스마트폰 ‘대기 모드’ 흉내 냈더니…들쭉날쭉 재생에너지 난제 풀었다

포항공과대학교·워싱턴대·Caltech 등 국제 공동 연구팀, 750시간 연속 운전 성공
1.8~1.9V 미세 전류로 촉매 표면 탄산염 오염 원천 차단…찌꺼기 생성 100만분의 1로 줄여
아세트산 생산비 최대 26% 절감…‘네이처 카탈리시스’ 게재

연구 이미지. /포스텍 제공

날씨에 따라 전력 공급이 들쭉날쭉해 장치가 자주 멈추고 고장 나던 재생에너지 기반 화학제품 생산 공정을 스마트폰의 ‘대기 모드’처럼 작동시켜 해결한 기술이 개발됐다.

포항공과대학교(이하 포스텍) 신소재공학과 권순호 교수는 미국 워싱턴대(세인트루이스) 펑 지아오 교수, 캘리포니아공대(Caltech) 윌리엄 고다드 교수, 중국 베이징대 연구팀과의 공동 연구를 통해 재생에너지 전력 공급이 끊겼다 이어져도 일산화탄소 전기분해 장치가 제 성능을 유지하는 운전 전략을 제시했다고 23일 밝혔다. 

일산화탄소 전기분해는 제철소 등에서 배출되는 일산화탄소에 전기를 가해 플라스틱 원료인 에틸렌이나 아세트산 등 고부가가치 화학 원료로 전환하는 친환경 기술이다. 

다만 생산비의 절반 이상이 전기요금이라 태양광이나 풍력 같은 값싼 재생에너지를 연계하는 것이 필수적이다. 

기존 설비는 24시간 쉬지 않고 가동하는 환경에 맞춰져 있어 해가 지거나 바람이 잦아들 때 전원이 차단되면 장치 내 구리 촉매 표면에 탄산염 찌꺼기가 쌓여 원하는 화학물질 대신 수소만 발생하는 문제가 있었다.

연구진은 전원을 완전히 차단하지 않고 장치가 멈추는 전압(개방회로전압 약 1.5V)보다 살짝 높은 1.8~1.9V 수준의 약한 ‘대기 전압’을 지속적으로 흘려보내는 방식을 고안했다. 화면은 꺼져 있지만 내부 시스템은 유지되는 스마트폰 대기 모드와 같은 원리다.

실험 결과 미세한 대기 전압 유지로 촉매 표면의 오염물질 형성 속도를 100만분의 1 수준으로 줄였다. 연구진은 실제 태양광 발전 주기를 모사해 장치를 31회 껐다 켜기를 반복하며 750시간 동안 시험 가동한 결과, 75%의 고순도 생산 효율을 유지하며 안정적으로 작동함을 확인했다.

일주일간 장치를 멈춘 뒤 재가동했을 때도 성능 저하 없이 복구됐다. 대기 전력 유지에 드는 비용은 전체 생산비의 1% 미만이었다.

경제성도 입증됐다. 재생에너지 비중이 70%가 넘는 호주 사우스오스트레일리아의 실제 전기요금 체계를 적용해 분석한 결과, 전기요금이 저렴한 시간대에만 장치를 탄력 가동할 경우 아세트산 생산비를 1kg당 2.13달러에서 1.63달러로 최대 26% 낮출 수 있는 것으로 나타났다.

권순호 포스텍 교수는 “전원을 끌 때 촉매 표면에서 일어나는 변화를 원자 수준에서 규명해 전압 조절만으로 촉매를 보호하는 방법을 찾았다”며 “추가 설비 없이 운전 방식만 바꿔 재생에너지 기반 탄소 전환 기술의 실용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 촉매 분야 국제 학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

/단정민기자 sweetjmini@kbmaeil.com