Update2024.05.02 (목)
무한한 태양광, PEC셀로 수소시대 연다
■태양광-전기-수소, 미래 핵심에너지
IEA-HIA(세계에너지기구 수소이행협정)의 예측에 의하면 <그림 1>과 같이 미래의 주 에너지원은 태양광으로 보았고, 주 에너지 매개체로는 전력을, 그리고 에너지 저장 및 연료로서 수소를 상정한 미래에너지 삼각형을 정의했다. 이 세 개의 꼭짓점 사이에는 관련된 에너지 전환 기술을 나타냈다. 태양광에서 전력을 생산하는 태양광 발전(PV), 태양광에서 수소를 직접 제조하는 광전기 화학 기술, 그리고 수소와 전기 사이의 에너지 전환기술인 연료전지 및 수전해 기술이 미래의 핵심에너지 기술이 될 것이다. 이때 수소의 원료는 물이 사용될 것이다.
태양에너지는 본질적으로 청정하고, 재생 가능하며 특히 가장 풍부한 에너지원이기 때문에 가장 우수한 에너지원이다. 태양은 거대한 에너지를 방출하며(1.2×1034 J/year), 그 중 단지 작은 부분(1/1010)인 5.5×1024 J/year 만이 지구상에 공급된다. 이 에너지의 일부는 반사되고, 나머지인 약 3.0×1024 J/year는 바다와 지표면 위의 대기로 침투될 수 있고, 이것은 지구상의 우리에게 유용한 에너지원이 된다. 자연에서 발생하는 광합성 반응은 지구상의 태양에너지의 0.1%를 흡수한다(3.0×1021 J/year). 그리고, 인간에 의해 세계에서 소비되는 에너지는 태양에너지의 약 0.01%인 약 3.0×1020 J/year에 불과하다. 다른 흥미로운 수치는 전세계 화석원료에 축적되어 있는 에너지의 전체량은 태양에너지의 단지 7일분에 불과하다.
그러므로 지구상에 유용한 태양에너지의 양은 현대 문명을 유지시키기 위해 필요로 하는 양보다 훨씬 풍부하다.
만약 우리가 태양에너지 전환효율을 10% 낼수 있는 시스템을 개발한다면 전 세계 사용량을 충당하기 위해 필요한 지표면적은 50만㎢으로서 전 지표면적의 0.1%이며 전 사막 면적의 2%에 해당한다. 이는 우리가 무리없이 에너지를 위하여 할애할 수 있을 정도의 면적이다.
■ 태양광 수소 제조기술 핵심, ‘광촉매’ 청정·효율성, 수소 생산 가장 이상적
태양광 에너지를 이용하여 수소를 제조하는 방법 중 현재 개발된 것은 태양전지와 전기물분해 장치를 결합한 시스템이다. 즉 실리콘을 포함한 태양전지가 태양광을 사용하여 일단 전기를 생성하고 이를 이용하여 물을 분해하는 2단계 시스템이다. 두 기술 모두 성숙된 산업 기술이며 태양광 전환 효율도 10%를 상회하나 태양전지 시설비가 비싸고, 2개의 시스템을 구성해야 하므로 경제적으로도 불리하다. 전기를 거치지 않고 태양광을 바로 수소로 직접 전환하는 시스템이 이상적인데 여기에서 핵심적인 역할을 하는 것이 광촉매라는 반도체 물질이다.
물에 잠겨 있는 광촉매가 햇빛을 받으면 반도체의 밴드폭 이상의 에너지를 갖는 광을 흡수하여 가전대에 있던 전자가 전도대로 여기되고, 가전대에는 정공(hole)이 생기게 된다. 이 광전자와 정공이 각기 반도체 표면으로 이동하여 물과 접촉하면 각각 환원반응과 산화 반응을 일으켜 수소와 산소를 발생 시키게 된다.<그림 2> 이러한 광촉매의 원리를 이용한 물분해 시스템에는 광촉매 입자를 물에 분산시켜 빛을 쪼여 수소와 산소를 동시에 발생시키는 분산 광촉매 법과 반도체를 박막화한 광전극과 금속 상대 전극으로 전기 화학 셀을 구성하여 산소와 수소를 별도의 전극에서 제조할 수 있는 광전기화학(Photoelectrochemical Cell, PEC) 시스템이 있다. <그림 3> 수소와 산소가 별도의 전극에서 생성되는 광전기화학시스템법은 시스템 구성에 따른 저항의 증가로 물을 분해하는데 필요한 에너지가 다소 증가하지만 바이어스를 걸어 주어 전기장을 생성하여 광전자의 재결합을 효율적으로 방지할 수 있고 생성된 수소와 산소의 역반응이 불가능하므로 그 효율이 높고, 또한 수소가 단독으로 얻어져 추가 분리가 필요 없기 때문에 단기간에 실용화 가능성이 가장 높은 것으로 평가되고 있다.
