비상걸린 요소수... 직접해수전해요수소!!

 

비상걸린 요소수...직접해수전해요수소!!

대학생신재생에너지기자단 18기 이지수, 19기 김정혁

 

요소수 대란에 따른 수소전환과정의 필요성

 최근 인터넷에서 ‘요소수 대란’이라는 토픽을 자주 접해보았을 것이다. 이 요소수가 무엇이길래 요소수 때문에 다들 말이 많았을까?

 요소수는 이름 그대로 요소 성분을 포함한 물로 주유소에 가서 차량 연료를 주입하는 것과는 별개로 필요한 촉매제이다. 일반 승용차와 화물차, 견인차 등 디젤 차량이 차를 운행할 때 나오는 배기가스 매연 속에는 많은 양의 질소산화물이 배출된다. 요소수는 이러한 질소산화물을 물과 질소로 분해해 주는 역할을 한다. 그러므로 요소수는 디젤 차량에 의무적으로 장착되는 배기가스 저감장치 SCR에 필수적으로 사용되어야 한다. 

 만약 디젤 차량에 요소수를 주입해주지 않으면 엔진 출력이 떨어져 시동이 걸리지 않는다. 또한 대부분의 질소산화물을 감소시키는 과정을 거칠 수 없어서 대기오염물질이 있는 그대로 배출되어 심각한 환경오염을 야기해 운행에 제한이 생긴다.

 이러한 요소수는 석탄에서 암모니아를 추출하여 요소를 만든 후 물과 섞어 만들게 되는데, 국내에서 유통되는 요소수의 대부분은 중국에서 수입해오고 있었다. 그런데 중국의 국가적 무역 문제와 국가 자체의 친환경 정책으로 인해 석탄 수입량이 줄어들고 석탄 사용을 규제하려 들면서, 중국에서 요소수를 만들기 위해 드는 생산원료의 단가가 올라가고 요소 생산이 감소하였다. 이에 거의 수입에 의존해서 요소수를 공급받던 한국은 직격탄을 맞아 요소수 품귀 현상이 일어나게 된 것이다.

 

[자료 1. 요소수 품귀현상으로 곤란해하는 사람들의 글]

출처 : 당근마켓 (본인 캡쳐)

 

 요소수 대란을 겪고 난 이후, 사람들은 필수적인 에너지원을 더는 수입에만 의존하면 안 되는 것과 탄소 중립의 중요성을 한 차례 더 느끼며 내연기관차 사용을 기피하게 될 계기가 되었다. 이에 따라 수소 화물차가 대안책으로 주목받고 있다. 수소전기차 같은 친환경 모빌리티는 우선 탄소 배출이 적다는 장점이 있고 수소는 신재생에너지로 생산되었던 잉여 전력을 저장하여 에너지 저장소의 역할도 할 수 있다. 또한 수소 화물차는 배터리에 대비해서 에너지 밀도가 클 뿐 아니라 무게도 가벼워서 물류 운송용으로써 큰 장점을 가지고 있다.

수전해에 대한 소개와 문제점

 현재 수소를 얻기 위해서 가장 보편적으로 사용하는 방식은 천연가스를 고온, 고압에서 수증기와 화학 반응시켜서 순수한 수소를 생산하는 천연가스 개질 방식이다. 수소 에너지가 친환경적이라고 하지만 천연가스 역시 화석연료이기 때문에 이 방식을 사용하게 되면 이산화탄소가 많이 발생하여 흔히 브라운, 그레이 수소라고 불린다.

[자료 2. 개질 수소 / 수전해 수소 생산 방식]

출처 : HMG 저널

 수소를 얻는 다양한 생산과정을 다룰 때 수전해에 대해 들어보았을 것이다. 수전해 방식은 물에 전기에너지를 가해서 수소와 산소로 분해하는 방식으로 수전해 기술을 사용하게 되면 생성물로 수소와 산소만이 생산되기 때문에 오염물질이 배출되지 않는 친환경적인 에너지 생산 방식이다. 그렇기에 수전해 방식으로 얻어진 수소는 그린 수소라고도 불린다. 또 전기에너지를 사용하여 수소로 변환 후 저장하기 때문에 간헐성이 있는 신재생에너지의 단점도 보완하여 에너지 생산량을 고르게 할 수 있다.

