[2023 국제그린에너지엑스포 후기]한국수자원공사, 그린 수소 경제로의 전환을 도모하다

[2023 국제그린에너지엑스포 후기]한국수자원공사, 그린 수소 경제로의 전환을 도모하다

대학생신재생에너지기자단 21기 곽서영, 23기 김예진

 

[한국수자원공사(K-water) 소개]

[자료 1. 한국수자원공사 로고]

출처 : 한국수자원공사

K-water는 ‘물로 미래를 만들고 행복을 나누는’ 대한민국 대표 물 전문 공기업이다. 1967년 설립 이후 국가 수자원의 종합적 이용과 개발을 통해 국가 산업 발전을 견인하고 국민 생활 향상과 공공복지 증진에 기여하는 등 역사의 마디마다 주어진 과제를 풀어왔다. K-water가 맡은 임무는 다음과 같다. 수자원의 종합적 이용∙개발을 위한 시설의 건설∙운영 관리, 광역상수도(공업용수도 포함) 시설의 건설∙관리, 산업단지 및 특수 지역 개발, 지방 상∙하수도 수탁 운영, 신재생에너지 설비의 설치∙운영 관리 등이다.
이번 2023 국제 그린에너지엑스포에서 한국수자원공사는 조력발전 기술, 수열 에너지, 수상태양광, 그린 수소에 대해 소개하였다. 그중에서도 2050 탄소중립 실현을 위한 그린 수소에 대해 취재한 내용을 바탕으로 그린 수소에 대해 자세히 알아보고자 한다.

 

[수소에너지 공급의 전체적인 과정]

수소에너지 공급은 ‘수전해 - 수소 공급 – 수소 저장 – 수소 공급 – 수소 충전소’ 으로 이루어진다. 재생에너지에서 생산한 전기로 수전해(전기분해)를 이용하여 물을 분해하여 이산화탄소 배출이 없는 친환경 수소를 생산한다. 이때, 수전해 기술은 AEC(Alkaline Electrolysis Cell), PEM(Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell)을 주로 사용한다. 생산해 낸 수소는 수소저장시설에서 저장되며, 수소충전소로 공급한다. 수소충전소에서는 수소를 연료로 하는 수소 차, 수소 비행기 등에 수소를 재충전해 준다.

[자료2. 그린수소 생산 및 활용 전시모형]

출처 : ⓒ23기 김예진

 

[수소 에너지 공급 방식]

수소를 공급해 주는 방식으로는 크게 3가지가 있다.

1. 배관(파이프라인) 이용

공급하는 곳까지의 거리가 가까울 경우에는 배관을 건설하여 수소를 공급한다. 배관은 경제적으로 최상의 운송 및 저장 매개체이기 때문에 많이 사용하는 방식 중 하나이다. European Hydrogen Backbone(2022년 4월)은 수소 이송을 위해 기존 천연가스 배관을 활용하는 것이 신규 배관을 건설하는 것보다 75~90% 투자비 절감이 예상된다고 보고하였다. 이는 한국가스공사에서 운영하는 천연가스 배관에 수소를 혼입하여 LNG 발전소 및 도시가스사에 공급함으로써 수소 배관 건설 비용 절감, 운송 비용 절감, 대용량 수소 이송 가능 및 탄소 배출 저감 등을 기대할 수 있다고 한다. 따라서 수소 전용 라인을 만드는 것보다 기존 라인을 개조한다면 경제적으로 많은 비용을 절감할 수 있을 것이다.

 

2. 튜브 트레일러

[자료 3. 튜브 트레일러]

출처: 이투뉴스

튜브 트레일러는 기체 수소 소량 운송용으로, 트럭으로 운반을 하고 있다. 이 방법은 거리가 멀 때 사용하며, 최근에 도로 위에서 흔히 볼 수 있다. 운송 후에는 튜브 트레일러 끝에 관을 꽂아 바로 수소를 사용할 수 있다고 한다. 또한 기체 상태의 수소를 담아야 하므로, 부피를 줄여야 하는 압축 과정이 필요하다.

 

3. 직접 공급 방식

[자료 4. 융복합 수소충전소]

출처: 미디어펜

수소 충전소 근처에 직접 압축기와 저장 탱크를 설치하여 직접 공급을 하는 방식이다. 즉, 수소 충전소에서 수소를 직접 생산해 차량에 공급하는 ‘융복합 수소 충전소’를 말한다. 융복합 수소충전소는 기체 수소를 운송 받아 공급하는 일반 충전소와 달리 LNG 바이오가스를 활용해 현장에서 직접 수소를 생산하기 때문에 많은 양의 수소가 필요한 수소버스나 수소 트럭에도 안정적인 공급이 가능하다. 또한 수소를 자체적으로 생산 및 공급함으로써 수소 원가의 상당 부분을 차지하는 운송비를 대폭 절감하고, 물류 대란 등 예상치 못한 공급 차질에 따른 영향도 최소화할 수 있다.

 

 

[수소생산-수전해 기술]

수전해 기술이란, 물을 전기 분해하여 분리막으로 이온을 이동시킴으로써 수소와 산소를 생성하는 전기화학적 기술을 뜻한다. 대표적인 수전해 기술로는 AEC(Alkaline Electrolysis Cell), PEM(Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell), AEM(Anion Exchange Membrane Electrolysis Cell), SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell)가 있다.

