기존 수소 생산 시스템의 대부분은 화석 연료에 의존한다. 하지만 최근 MIT 공학자들이 오로지 태양 에너지만 이용하는 새로운 시스템을 개발했다.

이 과정에는 태양에 의해서만 구동되는 새로운 기차(train) 모양의 원자로 시스템이 포함된다.

‘솔라 에너지 저널(Solar Energy Journal)’에 발표된 이 연구에서, MIT 공학자들은 ‘태양 열화학 수소(solar thermochemical hydrogen, STCH)’를 효율적으로 생산할 수 있는 시스템에 대한 개념 설계를 제시했다.

이 시스템은 태양열을 이용하여 물을 직접 분리하여 온실가스를 배출하지 않으면서 장거리 트럭, 선박, 비행기에 동력을 공급할 수 있는 깨끗한 수소 연료를 생산한다.

오늘날 수소는 주로 천연가스 및 기타 화석 연료를 사용하여 생산되므로, 그 생산 시작부터 최종 사용에 이르기까지의 과정을 고려할 때 그린(green) 연료라기보다는 ‘회색’ 에너지원에 더 가깝다고 볼 수 있다.

이와 대조적으로, 태양 열화학 수소(STCH)는 그 어떤 물질도 배출하지 않는 대안을 제공한다. 그러나 아직까지는, 기존 태양 열화학 수소 디자인은 효율성이 제한적이었다.

실제로 들어오는 햇빛의 약 7%만이 수소 연료로 포착되는데, 이는 이 기술이 수율이 낮은 반면 비용은 높다는 것을 의미한다.

이에 비용 효율적인 태양열 수소를 실현하기 위하여 MIT 공학자들은 새로운 설계를 시도했고, 이 기술을 통해 태양열의 최대 40%를 활용하여 훨씬 더 많은 수소를 생성할 수 있을 것으로 추정된다.

이러한 효율성 증대는 시스템의 전체적인 비용을 낮추어 태양 열화학 수소를 운송 산업의 탈탄소화에 도움이 되는 잠재적으로 확장 가능하고 저렴한 옵션으로 만들 수 있다.

이에 공학자들의 목표는 다음과 같다.

“우리는 수소를 미래의 연료로 생각하고 있기 때문에, 이를 대규모로 저렴하게 생산할 필요가 있습니다. 우리는 2030년까지 1 킬로그램당 1달러의 비용으로 그린 수소를 만들겠다는 에너지부의 목표를 충족시키려 노력하고 있습니다. 경제성을 개선하려면 효율성을 높이고 우리가 수집한 태양 에너지의 대부분이 수소 생산에 사용되도록 해야 합니다.”

기존 태양 열화학 수소 디자인과 마찬가지로, MIT 공학자들이 설계한 시스템도 햇빛을 모아 중앙 수신 타워로 반사하는 수백 개의 거울로 구성된 원형 배열을 사용한다. 이는 집중형 태양열 발전(concentrated solar plant, CSP)과 같은 기존 태양열 공급원과 쌍을 이룬다.

이후 이 새로운 시스템은 수신기의 열을 흡수하여 물을 분해함으로써 수소를 생산하는데, 이 과정은 전기를 사용하여 물을 분리하는 전기 분해와는 매우 다르다.

새로운 시스템의 핵심은 2단계 열화학 반응이다.

첫 번째 단계에서는 증기 형태의 물이 금속에 노출되고, 이로 인해 금속이 증기에서 산소를 빼앗아 수소만 남게 된다.

이 금속 ‘산화’는 물이 있을 때 철이 녹스는 것과 유사하지만 훨씬 더 빠르게 반응한다.

일단 수소가 분리되면 산화된(또는 녹슨) 금속을 진공에서 재가열하여 녹이 발생하는 과정을 역전시키고 금속을 재생시킨다.

산소가 제거되면 금속을 냉각하고 다시 증기에 노출시켜 더 많은 수소를 생산할 수 있다. 이 과정이 수백 번 반복될 수 있다.

MIT 공학자들의 시스템은 이 프로세스를 최적화하도록 설계된 것이다.

시스템 전체는 원형 트랙을 따라 달리는 상자 모양의 원자로 열차와 유사하다.

