한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 서보라 수소·연료전지연구센터 박사팀이 태양 조도 데이터를 활용해 그린수소 생산 장치 내구성 평가기술을 개발했다고 밝혔다.
1초 단위 단계 지속시간(전압을 변화시키는 구간 사이에 전압을 일정하게 유지하는 단계에 할당하는 시간)을 갖는다. 이는 현재 개발된 기술 중 가장 짧은 단계 지속시간을 적용한 것으로, 실제 태양광 에너지의 출력 변동성을 가장 유사하게 시뮬레이션할 수 있다.
태양광은 지구 어디에나 존재하는 태양을 이용해 자연 지형 의존성이 낮다.
그러나 계절 및 날씨 등에 따른 태양광 출력과 발전량 변화는 전력 상승과 하강을 반복해 생산 치 부품을 손상시키는 문제가 있다. 최적의 부품 교체 시기 및 신소재 개발을 위해서는 장치의 내구성을 정밀하게 평가할 수 있는 기술이 중요하다.
태양광 기반 그린수소 생산 장치 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.
또 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 활용할 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.
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.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 산업통상자원부 소재부품기술개발사업으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 환경 에너지 분야 국제 저명 학술지 'Energy & Environmental Science'에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
