『신기술 2』 태양광 그린수소 생산하고

편집부 기자
입력 2024.01.09 00:00

태양광 그린수소 생산하고

최성능 스트레처블 유기태양전지 구현한다

태양광 전력으로 생산하는 그린수소는 국내외 확대될 것으로 전망한다. 태양광 그린수소는 경제적이고 생산적인 결과와 함께 투자와 운영에 대한 가이드라인을 제시할 수 있는 연구성과를 발표하게 되었다. 또한 웨어러블 전자소자의 시장 규모가 급격히 확장되고 있는 추세에 에너지 공급원으로서 잡아당겨 늘려도 작동할 수 있는 스트레쳐블 태양전지를 구현할 수 있게 되었다는 소식이다. 이러한 태양전지를 구현하기 위해서는 빛을 전기로 전환하는 광활성층의 높은 전기적 성능과 기계적 신축성 확보가 필수적인데, 이 두 가지 특성은 서로 상충관계를 가지고 있어서 스트레쳐블 태양전지의 구현은 매우 어려운 문제였다. 국내 연구팀이 높은 전기적 성능과 신축성을 동시에 갖는 새로운 형태의 전도성 고분자 물질을 개발해 세계 최고 성능의 스트레처블 유기태양전지를 구현했다고 발표했다.

정리 편집부

자료 한국에너지기술연구원, KAIST

지역의 일사량, 기온 등 기상 데이터만으로도 ‘그린수소1)’ 생산시설의 최적 규모를 예측하는 모델이 개발됐다. 경제성과 생산성을 함께 고려한 규모 예측은 향후 정부, 기업의 수전해 설비 투자, 운영 관련 의사결정에 크게 이바지할 것으로 기대된다.

태양광 발전 전력 이용한 그린수소 생산성과 경제성 동시 잡아

한국에너지기술연구원 박정호 연구진(에너지AI·계산과학실)이 태양광 전력을 활용한 그린수소의 경제성과 생산성을 동시에 최적화하는 방법을 개발했다. 이는 수소 생산단가를 낮추면서 수소 생산량과 태양광 전력 이용량은 극대화할 수 있는 해법으로, 그린수소 생산의 경제적 타당성을 뒷받침하는 시금석이 될 것이다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면 세계 수소 생산 시장규모는 2020년 1,296억 달러에서 2025년에는 2,014억 달러로 전망되며, 2030년까지 수전해 설비 규모는 연평균 86 % 증가해 재생에너지 기반의 그린 수소를 중심으로 세계 수소 생산량이 대폭 확대될 것으로 예측된다. 그린수소는 태양광, 풍력 등 재생에너지 전력을 이용해 전해조 설비에 있는 물을 전기분해해 생산한 수소를 말한다. 생산된 그린수소의 경제성은 ‘전해조 설치비’와 전해조 설비에 사용되는 ‘전력가격’에 따라 좌우된다. 즉, 재생전력을 최대한 활용하는 적정 규모의 수전해 설비 설치는 국내 수소경제의 효용성을 더욱 높일 수 있다.

이러한 상황에서, 연구진은 태양광 기반 그린수소 생산 시스템 관련 투자와 운영 관련 의사 결정에 도움이 될 다목적 최적화2) 방법론을 개발했다. 이를 통해 국내뿐만 아니라 미국, 중국, 호주 등 태양광 기반 그린수소 상용화를 앞둔 주요 국가의 균등화수소단가(LOHC)3), 수소 생산량과 이용률에 대한 결과를 도출하고 효과성을 입증했다.

지역 맞춤형 그린수소 생산 시스템을 통한

수소 생산 단가 절감 및 생산량 증대

개발한 기술은 일사량, 기온 등의 데이터를 기반으로 태양광 발전량과 그린수소 생산량을 계산하고, 도출된 다목적 최적화 방법론을 활용해 최적의 수전해 시스템 규모와 배터리 크기를 계산할 수 있다. 또, 경제성, 생산량, 이용률을 동시에 고려해 어떤 선택지가 가장 효율적인지 분석함으로써, 사용자 목적에 맞는 시스템 규모를 결정하는데 도움을 줄 수 있다.

연구진이 태양광 그린수소의 다목적 최적화 연구 결과에 대해 설명하고 있다.

이외에도 연구진은 각 지역의 일사량 특성과 관계없이 설비 용량의 약 60 % 수준으로 수전해 시스템을 설계할 때 가장 경제성이 좋다는 사실을 확인했다. 여기에 수소 생산량을 늘리기 위해 유휴 전력을 저장하는 배터리를 설치할 때도 가능하면 설치규모를 최소화해야 경제성이 확보될 수 있다는 것도 입증했다.

