New Energies, new possibilities

ルノーグループの燃料電池車の合弁会社「HYVIA」は、ルノー『マスター・バンH2-TECH』（Renault Master Van H2-TECH）の新バージョンを欧州で発表した。 写真：ルノー・マスター・バン H2-TECH のワークショップ仕様 この新バージョンは、Kolleによってワークショップ車両にコンバージョンされた。納車は2024年第2四半期（4～6月）からを予定している。 マスターバンH2-TECHは、航続500km、12立法mの荷物が積載できる商品輸送に適した大型バンだ。電気エネルギーと水素ベースのエネルギーの両方を動力源とするデュアルパワーアーキテクチャをベースに開発された。 最も航続の長いマスターバンH2-TECHの場合、航続500kmの内訳は、電力からが100km、水素からが400kmとなる。この商用燃料電池車は仕様によるが、蓄電容量33kWhのバッテリー、30kWの燃料電池、3～7kgの水素タンクを搭載する。燃料電池システムはすべて、フランスで生産される。

ルノーの燃料電池車、新仕様を発表…ワークショップ車両に (レスポンス) - Yahoo!ニュース

프랑스의 공상과학(SF) 선구자인 쥘 베른의 1874년 소설 '신비의 섬'에는 절대 소진될 일이 없는 무한한 에너지에 관한 이야기가 나온다. "나는 언젠가 물이 연료로 쓰일 날이 오리라고 믿는다네. (…) 물을 이루고 있는 수소와 산소는 따로, 또 같이 작용하며 석탄이 따라가지 못할 정도로 무궁무진한 열과 빛을 내게 될 것일세"라는 대목이다.
'수소야말로 미래의 석탄'이라는 이 예언은 150여년만에 현실화를 앞두고 있다. 땅속에서 캐낼 수 있는 천연수소에 관한 관심이 치솟으면서다. 천연수소란 지구 내에서 자연적으로 생성되는 수소로, 지질학적 수소 또는 금수소로 불리기도 한다. 세계 각국의 탄소중립(넷제로) 추진에 따라 새로운 에너지원인 천연수소를 향한 골드러시가 시작되고 있다는 분석이 나온다.18일(현지시간) 미국 콜로라도주에서 열린 미국과학진흥협회(AAAS) 연례 회의에서 프로젝트 리더인 제프리 엘리스 박사는 "전 세계 지하 저류층에 5조t에 달하는 천연수소가 매장돼 있다"는 미 지질조사국의 미공개 연구를 공개했다. 그는 "대부분의 수소는 접근이 불가능할 가능성이 높지만, 추정량의 몇 퍼센트만 회수해도 수백 년 동안 예상되는 모든 수요(연간 5억t)를 충당할 수 있다"고 주장했다.최근 몇년 새 산업계에서는 블루수소(증기 개질을 통해 천연가스에서 수소를 추출하고 이 과정에서 발생하는 탄소는 포집저장한 수소), 청록수소(천연가스를 열분해해 고체 탄소와 분리된 수소), 핑크수소(원자력발전으로 전기분해한 수소), 그린수소(태양광·풍력 발전으로 전기분해한 수소) 등 다양한 수소가 개발됐다. 수소 기업 TES-H2의 마르코 알베라 대표는 저서 '수소 자원 혁명'에서 "여러 산업계의 기득권자들은 기존 사업의 수명을 연장하거나 자신들의 제품에 가치를 더하기 위해 다양한 색상의 수소들을 고안해내고, 저마다 우위를 주장하고 있다"고 했다.
이렇게 만들어지는 수소들은 추가 제조 공정을 통해 얻을 수 있는 2차 에너지원이라는 약점을 안고 있다. 그러나 앞으로 천연수소 개발이 본격화되면 수소의 지위는 석유, 석탄과 같이 땅에서 채굴해 쓸 수 있는 1차 에너지원(원자재)으로 격상될 수 있을 것이란 전망이다. 콜로라도 광업대학의 멩리 장 교수는 또한 "천연수소를 활용하는 것이 블루수소나 그린수소보다 더 깨끗할 뿐만 아니라 저렴할 것"이라며 "천연수소에 대한 골드러시가 다가오고 있다"고 말했다.

