바닷물을 분해해 무한한 녹색수소를 얻을 수 있을까?

CChatGPT8
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바닷물은 무한한 수소 공급원이 될 수 있지만 높은 염분 농도를 처리할 수 있는 전해조가 필요합니다.

Shutterstock/andrejs polivanovs

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지구상의 물 중 97%는 바다에 있습니다. 그 중 소량이라도 청정 에너지를 사용하여 수소를 만드는 데 활용될 수 있다면 화석 연료로부터의 전환을 가속화할 실질적으로 무한한 청정 연소 연료 공급원을 제공하게 될 것입니다. 하지만 문제가 있습니다.

현재 물 분자를 분리하여 수소를 만드는 데 사용되는 장치(전해조)가 작동하려면 초순수 물이 필요합니다. 그리고 바닷물에는 구성 요소를 분해하고 작업물을 고무시키는 용해된 소금, 기타 미네랄, 금속 및 미생물이 가득합니다.

최근 연구자들은 이러한 문제를 해결하는 데 진전을 이루었습니다. 일부는 담수화된 바닷물에서 수소를 만들려는 계획을 추진하고 있는 반면, 다른 일부는 해상 풍력 터빈에 부착하여 바다에서 직접 수소를 만들 수 있는 새로운 전해조 설계를 개발했습니다.

여기서 성공하면 연료를 만들기 위한 담수의 수요가 줄어들 뿐만 아니라 수소를 생산하는 데 적합한 장소의 범위가 확대됩니다.

물 속에 뭔가가 있어요

수소는 금세기 중반까지 순 제로(net-zero)로 가는 길에 에너지 시스템을 탈탄소화하는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다. 청정 연소 가스는 에너지를 저장하고 운반하는 데 사용될 수 있으며, 전기로 직접 전원을 공급하기 어려운 물건에 전원을 공급할 수 있습니다. 국제에너지기구(International Energy Agency)의 최신 예측에 따르면 전 세계적으로 저배출 수소 생산량이 급격히 증가하고 있으며, 2030년까지 연간 3,800만 톤에 달하는 프로젝트가 계획되어 있습니다.

저배출 수소의 공급원은 다양하지만 대부분은 재생 가능한 전기를 사용하여 물 분자를 분해하여 “녹색 수소”로 알려진 것을 만드는 것으로 설정되어 있습니다. 현재 녹색 수소 생산에 대한 주요 제한 사항은 값싼 재생 가능 전기에 대한 접근입니다. 그러나 수소 생산이 증가함에 따라 물에 대한 접근도 문제가 될 수 있습니다.

아일랜드 골웨이 대학의 파우 파라스(Pau Farras)는 “우리는 식수에 필요한 물과 연료 생산에 필요한 물 사이에 경쟁이 있는 상황을 조성하는 것을 피해야 합니다.”라고 말합니다. 수소 생산에 필요한 물의 양에 대한 추정치는 다양하며 일부에서는 문제가 과장되었다고 주장합니다. 그러나 Farras는 수소 생산이 결국 일부 지역, 특히 담수가 부족한 곳에서는 물 사용량의 최대 20%를 차지할 수 있다고 말합니다.

풍부한 바닷물을 사용하면 이러한 문제를 피할 수 있습니다. 해수를 분리하면 해상 재생 에너지와 수소 생산을 결합하여 두 분야의 지리적 범위를 확장하는 새로운 방법이 가능해집니다. 특히 이러한 가능성은 해수 분리에 대한 새로운 관심을 불러일으켰습니다.

예를 들어 지난 3월 네덜란드는 북해 해상풍력단지와 결합해 대규모 해상 전해조를 건설하겠다는 계획을 발표한 바 있다. 그곳에서 생산된 수소는 기존 천연가스 파이프라인을 통해 해안으로 다시 전송되므로 값비싼 새로운 해저 송전선을 설치할 필요가 없습니다.

해상 풍력과 수소를 결합한 최소 10개의 다른 주요 프로젝트가 영국 연안의 여러 곳을 포함하여 다른 곳에서 진행되고 있습니다. 해안에서 50km 이상 떨어진 곳에 건설된 풍력 발전소의 경우 구리선을 통한 전기보다는 선박이나 파이프라인을 통해 수소로서 생산된 에너지를 해안으로 다시 운송하는 것이 실제로 더 저렴할 수 있습니다.

