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

국내 연구진이 태양광 출력 변동성을 실제와 유사하게 반영한 그린수소 생산 장치 내구성 평가기술을 개발해 효율적인 설비투자에 기여할 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 서보라 박사 연구팀이 실제 태양의 조도 데이터를 활용해 1초 단위의 단계 지속시간을 갖는 그린수소 생산 장치의 내구성 평가기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

그린수소 생산기술은 태양광 등 재생에너지로 물을 전기분해(수전해)해 수소를 생산하는 기술이다. 그러나 태양광은 계절 및 날씨 등에 따라 출력과 발전량이 크게 변하기 때문에 그린수소 생산 시스템의 부품을 손상시키는 문제가 있다. 따라서 최적의 부품 교체 시기 및 신소재 개발을 위해서는 장치의 내구성을 정밀하게 평가할 수 있는 기술이 중요하지만 태양광 출력 변동성을 정밀하게 반영할 수 있는 기술이 부족하고 수전해 장치의 내구성 평가 기준도 없는 상황이다.

이에 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.

이번에 개발된 내구성 평가기술을 활용하면 태양광 활용 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.

또한 연구팀은 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.

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.

한편 이번 연구 성과는 환경 에너지 분야 국제 저명 학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 상위 0.4%)에 게재됐다.