[2026 수소 마켓 인사이트(H2MI)] 소재에서 실증으로, 수전해 기술의 '다음 단계'를 위한 산학연 협력의 필요성
대학생신재생에너지기자단 27기 권준혁, 29기 김슬기, 임혜원
2026 수소 마켓 인사이트 개최
2026년 4월 24일, 대구 EXCO에서 국제그린에너지엑스포와 함께 수소 마켓 인사이트(H2MI) 행사가 개최되었다. H2MI는 이번이 6번째 개최로, 올해는 "그린수소-에너지 대전환의 미래를 열다"라는 슬로건 아래에 첫 번째 세션에서는 '그린수소 공급 정책 및 실증', 두 번째 세션에서는 '글로벌 수소 시장 동향'을 주제로 연사들의 강연이 진행되었다. 이 중 대학생신재생에너지기자단은 첫 번째 세션에 참가하여 수소 경제의 현재와 미래에 대한 실질적인 논의의 현장을 담았다.
<그린수소 개발전략> 김창희 교수(한국에너지공과대학교)
그린수소를 실제로 상용화하기 위해서는 재생에너지의 변동성을 함께 고려해야 한다. 날씨와 시간에 따라 전력 출력이 달라지면 수전해 장치도 정격 운전만 반복할 수 없기 때문이다. 한국에너지공과대학교 김창희 교수의 ‘그린수소 개발전략’ 발표는 이러한 현실 속에서 왜 연구실의 셀 단위 성능을 넘어 산업 현장의 운전 조건까지 함께 살펴봐야 하는지를 보여주었다.
김창희 교수는 수전해의 동적 운전과 관련한 문제점들을 소개하며 발표를 시작했다. 그린수소는 재생에너지를 활용해 생산되지만, 재생에너지는 시간과 계절에 따라 출력이 달라진다. 이처럼 전력이 일정하게 공급되지 않으면 수전해 장치는 계속 정격 운전만 하는 것이 아니라 저부하 운전, 정지, 재가동 상황을 반복하게 된다. 이 과정에서 실제 장치에서는 제어 문제, 전압 급변, 역전류, 스택 내 가스 흐름 문제 등이 발생할 수 있다.
그러나 현재 많은 연구는 셀 수준에서 진행되는 경우가 많다. 반면 실제 산업 현장에서는 셀 하나만 운전되는 것이 아니라 여러 셀이 연결된 스택, 그리고 BOP까지 함께 운전된다. BOP는 Balance of Plant의 약자로, 수전해 장치가 실제로 운전되기 위해 필요한 주변 설비와 제어 시스템을 말한다.
예를 들어 연구자 입장에서는 역전류를 경험하지 못했다고 말할 수 있지만, 실제 기업이 스택 단위로 장치를 운전하면 정지나 저부하 상황에서 manifold, 즉 물·전해질·가스가 여러 셀로 분배되고 다시 모이는 통로와 스택 구조로 인해 역전류 문제가 나타날 수 있다는 설명이었다. 셀 단위에서 문제가 없었다고 해서 실제 시스템에서도 문제가 없다고 단정할 수는 없다. 따라서 그린수소 기술이 산업 현장에 안정적으로 적용되기 위해서는 연구 환경과 산업 현장 사이의 교류가 늘어나야 한다고 하였다.
-부하변동 문제는 전극·분리막·스택 모두에 영향을 준다
재생에너지 연계 수전해에서 중요한 문제는 부하변동 대응성, 즉 Flexibility이다. 부하변동이란 재생에너지 출력 변화에 따라 수전해 장치가 높은 부하와 낮은 부하를 오가며 운전되는 상황을 말한다. 부하변동과 관련해 고려해야 할 문제는 다음과 같다. 첫째, 전극의 부하변동 내구성이다. 전류가 일정하지 않고 반복적으로 변하면 전극이 받는 전기화학적 스트레스가 커질 수 있다. 둘째, 분리막의 저부하 운전 안전성이다. 낮은 부하에서도 분리막이 안정적으로 역할을 유지할 수 있는지 확인해야 한다. 셋째, 셀과 스택의 부하변동 내구성이다. 단일 셀에서는 문제가 작게 보일 수 있지만, 여러 셀이 연결된 스택에서는 불균일한 전류 흐름이나 역전류 문제가 더 중요해질 수 있다
-수전해의 경제성은 효율에 의해만 좌우되는 것이 아니다.
첫째, ON 상태와 OFF 상태를 나누어 봐야 한다. ON 상태에서는 부하변동 대응성이 중요하고, OFF 상태에서는 역전류 문제가 중요하다. 현재는 장치가 꺼진 상태에서 안전 문제를 줄이기 위해 질소를 채우는 방식이 사용되지만, 이후 재가동 과정에서 다시 수소와 산소가 채워지고 질소가 빠져나가 정상 상태로 돌아가기까지 시간이 걸린다. 발표에서는 이 과정이 길어지면 재생에너지 전력이 들어와도 즉시 수소 생산에 활용하지 못해 경제성에 영향을 줄 수 있다고 설명했다. 따라서 OFF 상태에서도 장치가 안정적으로 버틸 수 있는 기술은 안전성뿐 아니라 그린수소 생산 경제성과도 연결된다.
