수소생산에도 그린라이트를 켜줘!

수소생산에도 그린라이트를 켜줘!

대학생신재생에너지기자단 19기 문서영

 

 화석연료로 인한 환경오염이 가시화되면서 그 기존 에너지원에 대한 대안으로 수소가 각광을 받고 있다. 특히 수소는 우주 질량의 약 75%를 차지할 만큼 양이 풍부하고 질량 1g당 발열량이 석유보다 3배 이상 높은 효율적인 에너지원이다. 하지만 수소는 H2 자체로 존재하기보다는 화석연료나 물처럼 다른 원소와 화학적 결합 형태로 존재하기 때문에 이들로부터 분리하여 추출해내야 한다.

 수소는 생산 방식에 따라 브라운, 그레이, 블루, 그린 수소로 구분된다. 우선 브라운 수소는 갈탄, 석탄을 태워 생산되는 수소를 의미한다. 그레이 수소는 천연가스를 고온 고압 수증기와 반응시키는 개질 수소와 석유화학 공정에서 발생하는 부생수소를 의미하며, 블루 수소는 그레이 수소를 만드는 과정에서 발생한 이산화탄소를 포집·저장하여 탄소 배출을 줄인 수소를 말한다. 그레이 수소가 국내 생산되는 수소의 95% 이상을 차지하지만, 이들은 생산과정에서 오염물질이 배출된다는 한계를 가지고 있다.

 가장 이상적인 형태의 수소생산기법으로 지목된 "그린 수소"는 재생에너지에서 생산된 전기로 물을 분해(수전해)하여 생산하는 수소이다. 수전해 기법을 사용할 경우 수소와 산소만 생산되며, 오염물질이 전혀 배출되지 않는다는 장점이 있다.

수전해수소 추출 원리

 물을 전기 분해해서 수소를 추출하는 방법인 수전해는 연료전지 반응을 역이용한 것으로 볼 수 있다. 연료전지 반응은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응 시켜 전기와 열을 동시에 생산하는 발전과정이다. 즉, 해당 반응을 통해 수소와 산소로 전기와 물을 생산할 수 있다.

 수전해는 이와는 반대로 물에 전기분해를 가해서 수소와 산소를 분해하는 과정이다.

[자료1. 연료전지와 수전해 반응]

출처:한국전력 블로그

 다음과 같은 설비 아래 두 개의 전극에 전류를 공급하면 전자가 환원 전극(cathode)으로 흘러가서 물분자(H2O)의 수소이온(H+)과 결합하여 수소가 발생한다. 남은 수산화 이온(OH-)은 산화 전극(anode)에서 전자를 빼앗기면서 산소가 발생한다.

[자료 2. 수전해기술 원리]

출처: 특허청

 수전해기술 기법별 특징과 원리는 "ESS만이 답이 아니었다? 재생에너지 불안정성의 돌파구, P2X 기술"에서 확인할 수 있다.

 수전해수소는 이처럼 생산 과정에서도 오염물질이 배출되지 않아 완벽한 친환경성을 추구 할 수 있다. 한편 한국은 아직 수전해 설비의 효율이 미흡하고 핵심 소재 기술이 부족하여 본격적인 상용화에 난항을 겪고 있다. 이를 보완하여 수전해수소 추출을 위한 완벽한 인프라를 구축하고 수소 국산화를 이루기 위해 기업과 지자체 그리고 학계에서의 노력이 지속되고 있다.

태양광 에너지를 활용한 수소생산

 한화솔루션은 2020년 8월, 태양광 발전으로 친환경 수소를 생산하는 사업에 본격 진출한다고 밝혔다. 자회사인 한화큐셀의 태양광 발전으로 생산한 에너지를 활용해 수전해 설비를 운용하여 그린 수소를 생산할 계획이다.