[자료 5. 수전해 기술의 비교]

 출처 : ⓒ23기 김예진

AEC는 전기 전도도를 높이기 위해 전해질로 알칼리성 물질인 KOH를 사용하고 음이온을 이동시키는 기술이다. AEC는 1920년대부터 1세대 기술개발이 시작되었으며 일찍이 상용화된 기술이다. 비귀금속을 이용하므로 구축 비용이 낮지만, 그린수소 생산을 위해 재생에너지와 연계했을 때 전력 생산 변동성에 대응하는 능력이 낮다는 단점이 있다.

PEM은 전해질 없이 순수한 물을 전기 분해하여 분리막을 통해 양이온을 이동시키는 기술이다. PEM 장치 내부의 강한 부식 환경에 대응하기 위한 고활성 귀금속 촉매, 전류밀도 및 내구성 향상 중심의 기술개발과 대용량 프로젝트가 진행된 바 있으며, 최근 재생에너지와 연계한 수소 생산 기술로 주목받고 있다. AEC 기술 대비 수소 생산성이 높고 재생에너지와 연계했을 때 변동성에 대응 능력이 높지만, 귀금속을 사용하기 때문에 구축 비용이 높다는 단점이 있다.

AEM은 AEC와 마찬가지로 알칼리성 물질인 KOH를 전해질로 사용하고 분리막을 통해 음이온을 이동시키는 기술이다. 수소 생산성과 전력 변동성에 대한 대응, 비용 측면에서 장점을 가지고 있어 AEC와 PEM의 장점을 모두 갖고 있는 기술이다. 현재 차세대 기술로 주목받고 있다.

SOEC는 고온 수증기 수전해로, 고체산화물 전해질을 이용해 800°C 이상의 고온 수증기를 전기 분해하여 수소를 생산하는 기술이다. 다른 수전해 기술에 비해 전력 사용량이 적어 에너지 효율 측면에서 우수하지만, 아직 상용화 이전 단계로 기술 개발이 이루어지고 있다.

한국수자원에선, AEC와 PEM를 이용하여 수전해를 진행한다고 했다.

 

 

[수소 저장 시설]

보통 수소차에 수소를 저장하기 위해서는 수소가 700 기압의 압력으로 압축되어야 한다. 따라서 수소 충전소에는 그 이상의 압력으로 수소를 압축한 후 수소를 공급해야 하기 때문에 모든 수소 충전소에는 압축기가 존재한다. 하지만 수소를 충전하면 충전소 저장탱크의 압력이 떨어지기 때문에 압력을 높이기 위한 대기 시간이 필요하다. 즉 압축기는 압축 정도에 따라 수소차 충전소에 영향을 준다고 할 수 있다. 압축기가 많을수록 많은 양의 수소를 충전할 수 있으므로 시간 단축이 가능하다. 이에 최근에는 시간 단축을 위해 직렬로 압축기를 2-3개 정도 배열한다고 한다.

 

 

[결론]

2023 국제그린에너지엑스포에서 한국수자원공사는 물, 재생에너지 인프라 및 관련 기술력을 기반으로 그린수소를 생산하고 활용하는 과정을 보였다. 이는 탄소중립을 실천하고 수소 경제 전환을 도모하며 그린수소 생산 기술 자립을 통해 해외 기술 및 자원 의존도를 감소시킬 수 있다는 기대효과를 가진다. 추진사업으로 소수력기반 그린수소 On-Site 충전시설을 구현, 수도권 서부지역 그린수소 생산 초석 마련, 댐 수력기반 대규모 그린 수소 생산을 진행한다고 하니 앞으로 주목할 만 하다고 생각한다.

 

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한국수자원공사 및 수소경제에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[ENTECH 후기] 한국수자원공사, 대한민국 물분야의 탄소중립을 이끄는 선도주자", 21기 오서영, 21기 한세민, 22기 유현서, https://renewableenergyfollowers.org/3810

[ENTECH 후기] 한국수자원공사, 대한민국 물분야의 탄소중립을 이끄는 선도주자

2. "울산수소시범도시로 보는 수소경제의 모든 것", 21기 한세민, https://renewableenergyfollowers.org/3697

울산수소시범도시로 보는 수소경제의 모든 것

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참고문헌

[한국수자원공사(K-water) 소개]

1) 한국수자원공사 홈페이지, https://www.kwater.or.kr/main.do?s_mid=1 

 

[수소 에너지 공급방식]

1) 권선형, “기계연, 도심 수소충전 시대 앞당기는 신개념 수소 압축기 개발”, 인더스트리 뉴스, 2022.11.18, http://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=47864

2) 권희원, “수소 직접 만드는 수소충전소 생긴다… 가스공사, 합작회사 설립”, 연합뉴스, 2022.10.26, https://www.yna.co.kr/view/AKR20221026063500003

3) 백종현, “천연가스 배관 활용 수소 이송, 호환성 검증 통한 체계적 연구 수행돼야”, 에너지플랫폼뉴스, 2023.04.25, http://www.e-platform.net/news/articleView.html?idxno=78097

 

[수소생산-수전해 기술]

1) 김기봉,김태경, “수소 생산”, 한국과학기술기획평가원, 2021.03.17, https://www.kistep.re.kr/board.es?mid=a10306040000&bid=0031&act=view&list_no=34997

2) “한화 전문가가 직접 설명해주는 ‘수전해 그린수소’ A to Z”, 한화저널, 2021.11.25, https://www.hanwha.co.kr/media/discover/view.do?seq=4585