6월 썬빌리지 포럼, 전기분해로 답을 얻다!

6월 썬빌리지 포럼, 전기분해로 답을 얻다!

 2016년 2월부터 K-밸리재단에서 개최한 썬빌리지 포럼이 7회를 맞이하였다. 포럼 초반에는 에너지 신산업, 썬빌리지 등 포괄적 내용으로 진행되었으나 이후에는 각 에너지 분야에 대한 구체적 주제로 진행되었다. 이번 6월 23일 개최된 썬빌리지 포럼의 주제는 1부- ‘광합성 응용 CO2 FREE 물 전기 분해 수소 생산’, 2부- ‘연료 전지로 여는 새로운 세상’이었다.

[사진1. 제7회 K-밸리재단 썬빌리지 포럼]

‘광합성을 응용한 CO2 FREE 물 전기분해 수소생산’

1부에서는 ‘광합성을 응용한 CO2 FREE 물 전기분해 수소생산’에 대한 강연으로, 서울대학교 재료공학부 남기태 교수님이 진행하였다. 강연 주제는 썬빌리지의 원료가 태양에너지이며, 그 응용처로 수소원료를 사용할 수 있고 태양에너지와 연료전지 사이의 매개 역할로 광합성이 존재한다는 것이었다. 따라서, 이산화탄소를 어떻게 처리하는지는 가장 큰 환경 문제라 할 수 있다. 최근에 “Nature”라는 논문에 따르면 아직까지 이산화탄소가 400bpm으로 낮은 농도를 유지하고 있지만 이 증가에 의해서 바다의 산도가 바뀌었다고 발표했다.

[그림1. 세계적인 이산화탄소 농도 증가 현황]

 미묘한 차이지만 이상기후, 생태계 등 많은 요소들이 우리의 생활환경에 영향을 미칠 것이다. 최근 많은 나라들이 이산화탄소를 감축하고자 파리협약을 맺었지만, 이산화탄소 배출권을 사고팔면서 여전히 많은 양들이 배출되고 있다. 1톤에 1~2만원 정도로 이 권리를 사고팔 수 있는데, 반대로 “Capturing”이라는 이산화탄소를 잡는 기술을 5배 정도인 10만원이 든다. 그렇다면 과연 이산화탄소는 지금 어떻게 배출되고 있는 것일까?

[그림2. 이산화탄소 배출량 비교]

 전력사용 37%, 자동차가 31% 정도의 이산화탄소를 배출하고 있는 것을 [그림2]를 통해 살펴볼 수 있다. 이 때, 1km 자동차가 달릴 때 약 120g의 이산화탄소가 배출되고 있으므로 10km 정도를 운행하지 않는다면 1kg정도의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다. 사람은 8g정도의 이산화탄소를 배출하고 있다. 그렇다면 이산화탄소를 배출하지 않는 방법에는 무엇이 있을까?

 다양한 방법들 중에서 수소자동차를 이용하는 방법, 이와 비슷한 공정을 이용한 방법을 이용한 이산화탄소를 연료화 시킬 수 있는 방법을 알아보자.

 수소자동차에 있어서 수소의 양은 5kg 정도라 할 수 있다. 이는 20L의 가솔린을 넣는 것과 같은데, 1kg의 수소를 4L넣는 것과 같다고 생각하면 수소를 6천원 정도에 사고팔고 있는 것이다. 만약 6천원 보다 합리적이라면 가솔린보다 이득인 것이다. 그런데, 수소 자동차를 연구하는 주된 원인은 미래에 가솔린보다 경제성을 갖출 수 있다는 예상보다는 이산화탄소를 배출하지 않고, NaS를 배출하지 않아 환경 문제를 일으킬 위험이 적기 때문이라 할 수 있다. 2015년의 목표가 1kg의 수소를 이용하여 46KWh의 에너지를 얻는 것이었고, 2029년의 목표는 1kg의 수소를 이용하여 44.7KWh의 에너지를 얻는 수준까지 끌어올리는 것이다. 이렇게 에너지를 얻기 위해서는 어떠한 기술이 대안이 될 수 있을까, 수소는 어떻게 얻을 수 있을까?

 물에 전기를 가하고 수소와 산소의 분해를 통해 얻을 수 있는 수전해 기술이 있다. 또한, 현재 CH4+2H2O -> CO2+4H2의 메탄개질반응 반응으로도 수소를 생산하고 있다. 수전해 기술에 있어 어떠한 과학적 의미가 있는지 살펴보자.