주저자인 박정호 책임연구원은 “연구결과는 태양광 기반 그린수소의 본격 상용화에 앞서 경제성과 생산성 측면에서 최적의 시스템 규모를 파악할 수 있다.”며, “향후 국내외의 태양광 기반 그린수소 사업을 수행할 때 지역별 특성, 상황에 맞는 최적의 시스템을 설계하고 결과를 도출해, 기업과 정부의 설비 투자, 운영과 관련한 의사 결정에 도움이 될 것”이라고 밝혔다.4)

쭉쭉 늘어나는 최고 성능의 태양전지 개발

웨어러블 전자소자의 시장 규모가 급격히 커지며 에너지 공급원으로서 잡아당겨 늘려도 작동할 수 있는 스트레쳐블 태양전지가 각광 받고 있다. 이러한 태양전지를 구현하기 위해서는 빛을 전기로 전환하는 광활성층의 높은 전기적 성능과 기계적 신축성 확보가 필수적인데, 이 두 가지 특성은 서로 상충관계를 가지고 있어서 스트레쳐블 태양전지의 구현은 매우 어려운 문제였다. KAIST 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀이 높은 전기적 성능과 신축성을 동시에 갖는 새로운 형태의 전도성 고분자 물질을 개발해 세계 최고 성능의 스트레처블 유기태양전지를 구현했다고 지난 26일 밝혔다.

유기 태양전지(organic solar cells)는 빛을 받아 전기를 생산하는 광 활성층이 유기물로 구성되는 전자소자로, 기존 무기 재료 기반 태양전지에 비해 가볍고 유연하다는 장점이 있어 몸에 착용할 수 있는 웨어러블 전자소자에 사용 가능하다. 특히, 태양전지는 이러한 전자소자의 전력을 공급하는 필수적인 소자이지만, 기존 고효율 태양전지는 신축성을 가지기 어려워서 웨어러블 소자로 거의 구현된 바가 없다.

김교수 연구팀은 높은 전기적 성질을 가지는 전도성 고분자에 고무처럼 늘어나는 고신축성 고분자를 화학 결합을 통해 연결하여, 높은 전기적 성능과 기계적 신축성을 동시에 가지는 새로운 형태의 전도성 고분자를 개발하였다.

개발된 고분자는 현재 세계 최고 수준의 광전변환효율 (19 %)을 가지는 유기태양전지를 구현하면서도, 기존 소자들에 비해 10배 이상 높은 신축성을 달성하였다. 이를 통해 40 % 이상 잡아당겨도 작동하는 세계 최고성능의 스트레처블 태양전지를 구현하였으며, 이를 통해 사람이 착용가능한 태양전지의 응용 가능성을 증명했다.

김교수는 “이번 연구를 통해 세계 최고성능의 스트레쳐블 유기 태양전지를 개발했을 뿐만 아니라 새로운 개념의 고분자 소재 개발을 통해 자유형상 및 신축성을 요구로 하는 다양한 전자소자에 응용가능한 소재 원천 기술을 개발했다는 것에 큰 의의가 있다.”라고

1) 그린수소 : 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로, 태양광, 풍력 같은 재생에너지를 통해 얻은 전기에너지를 물에 가해 수소와 산소를 생산하며 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없다.

2) 다목적 최적화 : 경제성 또는 생산량과 같이 시스템에서 중요한 다양한 성능을 동시에 개선하고자 할 때 활용되는 방법론. 각 성능은 서로 상충되는 경우가 많아 상황에 맞는 의사결정을 위해 필수적인 결과를 도출할 수 있다.

3) LCOH(Levelized Cost of Hydrogen) : 수소 생산을 위한 총 자본비와 운전비를 총 수소 생산량으로 나누어 계산하는 균등화 수소 생산 단가를 의미하며, 보통 ‘kg당 가격’으로 표현되는 수소 생산 경제성 분석 지표이다.

4) 미국 USC 화학공학과 이재형 교수 연구진 등과 공동으로 수행한 이번 연구결과는 에너지 분야 국제 저명 학술지 <Energy Conversion and Management>에 게재됐으며, 과학기술정보통신부 공공연구성과 활용촉진 R&D사업의 지원을 받아 수행됐다.

5) 이진우, 이흥구 연구원이 공동 제1 저자로 참여하고, 기계공학과 김택수 교수, 생명화학공학과 리섕 교수팀이 공동으로 진행한 이번 연구는 국제 학술지 <Joule>에 12월 1일 출판됐다. (논문명: Rigid and Soft Block-Copolymerized Conjugated Polymers Enable High-Performance Intrinsically-Stretchable Organic Solar Cells). 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.