태양광 물 분해에 의한 수소 생산 기술 관련

 

** [어떤 기업들이 참여하고 있나?]

 

태양광을 이용한 물 분해 기술을 개발하는 여러 회사들이 있습니다. 이들 회사는 혁신적인 기술을 통해 그린 수소를 생산하려고 노력하고 있습니다. 여기 몇 가지 주요 회사를 소개해 드리겠습니다:

1. Fraunhofer Institute

독일의 Fraunhofer Institute는 'H2Demo' 프로젝트를 통해 직접 태양광을 이용한 물 분해로 그린 수소를 생산하는 기술을 개발하고 있습니다. 이 프로젝트는 고순도 반도체 재료를 사용하여 효율적인 수소 생산을 목표로 합니다​ (HyTech Conf Europe 2024)​​ (Fraunhofer ISE)​.

2. SunHydrogen

SunHydrogen은 나노입자 기반의 수소 생성 기술을 개발하고 있으며, 태양광을 사용하여 물을 분해해 수소와 산소를 생성합니다. 이 회사는 대형 수소 패널을 개발 중이며, 한국의 COTEC과 협력하여 1제곱미터 크기의 패널 생산을 스케일업하고 있습니다​ (SunHydrogen)​​ (SunHydrogen)​.

3. Sparc Hydrogen

호주의 Sparc Hydrogen은 포토촉매를 사용하여 태양광을 직접 물 분해에 이용하는 기술을 개발하고 있습니다. 이들은 Fortescue와 University of Adelaide와 협력하여 기술을 발전시키고 있으며, 애들레이드 근처에서 파일럿 플랜트를 준비 중입니다​ (pv magazine International)​​ (pv magazine Australia)​.

4. Helmholtz-Zentrum Berlin

Helmholtz-Zentrum Berlin은 얇은 금속 산화물 필름을 개선하여 태양광 전해 효율성을 높이는 기술을 연구하고 있습니다. 이들은 다양한 반도체 재료를 사용하여 효율적인 수소 생산을 목표로 하고 있습니다​ (pv magazine International)​.

5. Mohite Lab

Mohite Lab은 높은 효율성을 가진 태양광 전해 장치를 개발하고 있으며, 이를 통해 물을 분해하여 수소와 산소를 생성합니다. 이들은 기존의 태양광 전지 기술을 활용하여 수소 생산 효율성을 극대화하려고 합니다​ (Royal Society of Chemistry)​.

이 외에도 많은 연구소와 기업들이 태양광을 이용한 물 분해 기술을 연구하고 있으며, 이 기술은 앞으로 그린 수소 생산의 중요한 부분이 될 것으로 기대됩니다. 추가 정보는 각 회사의 공식 웹사이트나 관련 연구 자료에서 확인할 수 있습니다.

 

** [SunHydrogen의 기술 설명]

SunHydrogen의 기술은 자연 광합성을 모방하는 공정을 통해 나노 규모로 재생 가능한 수소를 생산하는 데 중점을 두고 있습니다. 그들의 혁신적인 접근 방식은 햇빛과 모든 물 공급원을 사용하여 물 분자를 수소와 산소로 분리하여 깨끗하고 지속 가능한 에너지원을 제공합니다. 기술이 어떻게 작동하는지에 대한 자세한 분석은 다음과 같습니다.

<핵심 기술: 광전기 합성 활성 이종 구조( Photoelectrosynthetically Active Heterostructures, PAH)>

1. 나노입자 디자인:

- 구조: 각 PAH 나노입자는 태양 전기분해 반응을 촉진하는 여러 층으로 구성된 미세한 기계입니다. 이 나노입자는 햇빛을 흡수하고 물 분자를 분해하는 데 필요한 전하를 생성하도록 설계되었습니다.
- 기능: 햇빛이 나노입자에 닿으면 나노입자 내부의 전자가 여기됩니다. 이렇게 여기된 전자는 물을 수소와 산소로 분리하는 화학 반응을 일으키는 데 사용됩니다. 이 과정은 식물 세포의 자연적인 광합성 과정과 유사하지만 수소 생산에 최적화되어 있습니다.

