태양광 이용한 그린수소 생산 내구성 평가기술 개발

-KIST, 태양광 출력 변동성 반영 그린수소 생산 장치 내구성 평가기술 개발

-그린수소 생산용 수전해 장치 핵심 소재부품 개발 지침 제시

 

제1저자_KIST 보로노바 아나스타시아 학생연구원, 교신저자_KIST 서보라 선임연구원

 

미래의 청정에너지 운반체로 그린수소가 주목받으면서 어떤 재생에너지를 에너지원으로 활용할 것인지에 대한 문제 역시 중요해지고 있다. 그중 태양광은 지구 어디에나 존재하는 태양을 이용하기 때문에 자연 지형의 의존성이 낮은 장점이 있다. 그러나 계절 및 날씨 등에 따른 태양광 출력과 발전량 변화는 전력의 상승과 하강을 반복적으로 유발해 생산 장치의 부품을 손상시키는 문제가 있어 최적의 부품 교체 시기 및 신소재 개발을 위해서는 장치의 내구성을 정밀하게 평가할 수 있는 기술이 중요하다.

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구센터 서보라 박사 연구팀은 실제 태양의 조도 데이터를 활용해 1초 단위의 단계 지속시간을 갖는 그린수소 생산 장치의 내구성 평가기술을 개발했다고 밝혔다. 이는 현재까지 개발된 기술 중 가장 짧은 단계 지속시간을 적용한 것으로 실제 태양광 에너지의 출력 변동성을 가장 유사하게 시뮬레이션할 수 있다.

태양광 기반 그린수소 생산 장치의 성능저하 원인이 파악되더라도 이를 개선하기 위해서는 신뢰도가 높은 내구성 평가기술 확보가 필요하다. 하지만 지금까지는 단순히 전류를 순환하거나 일정하게 유지하는 방법으로 평가를 수행해 태양광 출력 변동성을 정밀하게 반영하지 못했다. 그뿐만 아니라 전력 변동 조건에서 우수한 내구성을 갖는 핵심 소재 개발을 위한 수전해 장치의 내구성 평가 기준도 없었다.

연구팀은 태양광 패널에서 얻은 실제 태양 조도 데이터와 수전해 스택 데이터를 활용해 조도 값을 전류밀도로 변환하는 시뮬레이션 방법을 최초로 개발했다. 이를 통해 순환전압전류법 등 기존 내구성 평가기술에서는 10초에서 3분까지 소요되던 단계 지속시간을 1초 단위로 획기적으로 단축해 태양광 출력 변동성을 실제와 유사하게 반영할 수 있게 됐다.

또한, 새롭게 개발한 내구성 평가기술을 바탕으로 수전해 장치의 소재 개발에 대한 핵심 지표를 제시했다. 전력 변동 조건에서의 촉매, 전해질막 등 소재의 성능저하 정도를 파악할 수 있는 표준화된 분석법과 촉매 용출량, 불소 배출량, 산화막 두께 등 성능저하 지표를 새롭게 제안했다. 이는 내구성 및 성능개선을 위한 그린수소 생산 장치의 소재 및 부품 개발 지침으로 활용될 수 있다.

이번에 개발된 내구성 평가기술은 태양광을 활용하는 그린수소 생산 장치의 정확한 상태진단 및 잔여 수명을 예측해 설비교체나 운영연장 여부 등을 판단할 수 있다. 해당 기술은 해상풍력, 조력발전 등 다른 신재생에너지 기반 그린수소 생산 장치의 성능을 평가하는 데에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.

 

태양광 기반 내구성 평가 기술과 정전류법 및 순환전류법 내구성 평가 기술 비교

태양광 기반 내구성 평가 전/후 수전해 핵심소재 열화분석

KIST 서보라 박사는 “이번 연구 성과는 태양광 출력 변동성을 현실에 가장 가깝게 반영해 그린수소 생산 장치의 내구성을 평가한 첫 번째 시도”라며, “이를 통해 그린수소 생산 시스템에 대한 효율적인 설비투자와 소재·부품 경쟁력 강화에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업과 산업통상자원부(장관 안덕근)의 소재부품기술개발사업(20022451)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 환경 에너지 분야 국제 저명 학술지 「Energy & Environmental Science」 (IF 32.5, JCR 상위 0.4%)에 게재됐다.

논문명 : Systematic degradation analysis in renewable energy-powered proton exchange membrane water electrolysis

□ 저자 : ○ 보로노바 아나스타시아 학생연구원(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터), 서보라 선임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

□ 내용 요약

○ 연구배경

그린수소 생산 기술은 재생에너지를 통해 물을 전기분해(수전해)하여 수소를 생산하는 기술로 탄소배출이 없어 탄소중립 사회를 구현하는 데 핵심적인 기술이다. 그러나 현재 이 기술은 태양광 에너지 발전과 연계된 경우, 기후 조건에 따라 발전량이 크게 변동하면서 안정적인 전력 공급이 어려울 수 있다. 이러한 재생에너지 발전의 출력 변동성은 그린수소 생산 시스템의 내구성에 직접적인 영향을 미치며, 수명을 감소시킬 수 있는 심각한 문제로 작용할 수 있다. 시스템 수명 감소는 기술의 상용화에 부정적인 영향을 미치기 때문에 재생에너지의 출력 변동성을 고려한 신뢰도 높은 내구성 평가 기술이 반드시 필요하다. 현재까지 그린수소 생산 시스템에 적합한 표준화된 내구성 평가 기술이 부족하여 이에 대한 기술 개발이 필요하며, 출력 변동 운전 조건에서 내구성이 우수한 수전해 핵심 소재 개발 방향 제시가 필요하다.

○ 연구내용

본 연구팀은 태양광 에너지의 변동성을 현실적으로 반영하기 위해 실제 태양 조도 데이터를 활용하여 1초 단위의 단계 지속시간을 갖는 내구성 평가 기술을 개발했다. 이는 현재까지 연구된 기술 중 가장 짧은 단계 지속시간으로 태양광 출력 변동성을 가장 고분해능으로 모방하였다.

또한, 전력이 변동하는 조건에서 수전해를 구동하는 동안 핵심소재들(촉매, 전해질 막, 분리판)의 성능 저하 정도를 파악할 수 있는 표준화된 분석법과 성능 저하 지표가 없었는데 이를 제시하여 그린수소 생산 장치 소재부품 개발 지침을 제공하였다.

○ 기대효과

본 연구는 태양광 출력 변동성을 현실에 가장 근접하게 반영하여 그린수소 생산 장치의 내구성을 평가한 첫 번째 시도로, 이는 기존에 인공적으로 재생 에너지 변동성을 모사한 단순 내구성 평가 기술과 비교하여 향후 그린수소 생산 시스템의 실제 수명을 예측하는 데 실질적인 도움을 주고, 궁극적으로 정부 및 기업의 그린수소 생산 시스템 설비 투자와 운영 관련 의사결정에 이바지할 것으로 기대된다.

해당 기술은 해상풍력, 조력발전 등 다른 신재생에너지들을 활용한 그린수소 생산에도 응용될 수 있어 탄소중립 사회를 구현하는 데 주요한 기여를 할 것으로 기대된다. 뿐만 아니라, 본 연구에서 도출한 소재부품 개발 방향에 대한 지침은 국내외 그린수소 생산용 소재부품 개발기술의 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대된다.

KIST 홍보실 제공