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태양연료

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목차

1. 개요

태양 연료는 태양광을 이용하여 수소, 이산화탄소 전환, 암모니아 및 하이드라진을 생산하는 기술을 의미한다. 수소 생산에는 광전기화학, 광화학, 광생물학, 열화학적 방법이 사용된다. 이산화탄소는 광촉매를 통해 일산화탄소, 메탄 등으로 전환되며, 암모니아와 하이드라진은 수소 저장에 적합한 물질로 활용된다. 이러한 기술들은 수소 생산, 에너지 저장, 연료 전지 등 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 지속적인 연구 개발을 통해 상용화를 위한 노력이 이루어지고 있다.

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태양연료
개요
종류합성 연료
사용태양 에너지
관련인공 광합성
상세 정보
설명태양 에너지로부터 생산되는 합성 화학 연료이다.
관련 연구 기관샌디아 국립 연구소
미국 에너지부
참고 자료Sunshine to Petrol
Integrated Solar Thermochemical Reaction System
New Solar Process Gets More Out of Natural Gas
추가 정보"A novel high-efficiency solar thermochemical cycle for fuel production based on chemical-looping cycle oxygen removal"
"Artificial photosynthesis for solar fuels"

2. 수소 생산

가장 널리 연구되는 태양 연료는 수소인데, 이 연료를 사용했을 때 유일한 생성물이 물이기 때문이다. 수소 생산에는 직접 또는 간접 공정이 사용될 수 있다. 직접 공정은 햇빛의 에너지를 활용하여 중간 에너지 변환 없이 연료를 생산한다. 반면 간접 공정은 태양 에너지를 먼저 다른 형태의 에너지(예: 바이오매스 또는 전기)로 변환한 다음, 이를 사용하여 연료를 생산한다. 간접 공정은 구현하기 더 쉬웠지만 직접 방식보다 효율이 낮다는 단점이 있다.

수소 생산 방법에는 광전기화학적 방법, 광화학적 방법, 광생물학적 방법, 열화학적 방법 등이 있다.


  • 광전기화학적 방법은 광전기화학 전지를 사용하며, 염료 감응 태양 전지가 그 예시이다.
  • 광화학적 방법은 햇빛을 직접 사용하여 물을 분해하는데, 광증감제가 필요하다. 노세라의 "인공 잎"이 한 예시이다.
  • 광생물학적 방법은 광생물 반응기 내 광합성 미생물을 이용한다. 녹색 미세조류나 시아노박테리아가 사용되며, ''클라미도모나스 레인하르티이''나 ''노스톡 푼티포르메''가 그 예시이다.
  • 열화학적 방법은 직접적인 태양열을 이용하며, 세륨 산화물 사이클과 구리 염소 하이브리드 사이클이 대표적이다.

2. 1. 광전기화학적 방법

실험실 환경에서 광전기 전지의 샘플. 촉매가 물에 잠기고 인공 햇빛에 의해 조명되는 전지에 추가된다. 보이는 기포는 산소(전지 전면에 형성)와 수소(전지 후면에 형성)이다.


태양 '''광전기화학''' 과정에서 수소는 전기분해를 통해 생성될 수 있다. 이 과정에서 광전기화학 전지를 사용할 수 있는데, 여기서 하나의 광감응 전극이 빛을 전기 전류로 변환한 다음 물 분해에 사용한다. 이러한 유형의 전지 중 하나는 염료 감응 태양 전지이다.[10] 이것은 간접적인 과정인데, 수소를 형성하는 데 사용되는 전기를 생산하기 때문이다. 태양광을 사용하는 또 다른 간접적인 과정은 광합성 생물을 사용하여 바이오 연료로 바이오매스를 전환하는 것이다. 그러나 광합성에 의해 수확된 에너지의 대부분은 생명 유지 과정에 사용되므로 에너지 사용을 위해 손실된다.[7]

반도체는 광감응제로도 사용할 수 있다. 반도체가 밴드갭보다 높은 에너지를 가진 광자에 의해 충돌하면 전자가 전도대로 여기되고, 정공이 원자가대에 생성된다. 밴드 휨으로 인해 전자와 정공이 표면으로 이동하고, 여기서 이러한 전하는 물 분자를 분해하는 데 사용된다. 많은 다른 재료가 테스트되었지만, 지금까지 실제 적용에 필요한 사항을 보여준 재료는 없다.[11]