열차 형태의 원자로에는 가역적인 부식 과정을 겪는 금속이 포함되어 있다.

각 원자로는 먼저 뜨거운 스테이션을 통과하며, 그곳에서 최대 섭씨 1,500도에 달하는 태양열에 노출된다.

이 극심한 열이 원자로의 금속에서 산소를 효과적으로 끌어낸다.

이 과정을 통해, 금속은 ‘환원된’ 상태가 되어 증기에서 산소를 흡수할 준비가 마친다.

이를 위해 원자로는 약 1,000°C 온도의 더 차가운 스테이션으로 이동하여 증기에 노출되어 수소를 생산하게 된다.

물론 유사한 형태의 설계와 마찬가지로 하나의 장애물이 발생한다. 그것은 환원된 원자로가 냉각될 때 방출되는 열을 처리해야 하는 난제다.

이러한 열을 회수하고 재사용하지 않으면 시스템 효율성이 너무 낮아 실용적이지 않게 된다.

두 번째 과제는 금속이 녹슬지 않는 에너지 효율적인 진공을 만드는 것과 관련이 있다.

일부 프로토타입은 기계식 펌프를 사용하여 진공을 생성하지만 이러한 펌프는 대규모 수소 생산에 너무 에너지 집약적이고 비용이 많이 든다.

이러한 문제를 해결하기 위해 MIT 공학자들은 여러 가지 에너지 절약 방법을 통합하여 설계에 반영하였다.

시스템에서 빠져나가는 열을 대부분 회수하기 위해 원형 트랙의 반대쪽에 있는 원자로는 열복사를 통해 열을 교환할 수 있다. 뜨거운 원자로는 냉각되고 차가운 원자로는 가열되는 것이다. 이를 통해 시스템 내부의 열이 유지된다.

MIT 공학자들은 또한 첫 번째 열차 주위를 돌면서 반대 방향으로 움직이는 두 번째 원자로 세트를 추가했다.

이 외부 원자로 열차는 일반적으로 더 낮은 온도에서 작동하며 에너지를 소비하는 기계식 펌프 없이도 더 뜨거운 내부 열차에서 산소를 배출하는 데 사용된다.

이러한 외부 반응기는 쉽게 산화될 수 있는 두 번째 유형의 금속을 운반한다.

외부 반응기는 주위를 돌면서 에너지 집약적인 진공 펌프를 사용하지 않고도 내부 반응기에서 산소를 흡수하여 원래 금속의 녹을 효과적으로 제거하게 된다.

두 원자로 트레인 모두 연속적으로 작동하며 순수한 수소와 산소의 별도 흐름을 생성한다.

공학자들은 개념 설계에 대해 상세한 시뮬레이션을 수행했을 때 태양열 열화학 수소 생산 효율이 7%에서 40%로 향상된다는 사실을 발견했다.

공학자들은 에너지부 연구소에 위치한 기존 집중형 태양광 발전 시설에서 이 설계를 테스트하기 위한 프로토타입을 구축할 예정이다.

이것이 완전히 구현되면 시스템은 태양광 필드 중앙에 있는 작은 건물에 수용될 것으로 보인다.

건물 내부에는 각각 약 50개의 원자로를 갖춘 하나 이상의 열차가 설치될 것이다. 이후 반응기를 컨베이어 벨트에 추가하면 수소 생산을 확대할 수 있는 모듈형 시스템이 된다.

- SOLAR ENERGY, November 2023, Vol. 264, “A Comparative Analysis of Integrating Thermochemical Oxygen Pumping in Water-Splitting Redox Cycles for Hydrogen Production,” by Aniket S. Patankar, et al. © 2023 Inter-national Solar Energy Society. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Most conventional systems for producing hydrogen depend on fossil fuels, but a new system developed by MIT engineers uses only solar energy.

This process involves a new, train-like system of reactors that is driven solely by the sun.

In a study recently published in Solar Energy Journal, these engineers lay out the conceptual design for a system that can efficiently produce “solar thermochemical hydrogen.”

The system harnesses the sun’s heat to directly split water, producing clean hydrogen fuel that can power long-distance trucks, ships, and planes, while emitting no greenhouse gases.

Today, hydrogen is largely produced from natural gas and other fossil fuels, making the otherwise green fuel more of a “grey” energy source when considered from the start of its production to its end use.