둘째, CAPEX 저감이 중요하다. 일반적으로 수소 생산단가를 낮추기 위해 비귀금속 촉매를 사용하거나 전극 재료 가격을 낮추는 방향을 떠올리기 쉽다. 하지만 발표에서는 단순히 소재 가격을 낮추는 것보다 운전전류밀도를 높이는 전략이 더 큰 가격 저감 효과를 낼 수 있다고 설명했다. 같은 장치 면적에서 더 많은 수소를 생산할 수 있다면 전체 시스템 관점에서 CAPEX를 낮출 수 있기 때문이다. 따라서 앞으로의 연구는 저가 소재 개발에만 머무르기보다, 높은 전류밀도에서 안정적으로 운전할 수 있는 기술 개발까지 함께 이뤄져야 한다.
셋째, 재생에너지 믹스와 운영률도 중요하다. 수전해 장치가 자주 멈추면 장비를 충분히 활용하지 못하기 때문에 생산단가가 높아진다. 풍력과 태양광처럼 적절히 조합해 수전해 운영률을 높이는 전략이 필요하다고 설명했다.
-알칼라인과 PEM은 각각 다른 방식으로 Flexibility를 봐야 한다.
PEM은 고압 운전이 가능하다는 장점이 있지만, 압력을 높이면 수소와 산소의 크로스오버 문제나 안전성 문제가 커질 수 있어 부하변동 운전에는 부담이 될 수 있다. 알칼라인 역시 무조건 부하변동에 유리하다고 볼 수는 없으며, 두 기술 모두 각자의 특성에 맞는 Flexibility 연구 방향이 필요하다
-BOP 수준의 제어도 중요하다
김 교수의 발표에서는 BOP 수준의 제어도 중요하게 언급되었다. BOP는 물 공급, 가스 배출, 압력 조절, 열관리, 전력 제어 등을 담당하기 때문에 실제 수전해 시스템의 안정적인 운전에 큰 영향을 준다. 국내 R&D에서는 셀이나 스택 성능 연구는 많지만, BOP를 실제로 구현하고 제어하는 연구는 상대적으로 부족하다는 지적이 있었다. 특히 현재는 5MW, 10MW처럼 실증 용량을 키우는 데 초점이 맞춰져 있지만, 실제 운전에서 중요한 제어 기술과 장기 운전 데이터는 충분히 확보되지 못하고 있다는 문제의식이 제기되었다.
결국 그린수소 기술이 산업 현장에 적용되기 위해서는 장치를 크게 만드는 것뿐만 아니라, 실제 조건에서 오래 안정적으로 운전한 데이터가 필요하다. 발표에서도 장기적인 실증 운전 데이터 확보와 투명한 공개가 아직 매우 낮은 수준이라고 하였다.
이번 세션의 결론적으로는 그린수소 수전해 기술은 셀 성능만으로 판단하기 어렵다. 재생에너지 변동성에 대응하기 위해서는 부하변동 내구성, 역전류 대응, BOP 제어, 운전전류밀도 향상, 재생에너지 믹스, 장기 실증 데이터 확보가 함께 필요하다. 즉, 앞으로의 연구는 실험실의 셀 단위 성능을 넘어 실제 산업 현장에서의 운전 조건과 더 가까워져야 한다. 이 점에서 연구와 산업 현장의 교류는 그린수소 상용화를 위해 반드시 필요한 문제라고 볼 수 있다.
<K-water 그린수소 사업추진현황 및 생태계 활성화를 위한 거버넌스 활용방안> 유재진 차장(한국수자원공사)
이어진 강연에서는 한국수자원공사 유재진 차장의 발표를 통해 공공기관의 시각에서 수소 산업을 실제 사업으로 구현하는 과정을 구체적으로 엿볼 수 있었다. 한국수자원공사는 물 관리와 재생에너지 인프라를 기반으로 그린수소 사업에 진입했으며, 여러 지역에서 수전해 기반 수소 생산 프로젝트를 추진 중이다. 특히 소수력과 연계한 수전해 시스템을 통해 실증 사업을 진행하고 있으며, 생산된 수소를 충전소로 공급하는 모델을 구축하고 있다. 그러나 높은 생산 비용과 운송 비용이 여전히 큰 과제로 남아 있어 인프라 통합과 효율 개선이 중요한 이슈로 제시된다. 이를 해결하기 위해 현장형 충전소, 배관 연계 등 다양한 운영 전략이 시도되고 있다
또한 실제 운영 과정에서 발생한 문제 사례를 통해 수소 산업의 현실적인 기술적 리스크도 드러난다. 정전으로 인해 전해액 순환이 중단되면서 스택 내부 열화가 발생하는 등 예상하지 못한 사고가 발생했으며, 이를 통해 설계 단계에서의 안정성 고려가 중요하다는 교훈이 제시된다. 동시에 규제, 데이터 부족, 기업 간 정보 공유 부족 등 제도적 문제 역시 산업 발전을 저해하는 요소로 지적된다. 이러한 한계를 극복하기 위해 공공 주도의 협회와 플랫폼을 통해 생태계를 구축하고, 실증 데이터를 기반으로 산업을 확장하려는 시도가 이어지고 있다. 유 차장은 수소 산업은 기술뿐 아니라 정책, 데이터, 협력 구조가 함께 맞물려야 성장할 수 있는 복합 산업이라는 점이 언급하며 수소 경제의 성공에서 거버넌스의 중요성을 다시 한 번 강조하였다.