반면에 분산 광촉매를 이용하여 수소를 제조하는 방법은 시스템은 장치가 단순하고 장치비가 저렴하다는 장점이 있으나 전자 정공의 분리가 원활하지 못하고 동일 입자에서 생성된 수소와 산소의 물로의 역반응을 피하기 어려워 효율이 낮은 단점이 있다.
광전기화학적 PEC 기술은 1972년 일본의 Honda & Fujishima의 연구보고 이후 태양광 조사하에 물분해가 가능한 시스템에 관한 연구가 수행돼왔다. 현재까지 바이어스 전압없이 단독으로 반도체물질을 전극으로 사용하여 태양광에서 수소로 전환되는 최대 효율은 3% 이하이며, 다접합 태양전지를 이용하여 바이어스전압을 걸어준 상태에서는 4.5% 정도이다.
PEC 셀, 2015년 가격경쟁력 갖출 것
■국내외 PEC전지 개발 활발
IEA-HIA로 알려진 수소프로그램은 1977년에 개설되었으며, 화석연료, 재생에너지(수소포함), 효율적인 에너지 사용, 융합 에너지등으로 분류되어 있는 많은 IEA 에너지 협력 기구 프로그램 중 하나다. IEA 회원국인 미국, 일본, 스웨덴, 스위스 및 오스트레일리아. 멕시코 등에서는 수소에너지 생산기술에 대한 연구를 진행하고 있으며, 그 중에서 PEC 전지를 이용한 수소생산 기술을 장기적인 대체에너지 기술개발 관점에서 연구하고 있다.
미국의 국립 재생에너지 연구소(NREL, Colorado)에서 획기적 성능(태양광 전환 효율 16%)을 가지는 PEC 전지를 개발했다. 이들의 연구목표는 태양광에너지만을 이용하여 물을 분해하여 수소를 얻을 수 있고 저가이면서 수용액에서 안정한 PEC전지를 개발하는 것이다.
이를 위해 수용액에서 안정하고, 물을 분해하기에 적절한 에너지를 얻을 수 있는 새로운 반도체물질을 개발하고, 높은 물분해 효율을 나타내는 다접합전극을 연구하며, 전극과 전해질 계면에서 밴드갭 가장자리의 제어기술 및 투명한 촉매막의 코팅기술 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 최근 DOE(미국 에너지부) 주관으로 NEI(Hawaii), Caltech, UC Santa Barbara, Toledo 대학, GE 등의 consortium 연구팀에 3년간 1,000만달러대의 연구비가 투입되고 있으며, 국립연구소와 기업체를 중심으로 네바다 주에서 실증을 위한 개발 연구도 진행 중이다. 특히 NREL에서는 물로부터 직접 수소를 생산하기 위한 PEC 전극으로서 CGIS (Copper Indium Gallium Diselenide)을 기반으로 하는 다접합 박막전극 소재를 개발하여 보고하였다. CuInGaSe2의 Se(Selenium)자리에 S(Sulfur)를 치환시킴으로 물분해에 효과적인 밴드갭 및 밴드갭 위치를 제어했다.
