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EU) 직접 해수 전기분해를 통한 수소 생산 (Hydrogen Production via Direct Seawater Electrolysis)

AEMEL(Anion exchange membrane electrolysis)의 개략도 및 분해가능 모드

(A) 비대칭 AEMEL, (B) 불순물로 인한 가능한 전해조 분해 메커니즘

* 출처: Lindquist et al. © 2020, Elsevier Inc. 모든 권리 보유.

 최근 몇 년 동안 전기 분해를 통한 수소 생산에 필요한 물의 중요성이 점점 더 부각되고 있기 때문에 원료로서 담수의 사용은 전 세계의 더운 건조 지역에서 상당한 장애물이 될 수 있다. 따라서 이러한 지역에서는 해수를 이용하는 것이 좋은 방안이 될 수 있다.

직접 해수 전기 분해(DSE, Direct seawater electrolysis)

 직접 해수 전기분해(이하 DSE)는 담수 자원에 대한 끊임없이 증가하는 수요를 완화할 수 있는 지속 가능한 수소 생산 접근 방식이나, 해수가 균일하지 않고 지형과 계절에 따라 구성이 다른 문제가 있다. 바닷물은 산성에서 알칼리성까지 다양한 pH 수준으로 나타날 수 있으며 평균 pH는 8.1이다. 이러한 다양한 해수 문제로 인해 DSE 기술은 여전히 ​​매우 낮은 TRL에 있으며, 확인된 R&D 활동의 대부분은 2023년 중국에서 운영되는 한 가지 시범 프로젝트를 제외하고는 여전히 실험실 규모에 머무르고 있다.

여러 DSE 기술 중 AEM 전기 분해(AEMEL_그림 참조)는 해수 분해에 적합한 기술로 간주 되며, 해수 전기분해를 위한 AEMEL의 최신 기술은 물 수송 제한은 국소 OH- 농도를 증가 및 막 구조를 파괴하여 분해를 증가시킨다. 비대칭 공급의 경우 양극 탈수를 방지하기 위해 멤브레인을 추가로 개발해야 한다.

간접 해수 전기 분해(ISE, Indirect seawater electrolysis)

 ISE 담수화 기술은 증발/응축, 여과 및 결정화 기술에 따라 분류할 수 있으며, 전 세계적으로 가장 일반적으로 사용되는 것은 RO와 같은 여과/멤브레인 기반 접근 방식으로, 운영 비용이 저렴하다.

RO 시스템은 삼투압을 통해 해수에서 염분을 제거하고 압력을 가하여 일련의 반투과성 멤브레인을 통해 물을 밀어내는 기술로 투과성이 더 높은 멤브레인의 개발과 압력 에너지에 대한 에너지 회수 장치를 추가함으로써 에너지 효율성 측면에서 수년에 걸쳐 크게 개선되었다. 불순물이 많은 해수의 경우 한외여과, 침전물 필터, FO 또는 활성탄 흡착 등의 전처리가 필요하다.

극복 과제

 전기분해에 해수를 사용하는 데 있어 어려운 측면 중 하나는 해수가 균질하지 않고 그 구성이 지리와 계절에 따라 달라, 직접 해수 분리 기술을 확장하기 전에 해결해야 할 상당한 기술적 과제가 남아 있다. 해수 전해조의 필수 목표는 바람직하지 않은 전기화학적 공정, 특히 염화물 반응을 최소화하기 위한 견고하고 선택적인 전극/촉매를 개발해야 한다. 활성 및 선택 촉매가 식별되었지만 고급 멤브레인 및 분리기 개념도 전해조의 안정성을 높이는 데 중요하다.

권장사항

  ① DSE에 대한 현재 연구 활동의 대부분은 실험실 규모로 진행되고 있으며, 이러한 새로운 기술에 대한 조사에 지속 가능성 평가를 통합하는 것이 좋다.

  ② 시스템 비용의 효율적 및 업스케일링을 가능하게 하기 위해 DSE 시스템의 성능은 담수화 플랜트와 기존 전해조를 사용하는 벤치마크와 비교 평가해야 한다.

  ③ NaOH 및 기타 귀중한 원료(예: Li, Mg)와 같은 귀중한 부산물을 수집하고 수확할 수 있는 DSE의 새로운 설계를 개발해야 한다.

  ④ 일반적으로 DSE 기술 연구와 담수화 플랜트와 같이 막을 활용하는 다른 기술에 대한 연구 간의 지식 교환을 용이하게 하는 것은 상호 이익이 될 수 있다.

  ⑤ 촉매(및 막)에 대한 연구는 전해질의 다른 조성이나 다른 전해조 설계의 영향을 피하기 위해 조화된 조건에서 수행되어야 한다.