<유기성폐자원 이용 바이오수소 마더스테이션 실증 및 사업화> 송형운 연구위원(고등기술연구원)
송형운 고등기술연구원 연구위원의 발표에서는 유기성 폐자원을 이용한 바이오수소 마더스테이션의 사업 현황과 전략을 소개되었다. 바이오가스는 음식물 쓰레기, 분뇨, 하수 등 유기물이 분해되는 과정에서 발생하는 메탄가스를 활용한 에너지원으로, 이 바이오가스에서 수소를 추출해 그린수소를 생산할 수 있다.
특히 음식물 쓰레기는 하루 종일 지속적으로 발생하기 때문에, 이를 활용할 경우 수소 역시 24시간 안정적으로 생산할 수 있다. 폐기물로 인한 환경 문제를 해결하는 동시에 에너지 자원을 확보하는 일석이조의 효과를 지닌다. 송 연구위원은 충주 바이오그린 수소충전소를 대표 사례로 제시하며, 이 사업의 핵심 키워드로 ‘순환경제’, ‘지산지소’, ‘가격안정’을 강조했다. 지역에서 발생한 폐자원을 활용해 수소를 생산하고 이를 다시 지역 내에서 소비하는 구조를 통해 자원 순환 체계를 구축하고, 이 과정에서 공급 안정성과 가격 경쟁력을 확보하는 것이 중요하다고 설명했다.
음식물 쓰레기 등 유기성 폐자원을 활용한 바이오수소는 24시간 안정적으로 생산이 가능하다는 장점을 지닌다. 그러나 실제 운영에서는 중요한 문제가 발생한다. 수소는 계속 생산되는데, 이를 소비할 수소차가 충분히 오지 않는다는 점이다. 공급은 안정적이지만 수요가 부족한 상황이다. 이 문제를 해결하기 위해 도입된 개념이 ‘마더스테이션(Mother Station)’이다. 이는 남는 수소를 다른 지역으로 운송하여 활용하는 시스템이다. 특정 지역에서 발생한 수소를 다른 수요처로 보내 활용할 수 있어 전체적인 수소 활용도를 높일 수 있다. 국내의 대표적인 사례로 충주 마더스테이션이 있다. 정확한 명칭은 충주 바이오그린 수소충전소이다. 바이오가스를 활용해 수소를 생산하고 충전까지 가능한 국내 최초의 바이오수소 융복합 충전소다. 수소차 충전 설비뿐 아니라 수소 유통수단인 수소튜브트레일러 충전 설비도 갖춰 인근 수소충전소에 수소를 공급하는 거점 역할도 동시에 수행이 가능하다.
-가동률·안정성·경제성 확보 방안
마더스테이션 시스템에서 중요한 것은 설비가 멈추지 않고 꾸준히 운영되도록 가동률과 안정성을 확보하는 것이다. 설비가 멈추지 않고 계속 돌아가야 경제성이 확보되기 때문에, 고장 없이 오래 운영하는 것이 핵심이다.
실제 운영에서는 가동률과 안정성을 높이기 위한 다양한 전략이 적용된다. 그 중 하나가 충전 압력을 기존보다 낮추는 방식이다. 일반적으로 수소차는 약 700bar로 충전하지만, 이를 450bar 수준으로 낮추고 절반 정도만 충전하는 방식이다. 충전 속도나 편의성은 일부 희생되지만, 설비에 가해지는 부담이 줄어들어 고장 가능성이 낮아지고 전체적인 운영 안정성이 높아진다. 또한, 실제 운영 데이터를 분석해 보면 특정 부품에서 고장이 집중적으로 발생하는 경우가 많다. 따라서 모든 부분을 개선하기보다, 고장이 가장 많이 발생하는 핵심 부품을 집중적으로 개선하는 전략이 더 효과적이다. 이를 통해 전체 시스템의 고장률을 낮추고, 결과적으로 가동률을 높일 수 있다.
운영 비용 측면에서는 전기 사용이 매우 큰 비중을 차지한다. 수소차는 불규칙적으로 방문하기 때문에, 충전 설비는 항상 준비 상태를 유지해야 한다. 수소는 충전 시 약 -40도까지 냉각해야 하는데, 차량이 오지 않더라도 이 냉각 시스템을 계속 유지해야 한다. 이로 인해 실제로 충전이 이루어지지 않는 시간에도 상당한 전력이 소비되며, 이는 전체 운영 효율을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다. 이러한 문제는 인버터 제어기술을 접목해 충전 안정성을 확보함으로써 해결할 수 있다. 인버터를 통해 영하 33도에서 40도까지 온도를 낮춰 냉각 효율을 극대화할 수 있기에 기존 시설 대비 15~20%가량 전력 에너지를 절감할 수 있다. 이는 곧 수소충전소 운영 비용의 부담 완화로 이어진다.