 수소를 생산할 때 환경에 악영향을 미치지 않는 수전해 방식을 채택하면 좋겠지만, 수전해를 완전히 친환경적으로 사용하기 위해서는 태양열, 풍력 같은 신재생에너지 발전을 통해 얻은 전기로 물을 분해해야 한다. 하지만 아직까지 수전해 수소 생산을 위해 설치된 인프라는 매우 적기 때문에 이 방식으로 수소를 생산하면 들어가게 되는 전력량이 상당히 많다. 그리고 수전해 설비에는 순도가 매우 높은 정제수나 불순물이 없는 2~30%의 KOH 용액의 전해액을 사용한다. 이론적으로 1톤의 수소를 생산할 때 물이 18톤 정도 필요하다고 언급되는데 1톤의 정제수를 만들기 위해 2톤의 물이, 1톤의 수소를 생산하기 위해 9톤의 정제수가 필요하다. 이렇게 기존의 기술로 수전해 방식을 사용하게 되면 생산 단가가 크게 높아지므로 아직까지는 국내에서 수전해 방식을 상용화시켜 수소를 생산하기는 어려운 상황이었다. 

직접해수전해에 대한 소개와 문제점

 반면, 무한한 수자원인 바닷물을 바로 전해액으로 사용해 그린수소를 생산하는 직접해수전해*는 전해액과 관련된 비용과 환경문제를 최소화할 수 있는 기술로 각광받고 있다.

* 직접해수전해(direct seawater electrolysis): 바닷물을 바로 전해액으로 사용해 수소를 생산하는 전기화학 기술. 정제/담수화 과정에 대한 투자 비용(CAPEX)과 운영 비용(OPEX)을 크게 감축할 수 있으며 알칼리인 수전해에서 필요한 순수 염과 가성칼륨을 제조하는 과정에서의 탄소발자국을 최소화할 수 있어 환경친화적이다.

 하지만 이러한 직접해수전해에도 문제점이 있었다. 환원 전극에서 물 환원반응을 통해 수소가 생산되고 해수 염기성화가 진행되면서 해수에 포함된 마그네슘 양이온이 반응해 무기 침전물이 형성된다는 것이다. 무기침전물은 해수전해의 전류밀도를 크게 감소시키고 흐름 기반 스택 개발에 걸림돌이 되는 만큼 이를 해결할 방법이 필요했다.

직접해수전해 문제점 해결 연구 소개

이러한 가운데 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 해양융복합연구팀 한지형 박사 연구팀이 바닷물에서 바로 수소를 생산할 때, 해수 산성화를 유도해 분산형 무기 침전물을 완전히 억제하고 전극 계면에서 무기 침전물의 성장 속도를 감소시켜 직접해수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 최초로 확보했다고 밝혔다.

한지형 박사 연구팀은 물 해리반응(Water dissociation:　H2O → H+ + OH-)이 일어나는 양극성 막*을 격막으로 사용해 추가 화학물질을 사용하지 않고 천연 해수를 산성화시켜 무기 침전을 제어했다.

* 양극성 막(bipolar membrane, BPM): 양이온 교환층(cation exchange layer, CEL)과 음이온 교환층(anion exchange layer, AEL)으로 이루어진 이중층 구조 사이에 물 분해를 돕는 촉매가 포함되어 있다. 양 단에 전압이 걸리면 물 해리반응을 통해 물은 양성자(H+)와 수산화이온(OH-)로 분리된다.

[ 자료 3. 양극성 막을 격막으로 사용한 해수전해 모식도]

출처: 한국에너지기술연구원

  [ 자료 4. 해수산성화 메커니즘 설명 ]

출처: 한국에너지기술연구원 

 해수산성화의 메커니즘은 다음과 같다. 물 환원반응으로 수소(H2)와 수산화이온(OH-)이 생성되고, 수산화이온은 해수에 포함된 마그네슘 양이온(Mg2+)과 결합해 무기침전물(녹색 부분)이 전극 표면에 형성된다. 이 무기침전반응이 수산화이온을 전극 계면에 잡아두는 역할을 해 해수의 pH 상승을 억제한다. 이와 동시에 양극성 막의 물 해리반응으로부터 생성된 양성자(H+)는 해수의 pH를 감소시킨다. 이러한 무기침전반응과 물 해리 반응간의 시너지 효과로 인해 해수는 산성화된다.  

