(A Cornell-led team built a 10 centimeter by 10 centimeter prototype device that produces carbon-free “green” hydrogen via solar-powered electrolysis of seawater, with an important byproduct: potable water. Credit: Cornell University)
(Solar-powered green hydrogen production from seawater. Credit: Energy & Environmental Science (2025). DOI: 10.1039/D4EE06203E)
앞서 소개드린 것처럼 태양 에너지를 이용해 수소를 생산하려는 시도가 진행 중입니다. 태양 에너지는 저장이 어렵지만, 수소의 형태로 저장할 수 있다면 나중에 사용할 수 있고 수소 연료 전지를 이용해 밤에도 발전이 가능합니다. 그리고 수소 환원 제철처럼 이산화탄소를 배출하지 않는 새로운 철강 생산도 가능합니다.
태양전지로 전기를 생산하고 이 전기로 물을 수소로 분해하는 것은 이론적으로는 매우 쉬워 보이지만, 경제적으로는 상당히 많은 비용이 들어가 실용적이지 않습니다. 따라서 저렴한 비용으로 수소를 생산하는 기술이 관건이라고 할 수 있습니다.
코넬 대학의 레난 장 교수 (Lenan Zhang, assistant professor in the Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering in Cornell Engineering) 연구팀은 태양전지와 촉매를 이용해 바닷물을 수소와 담수로 바꾸는 하이브리드 시스템인 hybrid solar distillation-water electrolysis (HSD-WE)룰 개발했습니다.
연구팀이 개발한 10 x 10 cm 면적의 하이브리드 시스템은 시간당 200ml의 수소를 만들 수 있으며 효율은 12.6% 정도입니다. 에너지 전환 효율이 높다곤 할 수 없지만, 연구팀은 독특한 하이브리드 시스템을 통해 열로 낭비되는 에너지를 잡아 냈습니다. 바로 담수 생성 시스템을 결합하는 것입니다.
HSD-WE 시스템은 바닷물을 원료로 사용합니다. 태양 전지 패널 아래 있는 작은 모세관을 타고 들어온 바닷물은 열에 의해 증발되어 전극이 있는 반응기로 들어갑니다. 그런데 이 부분이 이 시스템의 영리한 점입니다.
태양 전지는 사실 효율이 그렇게 좋진 않은데, 짧은 파장만 전기로 전환되고 긴 파장은 열에너지로 전달되기 때문입니다. 여기에다가 태양전지의 열이 오르면 효율이 더 떨어지는 문제가 있습니다. 연구팀은 이 폐열을 이용해 바닷물을 증발시켜 담수를 얻을 수 있다고 보고 하이브리드 시스템을 만들었습니다.
시스템에서 생기는 열에너지는 수증기를 만드는데 사용되고 응결된 수증기는 음극과 양극에서 각각 수소와 산소의 형태로 바뀌게 됩니다. 여기서 생기는 부산물인 짠물만 빼고 나면 특별한 오염 물질은 없는 셈입니다. 하지만 이런 짠 염수는 사실 모든 형태의 해수 담수화 시스템에서 발생합니다.
아무튼 이런 식으로 담수와 수소라는 두 가지 중요한 물질을 한 번에 얻을 수 있기 때문에 가격을 더 낮출 수 있을 것이라는 게 연구팀의 희망입니다. 현재 1kg 당 10달러에 달하는 그린 수소를 1달러까지 낮추는 게 연구팀의 목표입니다. 가능한 목표가 될지 궁금합니다.
참고
https://techxplore.com/news/2025-04-sunlight-seawater-green-hydrogen.html
Xuanjie Wang et al, Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater, Energy & Environmental Science (2025). DOI: 10.1039/D4EE06203E
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