-수소도시 확대 속 주어진 경제성 과제
현재 이러한 바이오수소 사업은 충주 뿐만 아니라 청주, 용인, 파주 등 여러 지역으로 확산되고 있다. 특히 ‘미니 수소도시’와 같은 형태로 발전하면서, 지역 단위에서 에너지 자립을 실현하려는 시도가 이루어지고 있다. 하지만, 비용 측면에서의 어려움은 여전히 존재한다.
송 연구위원은 수소 가격을 7,700원 수준으로 낮출 수 있는지에 대한 질문에 대해서 현재로서는 어렵다는 답을 내놓았다. 그 이유는 “바이오수소 생산을 위해서는 먼저 바이오가스 플랜트가 구축되어야 하고, 수소 생산 및 충전 인프라 자체의 구축 비용이 매우 크다. 또한 유지관리 비용과 전기 비용까지 고려하면 전체적인 비용 구조가 높아질 수밖에 없다.”며 바이오수소 시스템의 경제성 부분을 언급했다.
이 사업의 핵심은 단순히 친환경 에너지를 생산하는 것이 아니라, 지속적이고 안정적으로 운영할 수 있는 시스템을 구축하는 것에 있다. 바이오수소는 지역의 자원 순환과 에너지 자립 측면에서 큰 의의를 가지고 있지만, 실제 상용화를 위해서는 운영 안정성 확보, 비용 절감이라는 현실적인 과제를 함께 해결해야 한다.
<국내 PEM 수전해 R&D 전략 및 현황> 장종현 책임연구원(한국과학기술연구원)
첫 번째 세션의 마지막 발표였던 장종현 책임연구원의 발표는 수소 산업을 단순한 기술 문제가 아니라 에너지 안보와 정책 관점에서 접근해야 한다는 메시지로 시작했다. 화석 연료 수입 의존도가 매우 높은 우리나라에서 수소는 에너지 자립을 일부 실현하고 공급망 다변화를 통해 에너지 수급 안정성을 확보할 수 있는 전략적 자산이라는 것이다.
장 연구원에 따르면, 수소 산업은 빠르게 성장하고 있지만 실제로 확정된 프로젝트는 제한적이며, 장밋빛 전망과 현실 사이에 큰 간극이 존재한다. 특히 글로벌 투자 규모는 매우 크지만 실제 가동 중이거나 확정된 공급량은 일부에 불과해 산업 초기 단계의 불확실성이 드러난다. 장 연구원은 수소 생산 방식과 기술 선택에서는 성능, 비용, 안정성 간의 상충 관계가 존재해 명확한 우선순위 설정이 필요하다는 점을 강조했다. 결국 수소 산업은 단일 해법이 아닌 전략적 선택과 장기적인 데이터 기반 접근이 필요하다고 볼 수 있다.
이어지는 내용에서는 수전해 기술과 산업화의 핵심 과제로 ‘신뢰성’과 ‘스케일업’ 문제가 제기됐다. 장 연구원은 국내 연구는 소재와 원천기술에는 강점을 보이지만 실제 산업 제품으로 이어지는 중간 단계가 부족하다고 지적했다. 특히 장기 신뢰성과 대형화 과정에서의 데이터 부족이 산업 발전의 병목으로 작용하고 있다. 이를 해결하기 위해 국가 차원의 연구 플랫폼과 데이터 축적, 그리고 산학연 협력이 필수적이다. 추가적으로, 수전해 분야 역시 AI 활용이 중요하지만 현재는 양질의 데이터 부족으로 인해 현재는 AI의 활용이 제한적인 실정이다. 따라서 수전해 분야의 적극적인 AI 활용을 위해서는 신뢰할 수 있는 대규모 데이터 구축이 선행되어야 할 것이다.
수소 스케일업의 핵심은 결국 산학연의 협력
첫 번째 세션의 발표들에서 공통적으로 강조된 내용들은 바로 '실제 산업 현장의 환경에 기반한 연구'였다. 연구실 수준에서 안정적인 운전 실적도 실제 산업 현장의 변동적인 환경에 노출되면 성능이 저하될 수 있다. 실제로 실제 산업에서는 연구실에서는 일어나지 않는 정전이나 대규모 스택 확대에 따른 유동 불균일 등의 문제가 발생하기 때문이다. 그러나 그러한 연구를 위해서는 실제 산업 현장에 대한 데이터가 먼저 제공되어야 한다. 기업들이 실제 산업 현장에 대한 정보를 제공하지 않으면 연구원들은 연구를 하고 싶어도 할 수 없기 때문이다. 결국 우리나라도 소재 중심의 연구에서 스케일업과 실증 중심의 연구로 확장하려면 산학연 협력이 불가피하다. 이번 H2MI 행사가 기업과 연구소 담당자들이 수전해 기술 개발과 관련한 서로의 애로사항을 이해하고 적극적으로 협력할 수 있는 계기가 되었으면 좋겠다.