이전까지 과학계에서는 순수한 천연수소는 지구 표면 근처에 존재할 가능성이 거의 없는 것으로 여겨졌다. 지하 미생물에 의해 소비되거나 지구 화학적 과정에서 파괴된다고 봤기 때문이다. 그러나 2010년대 이후 지질학자들은 철이 풍부한 특정 광물(감람석·사진)이 물과 반응 할 때 수소가 대량으로 생성돼 지하 저류층에 저장되는 것으로 파악하기 시작했다. 천연수소 매장지는 석유나 천연가스전과는 다른 지질학적 조건으로 탐사해야 한다는 분석이다.

미국석유지질학회는 2022년 처음으로 천연수소위원회를 구성해 전 세계 천연수소 가스전 탐사를 지원하고 있다. 현재까지 미국, 유럽 피레네산맥, 브라질, 나미비아, 말리 등에서 천연수소 매장지가 확인됐다. 가장 최근에 발견된 곳은 알바니아의 불키제 크로마이트 광산이다. 지질학자들은 이곳에서 연간 200t이상의 수소가 흘러나오고 있다고 보고했다.

천연수소 개발 붐은 투자자들의 관심도 불러일으켰다. 빌 게이츠가 설립한 벤처캐피털(VC) 브레이크스루에너지는 작년 7월 천연수소 시추기업 콜로마에 9100만달러를 투자했다. 호주의 광산업체 하이테라는 수소 가스전 개발 프로젝트를 추진하기 위해 100만달러를 투자받았다. 2030년까지 천연수소 투자 규모는 1840억달러에 달할 것으로 추산된다.
콜로마의 폴 하라카 최고사업책임자는 "천연수소는 탄소 발자국이 적은 저탄소 자원일 뿐만 아니라 토지 발자국, 물 발자국도 적게 남기는 자원"이라며 "천연수소 개발은 에너지 소비가 적은 방식으로 친환경 수소를 생산할 수 있는 특별한 기회"라고 말했다. 천연수소의 생산단가는 ㎏당 평균 50센트에 불과한 것으로 추산된다. 생산단가가 ㎏당 최대 11.8달러에 달하는 그린수소에 비해 압도적인 가격 경쟁력을 자랑한다.

상용화 시점은 향후 몇 년 내로 전망된다. 2019년 네브래스카주에서 미국 최초로 천연수소 시추공을 뚫었던 내추럴하이드로젠에너지는 "상업적 생산까지 몇 년이 걸릴 것"이라고 말했다. 미국 예일대 환경대학원이 발간하는 예일환경360에 따르면 말리 수도 바마코 북쪽의 부라케부구 마을이 현재까지 유일하게 천연수소로 발전된 전기를 사용하는 곳이다. 이곳의 천연수소 가스전은 1987년 우물을 파던 엔지니어의 담뱃불이 작은 폭발을 일으키며 전 세계 최초로 발견됐다.

이후 말리 출신 사업가가 세운 캐나다 기업 하이드로마가 2012년부터 이곳에서 순도 98%의 수소를 채굴해 마을 주민들에게 전기를 공급해오고 있다. 엘리스 박사는 "부라케부구 가스정은 1859년 에드윈 드레이크가 펜실베이니아주 타이터스빌에서 시추공을 뚫는 방식으로 사상 처음 석유를 뽑아낸 뒤 석유산업을 탄생시킨 것에 버금가는 수소러시를 일으켰다고 봐야 한다"고 설명했다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 전 세계 수소 수요는 2023년 연 9700만t에서 2030년이면 연 1억3000만t 내외로 증가할 전망이다.

150년 전 예언이 현실로…빌 게이츠도 베팅 했다 | 한국경제 (hankyung.com)

자료출처 베리타스알파

일 자 2024.2.19

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[베리타스알파=박소현 기자] 전북대는 라용호 교수팀(신소재공학부 정보소재공학 전공)이 전기화학적으로 매우 안정적이고 빛이 수소로 변환되는 '수광 효율'이 매우 좋은 질화물 반도체를 독특한 나노구조체로 제작해 신개념 복합 나노구조체 기반 질화물 반도체 광전극 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.

