韓 수소생산 잠재 시장 막대

■ 국내 산업동향

1) 알칼리 수전해

1980년대는 가스제조 업체에서 단극식 알카라인 물 전기분해 장치를 제작하여 수소를 생산하기도 하였으나 효율 및 경제성의 문제로 운전을 중단하였으며, 1980년대 말부터 수소와 산소의 혼합가스(브라운가스 발생기)를 발생하는 발생기가 용접 및 절단용으로 상품화하기 시작하였으며, 현재 이들 제품이 제작 시판되고 있다. 2000년 이후 알카라인 수전해 장치에 대한 기술개발이 이루어져 현재 엘켐텍, 이엠코리아, 웨스피, 오선텍 등에서 수소제조 용량 최대 약 60 N㎥ H2/hr 까지의 수전해 장치가 제작 판매되고 있다.

이엠코리아(주)는 대구에 위치한 수소스테이션을 포함해 4군데(부안, 제주, 광주)를 가동 중이다. 이중 대구 수소스테이션은 수전해 장치, 가스압축기, 압력용기, 디스펜서 등으로 구성되어 있고 최대 시간당 60N㎥/h(15N㎥ 용량의 수전해 스택 4개)의 수소 생산이 가능하다.

현재 국내 수전해 관련 연구개발은 시스템 및 전극 개발에 집중되어 있으며, 알칼리 수전해용 고분자 전해질 막의 개발은 대학 및 연구소에서 진행되고 있으나, 아직 시스템에 적용될 만한 성능은 나타내지 못하고 있다.

국내에서는 알칼리 전해질을 이용하는 수전해 장치 및 전극 시스템에 대한 연구에 초점이 맞추어져 있으므로 다양한 pH 환경에서 활용이 가능한 촉매 연구의 필요성이 있으며, 고효율 수소 및 산소 발생 반응을 위한 촉매 개발 기술은 미국, 일본, 유럽 등에서 지속적으로 연구가 진행되어왔으나 국내는 관련 기술이 미비하다. 알칼리 수전해용 격막의 개발은 대학 및 연구소에서 진행되고 있으나, 아직 시스템에 적용될 만한 성능은 나타내지 못하고 있다. 따라서 다양한 촉매들 및 격막을 이용한 기술 개발을 통해 연계기술이 확립되면 수소 발생 기술의 신 시장 창출에 직접적인 기술적 파급을 미칠 수 있을 뿐만 아니라 관련 시장에 파급효과를 낼 수 있을 것으로 보인다.

2) 양이온 교환막 수전해

국내에서는 엘켐텍이 2003년부터 PEM 방식의 수전해 장치 개발을 진행해 오고 있으며 2009년도에 시스템을 완성하였다. 140bar의 고압으로 수소를 생산할 수 있는 시스템을 개발 하였으며 현재 350bar에 해당하는 압력으로 수소를 생산할 수 있는 시스템을 개발하고 있다. 상용품으로 1~10N/㎥ 으로 10bar 이상의 수소를 생산할 수 있는 H2Gen 제품을 개발 하였다.

웨스피에서는 2013년에 전극 면적이 25㎠인 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)를 10장 적층하여 최대 50L/h 로 수소를 생산할 수 있는 PEM 방식의 수전해 장치 및 핵심 부품인 PEM 수전해 스택 및 막전극접합체를 개발하였다.

수전해법 중 전통적인 방식인 알칼라인 수전해에 비해 기술 수준이 높고 원천 소재 기술의 영향을 많이 받는 양이온 교환막 수전해 산업은 국외보다 활성화 되어 있지 않다. 높은 전류밀도에서 고압으로 고순도의 수소를 생산할 수 있어 소형화 하여 적용할 수 있는 분산전원용, 응급발전용 수소생산 장치에 적용 가능성이 높은 양이온 교환막 수전해 시스템에 대한 수요가 증가 할 것으로 보여 보다 많은 투자가 이루어져야 할 것으로 보인다.

3) 음이온 교환막 수전해

국내에 음이온 교환막 수전해 산업은 전통적인 알칼리 수전해 및 양이온 교환막 수전해 산업에 비해 거의 형성이 되어 있지 않은 상태이다. 현재는 학교, 연구소 등에서 연구 개발 수준에 머물러 있다.