[2026 수소 마켓 인사이트(H2MI)] 소재에서 실증으로, 수전해 기술의 '다음 단계'를 위한 산학연 협력의 필요성
대학생신재생에너지기자단 27기 권준혁, 29기 김슬기, 임혜원
2026 수소 마켓 인사이트 개최
2026년 4월 24일, 대구 EXCO에서 국제그린에너지엑스포와 함께 수소 마켓 인사이트(H2MI) 행사가 개최되었다. H2MI는 이번이 6번째 개최로, 올해는 "그린수소-에너지 대전환의 미래를 열다"라는 슬로건 아래에 첫 번째 세션에서는 '그린수소 공급 정책 및 실증', 두 번째 세션에서는 '글로벌 수소 시장 동향'을 주제로 연사들의 강연이 진행되었다. 이 중 대학생신재생에너지기자단은 첫 번째 세션에 참가하여 수소 경제의 현재와 미래에 대한 실질적인 논의의 현장을 담았다.
<그린수소 개발전략> 김창희 교수(한국에너지공과대학교)
그린수소를 실제로 상용화하기 위해서는 재생에너지의 변동성을 함께 고려해야 한다. 날씨와 시간에 따라 전력 출력이 달라지면 수전해 장치도 정격 운전만 반복할 수 없기 때문이다. 한국에너지공과대학교 김창희 교수의 ‘그린수소 개발전략’ 발표는 이러한 현실 속에서 왜 연구실의 셀 단위 성능을 넘어 산업 현장의 운전 조건까지 함께 살펴봐야 하는지를 보여주었다.
[자료 1. 그린수소 개발전략 김창희 교수 발표]
출처 : © 29기 김슬기
-연구와 산업 현장의 교류가 필요하다
김창희 교수는 수전해의 동적 운전과 관련한 문제점들을 소개하며 발표를 시작했다. 그린수소는 재생에너지를 활용해 생산되지만, 재생에너지는 시간과 계절에 따라 출력이 달라진다. 이처럼 전력이 일정하게 공급되지 않으면 수전해 장치는 계속 정격 운전만 하는 것이 아니라 저부하 운전, 정지, 재가동 상황을 반복하게 된다. 이 과정에서 실제 장치에서는 제어 문제, 전압 급변, 역전류, 스택 내 가스 흐름 문제 등이 발생할 수 있다.
그러나 현재 많은 연구는 셀 수준에서 진행되는 경우가 많다. 반면 실제 산업 현장에서는 셀 하나만 운전되는 것이 아니라 여러 셀이 연결된 스택, 그리고 BOP까지 함께 운전된다. BOP는 Balance of Plant의 약자로, 수전해 장치가 실제로 운전되기 위해 필요한 주변 설비와 제어 시스템을 말한다.
예를 들어 연구자 입장에서는 역전류를 경험하지 못했다고 말할 수 있지만, 실제 기업이 스택 단위로 장치를 운전하면 정지나 저부하 상황에서 manifold, 즉 물·전해질·가스가 여러 셀로 분배되고 다시 모이는 통로와 스택 구조로 인해 역전류 문제가 나타날 수 있다는 설명이었다. 셀 단위에서 문제가 없었다고 해서 실제 시스템에서도 문제가 없다고 단정할 수는 없다. 따라서 그린수소 기술이 산업 현장에 안정적으로 적용되기 위해서는 연구 환경과 산업 현장 사이의 교류가 늘어나야 한다고 하였다.
-부하변동 문제는 전극·분리막·스택 모두에 영향을 준다
재생에너지 연계 수전해에서 중요한 문제는 부하변동 대응성, 즉 Flexibility이다. 부하변동이란 재생에너지 출력 변화에 따라 수전해 장치가 높은 부하와 낮은 부하를 오가며 운전되는 상황을 말한다. 부하변동과 관련해 고려해야 할 문제는 다음과 같다. 첫째, 전극의 부하변동 내구성이다. 전류가 일정하지 않고 반복적으로 변하면 전극이 받는 전기화학적 스트레스가 커질 수 있다. 둘째, 분리막의 저부하 운전 안전성이다. 낮은 부하에서도 분리막이 안정적으로 역할을 유지할 수 있는지 확인해야 한다. 셋째, 셀과 스택의 부하변동 내구성이다. 단일 셀에서는 문제가 작게 보일 수 있지만, 여러 셀이 연결된 스택에서는 불균일한 전류 흐름이나 역전류 문제가 더 중요해질 수 있다
-수전해의 경제성은 효율에 의해만 좌우되는 것이 아니다.
첫째, ON 상태와 OFF 상태를 나누어 봐야 한다. ON 상태에서는 부하변동 대응성이 중요하고, OFF 상태에서는 역전류 문제가 중요하다. 현재는 장치가 꺼진 상태에서 안전 문제를 줄이기 위해 질소를 채우는 방식이 사용되지만, 이후 재가동 과정에서 다시 수소와 산소가 채워지고 질소가 빠져나가 정상 상태로 돌아가기까지 시간이 걸린다. 발표에서는 이 과정이 길어지면 재생에너지 전력이 들어와도 즉시 수소 생산에 활용하지 못해 경제성에 영향을 줄 수 있다고 설명했다. 따라서 OFF 상태에서도 장치가 안정적으로 버틸 수 있는 기술은 안전성뿐 아니라 그린수소 생산 경제성과도 연결된다.