2. 2. 광화학적 방법

광화학적 과정에서 햇빛은 물을 수소와 산소로 분해하는 데 직접 사용된다. 물의 흡수 스펙트럼이 태양의 방출 스펙트럼과 겹치지 않으므로, 물의 직접적인 해리는 일어날 수 없다. 따라서 광증감제가 사용되어야 한다.[7] 몇 가지 이러한 촉매가 개념 증명으로 개발되었지만, 아직 상업적 사용을 위해 규모가 확대되지는 않았다. 그럼에도 불구하고, 상대적인 단순성은 잠재적으로 낮은 비용과 증가된 에너지 변환 효율의 이점을 제공한다.[7][12] 이러한 개념 증명 중 하나는 노세라와 연구진이 개발한 "인공 잎"이다. 금속 산화물 기반 촉매와 반도체 태양 전지의 조합은 산소를 유일한 부산물로 하여, 조명 시 수소를 생성한다.[13]

2. 3. 광생물학적 방법

광생물 반응기 내 광합성 미생물(녹색 미세조류, 시아노박테리아)을 이용하여 수소를 생산하는 방법이다. 이 유기체들 중 일부는 배양 배지 조건을 변경하면 수소를 생산한다.[14] 예를 들어, ''클라미도모나스 레인하르티이''는 황 결핍 시, 즉 세포를 황이 포함되지 않은 다른 배지로 옮겨 대기 중 산소에 접근하지 않고 배양할 때 통성 혐기성 생물 상태에서 혐기성으로 수소를 생산한다.[14] 또 다른 접근법은 질소 고정 조건에서 질소 고정 효소에 의해 자연적으로 생성된 수소를 소비하지 않도록 디아조트로프 시아노박테리아 ''노스톡 푼티포르메''에서 수소 산화(섭취) 수소화 효소의 활성을 제거하는 것이다.[15] 이 ''N. 푼티포르메'' 돌연변이는 가시광선에 노출되었을 때 수소를 생산할 수 있었다.

또 다른 돌연변이 시아노박테리아인 시네코시스티스는 박테리아 Rubrivivax gelatinosus CBS의 유전자를 사용하여 수소를 생산한다. CBS 박테리아는 일산화탄소 산화를 통해 수소를 생산한다. 연구자들은 이러한 유전자를 시네코시스티스에 적용하기 위해 노력하고 있다. 이 유전자를 적용할 수 있다면 수소 생산 과정에서 산소 억제 문제를 해결해야 하지만, 이 공정은 잠재적으로 최대 10%의 태양 에너지 포집을 가능하게 할 것으로 추정된다. 이는 광생물학적 연구를 수소 생산 탐구에 있어 매우 흥미롭고 유망한 분야로 만든다. 아직 조류 수소 생산의 단기적 특성을 극복해야 하는 많은 문제점이 있고, 연구는 초기 단계에 머물러 있다. 그러나 이 연구는 이러한 재생 가능하고 환경 친화적인 공정을 산업화할 수 있는 실행 가능한 방법을 제공한다.[16]

2. 4. 열화학적 방법

태양 '''열화학'''[17] 공정은 전기가 아닌 직접적인 태양열을 사용하여 고온 태양로[18] 내부에서 물을 수소와 산소로 분리하는 과정이다. 태양열 발전소의 헬리오스타트가 고도로 집광된 햇빛을 반응기로 집중시켜 고도로 집광된 태양 플럭스를 받는다.