2. 수소 패널:

- 구성: SunHydrogen은 수십억 개의 나노입자를 함께 묶어 수소 생성 패널을 형성합니다. 이 패널은 확장 가능하고 대량 생산이 가능하므로 국지적 환경과 대규모 수소 생산 농장 모두에 적합합니다.
- 효율성: 패널은 햇빛 흡수 및 수소 생산 효율을 극대화하도록 설계되었습니다. 나노입자에 저렴하고 풍부한 재료를 사용하면 생산 비용을 낮추고 기술을 경제적으로 실행 가능하게 만듭니다.

3. 생산 공정:

- 자립형 장치: 각 수소 패널은 외부 전원에 의존하지 않는 독립형 장치입니다. 대신, 햇빛에 의해 생성된 전하를 사용하여 수소를 생산합니다. 이를 통해 기존 전해조에 일반적으로 필요한 값비싼 전력 전자 장치가 필요하지 않습니다.
- 물 순도: 고순도 물이 필요한 기존 전해조와 달리 SunHydrogen의 기술은 해수 및 폐수를 포함하여 다양한 순도의 물을 활용할 수 있습니다. 이러한 유연성 덕분에 다양한 환경에서 기술을 더 쉽게 배포할 수 있습니다.

4. 확장성:

- 모듈식 디자인: 패널은 모듈식이므로 쉽게 연결하고 확장하여 더 큰 시스템을 구성할 수 있습니다. 이 모듈식 접근 방식은 수소 생산의 중복성, 보안 및 안정성을 보장합니다.
- 대규모 애플리케이션: 이 기술은 대량 생산 규모에서 경제적이도록 설계되어 차량, 선박, 데이터 센터 등에 전력을 공급하는 대규모 애플리케이션에 적합합니다.

<개발 및 파트너십>

SunHydrogen은 기술 상용화를 가속화하기 위해 여러 파트너십과 협력을 진행해 왔습니다. 여기에는 수소 생산 패널의 효율성과 확장성을 향상하기 위한 대학 및 산업 파트너와의 파트너십이 포함됩니다. 예를 들어, 아이오와 대학교, 미시간 대학교, 한국의 COTEC과 협력하여 생산 규모를 확대하고 전반적인 시스템 안정성을 개선했습니다​.

<장점>

- 환경에 미치는 영향: 생산 과정에서 탄소 배출이 전혀 발생하지 않으므로 화석 연료를 대체하는 환경 친화적인 제품입니다.
- 비용 효율성: SunHydrogen은 외부 전원의 필요성을 제거하고 저가의 재료를 활용함으로써 녹색 수소 생산을 기존 수소 생산 방법에 비해 비용 경쟁력 있게 만드는 것을 목표로 합니다.
- 다용성: 폐수를 포함한 다양한 수원을 사용할 수 있으므로 이 기술을 배포할 수 있는 잠재적인 응용 분야와 위치가 확장됩니다.

SunHydrogen의 접근 방식은 최첨단 나노기술을 활용하여 녹색 수소 생산을 위한 지속 가능하고 확장 가능한 솔루션을 만드는 재생 에너지 분야의 중요한 발전을 나타냅니다. 더 자세한 내용은 SunHydrogen의 기술 페이지를 방문하시면 보실 수 있습니다.

<PAH 나노입자와 태양광 전해>

PAH 나노입자(PAH: Polycyclic Aromatic Hydrocarbon)는 다층 구조로 이루어진 미세한 기계입니다. 각 층은 특정 기능을 수행하여 태양광 전해 반응을 가능하게 합니다. 태양광 전해는 태양광 에너지를 이용하여 물을 분해해 수소와 산소를 생성하는 과정입니다.