둘째, CAPEX 저감이 중요하다. 일반적으로 수소 생산단가를 낮추기 위해 비귀금속 촉매를 사용하거나 전극 재료 가격을 낮추는 방향을 떠올리기 쉽다. 하지만 발표에서는 단순히 소재 가격을 낮추는 것보다 운전전류밀도를 높이는 전략이 더 큰 가격 저감 효과를 낼 수 있다고 설명했다. 같은 장치 면적에서 더 많은 수소를 생산할 수 있다면 전체 시스템 관점에서 CAPEX를 낮출 수 있기 때문이다. 따라서 앞으로의 연구는 저가 소재 개발에만 머무르기보다, 높은 전류밀도에서 안정적으로 운전할 수 있는 기술 개발까지 함께 이뤄져야 한다.
셋째, 재생에너지 믹스와 운영률도 중요하다. 수전해 장치가 자주 멈추면 장비를 충분히 활용하지 못하기 때문에 생산단가가 높아진다. 풍력과 태양광처럼 적절히 조합해 수전해 운영률을 높이는 전략이 필요하다고 설명했다.
-알칼라인과 PEM은 각각 다른 방식으로 Flexibility를 봐야 한다.
PEM은 고압 운전이 가능하다는 장점이 있지만, 압력을 높이면 수소와 산소의 크로스오버 문제나 안전성 문제가 커질 수 있어 부하변동 운전에는 부담이 될 수 있다. 알칼라인 역시 무조건 부하변동에 유리하다고 볼 수는 없으며, 두 기술 모두 각자의 특성에 맞는 Flexibility 연구 방향이 필요하다
-BOP 수준의 제어도 중요하다
김 교수의 발표에서는 BOP 수준의 제어도 중요하게 언급되었다. BOP는 물 공급, 가스 배출, 압력 조절, 열관리, 전력 제어 등을 담당하기 때문에 실제 수전해 시스템의 안정적인 운전에 큰 영향을 준다. 국내 R&D에서는 셀이나 스택 성능 연구는 많지만, BOP를 실제로 구현하고 제어하는 연구는 상대적으로 부족하다는 지적이 있었다. 특히 현재는 5MW, 10MW처럼 실증 용량을 키우는 데 초점이 맞춰져 있지만, 실제 운전에서 중요한 제어 기술과 장기 운전 데이터는 충분히 확보되지 못하고 있다는 문제의식이 제기되었다.
결국 그린수소 기술이 산업 현장에 적용되기 위해서는 장치를 크게 만드는 것뿐만 아니라, 실제 조건에서 오래 안정적으로 운전한 데이터가 필요하다. 발표에서도 장기적인 실증 운전 데이터 확보와 투명한 공개가 아직 매우 낮은 수준이라고 하였다.
이번 세션의 결론적으로는 그린수소 수전해 기술은 셀 성능만으로 판단하기 어렵다. 재생에너지 변동성에 대응하기 위해서는 부하변동 내구성, 역전류 대응, BOP 제어, 운전전류밀도 향상, 재생에너지 믹스, 장기 실증 데이터 확보가 함께 필요하다. 즉, 앞으로의 연구는 실험실의 셀 단위 성능을 넘어 실제 산업 현장에서의 운전 조건과 더 가까워져야 한다. 이 점에서 연구와 산업 현장의 교류는 그린수소 상용화를 위해 반드시 필요한 문제라고 볼 수 있다.
<K-water 그린수소 사업추진현황 및 생태계 활성화를 위한 거버넌스 활용방안> 유재진 차장(한국수자원공사)
이어진 강연에서는 한국수자원공사 유재진 차장의 발표를 통해 공공기관의 시각에서 수소 산업을 실제 사업으로 구현하는 과정을 구체적으로 엿볼 수 있었다. 한국수자원공사는 물 관리와 재생에너지 인프라를 기반으로 그린수소 사업에 진입했으며, 여러 지역에서 수전해 기반 수소 생산 프로젝트를 추진 중이다. 특히 소수력과 연계한 수전해 시스템을 통해 실증 사업을 진행하고 있으며, 생산된 수소를 충전소로 공급하는 모델을 구축하고 있다. 그러나 높은 생산 비용과 운송 비용이 여전히 큰 과제로 남아 있어 인프라 통합과 효율 개선이 중요한 이슈로 제시된다. 이를 해결하기 위해 현장형 충전소, 배관 연계 등 다양한 운영 전략이 시도되고 있다
또한 실제 운영 과정에서 발생한 문제 사례를 통해 수소 산업의 현실적인 기술적 리스크도 드러난다. 정전으로 인해 전해액 순환이 중단되면서 스택 내부 열화가 발생하는 등 예상하지 못한 사고가 발생했으며, 이를 통해 설계 단계에서의 안정성 고려가 중요하다는 교훈이 제시된다. 동시에 규제, 데이터 부족, 기업 간 정보 공유 부족 등 제도적 문제 역시 산업 발전을 저해하는 요소로 지적된다. 이러한 한계를 극복하기 위해 공공 주도의 협회와 플랫폼을 통해 생태계를 구축하고, 실증 데이터를 기반으로 산업을 확장하려는 시도가 이어지고 있다. 유 차장은 수소 산업은 기술뿐 아니라 정책, 데이터, 협력 구조가 함께 맞물려야 성장할 수 있는 복합 산업이라는 점이 언급하며 수소 경제의 성공에서 거버넌스의 중요성을 다시 한 번 강조하였다.