 결과적으로 물 환원반응, 무기침전반응, 그리고 물 해리반응의 상호작용을 통해서 해수는 산성화된다. 해수 산성화는 분산형 무기침전물 형성을 완전히 억제하고 환원전극 계면에 형성된 무기침전물의 두께를 최소화하며 환원전극전압을 낮추는 역할을 한다.

 [ 자료 5. 기술의 비교우위성/기존 기술 대비 차별성 ]

출처 : 한국에너지기술연구원

 

 직접해수전해 기술에 대한 기대 

 해당 연구는 해수 산성화 현상을 처음 확인한 기초연구단계이다. 하지만  직접해수전해의 국내외 연구는 촉매 개발에만 집중되어 있었다. 또한 산소 발생 반응이 선택적으로 일어나고 고전류밀도를 견디는 고성능 촉매가 개발되고 있으나 단위 셀에서의 기초연구에만 머물고 있다. 특히, 실제 해수를 사용할 경우 발생하는 환원전극에서의 무기침전문제를 해결하는 방법을 제시한 연구는 전무하다. 그렇기에 이 연구는 국내외로 큰 성과라고 볼 수 있다.

 해양융복합연구팀 한지형 박사는 “양극성막(격막)과 해수(전해액)의 조합은 전기화학 연구에서 최초의 사례이며 해수 산성화라는 새로운 현상을 발견하였다.”며, “이번 연구를 통해 직접해수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 원천기술을 확보하였고, 대용량 스택 개발의 가능성을 크게 높였다.”고 말했다.

 직접해수전해는 해수를 전해액으로 사용하기 때문에 해수담수화 및 초고순도 공정에 필요한 제반시설에 대한 제약 없이 바다가 인접한 어느 곳에서나 수소 생산을 가능하게 하여 수소경제 활성화에 기여할 수 있다. 또한 이번 연구를 통해 무기침전문제를 해결할 방법을 제시함으로써 직접해수전해 스택 개발의 가능성이 더 커졌으며, 부유식 해상 풍력 플랫폼과의 연계 시스템을 통한 해양 그린수소 생산을 기대할 수 있다.

 

---

참고문헌

[요소수 대란에 따른 수소전환과정의 필요성]

1) 임애신 기자, 이데일리, ‘"막 내리는 디젤차 시대"…올해 들어 판매 23% 감소’, 2021.11.18  https://www.edaily.co.kr/news/read?newsId=02374726629247032&mediaCodeNo=257&OutLnkChk=Y

2) 도경환 수소에너지네트워크 대표, 동아닷컴, ‘수소충전소로 변신하는 주유소[기고]’, 2021.11.29 https://www.donga.com/news/article/all/20211127/110482972/1

3) 병원미니멀, 건강보험 병원 블로그, ‘요소수 화학식 SCR 시스템 알아보자’, 2021.11.06 https://hospital9.tistory.com/entry/%EC%9A%94%EC%88%98%EC%86%8C-%ED%99%94%ED%95%99%EC%8B%9D-SCR%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C-%EC%95%8C%EC%95%84%EB%B3%B4%EC%9E%90

4) 이윤애 기자, 뉴스팜, ‘'디젤차 필수' 요소수 품귀...가격 1만→12만원까지 뛰었다’, 2021.11.02 https://m.newspim.com/news/view/20211102000496

[수전해에 대한 소개와 문제점]

1) PMG 지식엔진연구소, 박문각, ‘수소 생산 방식’, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=6233836&cid=43667&categoryId=43667

2) 이현수 기자, 한국전력 굿모닝, ‘100% 청정 수소를 위한 첫걸음, 수전해 기술’, 2021.02.19https://blog.kepco.co.kr/2027

3) 최두선 기자, 파이낸셜 뉴스, ‘불붙은 그린수소 열전…UCI·이엠코리아 등 '수전해 수소株' 관심, 2020.11.16 https://www.fnnews.com/news/202011160837338088

[직접해수전해에 대한 소개와 문제점], [직접해수전해 문제점 해결 연구 소개],  [직접해수전해 기술에 대한 기대]

1) 한국에너지기술연구원, 바닷물 수소 생산의 걸림돌...무기침전문제 최소화 기술 개발, 2021.11.24  https://energium.kier.re.kr/sub040101/articles/view/tableid/news/category/2/id/4726