스위스 제네바 대학(J. Augustynski)과 EPFL (M. Gratzel)에서 개발되었고 영국에 기반을 둔 Solar Hydro사에 기술 이전된 모델은 나노산화텅스텐 전극을 사용하고 염료 감응형 태양전지(Gratzel cell)와 하이브리드화 된 형태로서 광효율은 5%대로 미국형에 비해 떨어지나 재료 가격이 낮고 안정성이 탁월하여 실용성은 더욱 높은 것으로 보고됐다. 단파장의 빛은 산화텡스텐이, 장파장의 빛은 태양전지의 Dye가 흡수하도록 설계돼 태양광 이용효율을 높이고 있으며, 현재 산화텅스텐 대신 장파장을 흡수율 높이기 위하여 산화철을 전극을 사용하는 연구가 진행 중이다. 네델란드는 최근에 이 분야에서 활발한 연구를 시작했으며, Delft 대학에서 재료개발 연구, Leiden 대학에서 이론 연구가 진행 중이다. 프랑스는 CEA (Atomic Energy Commission)와 CNRS에서 PEC 전극 및 염료 재료개발 프로젝트를 시작하였으며, 호주도 Sydney와 Melbourne의 CSIRO(국립연구소)와 UNSW 및 Queensland 등 대학에 팀이 있다.
일본은 Honda-Fujishima가 PEC를 이용하여 1972년 세계 최초로 물 분해에 의한 수소제조를 실현한 것을 국가적인 긍지로 여기고 있다. 산업화까지 발전한 환경정화용 광촉매 기술의 발달과 그 영향으로 PEC보다는 광촉매적 방법을 선호하여 각종 국가 기초연구 프로그램으로 연구 개발 중이며 광촉매법에 비하여 PEC법에 의한 수소제조 기술은 미국/EU에 비하여 낙후되고 있는 실정이다.
우리나라의 경우 1988년부터 추진된 수소에너지관련 기술개발과제는 15개로 48억 정도의 사업비로 진행되었다. 이 연구비는 수소생산, 저장, 이용기술개발에 관한 것으로 당시 산업자원부 에너지관리공단의 주도하에 진행됐다. 반면에 태양광을 이용해 물로부터 수소를 제조하는 기술은 2000년부터 2단계 5개년 계획으로 광촉매, 생물학적 수소제조, 열화학 싸이클 기술에 대한 기반기술 확보를 위해 기초연구가 시작된 이래 21세기 수소에너지사업단에서 2003년부터 ‘광화학적 수소 제조 기술’ 연구가 진행 중이다. 광촉매 전극으로 사용될 재료와 소자 개발과 아울러 시스템 구성기술 개발에 대한 연구도 수행 중이다. 이 연구를 통하여 국내 연구 수준도 세계 최고 수준의 성과를 다수 도출할 만큼 성장했다.
■광화학적 수소제조 소재개발 동향
물을 산소와 수소로 분해하기 위한 열역학적 에너지는 1.23 V이다. 합리적인 속도에서 반응을 이끌기 위해서는 과전압 손실과 몇몇 에너지를 더한다면, 약 1.6~1.8V의 전압이 물 분해에 필요하다. 최근 상업적인 전해조는 1.7과 1.9 전압 사이에서 작동된다. 1.9V의 에너지를 빛의 파장대로 전환할 경우 약 650nm가 되고, 이것은 가시광 영역의 가장 낮은 에너지 (적외선) 부분이다. 이것은 전 가시광 영역은 물을 산소와 수소로 분해할 수 있는 에너지를 가진다는 것을 의미한다.
광전기화학에서 빛을 포집하여 활용하는 시스템은 수용액 안에 잠겨있는 반도체 물질이다. 그래서, 광전기화학적 수소 제조를 위해 핵심이 되는 첫번째 임무는 반도체 물질 혹은 직접적으로 물을 분해하기 위해 필수적인 특성을 가지는 반도체 구조를 확인하거나 합성하는 것이다.
이러한 물질들이 갖추어야 할 조건은 먼저 반도체가 태양광을 흡수할 수 있는 적절한 밴드폭(2.0 eV 부근)과 함께 물을 산화시키거나 환원시킬 수 있는 적절한 밴드 위치를 가져야 한다. 수 백종의 물질 들이 물분해 능력이 있는 것으로 보고됐으나 (그림 4)에 대표적인 광촉매 물질의 밴드 구조를 나타냈다.