[그림3. 한화솔루션 그린수소 생산 및 공급 계획도]

출처: 조선비즈

 2023년 상용화를 목표로 태양광, 화학, 첨단소재로 이어지는 그룹사의 수직계열구조를 통해 그린 수소의 생산, 저장, 운송, 충전에 이르는 밸류체인을 구축할 계획이다. 전력은 한화큐셀에서, 수전해 기술에 사용되는 설비는 한화케미칼에서 담당한다. 이후 추출된 수소의 저장은 첨단소재 부문이 개발 중인 고압 수소저장용기에 담아 운송하거나 수소차량용 고압용기에 저장해 수소연료전지 차량의 연료로 사용된다.  

풍력 에너지를 활용한 수소생산

 두산중공업은 2020년 11월, 제주도청, 한국중부발전, 한국가스공사 등 10개 기관, 기업과 함께 ‘그린수소생산·저장·활용 실증사업’ 협약을 체결하며 국내 최초로 풍력발전을 활용한 그린 수소 실증사업의 시작을 알렸다. 이번 협약으로 각 참여기관은 풍력발전에서 생산된 전력으로 수소를 생산하고, 이를 저장, 운송, 활용함으로써 그린 수소 전주기에 대한 기술을 개발 및 실증하게 된다. 이 협약을 통해 풍력으로 생산한 3MW의 전력을 하루 약 600kg 수소를 만드는 수소생산 시스템, 생산한 수소를 압축·저장하는 시스템, 미활용 전력을 2MWh 용량의 배터리에 저장하는 시스템에 활용할 예정이다. 두산중공업은 수소의 생산, 압축, 저장 등 수소플랜트 전체의 통합 설계와 감리를 진행하고, 에너지관리시스템(EMS) 개발 등을 맡게 된다. 여기서 생산된 수소는 제주도에 도입 예정인 수소버스의 연료로 사용된다.

 한편 현대중공업은 부유식 풍력단지에서 생산된 전력을 활용해 바닷물에서 수소를 생산하는 대규모 수전해 기반의 그린수소 플랜트를 개발한다. 2025년까지 동해 부유식 풍력단지에 100MW(4인 가구 하루 사용량을 기준으로 3만6000가구가 사용할 수 있는 용량)급 그린 수소 실증설비를 구축하는 1단계 사업을 추진하고 이후 2030년까지 1.2GW에 달하는 2단계 사업을 진행할 계획이다.

원자력을 활용한 수소생산

 경상북도 경주에서는 소형모듈원자로(SMR) 개발과 원자력을 활용한 대규모 그린 수소 생산단지를 조성하고 있다. 경상북도는 탄소 배출이 없고 에너지 생산 효율이 높으면서도 안전성이 극대화된 SMR 기술 개발에 적극적으로 나서고 있다. 경주시에 조성되는 혁신원자력 연구단지에서는 SMR 상용화를 위한 거점 역할을 수행하며 동시에 신규 수요에 맞춰 초소형 및 마이크로 규모 SMR을 개발하는 등 미래원자력 시장을 선점하고 이를 통해 그린 수소를 국산화하기 위해 노력할 예정이다.

[그림4. 2028년 완공 예정인 경주시 감포읍 혁신원자력연구단지]

 출처: 영남일보

수전해기술관련 연구 동향

 기업과 지자체에서 그린 수소 생산을 위한 인프라와 설비에 투자하고 있는 동시에 학계에서도 이를 뒷받침하기 위한 연구개발이 지속되고 있다.

 서부발전과 한국에너지기술연구원은 최근 ESS 없이 재생에너지원을 직접 수전해설비와 연계하는 기술 개발을 시작했다. 연구의 핵심은 수소·산소 분리막 개선과 불안정한 전원 출력을 견뎌내는 고내구성 촉매 개발이다.

