폐태양전지 실리콘으로 수소를 만든다! 차세대 수소 생산기술 완전정리
수소경제 시대를 대비한 대표적인 수소 제조기술을 소개합니다. 개미산 분해법, 실리콘-NaOH 반응, 붕소수소화나트륨(NaBH₄), 암모니아 분해법을 비교하고, 폐태양전지에서 발생하는 실리콘 분말을 활용한 친환경 수소 생산 및 순환경제 기술의 가능성을 상세히 설명합니다.
1. 개미산(Formic
Acid, HCOOH) 분해법
개미산은 액체 상태로 수소를 저장하는 "액상 수소 캐리어(LOHC)"로 많이 연구됩니다.
반응식 : HCOOH →
H2 + CO2
촉매:
- Pd
- Pt
- Ru
- Ag
- Ir 등
예
HCOOH x [Pd] 80~120℃ → H2
+ CO2
장점
- 상온 액체
- 저장이 쉬움
- CO₂ 발생량이 적음
개미산 분해 시에는 이론적으로 수소(H₂)와 이산화탄소(CO₂)가 1:1 몰비로 생성된다.
다만 화석연료를 직접 사용하는 방식보다 탄소 순환(Carbon Recycling)이 가능하다는
장점이 있다.
CO₂ 재순환
발생한 CO₂는 수소와 다시 반응시켜 개미산으로 재합성 가능합니다.
CO2 + H2 → HCOOH (고압, 촉매 필요)
따라서
CO2 ↔ HCOOH 순환 시스템 구축 가능
2. 실리콘(Si) +
NaOH + 물
Si 1kg으로부터 이론적으로 약
143g의 수소가 발생하며, 이는 약 **1.6㎥**의 수소(표준상태 기준)에
해당한다.
반응식 : Si +
2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2
분자량 기준 :
8g Si → 4g H₂ 생성
예 : 1kg Si 투입
→ (1000 x 4)/28 = 143g H2
기체 부피 : 143g / 2 = 71.5 mol
71.5 x 22.4 = 1602L → 약 1.6m3 H2 생산
부산물 : Na2SiO3
→ (물유리)
부산물인 Na₂SiO₃(물유리)는
접착제, 시멘트, 건축소재,
실리카 제조 등의 원료로 재활용이 가능하다.
3. NaBH₄ (붕소수소화나트륨)
수소 발생량이 매우 큽니다.
기본 반응 : NaBH4
+ 2H2O → NaBO2 + 4H2
촉매 : Co, Ni,
Ru, Pt, Ag
이론 수소량 : 1
mol NaBH₄ → 4 mol H₂
분자량기준 : NaBH₄
→ 37.8g, H₂ → 8g
수소함량 : 21.2% 매우 높음
폐태양전지 실리콘과 연계
NaBO₂를 다시 NaBH₄로
재생하는 기술은 현재 다양한 연구가 진행되고 있으며, 실제 공정은 고온 환원, 촉매반응, 전기화학적 환원 등 여러 단계를 거친다.
재생 개념식
: NaBO2 + 2Si + 2NaOH + 2H2
→ NaBH4 + 2Na2SiO3
※ 실제 공정은 여러 단계로 구성됩니다.
NaBO₂를 다시 NaBH₄로
재생하는 기술은 현재 다양한 연구가 진행되고 있으며, 실제 공정은 고온 환원, 촉매반응, 전기화학적 환원 등 여러 단계를 거친다.
4. 암모니아(NH₃) 분해법
: 수소 운반체로 가장 주목받는 방법
암모니아는 이산화탄소를 배출하지 않는(Carbon-free) 수소
운반체로 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다.
반응식 : 2NH3
→ N2 + 3H2
촉매 : Ni, Fe,
Ru
온도 : 500~900℃
예 : 2NH3
→ Ni, 700℃ → N2+3H2
수소 함량 : 암모니아 17g/mol → 수소 3g/mol → 17.6%
수소 생산성 비교
|
방법 |
반응식 |
온도 |
|
개미산 |
HCOOH → H₂ + CO₂ |
25~120℃ |
|
실리콘 |
Si+2NaOH+H₂O → Na₂SiO₃+2H₂ |
50~100℃ |
|
NaBH₄ |
NaBH₄+2H₂O → NaBO₂+4H₂ |
상온 |
|
암모니아 |
2NH₃→N₂+3H₂ |
500~900℃ |
리사이클링 순환자원
: 폐태양전지에서 발생하는 Si 분말(20~50㎛, 월 100톤
규모)을 활용한다면
1)
Si + NaOH + H2O 방식이
적합함
2)
Si → NaBH₄ → H₂ → NaBO₂ →
NaBH₄ 재생 루프
3)
폐태양전지 재활용 → 수소 생산 → 수소 저장 → 촉매 사업으로 연결 가능한 기술임
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