가장 유망한 두 가지 경로는 두 단계의 세륨 산화물 사이클과 구리 염소 하이브리드 사이클이다. 세륨 산화물 사이클의 경우 첫 번째 단계는 1400°C 이상에서 CeO3를 Ce2O3로 분해하는 것이다. 금속 산화물을 환원시키는 열적 환원 단계 후, 약 800°C에서 가수분해를 통해 수소가 생성된다.[19][20] 구리 염화물 사이클은 더 낮은 온도(~500°C)를 필요로 하여 이 공정을 더 효율적으로 만들지만, 사이클은 더 많은 단계를 포함하고 세륨 산화물 사이클보다 더 복잡하다.[19]

수소 제조는 지속적인 성능을 요구하므로, 태양열 화학 공정에는 열 에너지 저장이 포함된다.[21] 또 다른 열화학적 방법은 메탄의 태양열 개질을 사용하는 것으로, 이는 전통적인 화석 연료 개질 공정을 복제하지만 태양열을 대체한다.[22]

3. 이산화탄소 전환

이산화탄소(CO2)는 적절한 광촉매를 사용하면 일산화탄소(CO)나 메탄과 같이 더 환원된 화합물로 전환될 수 있다. 초기 사례 중 하나는 CO2를 CO로 환원시키기 위해 트리스(바이피리딘)루테늄(II) 클로라이드(Ru(bipy)3Cl2)와 염화 코발트(CoCl2)를 사용하는 것이었다.[27] 최근 몇 년 동안 CO2를 CO로 환원시키는 새로운 촉매가 많이 발견되었으며, 이렇게 만들어진 CO는 피셔-트롭슈 공정을 사용하여 탄화수소를 만드는 데 사용될 수 있다. 태양열을 이용한 CO2 환원에 가장 유망한 시스템은 광전지 전지와 전기화학 전지(PV+EC)의 조합이다.[28][29] 태양 구동 공정을 사용하면 CO2를 포름산염 및 알코올과 같은 다른 생성물로 변환할 수도 있다.[30][31]

이와 더불어 미생물 사용도 연구되었다. 유전자 조작 및 합성 생물학 기술을 사용하여, 일부 또는 전체 바이오 연료 생산 대사 경로를 광합성 유기체에 도입할 수 있다. 한 가지 예는 ''클로스트리디움 아세토부틸리쿰'', ''대장균'' 및 ''트레포네마 덴티콜라''의 효소를 사용하여 ''시네코코쿠스 엘롱가투스''에서 1-부탄올을 생산하는 것이다.[35] 이러한 유형의 바이오 연료 생산을 탐구하는 대규모 연구 시설의 한 예는 네덜란드 바헤닝언 대학교 및 연구 센터의 알게파크이다.

3. 1. 광전기화학적 환원

이산화탄소(CO2)는 적절한 광촉매를 사용하여 일산화탄소(CO) 및 메탄과 같이 더 환원된 화합물로 바뀔 수 있다. 초기 사례 중 하나는 CO2를 CO로 환원시키기 위해 트리스(바이피리딘)루테늄(II) 클로라이드(Ru(bipy)3Cl2)와 염화 코발트(CoCl2)를 사용하는 것이었다.[27] 최근 몇 년 동안 CO2를 CO로 환원시키는 새로운 촉매가 많이 발견되었으며, CO는 피셔-트롭슈 공정을 사용하여 탄화수소를 만드는 데 사용될 수 있다. 태양열을 이용한 CO2 환원에 가장 유망한 시스템은 광전지 전지와 전기화학 전지(PV+EC)의 조합이다.[28][29] 태양 구동 공정을 사용하면 CO2를 포름산염 및 알코올과 같은 다른 생성물로 변환할 수도 있다.[30][31]

광전지 전지에는 고효율 GaInP/GaAs/Ge 태양 전지가 사용되었지만, CO2 환원 반응을 구동하고 적절한 제품 유출을 제공하기 위해 필요한 전압 및 전류 밀도를 제공하기 위해 다른 많은 직렬 연결 및/또는 탠덤(다중 접합) PV 아키텍처를 사용할 수 있다.[32] 태양 전지/패널은 전기 분해조와 직접 접촉하여 시스템의 소형화 및 두 기술의 열 관리에 장점을 가져올 수 있으며,[32] 또는 예를 들어 PV를 햇빛에 노출된 실외에 놓고 EC 시스템을 실내에 보호하는 방식으로 분리할 수 있다.[33]