[그림5. 재생에너지원을 직접 수전해설비 연계하는 기술 개요도]

출처: 가스 신문

 수전해 과정에서 발생하는 수소와 산소 간 혼입 문제를 해결하기 위해 분리막을 개선하고, 이때 감소하는 전압 효율을 유지하는 것이 우선적인 과제이다. 여기에 ESS 없이 변동성이 큰 출력을 견디면서 재생에너지 부하를 95% 이상 활용할 수 있는 고내구성 수전해 촉매도 개발해야 한다. 이를 통해 수전해 효율을 82%까지 올릴 수 있을 것으로 예상한다. 이번 연구가 성공적으로 진행되면 ESS 없이도 재생에너지를 활용해 그린 수소를 안정적으로 생산할 수 있을 전망이다.

 수전해 촉매 관련 연구도 활발하게 진행 중이다. 한국재료연구원 최승목, 이지훈 박사 연구팀에서는 지난 3월 촉매 일체형 전극을 개발하여 바닷물을 전기분해하여 수소를 생산하는 기술에 성공했다. 그린 수소 생산에 활용되는 수전해 기술 중 하나인 ‘음이온교환막(AEM) 수전해’는 저렴한 비귀금속 촉매를 이용해 고순도의 수소를 안전하게 생산하는 기술이다. 하지만 AEM을 이용하여 수소를 생산하기 위해서는 정제수를 사용해야 하기 때문에 높은 단가가 문제시되어왔다. 이에 연구팀은 촉매 일체형 전극을 개발하여 산소발생 반응 과전압 및 물질 전달 저항을 감소시켰고, 이 전극을 음이온 교환막 수전해에 적용시켜 염소 발생 반응을 억제함으로써 정제수가 아닌 바닷물로도 높은 수소 발생 효율을 확보했다.

 서울대학교 임종우 교수 연구팀과 한국과학연구원 김형준 교수 연구팀에서는 이차전지를 바탕으로 하여 친환경적인 방법으로 수소 기체를 얻을 수 있는 수전해 촉매를 개발했다. 이차전지 양극 부분에 자주 사용되는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)에 염화이온(Cl-)을 미세하게 도핑하는 방법으로 경제성, 효율성, 수명을 현저히 향상시킨 물 전기분해 양(+)극 촉매를 개발하였다. 해당 기술의 자세한 원리는 "리튬이차전지 전극을 수소 생산물 전기분해 촉매로 개발"에서 확인할 수 있다.

결론

 정부는 수소경제위원회를 출범하여 제주도 풍력, 새만금 태양광 등 재생에너지와 연계한 다양한 그린 수소 실증사업에 대한 의지를 표명했다. 이를 토대로 2030년까지 100MW 규모의 그린 수소 양산체계를 구축, 본격적인 그린 수소 시대를 맞이하려는 전략이다.

 수전해기술은 아직 경제적 효율성이 낮다는 한계가 있다. 이는 한국의 수전해 기술 관련 연구개발 역사가 짧고, 아직 관련 시장이 형성되지 않았기 때문이다. 유럽의 경우 재생에너지를 연계한 수전해 설비를 12년 이상 개발해온 반면 한국은 본격적으로 수전해 기술 개발에 나선 지 약 5년에 불과하다. 이를 개선하여 친환경적으로 수소 기법을 국산화할 수 있도록 국내에서도 많은 연구개발과 투자가 이루어져야 할 것이다.

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친환경 수소 생산에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소에너지의 완벽한 친환경화, 가능할까? ", 작성자(19기 유홍주, 19기 정지영), https://renewableenergyfollowers.org/3289?category=608249

2. "ESS만이 답이 아니었다? 재생에너지 불안정성의 돌파구, P2X 기술, 작성자(18기 김민주 최별  19기 권승호 김수정 임하영), https://renewableenergyfollowers.org/3276?category=745296 

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참고문헌

1. 강태아, “풍력발전 시장 확대”…국내 기업, 유관산업 진출 가속화" ,울산매일, 2021.05.30, http://www.iusm.co.kr/news/articleView.html?idxno=912021

