2016년은 청정에너지 분야에 중요한 해였다. 파리 기후협약이 발효되었고 태양광 설치비는 계속 하락하는 가운데 신재생 에너지 투자는 크게 늘었다. 이 중에서도 지속가능한 에너지가 더 효율적이고 저렴해진 것이 핵심 성과였다. 현재 상업적으로 가용한 신재생 에너지 기술은 공격적으로 성장한다고 가정할 때도 전 세계 에너지 수요를 감당할 수 없다. 미국은 2050년까지 청정에너지가 약 20%의 에너지를 충당할 것으로 예상한다. 더욱 뛰어난 성과가 기대되는 가운데, 올해 발표된 주요 연구 결과를 살펴보면 다음과 같다.

인공 광합성 (Artificial photosynthesis)
청정에너지원으로 휘발유나 기타 운송 연료를 대체하는 것은 매우 중요하다. 가장 유망한 기술로는 자연이 태양광, 이산화탄소, 물을 이용해 연료로 전환하는 광합성을 인공적으로 수행하는 것이다.

올해 하버드 대학의 연구팀은 태양광의 에너지 10%를 저장하고 전환할 수 있는 “바이오닉 리프(bionic leaf)”를 개발했다. 이것은 식물의 광합성보다 10배나 더 뛰어난 성능이다. 이것은 코발트-인 합금으로 만든 촉매를 이용하여 물을 수소와 산소로 분해하고 특수한 박테리아로 이산화탄소와 수소를 액체 연료로 전환함으로써 이루어진다.

로렌스 버클리 국립연구소에서도 태양광으로 이산화탄소를 에너지원으로 사용할 수 있는 포메이트(formate)로 전환하는 장치를 개발했다. 이 장비의 효율은 10%다. 이런 인공 광합성의 성과에도 아직 상업적 대량생산은 어려운 상황이다.

태양열광전지 (Solar thermophotovoltaics)
태양열광전지는 기존 태양광 패널의 발전 한계를 극복할 수 있는 장치다. 일반 표준 태양광 전지는 자외선부터 적외선까지 영역에 걸쳐 가시광선을 위주로 일부분만 이용한다. MIT 연구팀은 탄소 나노튜브와 나노광 결정을 이용해 깔때기처럼 태양광을 좁은 범위로 집중한다.

나노튜브는 태양광 전체 스펙트럼을 열에너지로 전환한다. 인접한 결정들은 약 1,000 °C까지 가열된 후 빛으로 에너지를 방출하는데 태양광 전지가 흡수할 수 있는 영역에만 집중된다. 연구팀은 기존 태양광 전지의 에너지 효율 한계인 30%를 넘어설 것으로 예상한다.

이론적으로는 약 80%까지 도달할 수 있는 가능성 외에도 열을 이용하기 때문에 흐린 날에도 발전이 가능하다.

페로브스카이트 태양 전지 (Perovskite solar cells)
페로브스카이트 태양 전지는 싸고 생산이 쉽고 빛 흡수 효율이 매우 높다. 유기 및 무기물 하이브리드 재료를 이용하여 특정 결정구조를 이룬 이 전지는 얇은 필름만으로 두꺼운 실리콘을 사용하는 기존 태양전지를 대체할 수 있다. 하지만 내구성이 가장 큰 문제였다. 올해 스탠퍼드, 로스앨러모스 국립연구소, 스위스 연방공대 연구팀은 이 문제를 해결하는 큰 성과를 거두었다.

탄소 저장 (Carbon storage)
미국의 탄소 배출 30%는 발전으로 발생하기 때문에 탄소를 포획하는 것은 중요하다. 탄소를 포획하는 방법이 제시되고 있지만 포획된 탄소를 처리하는 것이 항상 문제였다. 포획된 탄소를 암석으로 전환하여 매립하는 방법이 다시 주목받고 있다.

2012년부터 아이슬랜드의 레이캬비크 에너지는 카브픽스 프로젝트를 통해 지하 심층수에 이산화탄소를 주입하여 지역에 풍부한 현무암과 반응시키고 있다. 후속 연구에 따르면 이산화탄소의 95%가 수백 년에서 수천 년이 걸릴 것이라는 예상과 달리 2년 이내에 암석화되는 것으로 나타났다. 또한 현재까지 누출이 발생하지 않은 것으로 나타나 기존 매립보다 저렴하고 안전한 것으로 밝혀졌다.

이산화탄소로 만드는 에탄올 (Carbon dioxide to ethanol)
또 다른 유망한 탄소 포획법은 사용 가능한 연료로 재활용하는 것이다. 오크리지 국립연구소는 탄소를 에탄올로 전환하여 휘발유 첨가제로 사용하는 방법을 제시했다. 연구팀은 탄소, 구리, 질소를 이용한 촉매를 써서 나노 스파이크로 전기화학 반응을 일으켰다. 전압이 가해진 이 장치는 높은 효율로 이산화탄소 용액을 에탄올로 전환한다. 저렴한 재료를 사용하여 포획된 이산화탄소를 전환하는 것 외에도 풍력 및 태양광 발전에서 생산된 잉여 전기를 소비할 수도 있다.

아직 모든 에너지를 신재생 에너지원으로 대체하는 것을 불가능하지만 관련 분야의 연구가 진전을 보이고 새로운 돌파구를 열고 있어 더욱 많은 신재생 에너지원이 에너지 공급을 분담할 것으로 예상된다.