현재 가장 성능이 좋은 전기화학 전지는 가스 확산 전극(GED) 유동 전지이다. 이 전지에서 CO2는 Ag 나노 입자에서 반응하여 CO를 생성한다. 최대 19%의 태양-CO 효율에 도달했으며, 20시간 이후에도 활성이 거의 손실되지 않았다.[29]

CO는 또한 촉매 없이 마이크로파 플라즈마 구동 CO2 해리를 사용하여 생산할 수 있다. 이 공정은 비교적 효율적이며, 전력-CO 효율이 최대 50%이지만 전환율이 약 10%로 낮다. 이러한 낮은 전환율은 CO와 CO2를 대규모로 효율적인 방식으로 분리하기 어렵기 때문에 이상적이지 않다. 이 공정의 큰 장점은 매우 빠르게 켜고 끌 수 있으며 희소 재료를 사용하지 않는다는 것이다. (약하게 이온화된) 플라즈마는 마이크로파를 사용하여 생성되며, 이러한 마이크로파는 플라즈마에서 자유 전자를 가속할 수 있다. 이러한 전자는 CO2와 상호 작용하여 CO2를 진동적으로 여기시키고, 이는 CO2의 CO로의 해리를 유발한다. 여기 및 해리는 에너지의 일부만 열로 변환될 정도로 빠르게 발생하여 효율을 높게 유지한다. 또한 해리는 산소 라디칼을 생성하며, 이는 CO2와 반응하여 CO와 O2를 생성한다.[34]

이 경우에도 미생물 사용이 연구되었다. 유전자 조작 및 합성 생물학 기술을 사용하여, 일부 또는 전체 바이오 연료 생산 대사 경로를 광합성 유기체에 도입할 수 있다. 한 가지 예는 ''클로스트리디움 아세토부틸리쿰'', ''대장균'' 및 ''트레포네마 덴티콜라''의 효소를 사용하여 ''시네코코쿠스 엘롱가투스''에서 1-부탄올을 생산하는 것이다.[35] 이러한 유형의 바이오 연료 생산을 탐구하는 대규모 연구 시설의 한 예는 네덜란드 바헤닝언 대학교 및 연구 센터의 알게파크이다.

3. 2. 기타 방법

이산화탄소(CO2)는 적절한 광촉매를 사용하여 일산화탄소(CO) 및 메탄과 같이 더 환원된 화합물로 바뀔 수 있다. 초기 사례 중 하나는 CO2를 CO로 환원시키기 위해 트리스(바이피리딘)루테늄(II) 클로라이드와 염화 코발트를 사용하는 것이었다.[27] 최근에는 CO2를 CO로 환원시키는 새로운 촉매가 많이 발견되었으며, 이렇게 만들어진 CO는 피셔-트롭슈 공정을 통해 탄화수소를 만드는 데 사용될 수 있다. 태양열을 이용한 CO2 환원에 가장 유망한 시스템은 광전지 전지와 전기화학 전지(PV+EC)를 조합하는 것이다.[28][29] 태양 구동 공정을 사용하면 CO2를 포름산염 및 알코올과 같은 다른 생성물로 변환할 수도 있다.[30][31]

광전지 전지에는 고효율 GaInP/GaAs/Ge 태양 전지가 사용되었지만, CO2 환원 반응을 일으키고 적절한 제품을 만들기 위해 필요한 전압 및 전류 밀도를 제공하기 위해 다른 많은 직렬 연결 및/또는 탠덤(다중 접합) PV 아키텍처를 사용할 수 있다.[32] 태양 전지/패널은 전기 분해조와 직접 접촉하여 시스템을 소형화하고 두 기술의 열 관리에 장점을 가져올 수 있으며,[32] 또는 PV를 햇빛에 노출된 실외에 놓고 EC 시스템을 실내에 보호하는 방식으로 분리할 수도 있다.[33]

현재 가장 성능이 좋은 전기화학 전지는 가스 확산 전극(GED) 유동 전지이다. 이 전지에서 CO2는 Ag 나노 입자에서 반응하여 CO를 생성한다. 최대 19%의 태양-CO 효율에 도달했으며, 20시간 이후에도 활성이 거의 손실되지 않았다.[29]

