다.

로스앨러모스 국립 연구소의 연구에서는 양자점을 창문 유리에 삽입해 전기를 생산했습니다. 이 ‘디자이너’ 양자점은 햇빛을 흡수해 에너지로 변환하면서도 창문의 투명성을 유지합니다. 

이 혁신은 전통적인 태양 패널이 필요 없고 비용이 많이 드는 기존 방식 대신, 건물 전체를 태양 에너지 발전소로 변모시킬 수 있게 합니다.

Source: Los Alamos National Laboratory

주요 연구원 Victor Klimov 교수는 양자점 기반 이중 유리창이 “저비용·용액 공정 가능한 재료” 덕분에 강력한 성능을 발휘해 비용 절감에 새로운 접근법을 제공한다고 설명했습니다.

이 새로운 방법은 기존 PV 기술을 대체하는 것이 아니라, 기존 태양 패널에 간단히 추가되는 효과적인 햇빛 수집 장치입니다. 또한 반투명 창으로 건물 구조에 통합될 수 있습니다.

현재 상용 PV 패널의 효율이 약 25% 수준인 반면, 양자점은 캐리어 멀티플리케이션을 활용해 이를 뛰어넘을 잠재력을 가지고 있습니다.

전형적인 광전지 패널은 한 개의 광자를 흡수해 한 개의 전자를 방출합니다. 그러나 양자점 기반 패널은 캐리어 멀티플리케이션과 망간 이온을 도핑해 한 광자를 흡수하면 두 개 이상의 전자를 생성합니다.

이 기술의 핵심은 “태양 스펙트럼 분할”이며, 고에너지와 저에너지 광자를 별도로 처리합니다. 

연구진은 망간 이온을 양자점에 도핑해 고발광 불순물로 활용했습니다. 양자점이 빛을 흡수하면 이 불순물이 활성화되어 망간 이온이 양자점 흡수 시작 에너지보다 낮은 에너지의 빛을 방출합니다. 

이를 통해 앞쪽 유리판에 고발광 망간 도핑 양자점 층을, 뒤쪽 유리판에는 구리·인듐·셀레늄 양자점 층을 증착합니다. 

앞층은 가시광선의 파란색·자외선 영역을 흡수하고, 뒤층은 나머지 스펙트럼을 흡수합니다. 흡수된 광자는 더 긴 파장의 광자로 재방출되며, 이 재방출된 빛은 전반사에 의해 유리 가장자리로 안내돼 통합된 태양 전지가 수집해 전기로 변환합니다.

또한 Klimov 교수팀은 양자점을 활용해 전 세계 에너지 사용량의 2% 이상을 차지하는 암모니아 생산에도 적용을 모색하고 있습니다. 이 경우 양자점과 햇빛을 이용해 “광전 방출이 아닌 자유 전자”를 생성합니다. 

이제 태양 에너지 분야의 두 주요 기업을 살펴보겠습니다.

#1. NextEra Energy

재생 에너지 분야의 선두주자로 널리 알려진 NextEra Energy (NEE ) 는 2024년 2분기에 순이익 5억 5,200만 달러, 조정 순이익 8억 6,500만 달러를 기록했습니다.

그들은 3GW의 재생 에너지 용량을 추가했으며, 특히 태양 발전을 크게 확대했습니다. 2027년까지 조정 주당 순이익이 매년 상승할 것으로 예상하며, 수익성 상승 곡선을 그리고 있습니다.

#2. First Solar

First Solar (FSLR ) 는 태양광 패널 제조와 포괄적인 광전 발전소 서비스를 제공하는 기업으로, 얇은 막 반도체 기술을 활용해 차별화된 입지를 확보하고 있습니다.

재무적으로 First Solar는 지난 회계연도에 매출 35억 6천만 달러와 순이익 10억 2천만 달러를 기록했습니다. 지속 가능한 기술과 국제 시장 확대에 중점을 두어 태양광 분야에서 전략적 위치를 강화하고 있습니다.​

결론

이러한 최신 혁신은 태양 에너지의 전체 잠재력을 실현하는 데 큰 진전을 의미합니다. 태양 에너지는 환경을 오염시키는 화석 연료에 대한 강력한 대안이 되는 깨끗하고 재생 가능한 자원입니다.

전 세계 에너지 수요가 향후 증가할 것으로 예상되고, 풍부한 지속 가능한 태양 에너지가 가용해짐에 따라 이 무한한 청정 에너지를 활용하는 것이 필수적입니다. 그러나 현재 태양 전력은 전체 전력 생산 중 매우 낮은(단일) 비율을 차지하고 있습니다. 이는 정부와 기업 간의 지속적인 연구·개발·협력이 필요함을 강조하며, 태양 에너지 활용을 진전시켜 전 세계를 전력화해야 함을 시사합니다.

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