이러한 밴드 구조 이외에도 광촉매 물질은 물 안에서 햇빛을 받으면서 수년간 안정성을 유지해야 한다. 그 외에도 물질의 전도성, 결정성, 그리고 실용화를 위한 경제성을 확보해야 한다. 또한 이러한 물질을 나노 구조로 합성함으로써 전자-전공의 분리를 용이하게 하여 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 목적을 위하여 최근 전 세계의 광화학적 수소제조 연구그룹에서 <표 1>과 같이 소재에 관한 연구를 진행 중이다.
■광화학적 수소제조 시스템 연구, ‘세계 3위’ 수소E사업단 10년 연구, 세계적 성과 도출
광화학적 수소제조를 위해서는 확인된 혹은 합성된 반도체 물질을 박막화해 시스템을 구축하는 작업이 필요하다. 물분해를 위한 광전기화학적 시스템에 대한 연구는 현재 초기 단계이며 앞으로 많은 새로운 아이디어들이 제안될 것으로 보인다.
한국은 다른 국가에 비해서 물질을 시스템화하는 분야가 매우 취약한 편이다. 따라서, 한국도 광촉매, 박막화, 소재 전문가들의 기술적 교류를 통해서 이 분야에 대한 연구를 집중해야 할 것으로 판단된다.
광전기화학을 이용한 수소제조 방법과 관련해, 1996년~2010년의 미국, 일본, 유럽, 한국의 특허정보를 분석한 결과 총 137건의 특허와 400건의 논문을 얻었다.
미국이 특허와 논문 모두에서 각각 57건(41.3%)과 135건(29.7%)으로 광전기화학 수소제조기술에서 가장 높은 순위를 나타내고 있으며 일본이 특허 44건(31.9%), 논문 51건( 11.2%)으로 2위로 나타나며 미국과 일본이 차지하고 있는 특허점유율이 73.2%로 해당 기술을 주도하고 있는 것으로 나타난다. 이어 한국이 3위로 나타나고 있지만 특허의 경우 미국, 일본에 비해 매우 낮은 점유율을 나타내고 있다. 중국은 특허의 분석 DB가 미국, 일본,유럽, 한국특허만을 대상으로 하여 중국특허가 DB에 포함되지 않았기 때문에 특허출원 현황은 나타나고 있지 않지만 논문발표에서 40건으로 8.8%의 높은 점유율을 나타내고 있다.
논문의 경우 특허에서는 조사되지 않은 한국의 포항공대가 가장 많은 19건의 논문을 발표하였으며, 중국의 Chinese Academy of Sciences와 인도의 Banaras Hindu University가 각각 17건, 14건으로 논문발표 3, 4위를 차지하여 높은 순위를 나타내었다. 일본은 도쿄대학이 19건으로 공동 1위를 나타내었으며 미국이 Dusquesne 대학 등 6개 기관이 10위권으로 나타났다.
올해 수소에너지사업단의 연구목표는 STH 효율 5%이상 광전극의 제조, 광전극의 대면적화, 대면적의 실증 PEC 셀(cell) 제조에 있다.
소재개발과 시스템 실증을 통하여, 광전극 구조 제어, 도핑, 조촉매 적용 등 최적화를 통한 고효율 전극확보, 광전극 물질들의 복합화 등 최적화를 통한 고효율 전극확보, 전극 안정성 test 및 안정성 확보로 광전극의 대면적화를 위한 기반기술 확보를 위해 매진하고 있다.
고효율·내구성 갖춘 광촉매 개발 ‘핵심’
■기술 및 경제성 전망과 과제
태양광 등의 재생에너지를 사용한 수소생산 비용은, 현재 미미한 사용량, 수송비용, 이용기술의 미비 등으로 경제성 면에서 불리하지만 기술개발에 의한 수소생산 효율증가, 무제한의 에너지원인 태양에너지의 이용, 추후 수소에너지 이용비율 증대 (DOE 예상치, 2050년 미국내 에너지원의 약 15% 예상)등으로 태양에너지 등 재생에너지를 이용한 물분해에 의한 수소생산비용은 점차 감소할 것으로 예상된다.