CO는 촉매 없이 마이크로파 플라즈마를 이용해 CO2를 분해하여 생산할 수도 있다. 이 공정은 비교적 효율적이며, 전력-CO 효율이 최대 50%이지만 전환율이 약 10%로 낮다. 이러한 낮은 전환율은 CO와 CO2를 대규모로 효율적으로 분리하기 어렵기 때문에 이상적이지 않다. 이 공정의 큰 장점은 매우 빠르게 켜고 끌 수 있으며 희소 재료를 사용하지 않는다는 것이다. 약하게 이온화된 플라즈마는 마이크로파를 사용하여 생성되며, 이러한 마이크로파는 플라즈마에서 자유 전자를 가속할 수 있다. 이러한 전자는 CO2와 상호 작용하여 CO2를 진동적으로 여기시키고, 이는 CO2가 CO로 분해되도록 한다. 여기 및 분해는 에너지의 일부만 열로 변환될 정도로 빠르게 발생하여 효율을 높게 유지한다. 또한 분해는 산소 라디칼을 생성하며, 이는 CO2와 반응하여 CO와 O2를 생성한다.[34]

유전자 조작 및 합성 생물학 기술을 사용하여, 일부 또는 전체 바이오 연료 생산 대사 경로를 광합성 유기체에 도입하는 미생물 사용도 연구되었다. 한 가지 예는 ''클로스트리디움 아세토부틸리쿰'', ''대장균'' 및 ''트레포네마 덴티콜라''의 효소를 사용하여 ''시네코코쿠스 엘롱가투스''에서 1-부탄올을 생산하는 것이다.[35] 이러한 유형의 바이오 연료 생산을 탐구하는 대규모 연구 시설의 한 예는 네덜란드 바헤닝언 대학교 및 연구 센터의 알게파크이다.

4. 암모니아 및 하이드라진 생산

화석 연료 매장량 감소에 대한 세계의 의존은 환경 문제뿐만 아니라 지정학적 문제도 야기한다.[8] 특히 수소와 같은 태양 연료는 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원으로 간주되며, 특히 저장이 필수적인 경우에 더욱 그렇다. 전기는 태양광 발전을 통해 햇빛으로부터 직접 생산될 수 있지만, 이러한 형태의 에너지는 수소에 비해 저장 효율이 낮은 편이다.[7] 태양 연료는 햇빛이 있는 곳에서 생산되어 저장 및 운송 후 사용할 수 있어, 직접적인 햇빛을 사용할 수 없는 상황에서 사용 가능하다는 편리함이 있다.

가장 널리 연구되는 태양 연료는 수소인데, 이 연료를 사용했을 때 유일한 생성물이 물이기 때문이다. 또한, 광화학적 이산화 탄소 환원의 생성물인 메탄 및 프로페인과 같은 더 전통적인 연료도 연구되고 있다.

암모니아와 히드라진은 수소 함량이 높아 수소 저장에 매우 적합하다. 암모니아는 액체 수소보다 최소 1.3배 높은 에너지 밀도를 가지며,[36] 히드라진은 액체 수소에 비해 거의 두 배의 에너지 밀도를 가진다.[36] 높은 부피 밀도 외에도 암모니아와 수화된 히드라진은 낮은 가연성을 가지고 있어 저장 및 운송 비용을 낮추어 수소보다 우수하다.[37] 다만, 직접 히드라진 연료 전지를 사용할 때는 희석이 필요하여 연료 전지에서 얻을 수 있는 전체 전력이 낮아진다는 단점이 있다.[36]

4. 1. 암모니아

암모니아는 수소 함량이 높아 수소 저장에 매우 적합하다. 액체 수소보다 최소 1.3배 높은 에너지 밀도를 가지기 때문이다.[36] 높은 부피 밀도 외에도 암모니아와 수화된 히드라진은 낮은 가연성을 가지고 있어 저장 및 운송 비용이 낮아 수소보다 우수하다.[37]