In contrast, solar thermochemical hydrogen, or STCH, offers a totally emissions-free alternative. But so far, existing STCH designs have demonstrated limited efficiency.

In fact, only about 7 percent of incoming sunlight is captured as hydrogen fuel. That means the technology is low-yield and high-cost.

However, in a big step toward realizing cost-effective solar-made fuels, the MIT team estimates its new design could harness up to 40 percent of the sun’s heat to generate much more hydrogen.

This increase in efficiency could drive down the system’s overall cost, making STCH a potentially scalable, affordable option to help decarbonize the transportation industry.

According to the researchers, “We’re thinking of hydrogen as the fuel of the future, and there’s a need to generate it cheaply and at scale.

We’re trying to achieve the Department of Energy’s goal, which is to make green hydrogen by 2030, at $1 per kilogram.

To improve the economics, we have to improve the efficiency, and make sure most of the solar energy we collect is used in the production of hydrogen.”

Similar to other proposed designs, the MIT system would be paired with an existing source of solar heat, such as a concentrated solar plant (or CSP) which uses a circular array of hundreds of mirrors that collect and reflect sunlight to a central receiving tower.

An STCH system would then absorb the receiver’s heat and direct it to split water and produce hydrogen.

This process is very different from electrolysis, which instead uses electricity to split water.

At the heart of this conceptual STCH system is a two-step thermochemical reaction. In the first step, water in the form of steam is exposed to a metal.

This causes the metal to grab oxygen from the steam, leaving hydrogen behind. 

This metal “oxidation” is similar to the rusting of iron in the presence of water, but it occurs much faster.

Once hydrogen is separated, the oxidized (or rusted) metal is reheated in a vacuum, which acts to reverse the rusting process and regenerate the metal.

With the oxygen removed, the metal can be cooled and exposed to steam again to produce more hydrogen. This process can be repeated hundreds of times.

The MIT system is designed to optimize this process.

The system as a whole resembles a train of box-shaped reactors running on a circular track.

In practice, this track would be set around a solar thermal source, such as a CSP tower.

The reactors in the train would house the metal that undergoes the reversible rusting process.

Each reactor would first pass through a hot station, where it would be exposed to the sun’s heat at temperatures of up to 1,500 degrees Celsius.

This extreme heat would effectively pull oxygen out of a reactor’s metal.

That metal would then be in a “reduced” state - ready to grab oxygen from steam. For this to happen, the reactor would move to a cooler station at temperatures around 1,000 C, where it would be exposed to steam to produce hydrogen.

Other similar STCH concepts have run up against a common obstacle: what to do with the heat released by the reduced reactor as it is cooled.

Without recovering and reusing this heat, the system’s efficiency is too low to be practical.

A second challenge has to do with creating an energy-efficient vacuum where metal can “derust.”

Some prototypes generate a vacuum using mechanical pumps, but these pumps are too energy-intensive and costly for largescale hydrogen production.

To address these challenges, the MIT design incorporates several energy-saving work arounds.

To recover most of the heat that would otherwise escape from the system, reactors on opposite sides of the circular track are allowed to exchange heat through thermal radiation; hot reactors get cooled while cool reactors get heated. 

This keeps the heat within the system. The researchers also added a second set of reactors that would circle around the first train, moving in the opposite direction. 

This outer train of reactors would operate at generally cooler temperatures and would be used to evacuate oxygen from the hotter inner train, without the need for energy-consuming mechanical pumps.

These outer reactors would carry a second type of metal that can also easily oxidize.

As they circle around, the outer reactors would absorb oxygen from the inner reactors, effectively de-rusting the original metal, without having to use energy-intensive vacuum pumps.

Both reactor trains would run continuously and would generate separate streams of pure hydrogen and oxygen.

When the researchers carried out detailed simulations of the conceptual design, they found that it would boost the efficiency of solar thermochemical hydrogen production, from 7 percent to 40 percent.

In the next year, the team will be building a prototype of the system to test at existing concentrated solar power facilities located at Department of Energy laboratories.

When fully implemented, this system would be housed in a little building in the middle of a solar field.

Inside the building, there could be one or more trains each having about 50 reactors.

And it would be a modular system, where reactors could be added to a conveyor belt, scaling up hydrogen production.