신재생 에너지 효율성 극대화 전략! - 촉매편

신재생 에너지 효율성 극대화 전략! - 촉매편

대학생신재생에너지기자단 16기 전예지

 

 

전 세계적으로 주요 에너지 소비 원을 화석연료에서 신재생에너지로 전환하려는 노력이 이루어지고 있다. 하지만 아래 IEA에서 제공하는 자료를 봐도 알 수 있듯이 2017년 기준 수력, 바이오 에너지, 태양열, 풍력 등을 전부 합쳐도 신재생 에너지의 비율은 25% 정도밖에 되지 않는다. 1990년 기준 15% 정도에서부터 분명 신재생 에너지의 비율은 증가하고 있긴 하지만, 증가 속도가 왜 이렇게도 더딘 것일까.

 

[공급원 별 일차 에너지 공급량 (생산량)]

출처 : IEA

 

이는 바로 신재생 에너지로 생산되는 에너지의 효율성이 기존의 다른 에너지원들보다 낮기 때문이다. 이러한 효율성 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나로 대두되는 것이 바로 신재생 에너지 촉매이다.

 

에너지를 효율적으로 생산하고 저장하는 핵심적 기술: 신재생 에너지 촉매

 

화학 공정에서 반응속도를 좌지우지하는 물질인 ‘촉매’는 합성수지, 포장재, 자동차 내외장재 등을 만드는데 빠져서는 안 되는 것으로 20세기 석유화학 산업 발전에 큰 공헌을 하였는데, 최근 촉매 기술은 신재생에너지 업계에서 다시 한번 주목받고 있다.

신재생에너지 분야에서 주목받는 촉매 금속들로는 수소 생산과 수소연료전지 생산에 사용되는 백금(Pt), 메탄 등의 가스 분해와 연료전지에 사용되는 이리듐(Ir), 자동차 배출가스 처리와 가스 성질 변환에 사용되는 팔라듐(Pd) 등이 대표적이다. 이러한 촉매들은 활성화 에너지를 낮춰 화학반응이 쉽게 일어나게끔 해주는데 이를 통해 반응이 일어나는 데 필요한 최소 전압을 낮추고 반응속도를 높일 수 있게 된다.

하지만 신재생 에너지 분야에서  백금(Pt)과 같이 고가의 귀금속 촉매들이 필수적으로 사용되고 있어서 한 번의 공정에 수십억 원의 비용이 들기도 한다.

 

값싼 촉매를 찾아서

 

[첨단 기술 분야에서의 촉매용 금속]

출처: dongA.com

 

신재생 에너지 공정에서 비용을 낮출 수 있는 방법의 하나는 고가의 귀금속 촉매를 대체할 신물질을 만드는 일이다. 현재까지의 촉매 중 가장 효율이 높은 것은 백금이지만 수십억 단위의 돈이 들어가게 된다. 따라서 백금 등 귀금속과 비슷한 효과를 내면서 비용은 낮출 수 있는 대체 물질 개발에 관심이 쏠린다.

 

신현정 성균관대 에너지과학과 교수팀은 구리 필름 위에 나노미터(1nm는 10억 분의 1m) 단위로 가공한 황화올리브덴(MoS₂) 입자를 혼합하는 방식으로 백금에 필적하는 새로운 수소 생산용 촉매를 개발했다. 이는 백금의 100분의 1의 가격으로 수소 생산에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

또한 CSIS는 태양전지와 같은 재생 가능한 에너지원으로부터 발생한 전기로 수소를 생산하는 데 사용되는 장치인 양성자 교환막 전해기에 귀금속인 백금, 이리듐, 루테늄 등을 최소화하는 새로운 촉매를 개발해냈다고 한다.

 

반대로 백금 등 귀금속 촉매를 대체할 방법을 찾기 어려운 경우, 고가 촉매를 최대한 오래 사용할 수 있는 방안을 모색하는 것도 하나의 방법으로 대두된다.

이는 촉매 입자를 최대한 곱게 갈아 표면적을 넓히거나, 각종 합금을 섞어 효율을 최대화하려는 시도를 통한 것이다.

김희연 한국 에너지기술연구원 융합 소재 연구실 연구원 팀은 2016년 9월 국내 KAIST 및 영국 옥스퍼드대 연구진과 공동으로 성능과 내구성을 최대화할 새 합금 촉매 합성 공정을 개발했다. 이 기술로 코발트 합금 촉매를 합성한 결과, 기존 촉매보다 연료전지용 백금 사용량을 5분의 1 이하로 줄이면서도 성능은 6배 이상 높였다.

 

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참고문헌

[1]  World Energy Balances 2019 | Documentation, https://www.iea.org/data-and-statistics?country=WORLD&fuel=Energy+supply

 

[2] 전승민, "신재생에너지 세계 여는 숨은 열쇠... 값싼 '촉매'를 찾아라", 동아 사이언스,  2017.04.07, http://www.donga.com/news/article/all/20170407/83736768/1

 

[3]  월간 수소경제 편집부, "CSIS, 재생 수소 전환 신촉매 개발", 2019.07.01 http://www.h2news.kr/news/article.html?no=7655