[자료 2. 한국수자원공사 유재진 차장 발표]
출처 : © 27기 권준혁
<유기성폐자원 이용 바이오수소 마더스테이션 실증 및 사업화> 송형운 연구위원(고등기술연구원)
송형운 고등기술연구원 연구위원의 발표에서는 유기성 폐자원을 이용한 바이오수소 마더스테이션의 사업 현황과 전략을 소개되었다. 바이오가스는 음식물 쓰레기, 분뇨, 하수 등 유기물이 분해되는 과정에서 발생하는 메탄가스를 활용한 에너지원으로, 이 바이오가스에서 수소를 추출해 그린수소를 생산할 수 있다.
특히 음식물 쓰레기는 하루 종일 지속적으로 발생하기 때문에, 이를 활용할 경우 수소 역시 24시간 안정적으로 생산할 수 있다. 폐기물로 인한 환경 문제를 해결하는 동시에 에너지 자원을 확보하는 일석이조의 효과를 지닌다. 송 연구위원은 충주 바이오그린 수소충전소를 대표 사례로 제시하며, 이 사업의 핵심 키워드로 ‘순환경제’, ‘지산지소’, ‘가격안정’을 강조했다. 지역에서 발생한 폐자원을 활용해 수소를 생산하고 이를 다시 지역 내에서 소비하는 구조를 통해 자원 순환 체계를 구축하고, 이 과정에서 공급 안정성과 가격 경쟁력을 확보하는 것이 중요하다고 설명했다.
[자료 3. 고등기술연구원 송형운 연구위원 발표]
출처 : © 29기 임혜원
-남는 수소 해결법, 마더스테이션
음식물 쓰레기 등 유기성 폐자원을 활용한 바이오수소는 24시간 안정적으로 생산이 가능하다는 장점을 지닌다. 그러나 실제 운영에서는 중요한 문제가 발생한다. 수소는 계속 생산되는데, 이를 소비할 수소차가 충분히 오지 않는다는 점이다. 공급은 안정적이지만 수요가 부족한 상황이다. 이 문제를 해결하기 위해 도입된 개념이 ‘마더스테이션(Mother Station)’이다. 이는 남는 수소를 다른 지역으로 운송하여 활용하는 시스템이다. 특정 지역에서 발생한 수소를 다른 수요처로 보내 활용할 수 있어 전체적인 수소 활용도를 높일 수 있다. 국내의 대표적인 사례로 충주 마더스테이션이 있다. 정확한 명칭은 충주 바이오그린 수소충전소이다. 바이오가스를 활용해 수소를 생산하고 충전까지 가능한 국내 최초의 바이오수소 융복합 충전소다. 수소차 충전 설비뿐 아니라 수소 유통수단인 수소튜브트레일러 충전 설비도 갖춰 인근 수소충전소에 수소를 공급하는 거점 역할도 동시에 수행이 가능하다.
-가동률·안정성·경제성 확보 방안
마더스테이션 시스템에서 중요한 것은 설비가 멈추지 않고 꾸준히 운영되도록 가동률과 안정성을 확보하는 것이다. 설비가 멈추지 않고 계속 돌아가야 경제성이 확보되기 때문에, 고장 없이 오래 운영하는 것이 핵심이다.
실제 운영에서는 가동률과 안정성을 높이기 위한 다양한 전략이 적용된다. 그 중 하나가 충전 압력을 기존보다 낮추는 방식이다. 일반적으로 수소차는 약 700bar로 충전하지만, 이를 450bar 수준으로 낮추고 절반 정도만 충전하는 방식이다. 충전 속도나 편의성은 일부 희생되지만, 설비에 가해지는 부담이 줄어들어 고장 가능성이 낮아지고 전체적인 운영 안정성이 높아진다. 또한, 실제 운영 데이터를 분석해 보면 특정 부품에서 고장이 집중적으로 발생하는 경우가 많다. 따라서 모든 부분을 개선하기보다, 고장이 가장 많이 발생하는 핵심 부품을 집중적으로 개선하는 전략이 더 효과적이다. 이를 통해 전체 시스템의 고장률을 낮추고, 결과적으로 가동률을 높일 수 있다.
운영 비용 측면에서는 전기 사용이 매우 큰 비중을 차지한다. 수소차는 불규칙적으로 방문하기 때문에, 충전 설비는 항상 준비 상태를 유지해야 한다. 수소는 충전 시 약 -40도까지 냉각해야 하는데, 차량이 오지 않더라도 이 냉각 시스템을 계속 유지해야 한다. 이로 인해 실제로 충전이 이루어지지 않는 시간에도 상당한 전력이 소비되며, 이는 전체 운영 효율을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다. 이러한 문제는 인버터 제어기술을 접목해 충전 안정성을 확보함으로써 해결할 수 있다. 인버터를 통해 영하 33도에서 40도까지 온도를 낮춰 냉각 효율을 극대화할 수 있기에 기존 시설 대비 15~20%가량 전력 에너지를 절감할 수 있다. 이는 곧 수소충전소 운영 비용의 부담 완화로 이어진다.