1. 광흡수층: 첫 번째 층은 태양광을 흡수하는 역할을 합니다. 식물의 엽록소처럼, 이 층은 태양광을 포획하여 전자기적으로 활성화된 상태로 만듭니다.
2. 전자 전달층: 다음 층은 흡수된 에너지를 이용해 전자를 전달하는 역할을 합니다. 이 층은 전자가 물 분자와 상호 작용하여 물을 분해하는 과정을 촉진합니다.
3. 촉매층: 마지막으로, 촉매층은 전해 반응을 촉진하여 물을 수소와 산소로 분해합니다. 이 층에서는 식물의 광합성에서 광계 II와 유사한 역할을 하는 촉매가 사용됩니다.
4.  

 

** [Mohite Lab의 기술]

라이스 대학교의 Mohite 연구소는 태양 에너지를 수소로 전환하는 데 있어 20.8%라는 기록적인 효율을 달성하는 태양열 물 분해를 위한 최첨단 기술을 개발했습니다. 이러한 발전은 그린수소 생산 분야에서 의미가 크다. 기술에 대한 자세한 개요는 다음과 같습니다.

<핵심 기술: 통합 할로겐화물 페로브스카이트 광전기화학 전지>

1. 할라이드 페로브스카이트 반도체:

- 구성: 이 기술은 뛰어난 광흡수 특성으로 알려진 할로겐화물 페로브스카이트 반도체를 사용합니다. 이러한 재료는 기존 반도체에 비해 가격이 저렴하고 효율성이 높습니다.
- 효율성: 통합 셀은 20.8%의 태양광-수소 변환 효율을 달성했는데, 이는 현재 태양광 집중이 없는 이러한 유형의 기술에서 가장 높은 수치입니다.

2. 부식 방지 장벽:

- 디자인: Mohite Lab 기술의 핵심 혁신은 이중층 부식 방지 장벽입니다. 한 층은 물을 차단하여 페로브스카이트가 분해되는 것을 방지하고, 다른 층은 페로브스카이트와 보호층 사이의 양호한 전기적 접촉을 보장합니다.
- 기능: 이 설계를 통해 반도체에 물이 닿는 것을 방지하여 장치의 높은 효율성과 안정성을 유지할 수 있습니다. 그렇지 않으면 부식이 발생하고 성능이 저하됩니다.

3. 광전기화학 전지(PEC):

- 작동: PEC는 태양 에너지를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 확장 가능한 단일 장치에 할로겐화물 페로브스카이트와 전기촉매를 통합합니다.
- 확장성: 이 기술은 확장 가능하도록 설계되어 대규모 배포가 가능합니다. 이는 실용적이고 상업적인 응용 분야에 매우 중요합니다.

4. 애플리케이션 및 미래 잠재력:

- 다용성: 장벽 설계는 다양한 반응 및 반도체와 함께 작동하여 다양한 시스템에 걸쳐 기술을 적용할 수 있는 것으로 나타났습니다.
- 영향: 안정성과 규모가 더욱 향상되면 이 기술은 다양한 산업 및 운송 응용 분야에서 화석 연료에 대한 지속 가능한 대안을 제공하여 수소 경제에 큰 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

<연구 및 개발>
이 기술의 개발에는 NREL(National Renewable Energy Laboratory)과 같은 다른 기관과의 광범위한 시험 및 협력이 포함되었습니다. 이 프로젝트의 성공은 녹색 수소 생산에서 광전기화학 전지의 상업적 타당성을 향한 유망한 경로를 보여줍니다.
더 자세한 내용은 라이스대학교 보도자료, ScienceDaily 등의 출처를 참고하세요. //http://www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230720124624.htm). 이러한 소스는 Mohite Lab이 달성한 연구 및 기술 혁신에 대한 포괄적인 통찰력을 제공합니다.

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국내 특허 예1)

국내 특허 예2)