저순도 수에서 알칼리 전해조가 뛰어난 이유

알칼리 내성의 과학적 원리: 수산화이온(OH–)의 역할

알칼리 전해조는 액체 전해질 내의 수산화 이온(OH⁻)을 이용하여 작동하며, 일반적으로 20~30%의 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 용액을 사용합니다. 이러한 조성은 염화물 및 황산염과 같은 많은 수원에 존재하는 산성 오염물질을 중화시키는 데 도움이 되는 높은 pH 환경을 조성합니다. 이러한 화학적 구성은 시스템이 불순물에 자연적으로 저항할 수 있게 해주어, PEM 시스템에서 요구되는 극도로 순수한 물을 필요로 하지 않습니다. 또한 모두가 잘 아는 바와 같이, PEM 시스템은 다양한 오염물질로 인한 촉매 중독 문제를 겪고 있습니다. 실제로 2024년 수소위원회(Hydrogen Council)의 최근 보고서에서는 흥미로운 결과를 제시했는데, OH⁻ 이온은 정상 조건 대비 이온 전도성을 약 1.7배 향상시킨다는 것입니다. 이는 시스템이 최대 500ppm(ppm: 백만 분의 일) 수준의 용존 고형물이 존재하더라도 원활하게 작동할 수 있음을 의미하며, 다양한 운전 환경에서의 유연성과 다목적성을 제공합니다.

액체 전해질이 일반적인 불순물에 대해 완충 작용을 하는 방식

순환하는 알칼리 전해질은 동적인 불순물 버퍼 역할을 합니다:

• 중금속 이온은 불용성 수산화물로 침전되어 전극 오염을 최소화합니다
• 부유 입자는 핵심 부품을 막는 대신 전해질 매트릭스 내에 보유됩니다
• 탄산수소 이온은 알칼리 조건에서 CO₂와 물로 분해되어 가스 크로스오버 문제를 방지합니다

시험 결과, 알칼리 시스템은 실리카 100ppm이 포함된 급수에서도 92%의 효율을 유지한 반면, PEM 시스템은 동일한 조건에서 성능이 18% 감소했습니다. 이러한 강건성 덕분에 글로벌 전해조 컨소시엄은 약간 짠물 또는 저등급 수자원에 대해 알칼리 기술을 권장하고 있습니다.

실제 사례: 시범 프로젝트에서 하천수를 이용한 수소 생산

2023년 동남아시아의 시범 프로젝트에서는 처리되지 않은 하천수(pH 6.8, 탁도 25 NTU)를 사용하여 알칼리 전해조를 성공적으로 운전하였으며, 기본적인 퇴적 처리만 필요로 했습니다. 8,000시간 연속 운전 후에도 전압 열화가 관찰되지 않아 다음을 입증하였습니다:

• 탈이온수에 의존하는 PEM 시스템 대비 수소 단위당 비용 3.3% 감소
• 전처리 에너지 요구량 45% 낮음
• 초순수 물 인프라가 부족한 지역에서 확장 가능한 배치가 가능함

이러한 결과는 분산형 또는 자원이 제한된 환경에서 알칼리 시스템의 실질적인 이점을 보여줍니다.

알칼리 전해조 vs. PEM 전해조: 물 순도 요구조건 비교

PEM 및 AEM 전해조의 엄격한 물 순도 요구사항

PEM(양이온 교환막) 및 AEM(음이온 교환막) 전해조의 경우, 막 오염 및 촉매 열화와 같은 문제를 방지하기 위해서는 저항률이 1 MΩ·cm 이상인 탈이온수 사용이 절대적으로 필요합니다. Hyfindr가 최근 보고한 바에 따르면, 금속 이온 농도가 50ppb(십억 분의 일)를 초과하는 물을 사용할 경우 시스템 성능이 크게 저하되며, 효율 손실은 약 15%에서 20% 사이로 나타납니다. 알칼리계 시스템의 경우 이야기가 다릅니다. 이러한 시스템은 액체 상태의 KOH 전해질이 오염물질로부터 보호막 역할을 하기 때문에 PEM이 처리할 수 있는 수준보다 10배에서 최대 100배까지 더 높은 불순물 농도를 견딜 수 있습니다. 따라서 물의 품질 요구 조건 측면에서 훨씬 더 관대하다고 할 수 있습니다.

효율성의 상충 관계: PEM의 성능이 그만큼 엄격한 순도 요구조건을 정당화할 만한가?

PEM 전해조는 알칼리식 장치에서 보이는 약 60~70%보다 효율이 높은 75~80% 수준에서 작동합니다. 하지만 여기에는 함정이 있는데, 운전을 위해 물의 순도를 충분히 유지하는 데 상당한 비용이 소요되기 때문입니다. ACS 인더스트리즈의 2025년 연구에 따르면, 수소 1kg을 생산하기 위해 PEM 시스템은 탈이온수 9~12리터가 필요합니다. 이는 기존 알칼리 방식에서 요구되는 5~8리터보다 훨씬 많은 양입니다. 또한 PEM 기술이 고가의 백금계 촉매에 크게 의존한다는 점을 고려하면, 장기적으로 PEM 시스템의 전체 비용은 알칼리식 시스템보다 25%에서 최대 40%까지 더 높아질 수 있습니다. 따라서 기술적으로는 더 효율적이지만, 추가 비용으로 인해 잠재적인 재정적 이점이 크게 줄어들게 됩니다.

