(The photosynthesis system of the Jülich solar cell scientists is compact and self-contained, and the flexible design allows for upscaling. The concept can be applied for all thin-film photovoltaic technology and various types of electrolyser. Credit: Forschungszentrum Jülich)
식물이 광합성으로 포도당을 생성하는 것처럼 과학자들도 태양 에너지를 이용해서 바이오매스나 혹은 수소 같은 에너지원을 직접 생산하는 연구를 진행 중입니다. 기존의 태양전지는 가격은 매우 저렴해졌지만, 여전히 밤에는 전기를 생산할 수 없고 직접 다른 형태의 에너지원을 생산할 수 없다는 단점이 있기 때문입니다.
태양광과 촉매를 이용해서 수소를 바로 생산할 수 있다면 낮에만 생산이 가능해도 얼마든지 저장이 가능하며 필요할 때마다 꺼내 쓸 수 있는 만큼 기존의 화석연료를 대체하기가 훨씬 쉬워집니다. 문제는 이렇게 현재 있는 광전기화학 물 분해(photoelectrochemical water splitting) 시스템이 매우 작은 실험실 규모를 벗어나지 못하는데다 에너지 변환 효율이 낮다는 것입니다. 물론 이를 극복하기 위한 연구가 여러 곳에서 진행 중입니다.
독일 국가 핵융합 연구소(Forschungszentrum Jülich)의 과학자들은 태양광 전지 - 물분해 촉매 장치를 이용한 얇은 박막 형태의 광전기화학 전지를 만들었습니다. 이들이 만든 시스템은 64㎠ 정도 크기의 셀을 물속에 넣은 것으로써 야외에서 실제 태양광을 이용해서 수소를 생성할 수 있습니다. 비록 에너지 전환 효율은 3.9%에 불과하지만, 연구팀은 앞으로 충분한 개선 여지가 있다고 보고 있습니다. 사용화가 가능한 효율은 10%정도로 생각하고 있습니다.
(Test set-up of the prototype for photoelectrochemical water splitting: The complete system is immersed in an aqueous potassium hydroxide solution. Illumination with a daylight lamp generates a voltage of 1.8 Volt in the solar cells, which is used by the electrolyser (front side, with nickel-foam stripes as anodes and cathodes) to split the water into hydrogen and oxygen. Credit: Tobias Dyck/Forschungszentrum Juelich)
태양 수소 전지 개발은 앞서 이야기했듯이 많은 과학자들의 꿈이기도 합니다. 가능해진다면 화석 연료가 아닌 수소 기반 에너지도 꿈이 아닌 현실이 될 수 있습니다. 물론 경제적인 태양광 수소 생산을 위한 길은 아직도 먼 상태입니다.
미래 에너지원으로 태양 수소 전지가 현실적인 대안이 될 수 있을지는 아직 알 수 없지만, 연구가 진행되면서 점차 실제 상용화할 수 있는 형태로 발전하는 모습이 보이는 것 같습니다. 어디까지 발전할 수 있을지 궁금하네요.
참고
Bugra Turan et al, Upscaling of integrated photoelectrochemical water-splitting devices to large areas, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/NCOMMS12681
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