미국의 DOE에서 제시한 광화학 수소 제조의 목표에 의하면 2015년 광효율 14%, 수명 2만시간, 그리고 수소 제조 가격을 5달러/kg로 설정했다. DOE에서는 제시한 광효율이 확보될 경우 기존의 화석연료와의 가격 경쟁성이 있어 기술을 실용화할 수 있을 것으로 판단하고 있다. 또한 IEA의 광화학 수소 제조 프로그램인 Annex-20에서도 비슷한 목표를 제시하고 있다. 기존의 제시된 자료들을 통해 2030년 이후의 수소경제시대를 위해서는 최소한 10~15년 전에 기반기술이 확보가 되어 있어야 하며, 이런 점에서 2015년으로 제시된 목표치는 현실적으로 타당하다고 판단된다.
영국의 경우 광촉매(Tandem cell)에 의한 수소제조 가격은 태양전지를 이용하여 전기를 만들고 전기분해에 의해 물로부터 수소를 제조하는 간접 전환법보다 훨씬 가격 경쟁력이 있는 것은 물론이고 천연가스 개질과 석탄가스화에 의한 수소생산에 비해서도 가격경쟁력이 크게 떨어지지 않는 것으로 나타났다. 따라서, 초기의 수소에너지원은 화석연료에 기반을 둔 에너지원으로부터 확보되어야 할 것이나, 장기적인 관점에서는 친환경적이며, 청정한 태양광과 물로부터 광촉매를 이용하여 제조돼야 할 것이다.
■고효율·내구성 갖춘 광촉매재료 개발해야
광전기화학적으로 수소를 제조하는 기술은 효율이 높고 광부식성이 적은 광촉매 재료 자체의 개발이 핵심이나 아직도 이 두 기술적 관점을 동시에 만족시킬 만큼 충분히 좋은 재료가 개발되지 못하고 있다. 산화물 재료는 광안정성은 좋지만 효율이 불충분하며 화합물 반도체 재료는 반대의 경향과 함께 여전히 비싸다.
따라서, 상업적으로 가능한 광화학적 수소제조 시스템을 구축하기 위해서는 선행적으로 해결되어야 할 과제들이 많이 있다. 먼저, 후보물질들을 빠르게 확인하고, 최적화하는 작업을 요구하며, 물질 구성의 내구성 즉, 장기 안정성에 대한 검증이 필요하다. 또한, 물질의 가격은 타 기술에 비해 경쟁력을 높일 수 있는 부분이다.
빛을 효율적으로 활용하여 효율을 향상시키는 일 또한 중요한 과제이다. 마지막으로 실험실 규모에서 확립된 시스템을 대규모화하기 위해 반도체 전극제조기술, 금속/금속산화물 박막제조기술, 코팅기술 등 PEC전지 시스템구성을 위한 핵심기술과 향후 다접합 전극개발, 광부식 방지를 위한 코팅기술, PEC전지 시스템 구성기술등 수소생산을 위한 실용적 측면의 기술을 체계적으로 연구해야 한다.
■수소기술 확보가 미래 국가 경쟁력
세계는 앞으로의 에너지 체계가 다변화 되어갈 것이며, 중심이 화석연료원에서 다른 대체에너지원으로 이동할 것으로 예상하고 있다. 특히 대체에너지 중 수소에너지는 앞으로의 세계 에너지 체계에 중심이 될 것이라는 생각에 의심의 여지가 없다. 또한, 궁극적으로 수소경제, 수소문명이 우리 사회와 세계 다른 나라에 궁극적으로 실현될 것이라는 예견 또한 많은 학자들에 의해 힘을 얻고 있다. 수소를 생산하는 많은 기술 중 태양광을 이용해서 물로부터 수소를 제조하는 광전기 화학적인 기술은 환경적인 청정성, 무한정한 재생에너지원으로부터의 제조 가능성으로 인하여 가장 이상적인 기술로 여겨지고 있다. 이 기술이 미치는 경제 사회적 영향은 절대적일 것으로 예상되며 기술의 선점 여부가 국가 전략 및 에너지 산업의 국제 경쟁력에 결정적인 영향을 미칠 것으로 예측되고 있다. 현재 장기 로드맵에 의해 집중적인 연구 투자를 하고 있는 미국과 유럽, 일본 등에 뒤지지 않기 위해서는 목표 지향적이고 국가 전략적인 연구개발을 지속적으로 수행할 필요가 있으며, 장기적인 안목으로 연구 개발에 투자하여 이 새로운 에너지 기술에 있어서 세계적인 경쟁력을 확보해야 한다.
