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에너지기술연구원, 수소 생산기술 국산화

편집부 기자
입력 2020.07.01 00:00

수소경제의 상용화와 전·후방 산업 활성화

정부는 신성장동력을 발굴하고 육성하기 위해 규제혁신과 신산업 발굴 등의 노력을 기울이고 있다. 이 가운데 ‘수소경제’는 2018년 이후 3대 전략투자 대상으로 선정되면서 재생에너지와 연계해 원천기술 확보에 집중적인 투자가 이루어지고 있다. 최근 정부는 2016년부터 조성되어 운영중인 ‘에너지신산업펀드’(출자: 한전, 미래에셋)를 활용해 수소경제와 에너지신산업 초기기업을 육성하겠다고 발표하기도 했다(6월 14일). 이런 가운데 국내 연구진이 그린수소생산을 위한 고효율 수전해 핵심기술을 개발하고 시장보급형 고순도 수소생산유닛을 100% 국산화해 주목을 받고 있다.(메인 사진: 수전해 장치 정면의 모습)

정리 강창대 자료협조 한국에너지기술연원

한국에너지기술연구원 수소연구단 김창희 박사 연구진은 태양광, 풍력 등과 같이 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지를 이용하여 안정적이며 고효율로 수소를 생산할 수 있는 ‘부하변동 대응형 수전해 스택’개발에 성공했다. 수전해는 물을 전기분해하여 수소를 얻는 기술이다. 수전해는 고순도(99.999%)의 수소를 친환경적인 방법으로 생산할 수 있는 장점이 있지만, 고가의 전력비용이 발생한다는 단점이 있다.

분리막

전극

스택

간헐성·변동성에도 수소생산 문제없어

수소는 자연에 존재하는 가장 풍부한 원소지만 자체로 존재하기 보다는 석유나 석탄, 천연가스 등 화석연료나 물 등에 화학성분으로 존재하기 때문에 이들로부터 추출해야 한다. 그러나 화석연료에서 수소를 추출하기 위해서는 온실가스 배출이 불가피하다. 그래서 정부는 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 구축하면서 온실가스를 배출하지 않는 ‘그린(Green) 수소’로의 패러다임 전환을 추진해 왔다. 그린수소는 재생에너지를 활용해 수전해 방식으로 생산한 수소다.

재생에너지를 활용해 수소를 생산할 경우, 문제는 불안정한 전력 부하다. 이로 인해 수전해 시스템 성능이 급속히 나빠질 수 있다. 또한, 기상 조건 변화로 재생에너지가 수전해 시스템에 부하 대비 0~20% 정도로 적게 공급되면 수소와 산소가 섞인 혼합가스가 가연성 한계에 쉽게 도달하며 폭발위험을 높인다.

그런데 KIER 연구진이 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지가 공급되더라도 내구성과 효율이 높은 ‘전극’과 ‘분리막’을 자체 개발했고, 이 스택을 활용해 수전해 시스템 모듈을 개발했다.

82% 이상 높인 수소생산 효율

연구진은 수전해 분리막의 미세 구멍을 정밀제어 성능과 친수성을 향상시켰다. 이렇게 해서 높은 안정성과 이온전도성을 갖는 분리막 합성기술을 확보했다. 연구진이 개발한 분리막은 현재 상용하는 제품(Zirfon UTP500, Agfa)보다 가스혼합을 3배 이상 억제하면서도 3배 이상 높은 이온전도성을 보였다.

연구진은 이 기술을 통해 수소생산 효율을 82% 이상까지 끌어올렸다. 그리고 부하변동에 의해 발생할 수 있는 가스혼입 및 전극 효율 문제도 해결해 보다 넓은 출력범위(5~110%)의 연계 운전이 가능하도록 설계했다.

KIER 측은 부하변동 대응형 수전해 스택기술에 대해 “순수 국내 기술로 수소경제 사회 구현을 위한 그린수소생산의 길을 앞당겼다”며 의의를 부여했다. 또한, 향후 2022년에 예정된 새만금 등 대단위 재생에너지 단지에서 국내 수전해 기술로 그린수소의 대량생산이 가능할 것으로 전망했다. 그렇게 되면 수소경제 활성화와 더불어, 수소산업과 관련한 전·후방산업에 미치는 파급효과 역시 클 것으로 내다봤다.

