태양광 및 태양열을 이용한 수소 생산 & 물 생산

현재까지 알려진 상업적인 기술로는 태양광과 태양열을 동시에 이용하여 수소, 물, 소금을 하나의 통합된 시스템에서 생산하는 사례는 찾기 어렵습니다. 하지만 각 생산 과정에 태양광 및 태양열 에너지를 활용하는 개별적인 기술들은 존재하며, 이를 융합하려는 연구 개발이 진행 중일 수 있습니다.

각각의 생산 기술에 대한 현재 상황을 설명해 드리겠습니다.

1. 태양광 및 태양열을 이용한 수소 생산

• 태양광을 이용한 수소 생산 (광전기화학적 물 분해): 태양광 에너지를 이용하여 물을 직접 분해하여 수소를 생산하는 기술입니다. 광전극이라는 특수 전극에 태양광을 쬐면 물 분해 반응이 일어나 수소와 산소가 발생합니다. 효율성 향상 및 상업화를 위한 연구가 활발히 진행 중입니다.
• 태양광 발전을 이용한 수소 생산 (수전해): 태양광 발전 시스템을 통해 생산된 전력을 이용하여 물을 전기 분해하여 수소를 얻는 방식입니다. 이는 이미 상용화된 기술이며, '그린 수소' 생산의 중요한 방법으로 주목받고 있습니다.
• 태양열을 이용한 수소 생산 (고온 수증기 전기 분해/열화학적 물 분해): 집광형 태양열 발전(CSP) 시스템을 이용하여 얻은 고온의 열을 이용하여 물을 분해하는 방식입니다. 고온 수증기 전기 분해는 높은 온도에서 전기 분해 효율을 높이는 기술이며, 열화학적 물 분해는 화학 반응을 통해 물을 분해하는 방식입니다. 아직 연구 개발 단계에 있는 기술들이 많습니다.

2. 태양광 및 태양열을 이용한 물 생산

• 태양광을 이용한 공기 중 수분 응축: 태양광 발전으로 얻은 전력을 이용하여 냉각 장치를 작동시켜 공기 중의 수증기를 응축시켜 물을 얻는 기술입니다. 특히 건조한 지역에서 식수 확보를 위한 유망한 기술로 개발되고 있습니다.
• 태양열 증류: 태양열을 이용하여 바닷물이나 오염된 물을 증발시키고, 증발된 수증기를 응축하여 담수를 얻는 기술입니다. 간단한 구조로 소규모 지역에 적용하기 용이하며, 막 증류법과 결합하여 효율을 높이는 연구도 진행 중입니다.
• 태양광/열 이용 막 증류: 태양광 또는 태양열 에너지를 이용하여 막 증류 공정을 구동하는 기술입니다. 막 증류는 온도차를 이용하여 수증기만 통과시키는 막을 통해 물을 분리하는 방식으로, 기존 담수화 기술 대비 에너지 소비가 적다는 장점이 있습니다.

3. 태양광 및 태양열을 이용한 소금 생산

• 태양열을 이용한 염전: 전통적인 방식이지만, 태양열을 직접 이용하여 바닷물을 증발시켜 소금을 생산하는 가장 일반적인 방법입니다.
• 염전 태양광: 염전 위에 태양광 발전 설비를 설치하여 전력을 생산하고, 염전에서는 소금을 생산하는 방식입니다. 최근에는 염전 바닥에 수중 태양광 모듈을 설치하여 소금 생산량 감소를 최소화하고 발전 효율을 높이는 연구도 진행되고 있습니다.
• 태양열 이용 용융염 에너지 저장: 태양열 발전으로 얻은 열을 용융된 소금에 저장하여 필요할 때 다시 전력을 생산하는 기술입니다. 이는 직접적인 소금 생산은 아니지만, 태양열과 소금의 상호 작용을 이용하는 흥미로운 사례입니다.

새로운 통합 기술의 가능성

언급하신 것처럼 태양광과 태양열을 동시에 활용하여 수소, 물, 소금을 동시에 생산하는 통합 시스템은 아직 초기 연구 단계에 머물러 있을 가능성이 높습니다. 이러한 통합 시스템은 에너지 효율 극대화, 시스템 소형화, 비용 절감 등의 장점을 가질 수 있지만, 각기 다른 생산 조건과 기술적 과제를 동시에 해결해야 하는 어려움이 따릅니다.

미래에는 다음과 같은 방식으로 통합 시스템이 개발될 가능성을 생각해 볼 수 있습니다.

• 단계별 에너지 활용: 태양열을 이용하여 담수화 또는 소금 생산에 필요한 열을 먼저 공급하고, 남은 열이나 태양광 발전을 통해 얻은 전력을 이용하여 수소를 생산하는 방식.
• 다기능성 반응기: 하나의 반응기 내에서 태양광/열 에너지를 이용하여 복합적인 화학 반응 또는 물리적 변화를 유도하여 수소, 물, 소금을 동시에 또는 순차적으로 생산하는 시스템.
• 에너지 및 물질 흐름 통합 관리: 각 생산 공정에서 발생하는 부산물이나 남는 에너지를 다른 공정에 재활용하여 전체 시스템의 효율을 극대화하는 지능형 관리 시스템.

이러한 통합 기술은 에너지, 물, 식량 자원의 지속 가능한 생산에 기여할 수 있다는 점에서 매우 중요한 연구 분야입니다. 앞으로 관련 연구 개발 동향을 지속적으로 주목할 필요가 있습니다.

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출처: https://richcat.tistory.com/20546 [리치캣의 현재 그리고 미래:티스토리]

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