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친환경 그린수소 생산을 위해서는 물을 전기분해하는 방법이 가장 효과적이다. 이를 위해선 촉매가 사용되는데 수소 생산 효율이 뛰어난 백금과 같은 귀금속 촉매가 전극으로 활용되고 있다. 그러나 귀금속 촉매는 제조 단가가 비싸고 수소 생산 효율이 시간이 흐를수록 떨어지는 문제점을 안고 있다.

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이러한 귀금속 촉매가 갖는 문제점을 해결하기 위해 전북대 라용호 교수팀(신소재공학부 정보소재공학 전공)이 전기화학적으로 매우 안정적이고 빛이 수소로 변환되는 '수광 효율'이 매우 좋은 질화물 반도체를 독특한 나노구조체로 제작해 신개념 복합 나노구조체 기반 질화물 반도체 광전극 개발에 성공했다. 기존 귀금속 촉매 대비 매우 높은 신뢰성을 바탕으로 수소에너지 생산 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.

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라용호 교수와 엄대영 연구교수는 이러한 문제점들의 돌파구를 '질화물 반도체'와 '고품위 복합 나노구조체'에서 찾았다. 연구팀이 제안한 이번 기술은 외부 귀금속 촉매의 사용 없이 질화물 반도체만으로 장시간 동안 매우 안정적으로 광전기화학적 물분해를 통한 수소 발생 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다는 점에서 세계 학계의 주목을 받고 있다.

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이번 연구 결과는 화학공학 분야 최고 권위 학술지 중 하나인 'Chemical Engineering Journal(IF=15.1, 상위 3.5%) ' 최신호에 'External catalyst-free InGaN photoelectrode for highly efficient energy conversion and H2 generation'란 제목의 논문으로 게재됐다.

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수전해 수광용 반도체 소재 중 '3족-질화물((InxAl1-x)yGa1-yN)'은 태양광 내 가시광선부터 적외선 파장 범위까지의 수전해 광전기화학적 산화/환원전위를 모두 포용할 수 있는 물질이다. 동시에 매우 높은 전기화학적 안정성, 고온 안정성, 긴 수명, 그리고 넓은 수광 파장대역(자외선~적외선)을 가진 와이드 에너지 밴드갭 반도체로써 차세대 수전해 광전극 소재로 각광을 받고 있다.

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이러한 장점에도 불구하고 넓은 수광 파장대역을 가진 고농도 인듐 조성의 질화물(InGaN) 반도체는 물질 내 높은 결정 결함 밀도와 제한된 수광 반응 영역으로 인해 여전히 고효율 수소 환원 반응 광전극 제작 및 상용화 측면에서 어려움이 있었다.

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이에 연구팀은 해당 문제점 극복을 위해 수광 반응 비표면적이 극대화된 질화갈륨(GaN) 1D 나노선 구조체의 동축 표면상에 고농도 인듐 조성의 질화물(InGaN)을 피라미드 형태인 0D 나노구조체를 고품위로 합성함으로써 태양광 스펙트럼 흡수 효율을 극대화시킬 수 있는 신개념 복합 나노구조체를 유기금속화학증착법(MOCVD)을 통해 새롭게 개발했다.

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또한 태양광 흡수에 의해 고농도 인듐 조성의 질화물(InGaN) 나노구조체 내에 생성된 전하 캐리어들의 표면 재결합을 효과적으로 방지함으로써 수소 환원 반응 효율을 극대화시킬 수 있는 독특한 가변 에너지 밴드 구조 설계로 인한 양자-슬라이딩 이동 효과를 정의하는 신개념 에너지 밴드갭 메커니즘을 세계 최초로 정립했다.

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실험 결과, 개발된 질화물 반도체 기반 복합 나노구조체 광전극은 기존에 널리 사용되고 있는 귀금속 소재의 광전극에 비해 넓은 비표면적과 효율적인 전하 캐리어의 이동 원리에 의해 수소발생 효율이 비약적으로 향상됐음을 확인했으며 광전기화학적 물분해 기반 수소 생산 기술 실용화의 치명적 단점이었던 장시간 안정성 역시 획기적으로 개선시킨 고무적인 연구결과를 보였다.

