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태양 - 수소 에너지 전환 신기록 수립.



(NREL Senior Scientist John Turner tests a photo electrochemical water-splitting system in the hydrogen laboratory at NREL. Turner set a world record for efficiency for the process in 1998 and was part of a team that recently achieved 16.2% solar-to-hydrogen conversion efficiency. Credit: Dennis Schroeder)


 이미 태양광 에너지는 신재생 에너지로 널리 활용되고 있지만, 큰 단점이 있습니다. 해가 뜰때만 발전이 가능하다는 것이죠. 이런 문제를 극복하기 위해 여러 가지 대안이 나오고 있는데, 그 중 하나가 태양 에너지를 이용해서 수소나 혹은 연료로 활용할 수 있는 탄화 수소를 만드는 것입니다. 광에너지를 화학 에너지로 바꾼다는 점에서 이는 인공 광합성이라고 할 수 있습니다. 


 최근 미국 국립 재생에너지 연구소 (National Renewable Energy Laboratory (NREL))의 과학자들은 16.2%라는 역대 최고 효율로 태양에너지 - 수소 변환에 성공했습니다. 앞서 소개한 것처럼 많은 과학자들이 태양에너지를 이용해서 물을 산소와 수소로 분리하는 연구를 진행 중입니다. 수소를 산소와 반응시키면 깨끗한 물이 얻어지는데다 수소는 언제든지 태우거나 연료 전지에서 반응시킬 수 있기 때문이죠. 




  연구팀의 일원인 존 터너 (John Turner)는 광화학 전지를 이용해서 1998년에도 태양 - 수소 전환 효율 기록을 수립한 바 있습니다. 이들이 사용한 것은 광전기화학 photoelectrochemical (PEC) 시스템으로 태양전지에서 전기를 생산한 후 전기에너지로 물을 수소와 산소로 분리하는 것입니다. 이 시스템을 따로 구성하면 크기가 크고 에너지 효율이 떨어지는 만큼 이를 겹쳐 텐덤 방식으로 구성하는 데 이를 tandem-cell water-splitting이라고 합니다. 


(동영상)

 NREL의 연구팀은 1990년대부터 갈륨 인듐 인 gallium indium phosphide (GaInP2) 반도체와 갈륨 비소 gallium arsenide (GaAs) 소자를 적층해 태양에너지를 수소로 전환시켰습니다. 그리고 거의 20년에 가까운 연구 끝에 마침내 상용화에 필요한 수준인 15% 선을 넘어섰는데 성공했습니다. 


 하지만 아직도 갈길은 먼 상태입니다. 앞으로 태양 전기화학 소자의 수명 및 안전성에 대한 검증이 필요하기 때문입니다. 마지막으로 경제성까지 확보해야 태양에너지를 이용해서 수소를 대량으로 생산할 수 있습니다. 과연 이 단계가 언제 가능하게 될 것인지 궁금합니다. 


 참고 


 H. Döscher et al. Solar-to-hydrogen efficiency: shining light on photoelectrochemical device performance, Energy Environ. Sci. (2015). DOI: 10.1039/C5EE03206G

Matthew R. Shaner et al. A comparative technoeconomic analysis of renewable hydrogen production using solar energy, Energy Environ. Sci. (2016). DOI: 10.1039/C5EE02573G

James L. Young et al. Direct solar-to-hydrogen conversion via inverted metamorphic multi-junction semiconductor architectures, Nature Energy (2017). DOI: 10.1038/nenergy.2017.28 


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