MIT, 태양광 발전을 통한 수소 생산 혁신 제시

지난 2일(현지 시각), 지속가능매체 환경에너지리더(Environment+Energy Leader)가 새로운 수소 생산 방식에 대해 소개했다.

지속 가능성을 높이기 위해 각국이 탄소 배출을 줄이고, 청정에너지원으로 전환하기 위한 혁신적인 해결책을 찾고 있는 현재 수소 생산은 탈탄소화에 있어 중요한 요소 중 하나다.

수소는 온실가스를 배출하지 않고 장거리 트럭, 선박 및 항공기에 동력을 공급할 수 있는 잠재력으로 오랫동안 에너지 혁신을 위한  해결책으로 칭송받아 왔다. 하지만 기존의 천연가스 및 화석 연료를 사용하는 수소 생산 방식을 통해 생산된 ‘회색 수소’는 완전한 청정에너지라고 보기 어렵다.

환경에너지리더가 보도한 바에 의하면, 매사추세츠 공과대학교(MIT)는 태양열을 이용하여 수소 생산 방식의 판도를 바꿀 것을 약속했다. 태양열화학수소(Solar Thermochemical Hydrogen, STCH)라 알려진 MIT의 새로운 접근 방식은 재생 가능한 태양열 에너지에만 의존해 수소를 생산함으로써 탄소 배출 없는 대안을 제시한다.

MIT 엔지니어들은 태양열의 최대 40%를 활용하여 청정 수소 연료를 생산할 수 있는 태양열 구동 시스템을 개발했으며, 이는 미 에너지부(DOE)의 수소 생산 목표인 2030년까지 그린수소를 킬로그램당 1달러로 만들기 위한 중요한 발걸음이다.

STCH는 큰 잠재력을 가지고 있음에도, 기존 시스템은 유입되는 태양 에너지의 7%만 수소로 변환할 수 있어 비용 및 에너지 효율성의 문제를 겪어야 했다. 이 문제를 해결하기 위해, MIT 엔지니어들은 태양열의 40%를 잠재적으로 활용할 수 있는 시스템을 설계해 효율성을 향상시키고, STCH를 산업 탈탄소화를 위한 확장 가능하고 비용 효율적인 선택지로 만들었다고 전했다.

연구의 주요 저자인 아마드 고넴 교수는 “우리는 수소를 미래의 연료로 생각하고 있고, 그것을 저렴하고 규모 있게 생산할 필요가 있다”고 전했다.

또한 MIT의 기계공학과 로널드 크레인 교수는 “경제성을 개선하기 위해, 효율성을 개선하고 수집하는 태양에너지의 대부분이 수소 생산에 사용되도록 해야 한다”고 전했다.

MIT의 STCH 시스템은 집광형 태양광 발전소(CSP)와 같은 기존의 태양열 공급원과 함께 작동하도록 설계됐다. 집광형 태양광 발전소는 거울의 배열을 통해 햇빛을 모으고 반사해 중앙 수신 타워에 보내는 식으로 작동한다.

STCH 시스템은 집광형 태양광 발전소 수신기에서 발생하는 열을 흡수하여 물을 분해하고 수소를 생산하는 데 활용한다. 물을 분해하기 위해 열을 사용한다는 점에서 기존에 많이 사용되는 방식인 전기 분해와 차이를 갖는다.

STCH 시스템에서는 2단계의 열화학 반응이 발생한다. 먼저 증기가 금속과 상호 작용하도록 해 금속이 증기로부터 산소를 포집해 순수한 수소만 남긴다. 이 금속 산화 과정은 철이 녹스는 것과 비슷한 원리지만 훨씬 더 빠르게 발생한다. 

수소가 분리되면 산화된 금속이 진공에서 재가열되며, 이는 산화 과정을 역전시키고 금속을 재생시키는 역할을 한다. 산소를 제거한 후 금속을 냉각시킨 후 다시 증기에 노출하는 과정의 반복을 통해 수소를 생산하는 방식이다.

MIT의 STCH 시스템이 성공적으로 실현된다면 태양 에너지로부터 연중무휴 수소 생산을 가능케 할 수 있다. 애리조나 주립 대학의 크리스토퍼 무히는 “만약 STCH가 실현된다면 우리의 에너지 미래를 급격하게 바꿀 것”이라 평가했다.

다음 단계를 위해 MIT 팀은 미 에너지부의 지원을 받아 집광형 태양광 발전소에서 테스트하기 위해 시스템의 프로토타입을 구축할 계획이다.