오염물질 민감성 및 시스템 수명의 주요 차이점

알칼리 전해조는 염화물, 황산염, 심지어 시간이 지남에 따라 PEM 막을 파괴하는 실리카와 같은 불순물까지 포함하여 다양한 종류의 불순물을 분해 없이 처리할 수 있습니다. 그 결과? 이러한 시스템은 실제 운전 조건에서 훨씬 더 긴 수명을 보입니다. 알칼리 방식 모델의 경우 약 6만 시간에서 거의 9만 시간에 이르는 운전 수명을 가지며, 이는 대부분의 PEM 장치가 최상의 상태에서도 달성하는 수명(일반적으로 3만~4만5천 시간 사이)의 약 두 배에 해당합니다. 알칼리 기술의 또 다른 큰 장점은 간단한 스택 설계에 있습니다. 이 단순성 덕분에 정비 작업이 비교적 수월하며, 수리 비용도 크게 절감되는데, 현재 시장의 다른 옵션들과 비교했을 때 종종 35%에서 최대 절반 가량까지 비용을 줄일 수 있습니다.

수자원 부족 및 외진 지역에서의 확대 적용

트렌드 분석: 담수 정화 인프라가 제한된 지역으로의 채택 현황

청정 수처리 시설이 존재하지 않거나 운영이 실질적으로 어려운 지역에서는, 사람들은 점점 더 알칼리 전해조(alkaline electrolyzers)에 의존하고 있습니다. 이러한 시스템은 강에서 얻은 물이나 약간의 염분이 섞인 물 등과 같이 현지에서 구할 수 있는 거의 모든 수원을 사용할 수 있으며, 복잡한 사전 처리 과정이 필요하지 않습니다. 이는 주요 인구 밀집 지역에서 멀리 떨어진 곳에 수소 생성 기지를 설치할 때 매우 유용하게 작용합니다. 2023년의 최근 사례를 예로 들 수 있습니다. 흙기와 함께 부유물질이 상당히 많고, 용존 물질 농도가 1ppm 이상 포함된 원수 상태의 강물을 사용했음에도 불구하고, 시스템은 약 92%의 효율을 유지하며 작동할 수 있었습니다. 아시아 태평양 지역에서는 이러한 추세가 최근 더욱 가속화되고 있습니다. 알칼리 방식 시스템은 일반 대중에게 고가의 군사용 수처리 필터 외에 또 다른 선택지를 제공합니다. 또한 이런 설비는 전통적인 방법에 비해 물 준비에 필요한 에너지를 약 3분의 1 정도 절감할 수 있다는 점을 잊어서는 안 됩니다.

지속 가능성 혜택: 탈이온수 인프라에 대한 의존도 감소

칼슘(최대 50mg/L)과 실리카(최대 20mg/L)를 허용함으로써, 알칼리 전해조는 역삼투 또는 이온교환 시스템의 필요성을 없애며, 이러한 시스템은 처리된 물 1m³당 2~4kWh의 에너지를 소비합니다. 이로 인해 다음 항목들이 크게 감소합니다:

• 수소 1kg 생산당 탄소 배출량 18~22%
• 수처리 인프라에 대한 자본 지출을 40만~74만 달러 절감 (Ponemon, 2023)
• 정제 장치 내 막 오염으로 인한 정비 중단 시간

이러한 효율성은 자연적으로 산업용 순도 기준을 충족하는 물이 5% 미만인 건조 지역에서 특히 중요한 UN 지속 가능 개발 목표(SDG) 6과 부합하며, 알칼리 전해 방식은 그린 수소 확장의 지속 가능한 경로가 됩니다.

자주 묻는 질문

• 왜 알칼리 전해조가 저순도 수에 더 적합한가? 알칼리 전해조는 수산화 이온을 사용하여 높은 pH 환경을 만들어 산성 오염물질을 중화시킵니다. 이러한 구조는 천연적으로 불순물을 저항하지만, 촉매 중독 등의 문제를 피하기 위해 초고순도 물이 필요한 PEM 전해조와는 다릅니다.
• 알칼리 전해조는 불순물을 어떻게 처리합니까? 액체 전해질이 버퍼 역할을 하여 중금속을 불용성 수산화물로 침전시키고 부유 입자를 포획함으로써 막힘과 전극 오염을 방지합니다.
• 왜 알칼리 시스템이 외진 지역 및 수자원 부족 지역에서 선호됩니까? 다른 시스템이 요구하는 광범위한 사전 처리 없이 다양한 수원으로 효율적으로 운전할 수 있으므로, 정제수 접근이 제한된 지역에서 분산형 수소 생산에 이상적입니다.
• PEM 대비 알칼리 전해조의 효율성과 비용 측면에서의 영향은 무엇입니까? PEM 시스템은 다소 더 높은 효율을 보이지만, 알칼리 시스템은 더 낮은 순도의 물을 필요로 하며, 비용이 덜 드는 촉매를 사용하고 수명이 길어 전체 운전 비용을 줄일 수 있기 때문에 더 경제적입니다.