-수소도시 확대 속 주어진 경제성 과제
현재 이러한 바이오수소 사업은 충주 뿐만 아니라 청주, 용인, 파주 등 여러 지역으로 확산되고 있다. 특히 ‘미니 수소도시’와 같은 형태로 발전하면서, 지역 단위에서 에너지 자립을 실현하려는 시도가 이루어지고 있다. 하지만, 비용 측면에서의 어려움은 여전히 존재한다.
송 연구위원은 수소 가격을 7,700원 수준으로 낮출 수 있는지에 대한 질문에 대해서 현재로서는 어렵다는 답을 내놓았다. 그 이유는 “바이오수소 생산을 위해서는 먼저 바이오가스 플랜트가 구축되어야 하고, 수소 생산 및 충전 인프라 자체의 구축 비용이 매우 크다. 또한 유지관리 비용과 전기 비용까지 고려하면 전체적인 비용 구조가 높아질 수밖에 없다.”며 바이오수소 시스템의 경제성 부분을 언급했다.
이 사업의 핵심은 단순히 친환경 에너지를 생산하는 것이 아니라, 지속적이고 안정적으로 운영할 수 있는 시스템을 구축하는 것에 있다. 바이오수소는 지역의 자원 순환과 에너지 자립 측면에서 큰 의의를 가지고 있지만, 실제 상용화를 위해서는 운영 안정성 확보, 비용 절감이라는 현실적인 과제를 함께 해결해야 한다.
<국내 PEM 수전해 R&D 전략 및 현황> 장종현 책임연구원(한국과학기술연구원)
첫 번째 세션의 마지막 발표였던 장종현 책임연구원의 발표는 수소 산업을 단순한 기술 문제가 아니라 에너지 안보와 정책 관점에서 접근해야 한다는 메시지로 시작했다. 화석 연료 수입 의존도가 매우 높은 우리나라에서 수소는 에너지 자립을 일부 실현하고 공급망 다변화를 통해 에너지 수급 안정성을 확보할 수 있는 전략적 자산이라는 것이다.
[자료 4. 한국과학기술연구원 장종현 책임연구원 발표]
출처: © 27기 권준혁
장 연구원에 따르면, 수소 산업은 빠르게 성장하고 있지만 실제로 확정된 프로젝트는 제한적이며, 장밋빛 전망과 현실 사이에 큰 간극이 존재한다. 특히 글로벌 투자 규모는 매우 크지만 실제 가동 중이거나 확정된 공급량은 일부에 불과해 산업 초기 단계의 불확실성이 드러난다. 장 연구원은 수소 생산 방식과 기술 선택에서는 성능, 비용, 안정성 간의 상충 관계가 존재해 명확한 우선순위 설정이 필요하다는 점을 강조했다. 결국 수소 산업은 단일 해법이 아닌 전략적 선택과 장기적인 데이터 기반 접근이 필요하다고 볼 수 있다.
이어지는 내용에서는 수전해 기술과 산업화의 핵심 과제로 ‘신뢰성’과 ‘스케일업’ 문제가 제기됐다. 장 연구원은 국내 연구는 소재와 원천기술에는 강점을 보이지만 실제 산업 제품으로 이어지는 중간 단계가 부족하다고 지적했다. 특히 장기 신뢰성과 대형화 과정에서의 데이터 부족이 산업 발전의 병목으로 작용하고 있다. 이를 해결하기 위해 국가 차원의 연구 플랫폼과 데이터 축적, 그리고 산학연 협력이 필수적이다. 추가적으로, 수전해 분야 역시 AI 활용이 중요하지만 현재는 양질의 데이터 부족으로 인해 현재는 AI의 활용이 제한적인 실정이다. 따라서 수전해 분야의 적극적인 AI 활용을 위해서는 신뢰할 수 있는 대규모 데이터 구축이 선행되어야 할 것이다.
수소 스케일업의 핵심은 결국 산학연의 협력
첫 번째 세션의 발표들에서 공통적으로 강조된 내용들은 바로 '실제 산업 현장의 환경에 기반한 연구'였다. 연구실 수준에서 안정적인 운전 실적도 실제 산업 현장의 변동적인 환경에 노출되면 성능이 저하될 수 있다. 실제로 실제 산업에서는 연구실에서는 일어나지 않는 정전이나 대규모 스택 확대에 따른 유동 불균일 등의 문제가 발생하기 때문이다. 그러나 그러한 연구를 위해서는 실제 산업 현장에 대한 데이터가 먼저 제공되어야 한다. 기업들이 실제 산업 현장에 대한 정보를 제공하지 않으면 연구원들은 연구를 하고 싶어도 할 수 없기 때문이다. 결국 우리나라도 소재 중심의 연구에서 스케일업과 실증 중심의 연구로 확장하려면 산학연 협력이 불가피하다. 이번 H2MI 행사가 기업과 연구소 담당자들이 수전해 기술 개발과 관련한 서로의 애로사항을 이해하고 적극적으로 협력할 수 있는 계기가 되었으면 좋겠다.