직접적인 암모니아 연료 전지가 연구되고 있으며, 새로운 연구에서는 통합 태양열 기반 암모니아 합성 및 연료 전지를 제시했다. 태양열 기반 방식은 암모니아를 합성하는 데 사용되는 잉여 태양 에너지에서 비롯된다. 이는 암모니아 전해 전지(AEC)와 양성자 교환막(PEM) 연료 전지를 조합하여 수행된다. 태양 에너지가 감소하면 직접적인 암모니아 연료 전지가 작동하여 부족한 에너지를 공급한다. 암모니아 에너지 저장 방식은 배터리 및 플라이휠과 달리 시간이 지나도 성능이 저하되지 않아 장기적인 에너지 저장을 제공한다. 또한 잉여 에너지를 다른 위치로 쉽게 운송할 수 있다는 장점이 있다.[9] 다만, 암모니아의 독성 때문에 높은 안전 조치가 필요하다.

일부 과학자들은 고갈되지 않는 무탄소 전력이라는 엄청난 이점을 가진, 석유 산업과 거의 동일한 새로운 암모니아 경제를 구상하고 있다.[38] 이른바 친환경 암모니아는 초대형 선박의 잠재적인 연료로 간주된다. 한국의 조선 회사인 대우조선해양(DSME)은 2025년까지 이러한 선박을 상용화할 계획이다.[39]

4. 2. 하이드라진

암모니아와 함께 수소 함량이 높은 물질인 히드라진은 수소 저장에 매우 적합하며, 액체 수소에 비해 거의 두 배의 에너지 밀도를 가진다.[36] 그러나 직접 히드라진 연료 전지를 사용할 때는 희석이 필요하여 연료 전지에서 얻을 수 있는 전체 전력이 낮아진다는 단점이 있다.[36] 높은 부피 밀도 외에도 수화된 히드라진은 낮은 가연성을 가지고 있어 저장 및 운송 비용을 낮추어 수소보다 우수하다.[37]

히드라진은 산화를 통해 생성할 수 있으며,[40] 독성이 매우 강하고 산소와 매우 격렬하게 반응한다는 단점이 있지만, 이리듐 넥스트 위성은 히드라진을 에너지원으로 사용한다.[41]

최근 연구자들은 가시광선 전역에서 작동하는 광촉매 시스템으로 히드라진을 분해하는 방법을 발견했다. 이는 햇빛이 히드라진을 생산하는 데 사용될 뿐만 아니라 이 연료에서 수소를 생산하는 데에도 사용될 수 있음을 의미한다. 히드라진의 분해는 n형 반도체인 풀러렌(C60)과 p형 반도체인 프탈로시아닌 아연(ZnPc)으로 구성된 p-n 이중층을 사용하여 수행되어 유기 광촉매 시스템을 만든다. 이 시스템은 가시광선 조사를 사용하여 전자를 n형 반도체로 여기시켜 전류를 생성하고, 수소 이온은 염다리를 통해 다른 구획으로 이동하여 수소 가스로 환원된다. 따라서 수소를 생성하며, 이는 연료 전지에서 사용할 수 있다.[42]

히드라진에 대한 또 다른 접근 방식은 직접 연료 전지이다. 1960년대부터 개발되었으며,[43][44] 최근 연구에 따르면 산화제로 과산화 수소를 사용하는 등 훨씬 더 나은 직접 히드라진 연료 전지를 제공한다. 양극을 염기성으로, 음극을 산성으로 만들면 전력 밀도가 크게 증가하여 섭씨 80도에서 약 1W/cm2의 높은 피크를 보였다. 직접 히드라진 연료 전지의 주요 약점은 히드라진 및 그 유도체의 높은 독성이지만,[37] 수소 밀도가 높고 기존 연료 인프라를 사용하여 안전하게 저장 및 운송할 수 있는 수성 히드라진이 있다.[45] 연구자들은 또한 히드라진을 포함하는 자가 발전 연료 전지를 목표로 하며, 히드라진을 직접 연료 전지의 연료와 분할 대상으로 두 가지 방식으로 사용하여 외부 전원이 필요하지 않다. 이는 철 도핑된 황화 코발트 나노시트를 사용하여 수행되며, 20시간의 안정성과 98%의 패러데이 효율을 가진다.[46]

5. 기타 응용

태양광 발전을 통해 햇빛으로부터 직접 생산된 전기는 수소에 비해 저장 효율이 낮은 편이다.[7] 태양 연료는 햇빛이 있는 곳에서 생산되어 저장 및 운송 후 사용할 수 있다.


