*본 고는 독일 프라운호퍼 연구소에서 독일의 수소 기술 동향에 관하여 작성한 것입니다.

근본적인 산업 변혁

최근 수십 년 동안 대기 중 이산화탄소 농도의 지속적인 증가가 관찰되었다. 대표적인 온실가스인 이산화탄소는 지구 온난화를 초래하고, 기상 현상과 생태계 그리고 인간사회에 막대한 영향을 끼치고 있다. 파리 협정에서 한국, 독일을 포함한 많은 국가들이 기후 변화의 부정적인 영향을 제한하고자 금세기 중반까지 온실가스 배출량을 0으로 줄일 것을 합의하였다.

수소 – 탄소중립의 핵심

미래 탄소중립경제의 핵심은 수소가 될 것이다. 수소는 무색, 무취, 무독성의 기체이다. 천연가스와는 달리 수소는 주위 온도에서 액화될 수 없으며, 350bar 또는 700bar의 압력에서 압축가스로 또는 영하 253°C에서 액화 상태로 저장된다. 현재, 수소는 대부분의 화학 산업에서 벌크 케미컬 생산을 위해 사용된다.

"녹색" 수소 생산 방법

현재 수소의 약 95%는 화석 연료에서 생산되며 대부분 천연가스의 증기 개질을 통해 생산된다. 이 공정은 저렴하지만(2020년 기준, 약 1$ kg^-1 H2) 1m³의 수소 당 0.3m³의 이산화탄소를 발생시킨다. 산화탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있는 공정은 바로 물을 전기 분해(수전해)하는 것이며, 화학식으로는 2H₂O → 2H₂ + O₂로 설명된다.

독일에서는 Emapter 社가 1MW 용량 규모의 AEM 시스템을 생산하고 있다. 동사는 한국에서 예스티(YEST) 社와 협력 중에 있다. 세 번째로, 큰 가능성을 가진 기술은 고온 스팀을 활용하고 산업 플랜트 연계성이 좋은 고체산화물전해조전지(SOEC)이다. 이 기술은 독일 내 SunFire 社, 한국에서는 SK 에코플랜트에서 개발하고 있다.

인공 광합성

세계 경제의 변화에는 다양한 기술의 조합이 필요하며 전기분해에 의한 수소 생산도 그 중 하나가 될 것이다. 지난 몇 년 동안 크게 발전한 기술 중에는 ‘인공 광합성’이 있다. 인공 광합성은 "태양광을 유일한 에너지원으로 사용하여 통합 장치 및 시스템에서 연료와 화학물질을 생산하는 것"으로 정의된다. 인공 광합성은 효소에 의해 연료와 화학물질을 생산하는 자연광합성과 반도체가 전기에너지를 생산하는 태양전지의 중간단계라 할 수 있는 반도체 기술이다.

향후 몇십 년간 우리는 에너지시스템의 근본적 변화를 목격할 것이며, 수소는 결정적인 역할을 담당할 것이다. 물 전기분해는 탄소중립적 수소 생산의 가장 중요한 방법이며, 그중 인공광합성 기술은 수소 생산의 산업적용 한계에 대한 대단히 흥미로운 대안이 될 것이다.

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