풍력-t0-수소 기술에 막대한 금액을 투자하고 있는 기술 회사 지멘스(Siemens)의 연구원들은 해수와 해상 풍력 에너지를 사용하여 항해하는 선박에 연료를 공급하기 위해 수소와 암모니아와 같은 기타 화학 물질을 지속적으로 만드는 자동화된 “생산 섬”을 구상하기도 합니다.

스트리핑 소금

그러나 이러한 미래 비전의 큰 문제는 바닷물이 까다로운 전기분해 화학에 적합하지 않다는 것입니다. 일반 음용수라도 기존 전해조에서 사용하려면 추가 정화 단계가 필요하다고 영국 리버풀 대학의 Alexander Cowan은 말합니다. “바닷물은 극한이다.”

전해조에서 물 — H2O — 두 개의 전극을 지나 실행됩니다. 수소 원자는 음전하를 띤 음극으로 이동하는 반면, 산소 원자는 양전하를 띤 양극 근처에 머물다가 대기 중으로 방출됩니다. 일반적으로 이 공정에는 초순수 탈이온수가 사용됩니다.

모든 불순물이 포함된 바닷물을 사용하면 문제가 발생합니다. 용해된 염분과 미네랄은 장치에 사용되는 많은 촉매와 기타 구성 요소를 저하시키므로 장치가 매우 빨리 마모됩니다. 전기를 사용하면 물이 염화물을 산화시켜 부식성 염소 생성물을 생성할 수도 있다고 생각했습니다. 물에서 자라는 미생물로 인한 생물 오염도 또 다른 문제입니다. Farras는 “전극 위에 생물막이 있으면 반응이 중단된 것입니다.”라고 말합니다.

스페인 테네리페의 수소충전소

루시아 빌랄바

이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법은 바닷물을 전해조로 보내기 전에 담수화하는 것입니다. 스페인의 카나리아 제도 중 하나인 테네리페에서 Farras와 그의 동료들은 기존의 고분자 전해질막(PEM) 전해조를 사용하여 담수화된 바닷물과 태양 에너지를 사용하여 수소를 만드는 자급식 시스템을 설치했습니다. Farras는 관리들이 섬의 수입 화석 연료 의존도를 줄이기 위한 프로젝트에 관심이 있다고 말했습니다.

12미터 크기의 선적 컨테이너 크기인 이 시스템은 이제 매일 최대 65kg의 수소를 생산할 수 있으며, Farras는 이 양이 수소 연료 전지 구동 버스 2~3대와 자동차 여러 대를 공급하기에 충분하다고 말합니다. 그의 팀은 현재 섬의 수소 수요를 “촉발”하기 위한 노력의 일환으로 내년에 공공 버스에 수소를 공급하기 위해 테네리페 교통국과 대화를 나누고 있습니다.

Farras는 담수화된 해수를 수소 생산에 사용하는 것이 합리적이며, 특히 상당한 담수화 용량이 이미 존재하는 경우에는 더욱 그러하다고 Farras는 말합니다. 예를 들어 사우디아라비아의 초미래 도시 네옴(Neom)에는 도시에 식수를 공급하는 공장에서 담수화된 물을 사용하여 하루 600톤의 녹색 수소를 생산할 수 있는 시설이 포함될 예정입니다.

직행

그러나 담수화는 이상적인 솔루션이 아닙니다. 호주 커틴 대학교(Curtin University)의 Zongping Shao는 수소 제조에 필요한 에너지 요구 사항을 추가하고 더 작고 분산된 시스템에는 적합하지 않을 수 있다고 말합니다.

또 다른 접근 방식은 바닷물과 직접 작동할 수 있는 전해조를 설계하여 별도의 담수화 단계가 필요하지 않도록 하는 것입니다. 이러한 바닷물에 강한 장치가 다양한 디자인으로 어떻게 작동할 수 있는지에 대한 많은 연구가 있었습니다. Cowan에 따르면 이 제품은 크게 두 가지 범주로 분류됩니다. 일부는 해수가 전해조를 통과하기 전에 멤브레인을 사용하여 바닷물을 정화하는 것이고, 다른 일부는 해수에 더욱 견고한 다양한 구성 요소나 설계를 사용하는 것입니다.