  • 수소 생산을 위한 물의 전기 분해는 알칼리 수전해, 고분자 전해질막 수전해(PEM 수전해), 고체 산화물 수전해 전지 전해조를 사용하여 태양광 발전과 결합한다.[47] 태양광으로 생산된 전력을 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 것은 증기 개질에 의한 수소 포집보다 약간 더 효율적이다. 알칼리 수소 생산 기술은 비용이 저렴하고 성숙한 기술이지만, 단위 시간당 생산량이 PEM 기술보다 높다. 그러나 PEM 기술은 부식 문제가 없고 더 효율적인 반면, 알칼리 생산 기술은 부식과 효율 저하라는 단점이 있다.[48] PEM 기술은 빠른 시작과 간단한 유지 보수를 제공하지만, 대량 생산에서는 알칼리 수소 생산 기술이 우수하다.[49]
  • 헬리오겐(Heliogen)은 수소 생산에서 1000°C 이상의 온도를 달성하기 위해 태양광을 타워로 직접 반사하는 태양광 헬리오스타트 사용에 성공했다고 주장한다.[50] 2500°C 이상의 온도에서는 전기를 사용하지 않고 고온 전기 분해 방식으로 물을 열화학적으로 수소와 산소로 분리할 수 있다. 이는 원자력 발전소의 열을 사용하거나, 태양광을 재지향하는 적응형 태양 거울 배열을 사용하여 수행할 수 있다. 그러나 이러한 수소 생산 방식은 초기 단계이며, 다른 성숙한 기술과 경쟁해야 하기 때문에 이 방식으로 생산된 수소가 수익성이 있고 효율적이라는 것이 아직 입증되지 않았다.[19][51]

6. 전망 및 과제

화석 연료 매장량 감소에 대한 세계의 의존은 환경 문제뿐만 아니라 지정학적 문제도 제기한다.[8] 특히 수소와 같은 태양 연료는 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원으로 간주되며, 특히 저장이 필수적인 경우에 더욱 그렇다. 전기는 태양광 발전을 통해 햇빛으로부터 직접 생산될 수 있지만, 이러한 형태의 에너지는 수소에 비해 저장 효율이 낮은 편이다.[7] 태양 연료는 햇빛이 있는 곳에서 생산되어 저장 및 운송 후 사용할 수 있어, 직접적인 햇빛을 사용할 수 없는 상황에서 유용하다.

가장 널리 연구되는 태양 연료는 수소인데, 그 이유는 수소를 사용했을 때 유일한 생성물이 물이기 때문이다. 광화학적 이산화 탄소 환원의 생성물인 메탄 및 프로판과 같은 더 전통적인 연료도 연구되고 있다. 암모니아 및 하이드라진과 같은 관련 물질에 대한 연구도 진행 중인데, 이는 수소의 보다 콤팩트하고 안전한 저장 방식으로 수소와 관련된 문제를 해결할 수 있기 때문이다. 직접 암모니아 연료 전지에 대한 연구도 진행되고 있다.[9]

태양 연료는 직접 또는 간접 공정을 통해 생산될 수 있다. 직접 공정은 햇빛의 에너지를 활용하여 중간 에너지 변환 없이 연료를 생산하며, 태양 열화학은 태양열을 직접 사용하여 태양 반응기 인접부에 있는 수신기를 가열하고, 여기서 열화학적 공정이 수행된다. 반면, 간접 공정은 태양 에너지를 먼저 바이오매스 또는 전기와 같은 다른 형태의 에너지로 변환한 다음, 이를 사용하여 연료를 생산한다. 간접 공정은 구현하기 더 쉽지만, 직접 방식보다 효율이 낮다는 단점이 있다. 따라서 직접 방식이 더 흥미롭게 여겨져야 하며, 새로운 연구는 이 직접 변환에 더 초점을 맞추고 있다. 전력망의 균형을 즉시 맞출 수 있는 연료에 대한 연구도 진행 중이다.[7]

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