2. 권준범, "재생에너지 이용 '그린수소 생산기술' 국산화", 에너지신문, 2020.06.17,http://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=71035

3. 김금이, "국내 연구진, 수소 생산 위한 친환경 촉매 개발", 매일경제, 2021.03.03 ,https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=102&oid=009&aid=0004757685

4. 김봉수, "국내연구진, 바닷물로 싸고 친환경적 수소 생산 기술 개발" ,아시아경제, 2021.03.15, http://www.asiae.co.kr/article/industry-IT-all/2021031515243332425

5. 김태완, "서부발전, 재생에너지 ‘그린수소’ 수전해기술 개발 착수", 뉴스1 , 2021.03.22, https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=105&oid=421&aid=0005237960

6. 문창석," '두산중공업, 제주 바람으로 '그린수소' 만든다", 뉴스1, 2020.11.25, https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LS2D&mid=shm&sid1=101&sid2=261&oid=421&aid=0005011115

7. 박상효, "재생에너지 이용 그린수소 생산기술 국산화",  EBN, 2020.06.17, https://www.ebn.co.kr/news/view/1438730

8. “수소생산방식”, 시사상식사전,  2021. 03. 17, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=6233836&cid=43667&categoryId=43667

9. 송종욱, "경북도, 소형모듈원자로·그린수소로 탄소중립 선도", 영남일보, 2021.05.10, https://www.yeongnam.com/web/view.php?key=20210509010000864

10. 오범택, "서부발전, 저비용 ‘그린수소 생산 수전해기술’ 개발 착수", 매일일보, 2021.03.22, http://www.m-i.kr/news/articleView.html?idxno=809950

11. 윤병효, "수소산업 총괄 수소경제위 출범…2030년 수소차 85만대 목표", 전기신문, 2020.07.01,  http://www.electimes.com/article.asp?aid=1593586181201126098

12. 윤상석, "희망 에너지 ‘수소’에 대한 궁금증을 풀다", ScienceTimes, 2020.07.10, https://www.sciencetimes.co.kr/news/%ED%9D%AC%EB%A7%9D%EC%9D%98-%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80-%EC%88%98%EC%86%8C%EC%97%90-%EA%B6%81%EA%B8%88%EC%A6%9D%EC%9D%84-%ED%92%80%EB%8B%A4/

13. 이재은, "[수소경제] 깨끗한 수소? '수전해 설비' 없이는 불가능… 한국은 아직 개발단계", 조선비즈, 2020.10.14, https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/10/13/2020101302335.html

14. 이재은, "한화솔루션 "태양광으로 그린수소 생산"…수소사업 첫발", 조선비즈, 2020.08.11, https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/08/11/2020081102861.html

15. 정상필, "청정수소 활용 촉진 위한 수소법 개정 추진", 지앤이타임즈, 2021.05.21, http://www.gnetimes.co.kr/news/articleView.html?idxno=63029

16. 정혜원, "한화솔루션, 美수소탱크업체 인수 검토...'그린 수소' 성장 가속도", 미디어 SR, 2020.12.23, http://www.mediasr.co.kr/news/articleView.html?idxno=64625

17. 특허청 보도자료, 친환경 수소 생산의 핵심기술, 물분해 촉매!,2020.02.03

18.한국원자력연구원, 2019-2호(통권51호) : 수소경제 도래와 원자력의 역할, 2019.05.28, https://www.kaeri.re.kr/hanaro/board/view?pageNum=2&rowCnt=10&no1=49&linkId=7273&menuId=MENU00928&schType=0&schText=&boardStyle=&categoryId=&continent=&country=&schYear= 

19. 한화솔루션, "암모니아, 메탄, 태양광으로 수소 만드는 기술", 2020. 12. 30, https://www.chemidream.com/2655?category=45070

20. 황갑진, 최호상, “물 전기분해에 의한 수소제조 기술”, 멤브레인=Membrane Journal v.27 no.6, 2017년, pp.477 - 486