(This 1.4-cubic-meter stainless steel reactor at the Hönggerberg campus holds 2–3 metric tons of untreated iron ore. Credit: ETH Zurich)
((a) Mismatch between the annual PV production and electricity demand in Switzerland in 2017. The production and demand are both normalized to their annual average values, corresponding to a future situation where production and demand are equal (100% on the horizontal axis in b). (b) Self-sufficiency in winter (defined as the time duration that solar PV and storage could cover the electricity need from Dec to Feb) as a function of installed PV capacity. Three cases are presented: no storage; with day–night storage (e.g. batteries in households); and with both day–night and seasonal storage (detailed calculation in ESI Notes 2–3†). (c and d) Schematic representation of iron-based seasonal energy storage. Credit: Sustainable Energy & Fuels (2023). DOI: 10.1039/D3SE01228J)
(The charging and discharging process for the storage technology. Credit: Fabio Bergamin / ETH Zurich)
수소는 태우거나 연료 전지에서 사용해도 결과물이 물 밖에 남지 않고 우주에서 가장 흔한 원소이기 때문에 종종 차세대 친환경 에너지원으로 거론됩니다. 하지만 사실은 그 자체가 에너지라기 보다는 에너지의 저장 수단으로 가능성을 지닌 것으로 볼 수 있습니다. 가장 이상적인 시나리오는 풍력이나 태양광 같은 신재생 에너지를 이용해 물을 전기 분해하고 여기서 나온 그린 수소를 수소차나 기타 산업용으로 사용하는 것입니다.
그러나 현실은 그렇게 만만치 않습니다. 현재 생산되는 수소의 대부분은 천연가스 같은 화석 연료에서 생산된 그레이 수소입니다. 물을 전기 분해해서 수소를 생산하는 일은 생각보다 비용이 많이 들어 아직 대중화되지 못했습니다. 앞서 소개한 것처럼 최근 이 분야에도 많은 진전이 있긴 했지만, 아직 갈 길이 먼 것이 현실입니다.
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그런데 그린 수소를 생산했다고 해서 모든 문제가 해결되는 것은 아닙니다. 수소는 극도로 낮은 온도에서 액체 상태가 되고 매우 인화성이 강한 기체이기 때문에 저장과 수송이 매우 어렵습니다. 특히 수소의 안정적인 공급을 위해서는 장시간 대량으로 보존해야 하는데, 상당히 많은 비용과 위험이 뒤따르게 됩니다.
스위스 취리히 연방공대의 반델린 스타크 교수 (ETH Zurich led by Wendelin Stark, Professor of Functional Materials at the Department of Chemistry and Applied Biosciences)가 이끄는 연구팀은 오래전부터 알려진 화학 반응을 이용해서 이 문제에 대한 새로운 해결책을 제시했습니다. 연구팀이 제시한 것은 철, 그것도 철광석입니다.
연구팀이 제시한 방법은 사실은 자연의 철 순환을 모방한 것입니다. 산화철이 주성분인 철광석을 스테인리스 반응 용기에 넣고 여기에 섭씨 400도 정도로 가열한 후 수소를 공급하면 철광석에 있는 산소가 수소와 반응해 철과 물이 생성됩니다. 여기에 다시 뜨거운 증기를 넣으면 철과 물이 반응해 다시 산화철과 수소로 변합니다. 이 과정은 무한 반복될 수 있습니다. 가공하지 않은 철광석이 일종의 수소 배터리로 작동하게 되는 것입니다.
이 방법은 지구에 매우 흔한 원소인 철광석을 이용해 수소를 매우 안정적으로 단단히 고정하기 때문에 안전성이나 자원 고갈 문제를 걱정할 필요가 없습니다. 다만 수소를 저장하고 추출할 때 모두 열 에너지가 필요한데, 이는 수소 연료 전지 발전소나 혹은 화력 발전소에서 얻은 페열을 이용하거나 다른 발전소의 폐열을 활용한다는 계획입니다. 다만 에너지 회수율은 높은 편이 아니어서 대략 60%정도를 예상하고 있습니다.
상당히 많은 에너지가 제대로 활용되지 못한다는 이야기이지만, 어차피 여름철에 남아도는 태양광 에너지는 쓰지 못하고 사라지는 것이기 때문에 비용적인 측면에서만 문제가 없다면 가능성이 있습니다. 진짜 문제는 비용입니다. 앞서 말했듯이 물의 전기 분해는 생각보다 비용이 많이 드는 일인데다 수소가 바로 전기가 되지 않기 때문에 다시 이를 연료로 사용해 전기를 생산하면 상당히 단가가 올라갈 수밖에 없습니다.
아이디어는 참신한 데 과연 가능성이 있을지 궁금합니다.
참고
https://techxplore.com/news/2024-08-iron-based-hydrogen-storage-feasibility.html
Samuel P. Heiniger et al, Safe seasonal energy and hydrogen storage in a 1 : 10 single-household-sized pilot reactor based on the steam-iron process, Sustainable Energy & Fuels (2023). DOI: 10.1039/D3SE01228J
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