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해수 담수화 + 수소 전기 분해를 결합한 하이브리드 시스템


 (The 250-kW equipment for co-production of hydrogen and fresh water from seawater. Credit: Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02130-6)

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(The simplified process and material flow of the STHW system. WHRD stands for waste heat recovery and distillation. Credit: Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02130-6)

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해수 담수화 기술은 물이 부족한 사막 국가나 혹은 담수를 구하기 힘든 해안 도서 지역에서 이미 널리 쓰이고 있습니다. 하지만 결과물로 나오는 고농도의 염수와 함께 많은 에너지를 소모한다는 문제가 있습니다.

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물을 분해해서 수소를 얻는 기술은 이와 독립적으로 많은 에너지를 소모하고 생각보다 많은 비용으로 인해 널리 상용화되지 못하고 있습니다. 더구나 지구상의 물의 대부분인 바닷물을 이용하지 못하고 수요가 많은 담수만 사용해 수소를 얻고 있습니다.

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중국과학원(CAS) 다롄화학물리연구소(DICP)의 덩더후이(邓德会) 교수, 류옌팅(刘艳廷) 부교수 팀은 해수에서 수소와 담수를 동시에 생산하는 250kW 시험 생산 시스템을 개발해 네이처 에너지 (Nature Energy)에 발표했습니다.

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연구팀의 핵심 아이디어는 "STHW(Seawater to Hydrogen and fresh Water)" 공정으로, 알칼리수전해(AWE)와 저온진공증류 담수를 결합하여 해수로부터 수소와 담수를 동시에 생산하는 것입니다.

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물론 바닷물을 바로 분해해서 수소를 만들려는 시도는 이전에도 있었습니다. 하지만 양극에서 Cl⁻가 산화되어 염소 기체(CER, Chlorine Evolution Reaction)를 생성하고 이로 인해 전극 부식 및 선택성 저하가 발생합니다. 또 음극에 Ca²⁺, Mg²⁺이 탄산염/수산화물 형태로 석출되어 성능 열화되기 때문에 수개월 이상 운전 시 에너지 효율이 점진적으로 감소합니다.

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그렇다호 해서 역삼투(RO)나 증류로 먼저 담수를 만든 뒤 전해하는 방식은 추가 설비와 전력을 요구하고 두 공정이 독립적이므로 에너지 회수가 불가능했습니다. 더구나 전기로 물을 분해하는 경우 폐열 문제도 발생합니다. 상용 알칼리수전해기는 약 80-90°C에서 운전되며, 투입 전기에너지의 약 30%가 60-90°C의 낮은 폐열로 손실됩니다. 이를 그대로 버릴 경우 환경에도 좋지 않고 에너지 낭비입니다.

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따라서 연구팀은 전기 분해에서 발생하는 저품위 폐열을 담수화에 재사용하는 아이디어를 내놨습니다.

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[해수 유입]

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┌─────────────────────────┐

│ 알칼리수전해기 (AWE) │ ← 정제된 담수를 공급받아 H₂ + O₂ 생성

│ (80~90°C 운전) │ → 폐열 발생 (~30% of input energy)

└──────────┬──────────────┘

│ 폐열(저품위 열)

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┌─────────────────────────┐

│ 저온진공증류 담수화기 │ ← 진공 상태에서 해수를 40~50°C에서 증발

│ (Vacuum Distillation) │ → 수증기 응축 = 담수

└──────────┬──────────────┘

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┌─────┴─────┐

▼ ▼

[담수] [농축 염수(브라인)]

(전해용 + → 소금, 우라늄, 브롬 등

외부 용도) 자원 회수 가능

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물론 물이 끓는 온도보다 낮은 온수이기 때문에 기압을 낮춰 해수의 끓은 점을 나추는 저온진공증류 (Vacuum Distillation) 방식으로 낮은 수온(약 40~50°C)에서 증발시킨 후 응축시켜 담수를 얻습니다. 생성된 담수는 전해기에 재순환(수소 생산용) + 외부 용도(부산물)로 분배합니다. 농축된 해수는 소금·우라늄·브롬 등 해양 자원 회수의 원료로 활용될 수 있다는 게 연구팀의 설명이나 현재 대부분의 해수 담수화 시설에서 농축 해수를 그냥 방류하는 점을 생각하면 이 부분은 의문입니다.

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이 연구에서 가장 중요한 차별점은 작은 실험실 세팅이 아니라 250kW급 확장 시스템을 만들었다는 것입니다. 처음 만든 20kW급 파일럿 시스템은 3.8 Nm³/h의 수소와 1.2 kg/h의 담수를 만들었고 250kW급 시스템은 48 Nm³/h의 수소와 31.6 kg/h 물을 생산했습니다. 수소의 순도는 99.99%였으며 100일 동안 실제로 시험 생산 시설은 운전해 상업화의 가능성을 검증했습니다. 이 정도 시스템이면 연간 380,000 Nm³의 수소와 256톤 정도의 담수를 생산할 수 있습니다.

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연구팀은 신재생 에너지를 사용하는 경우 수소 생산 단가가 육상 풍력 ($0.033/kWh)은 $2.10/kg, 태양광 ($0.049/kWh) $2.90/kg, 수준으로 계산했습니다. 참고로 현재 수소 판매 가격은 kg 당 3.9달러 수준으로 충분히 경쟁력이 있다는 주장입니다.

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다만 실제 상업적 생산을 위해서는 GW급 대규모 시설을 갖춰야 할 것으로 생각되며 이렇게 대규모로 확장이 가능한지 검증하는 데 상당한 시일이 필요할 것으로 보입니다. 그럼에도 상업적 생산 가능성을 상당히 높인 시스템으로 주목됩니다.

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참고

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Shang Jiang et al, A 250-kilowatt system for co-production of hydrogen and fresh water from seawater, Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02130-6

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Journal information: Nature Energy

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https://techxplore.com/news/2026-09-scaled-seawater-hydrogen-fresh-higher.html

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