 물을 전기분해 시키는데 이론적으로 걸리는 전압은 1.23V이다. 그렇지만, 실제적으로는 2.5~3V의 전압을 만들어야만 가능하다. 이는 과전압을 의미하는 것인데, 얼마나 전압을 더 높게 주어야 하는지를 뜻한다. 이 때, 이론적으로 걸리는 전압과의 차이를 줄이고 가깝게 만들기 위한 방법으로 촉매를 사용하고 있다. 현재 가장 좋은 촉매라고 알려져 있는 것은 백금(Pt) 촉매이다. 이 촉매가 구하기 힘들고, 이를 이용해 연구가 이루어지기 때문에 수소의 경제성 문제가 대두되는 이유이기도 하다. 하지만, 망간이나, 철과 같은 촉매로 연구가 활발히 진행된다면 수소의 가격은 떨어질 것이다. 수전해 기술로 수소를 얻는 것 외에 또 다른 좋은 방법을 고려해 보면, 바로 생물학적 시스템에서의 반응이다. 이는 광합성으로써 백금(Pt)보다 훨씬 더 좋은 촉매라 할 수 있다. 광합성 반응은 광계1,광계2 둘로 나누어지게 되는데, 광계2(산화반응)에서 먼저 반응이 일어나고 광계1(환원반응)에서 반응이 일어난다. 이 때, 광계2에서 망간과, 산소, 그리고 칼슘이 생성되는 것을 아래의 그림을 통해 확인 할 수 있다.

 

[그림3. 생물학적 반응]

 위의 두 가지 방법을 통해 수소가 얻어지는 것을 확인할 수 있다. 앞으로 이산화탄소를 줄이기 위한 포집 기술과 수소를 저장하는 기술이 중요해지기 때문에 우리는 더 저렴한 가격으로 많은 양을 포집 할 수 있는 연구가 시급하다고 할 수 있다.

‘연료전지로 여는 새로운 세상’

 2부에서는 (주)두산퓨얼셀 신미남 대표의 ‘연료전지로 여는 새로운 세상’이 진행되었다. 연료전지(Fuel cell)는 친환경, 신재생이라는 분야에서 빼 놓을 수 없는 중요한 기술이다. 연료 전지의 기본 원리는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것을 역이용하여 수소와 산소에서 전기 에너지를 얻는 것이다. 연료 전지는 중간에 발전기와 같은 장치를 사용하지 않고, 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 직접 생산하기 때문에 발전 효율이 매우 높다. 또한 질소산화물(NOx)과 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전의 각각 1/38과 1/3 정도이며, 소음도 화력발전 방식에 비해 매우 적다는 장점이 있다. 그렇다면 연료전지 발전시스템은 어떻게 이러한 장점들을 가질 수 있을까?

[그림4. 연료전지 발전시스템 구성도]

 위 그림은 연료전지 발전 시스템 구성도이며, 개질기, 연료전지, 전력변환기, 주변보조기기들로 구성된 것을 볼 수 있다. 각각의 역할을 살펴보자. 개질기는 화석연료로부터 수소를 발생시키는 장치이다. 연료전지(Stack)는 전기출력을 얻기 위해서 단위 전지를 직렬로 쌓아올린 본체이며, 연료전지 발전 시스템에서의 핵심 기술이라 할 수 있다. 전력변환기(Inverter)는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시켜준다.

 연료전지의 원가가 1kw당 2억 5천에서 2천만 원 초반 때까지 90% 가량 떨어지는 시대가 왔다. 이는 연료전지가 친환경성과 더불어 원하는 방식대로 원하는 곳에서 충전할 수 있다는 편리함을 겸비하여 활발히 개발되었기 때문이다. 이처럼 현재 연료전지 시장은 정부에서도 지원하는 등 각광받는 사업이다. 더해 한국과 일본, 미국의 시장을 합해 2015년 연료전지는 2조 시장을 달성했으며, 2020년에는 7조가 넘는 시장이 예상될 정도로 전망이 밝다.

 연료전지는 AI, IoT, 주택, 건물까지 광범위한 분야에 적용될 수 있어 그만큼 시장이 다양하다. 우리나라는 세계적으로 현대, 두산 퓨얼셀, 포스코 등 많은 기업들이 다양한 분야의 연료전지 개발에 앞서나가고 있다. 두산 퓨얼셀은 이 중에서도 주택, 건물용 연료전지를 중점으로 발전시켜 나가고 있는데, 그 이유는 우리나라가 추진하는 RPS제도(신재생에너지 의무할당제)에 적합하고 누진세로 인한 불편함을 해소할 수 있기 때문이다. 그리고 주택용 연료전지를 보금함으로써 전국적 공급망을 구축하여 진입 장벽이 높은 연료전지 사업을 안정화하기 위해서이다.

[사진2. 두산 퓨얼셀의 신미남 대표]

 두산 퓨얼셀은 이러한 진입 장벽을 허물기 위해 두산 퓨얼셀 BG(Business Group) 아래 국내 기업인 퓨얼셀코리아BU(퓨얼셀파워의 대부분을 인수)와 미국 기업인 두산 퓨얼셀아메리카(전 클리어엣지 파워, UCT power 인수)를 두고 있다. 이로써 두산 퓨얼셀은 국내 가정용 연료전지(PEMFC) 전문인 퓨얼셀파워와 대형 연료전지(PAFC) 전문인 클리어엣지 파워의 합병으로 가정용 연료전지부터 대형 연료전지의 기술까지 완비하게 되었다. 이를 통해 두산 퓨얼셀이 RPS제도 하에서 수소 인프라를 구축하고, 엔진을 바꿔야하기 때문에 높을 수밖에 없는 연료전지의 진입 장벽을 허물 수 있기를 기대한다.

참고 - http://www.doosanfuelcell.com/kr/resources/news_view.do?page=1&pressSeq=48