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연구팀은 "이번 핵심기술은 유기금속화학증착법(MOCVD)을 통해 제조돼 대량 생산이 가능하기 때문에 그린수소 생산의 실용화를 앞당길 수 있는 선도적인 원천기술이 될 것”이라며 "나아가 새만금 지역의 그린수소 산업과 대한민국 수소경제사회를 가속화시키는 데 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

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이번 핵심 기술 개발은 라용호 교수 연구팀의 엄대영 연구교수가 제1저자로 실험을 주도했으며 한국연구재단의 나노및소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

표면처리 전문업체 코텍이 미국 수소 생산기술 개발업체 선하이드로겐(SunHydrogen)과 그린수소 패널 생산 확대에 나선다. 그린수소는 태양광·풍력 등 재생에너지로 생산된 전기로 물을 분해해 얻는 수소를 말한다. 수전해 방식이라 다른 수소 생산 방식보다 이산화탄소 발생량이 현저히 적다. 

7일 업계에 따르면 코텍은 선하이드로겐과 1m² 크기의 그린수소 패널 생산에 돌입한다. 생산된 그린수소 패널은 나노입자 기반 그린수소 생산을 꾀하는 여러 시범 프로젝트에 활용될 계획이다.

코텍과 선하이드로겐은 지난해 전기도금 솔루션 개발을 위한 업무협약(MOU)을 맺었다. <본보 2023년 7월 12일 참고 코텍, 美 수업과 손잡고 반도체 증착용 전기도금 솔루션 개발>
 

이후 그 해 11월 팀 영(Tim Young) 선하이드로겐 최고경영자(CEO)는 코텍을 방문해 선하이드로겐의 기술을 전담하는 신설 연구실의 진행 상황을 직접 확인했다. 

코텍은 연구실에서 첨단 산업용 전기도금 기술을 사용해 선하이드로겐의 독점 공정인 나노입자 분리 기술을 성공적으로 복제했다. 코텍이 작년 말 초기 연구 단계를 성공적으로 완료함에 따라 선하이드로겐의 수소 발생기를 1m² 규모의 녹색 수소 패널용으로 확장할 수 있게 됐다. 

선하이드로겐이 개발한 수소 발생기는 특허를 받은 PAH(Photoelectrosynthetically Active Heterostructure) 나노입자가 물을 분해 수소와 산소를 생성한다. 현재 태양 에너지만으로 물 분자를 고순도 그린 수소와 산소로 분리할 수 있는 유일한 독립형 나노입자 기반 수소 발생 장치이다.

태양광 패널이 전기를 생산하는 여러 개의 셀로 구성되어 있는 것처럼, 수소 패널은 물에 잠긴 여러 개의 수소 발생기를 감싸고 있다. 각 수소 발생기에는 수십억 개의 전기 도금 나노 입자가 포함돼 물을 수소와 산소로 자율적으로 분리한다.

팀 영 선하이드로겐 CEO는 "우리 기술의 특성을 고려할 때 1m² 규모로 확장하는데 해결과제가 있다"며 "코텍이 이러한 과제를 해결하는 데 도움이 되는 이상적인 파트너"라고 말했다. 

코텍은 한국 창원에 기반을 강소기업이다. 항공·방산·원자력·반도체 분야에서 표면처리 기술을 보유하고 있다. 

지난 2009년 설립된 선하이드로겐은 태양광, 해수, 폐수 등을 활용해 재생 가능한 수소를 생산하는 기술을 개발하고 있다. 2021년에 김우석 전 SK이노베이션 M&A그룹장을 최고운영책임자(COO) 겸 이사회 멤버로 영입했다. <본보 2021년 4월 8일 참고 SK그룹 M&A 구루, 美  수소생산기술 개발업체로 이직>   

코텍, 美 선하이드로겐과 그린수소 패널 생산 확대 (theguru.co.kr)