한 설계에서 Shao와 그의 동료들은 특수 테플론 막 사이에 전해조를 끼운 다음 외부 주위에 바닷물을 흐르게 했습니다. 멤브레인을 사용하면 수증기가 전해조로 확산되는 동시에 불순한 구성 요소는 외부에 남겨질 수 있습니다. 작년에 발표된 연구에서 이 시스템은 눈에 띄는 기능 변화 없이 최소 3200시간 동안 테스트에서 해수를 사용하여 지속적으로 수소를 생산했습니다. Cowan은 “이로 인해 계산이 바뀔 수 있습니다.”라고 말합니다. “많은 유지 관리 없이 몇 년 동안 무언가를 실행할 수 있다면 정말 흥미롭습니다.”

또 다른 접근법, 하버드 대학의 Daniel Nocera와 그의 동료들이 촬영한 이 방법은 유사하게 물을 막을 통과시켜 전해조에 도달하기 전에 물을 정화합니다. 물 분자가 막의 한쪽에서 분리됨에 따라 삼투에 의해 더 많은 물을 끌어들이는 농도 구배가 유지됩니다.

뉴욕 컬럼비아 대학의 Daniel Esposito와 그의 동료들은 더 저렴하고 더 견고한 전해조를 만들기 위한 노력의 일환으로 멤브레인을 완전히 없앴습니다. 그가 공동 설립한 sHYp라는 회사는 탄소 음성 시멘트를 만드는 데 사용할 수 있는 수산화마그네슘과 같은 다른 귀중한 부산물을 생산하는 독점 염수 처리 단계와 결합하여 이러한 멤브레인 없는 전해조를 상용화하는 것을 목표로 하고 있습니다.

이 회사의 CEO인 Carl Fischer에 따르면, 처리 장치는 바닷물이 전해조에 도달하기 전에 바닷물의 알칼리도를 높이는 방식으로 작동하며, 이를 통해 생물 오염 및 염소와의 원치 않는 반응을 방지한다고 말합니다. 그는 회사에서 파일럿 프로젝트를 진행하고 있다고 말했습니다. 내년에 예정 해상 풍력 터빈과 항구에 전해조를 설치할 계획을 포함하여 미국, 영국 및 유럽에서 진행되고 있습니다.

코스용 말

Cowan은 이러한 직접 해수 전기분해 방법 중 상당수가 유망하지만 대규모로 보면 바다에 서식하는 편재하는 미생물로 인한 생물 오염과 같이 해수의 복잡성을 관리하려는 기존 전해 장치와 동일한 문제를 겪을 가능성이 있다고 말합니다. 대양.

Farras는 또한 이러한 접근 방식에 대해 의구심을 갖고 있습니다. “화학에서 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 생물학을 다루는 것은 불가능하다고 생각합니다.”라고 그는 말합니다. “직접 해수 전기분해는 환상이다.”

Farras는 직접적인 접근 방식이 대규모로 작동할 수 있다고 하더라도 대규모 담수화가 이미 가능한 상황에서는 불필요할 수 있다고 말합니다. 담수화는 에너지 요구량을 증가시키지만 전기분해 자체의 에너지 요구량과 비교할 때 적은 양일 뿐입니다.

그러나 Cowan은 특히 대규모 담수화가 비실용적일 수 있는 원격지에서 직접 전기분해를 사용할 수 있다고 생각합니다. 이는 또한 전기분해를 해양 에너지 생산과 통합하여 대규모 담수화 작업이 차지할 해양 플랫폼에 귀중한 공간을 확보하려는 많은 프로젝트의 핵심이 될 수 있습니다.

또한 그는 바닷물을 직접 사용하는 연구를 통해 일반적으로 더욱 강력한 전해조를 만들 수 있다고 말했습니다. 이는 폐수를 사용하거나 연료가 되는 과정에서 물에 있는 불가피한 불순물을 더 잘 견딜 수 있습니다.

주제:

  • 수소/
  • 재생 에너지

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