옥상에서 수소 만드는 태양광 광반응기 개발… 병렬형 채널로 ‘빛 수집’ 극대화

[인더스트리뉴스 최용구 기자] 지붕이나 전용 부지에 설치된 태양광발전소에서 수소를 생산할 수 있는 새로운 방안이 제시됐다.

최근 독일 칼스루에공과대학(KIT, Karlsruhe Institute of Technology) 연구진들은 물분해 광촉매가 적용된 패널형 광반응기를 설계했다.

태양광 수소 기술은 청정 그린수소 생산의 이상적 대안으로 여겨진다. 풍부한 재생에너지인 태양에너지를 이용해 물을 분해시켜 수소를 만드는 기술이다.

태양광 수소 기술의 핵심은 광전극이다. 광전극을 통한 전기화학적 반응은 전체 수소생산 시스템의 효율과 경제성을 결정한다.

학계는 물을 수소와 산소로 분리시키는 다양한 광촉매 기법을 제시하고 있다. 물과 이산화탄소를 통해 탄소중립적 연료를 만드는 과정에도 광촉매를 활용한다.

이번에 개발된 광반응기는 수백 개의 병렬형 반응 채널로 구성됐으며 각 채널에는 V자 모양의 집중 장치와 튜브형 공간이 내재돼 있다. 

V자 모양의 집광기는 다양한 방향의 빛을 수집해 튜브 모양의 거울로 보낸다. 입사되는 방향이나 태양의 위치에 관계없이 들어오는 햇빛을 광촉매에 전달한다.

광반응기는 광촉매와 화학 반응을 위한 물질을 포함한다. 광촉매를 통해 전기화학반응을 유도하는 과정엔 ‘광합성’의 원리가 적용됐다. 알루미늄으로 코팅돼 빛반사가 용이한 것도 특징이다. 

KIT 폴 칸트(Paul Kant) 박사는 “지붕이나 전용 태양광 발전소에서 수소를 생산할 수 있는 패널형 광반응기”라면서, “반응기 설치에 소요되는 비용을 크게 줄였기 때문에 높은 경제적 잠재력을 가지고 있다”고 강조했다. 그는 “햇빛을 수확하는 모든 액체, 가스 또는 이질적인 다상 광촉매 시스템에 모두 적용할 수 있다”고 설명했다.

관련 연구 성과는 ‘광자/에너지 효율이 높은 태양 구동 합성을 위한 저비용 광반응기(Low-cost Photoreactors for Highly Photon/energy-efficient Solar-driven Synthesis)’라는 제목으로 저널에 게재됐다.

연구팀에는 KIT IMVT(Institute for Micro Process Engineering) 소속 연구진 외에 토론토대학(University of Toronto)의 학자들도 포함됐다.

연구진들은 “광반응기가 더욱 최적화되려면 폴리머의 핵심 구성 요소 제조 및 광학 코팅의 노화를 막을 수 있는 방안이 고려돼야 한다”며, “광반응기 조리개 표면의 먼지 축적 문제도 해결해야 한다”고 밝혔다.