녹색 수소: PEC 물 분해가 경쟁력을 갖게 될 수 있습니다.

햇빛을 사용하여 광전기화학(PEC) 전지에서 물로부터 직접 녹색 수소를 생산할 수 있다고 Holmholtz Zentrum Berlin의 과학자들이 보도 자료에서 설명합니다.

지금까지 이러한 "직접 접근 방식"을 기반으로 한 시스템은 에너지 측면에서 경쟁력이 없었습니다. 그러나 이러한 PEC 셀의 수소 중 일부가 촉매 수소화 반응을 위해 자연적인 위치에서 사용되자마자 균형이 바뀌어 화학 및 제약 산업에서 사용되는 화학 물질이 공동 생산됩니다. 광전기화학적 "녹색" 수소 생산의 에너지 회수 시간은 극적으로 단축될 수 있다고 연구는 보여줍니다.

수소는 물을 전기분해하여 생산할 수 있으며, 이상적으로는 태양전지나 풍력을 이용해 필요한 전기 에너지를 공급할 수 있습니다. 이 '그린' 수소는 미래 에너지 시스템에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 지난 10년 동안 태양열 물 분해는 상당한 진전을 이루었습니다. PV 모듈이나 풍력 발전에서 필요한 전압을 끌어오는 최고의 전해조는 이미 최대 30%의 효율성을 달성했습니다. 이것이 간접적인 접근 방식이다.

HZB 태양 연료 연구소의 여러 팀은 태양열 물 분해에 대한 직접적인 접근 방식을 연구하고 있습니다. 그들은 햇빛을 전기 에너지로 변환하고 수용액에서 안정적이며 촉매적으로 물 분해를 촉진하는 광전극을 개발하고 있습니다. 이러한 광전극은 광전기화학 전지(PEC)의 활성 구성요소를 형성하기 위해 촉매 물질과 밀접하게 결합된 광 흡수제로 구성됩니다. 저렴하고 안정적인 금속 산화물 흡수제를 기반으로 한 최고의 PEC 셀은 이미 10%에 가까운 효율을 달성했습니다. PEC 셀은 여전히 ​​PV 구동 전해조에 비해 효율성이 떨어지지만 중요한 장점도 있습니다. 예를 들어 PEC 셀에서는 햇빛의 열을 사용하여 반응을 더욱 가속화할 수 있습니다. 그리고 이 접근법을 사용하면 전류 밀도가 10~100배 더 낮기 때문에 풍부하고 매우 저렴한 재료를 촉매로 사용할 수 있습니다.

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지금까지의 분석에 따르면 PEC 접근 방식은 아직 대규모 구현에 경쟁력이 없는 것으로 나타났습니다. 오늘날 PEC 시스템에서 나오는 수소의 가격은 약 10 USD/kg이며, 이는 화석 메탄 증기 개질에서 나오는 수소(1.5 USD/kg)보다 약 6배 더 비쌉니다. 더욱이, PEC 물 분해에 대한 누적 에너지 수요는 풍력 터빈과 전해조를 이용한 수소 생산보다 4~20배 더 높은 것으로 추산됩니다.

HZB 태양 연료 연구소의 Fatwa Abdi 박사는 "여기서 우리는 새로운 접근 방식을 도입하고 싶었습니다."라고 말했습니다. Abdi의 연구팀은 생성된 수소 중 일부가 동일한 반응기에서 이타콘산(IA)과 추가로 반응하여 메틸 숙신산(MSA)을 형성할 때 균형이 어떻게 변하는지 조사했습니다.

그들은 먼저 광 흡수제, 촉매 물질 및 유리와 같은 기타 물질로부터 PEC 셀을 생성하는 데 얼마나 많은 에너지가 필요한지, 그리고 이 에너지를 수소 또는 MSA와 같은 화학 에너지 형태로 생성하는 데 얼마나 오랫동안 기능해야 하는지 계산했습니다. 수소의 경우, 이 '에너지 회수 시간'은 태양-수소 효율이 5% 정도라고 가정할 때 약 17년입니다. 생산된 수소의 2%만 IA를 MSA로 변환하는 데 사용하면 에너지 회수 시간이 절반으로 줄어들고, 수소의 30%를 MSA로 변환하면 단 2년 만에 생산 에너지를 회수할 수 있습니다. Abdi 박사는 "이것은 프로세스를 훨씬 더 지속 가능하고 경쟁력 있게 만듭니다."라고 말합니다. 한 가지 이유: 이러한 PEC 셀에서 MSA를 합성하는 데 필요한 에너지는 기존 MSA 생산 공정에 필요한 에너지의 7분의 1에 불과합니다.