200 ㎏/day급 고순도 수소생산 스키드 유닛

500 ㎏/day급 수소생산 유닛

경제적이고 고효율인 수소생산

KIER 연구진은 또, 도시가스 파이프라인을 연결하면 어디에서나 순수한 수소를 저렴하게 생산해 공급할 수 있는 ‘현장생산형(On-Site) 고순도 수소생산 유닛’의 원천기술을 100% 국산화했다. 이번 연구개발은 KIER 수소연구단의 윤왕래 박사 연구진이 이룬 쾌거다.

수소 인프라의 핵심 요소인 ‘현장생산형 천연가스 개질 고순도 수소생산 유닛’을 구축하기 위한 핵심기술의 국산화율은 40~50%에 불과하다. 그간 성능이 입증된 국산 제품이 없었기 때문이다. 수입 제품 사용은 초기 시설투자비가 1대당 30억 원까지 오르는 원인이기도 하다.

그런데 ‘수소경제 활성화 로드맵’의 2022년 목표치인 수소가격 6,000원/㎏의 경제성을 확보하기 위해서는 국산화율을 높여 유닛 1대앙 10억 원대 이하로 내려야 하고, 수소생산효율도 80% 이상이 되도록 해야 한다.

현장생산형 고순도 수소생산기술은 수소경제 이행을 위한 초기 핵심인프라 시설이다. 이 시설은 ‘리포밍 모듈’과 ‘정제 모듈’(VPSA)의 조합으로 구성된다. 리포밍 모듈은 천연가스와 수증기가 반응하여 각각의 반응물에 내재된 수소를 뽑아낸다. 이때 정제 모듈은 여기에 포함된 일산화탄소와 이산화탄소, 미반응 메탄 등의 불순물을 흡착하고 분리해 수소의 순도를 높여준다.

콤팩트하면서도 높은 효율

수소생산 시설의 효율을 높이기 위해서는 개질반응기(SMR)의 열 및 물질전달 설계가 중요하다. SMR(Steam Methane Reformaing)은 수증기 메탄 추출 방식으로, 메탄(천연가스)과 물을 연료로 700℃ 이상의 고온에서 촉매 반응시켜 수소를 추출하는 방식이다. 연구진은 SMR의 성능을 개선하기 위해 열교환 일체형 대류 열전달 개질기를 설계했고, 동시에 발열반응 자동제어 열교환형 수성가스 전이반응기를 모듈화하도록 설계해 콤팩트하면서도 효율을 높였다.

더불어, 순도가 높은 수소를 정제하기 위하여 기존의 PSA가 아니라, 진공압력변동 흡착(VPSA) 기술을 자체 개발했다. 그리고 탈착압력을 낮추면서 5가지 흡착제를 최적의 조건으로 배열하고 유효한 흡착량을 증대해 분리효율을 높였다. 그 결과 고순도 수소를 정제하면서 CO 농도를 0.2 ? 이하로 유지하는 수소생산 유닛을 만들게 됐다.

KIER의 현장생산형 고순도 수소생산 유닛 기술은 미국 에너지부와 일본 NEDO에서 초기 수소에너지 보급 사양으로 제시한 수소생산효율 75~80%를 상회하는 81%의 고효율을 기록했다.

또한, 도시의 기본적인 인프라인 LNG 공급망을 활용하면 추가적인 인프라 투자 없이 쉽고 안정적으로 경제적인 수소생산과 공급이 가능하다. 연구책임자인 수소연구단 윤왕래 박사는 이 기술과 관련해 “부생수소와 더불어 초기 수소경제 이행의 핵심공급원으로서 매우 중요한 역할을 하게 될 것”으로 전망했다. 그리고 시장 진입을 위해 신뢰할 만한 품질 데이터가 확보돼야 한다는 말도 덧붙였다.

이번 연구개발은 국가과학기술연구회가 지원하는 ‘BIG 연구사업’의 일환으로 2017년부터 4년 간 진행되고 있으며, 지난 5월 18일 한국에너지기술연구원 대전 본원에서 ‘가압형 모듈화 고순도 수소생산 유닛 국산화 설계기술’로 ㈜원일티엔아이와 총액 50억 원의 기술이전계약이 체결됐다.

㈜원일티엔아이는 KIER로부터 이전받은 ‘현장생산형 고순도 수소생산 유닛’ 기술로 정부에서 추진하고 있는 ‘분산형 소규모 수소생산기지 구축사업’에 적극 대응함과 동시에 거점형 수소생산기지를 위한 중형개질 시스템 ‘스케일-업’ 개발을 위한 기반기술로 활용할 계획이다.