4) 국내 수소 시장

국내의 수소시장 규모는 산업용만으로도 유통량 기준 300∼400억 원, 총량기준 6천억 원에 이르며, 국내 45만 톤, 전 세계적으로 4,500만 톤(5천억 ㎥)이 산업용 등의 목적으로 사용되고 있는 것으로 추산된다. 또한 수소는 석유화학산업, 전자, 재료, 반도체 제조공업, 제철공업 및 우주 항공 산업 등에서 수요가 꾸준히 증가하고 있으며(매년 5∼10% 증가), 특히 차세대 운송 장치인 수소 연료전지 자동차의 운영이 다양하게 실용화 될 경우, 그 잠재 시장 규모는 막대할 것으로 보인다. 현재 우리나라 수소관련 기술 수준은 선진국 대비 평균적으로 수소제조와 저장은 55∼60%, 연료전지는 65∼70% 정도인 것으로 보고 있다. 이에 따른 국산화율 정도는 대략 70% 정도 이다.

촉매·격막 연계기술 신시장 창출 파급
국산화율 70%, 많은 투자 이어져야

■ 세계 산업동향

1) 알칼리 수전해

국외에서 알칼리 수전해 방식의 수소생산은 현재 IHT, Hydrogenics, NEL Hydrogen, Hydrotechnik, Accagen 등 많은 회사에서 개발되어 상업적으로 사용되고 있는 기술이다.

미국의 Teledyne Energy Systems사는 알칼리 수전해로 수소를 대량 생산 가능한 생산 공장과 보다 소규모인 시간당 약 11N㎥ 의 생산량을 보이는 컴팩트한 수소 제조 장치도 개발 하였다. NEL 사에서는 최대 시간당 485N㎥ 의 수소 생산이 가능한 대용량 시스템인 A-485를 개발하였다.

2) 양이온 교환막 수전해

PEM 수전해의 경우 Proton, Giner, Kurchatov, Siemens 등에서 최근 많은 개발이 이루어지고 있으며, 다른 기술들에 비해 높은 전류밀도와 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 하지만 귀금속 및 불소계 고분자막의 사용으로 인한 높은 비용과 산화전극의 부식이 여전히 문제로 여겨지고 있다.

국내와 마찬가지로 연료전지용 양이온교환막(불소계)이 최근 개발되는 수전해 시스템에 그대로 적용되고 있으나, 높은 비용으로 인해 이를 대체하기 위해 많은 연구개발이 이루어지고 있다. 최근 경제성을 높이기 고압 수소를 생산하는 수전해 시스템을 개발하고 있으며, 이를 위해서 고분자 전해질 막의 기계적 강도를 높이는 노력이 이루어지고 있다.

미국 Giner Electrochemical Systems사에서는 규칙적인 기공을 가지는 지지체를 이용하여 전해질 막(dimentioanlly stable membrane, DSM)을 제조하였으며, 이렇게 제조된 전해질 막은 높은 치수안정성을 보였고, Nafion보다 높은 성능을 나타내었다. 또한 5,000psig의 고압에서 수소 생산이 가능하며, 5,000시간의 테스트를 통해 내구성을 입증하였다.

미국 Hogen에서 수소를 6 N㎥/hr의 용량으로 15기압까지의 제품이 생산되고 있으나 아직까지 전해효율은 낮고 일본의 경우 WE-NET Project에서 단위셀 면적 2,500㎠의 5단 스택을 개발하였으며, 1기압, 80 ℃, 1 A/㎠의 전류밀도에서 94.4%의 에너지 변환효율을 달성하였다. 미국의 PEM 수전해 분야에서 가장 앞서 있는 GEN사는 다양한 용량의 수전해 스택(최대 전극 면적: 3,000㎠, 최대 수소 생산량: 2,350 kg/day, 최대 압력: 82.7bar) 및 최대 200N㎥/h의 수소를 생산할 수 있는 시스템을 개발했다. 미국의 PEM 방식의 수전해 시스템 판매 회사인 Proton Onsite는 분당 200ml의 수소부터 대용의 수소 생산 가능한 다양한 종류의 시스템을 판매하고 있다.

3) 음이온 교환막 수전해

음이온 교환막을 이용한 수전해 장치는 막의 성능, 신뢰성 및 부식에 대한 문제로 인해 상용화에는 한계가 있다. 그래서 몇몇 회사를 제외하고는 아직 음이온 교환막 수전해 방식의 시스템과 스택 상품을 개발해 상품화 하지 못하고 있는 실정이다.

이탈리아의 ACTA S.P.A. 사에서는 비귀금속 촉매와 음이온 교환막을 사용하는 음이온 교환막 방식의 시간당 최대 1,000L의 수소를 생산 가능한 시스템 및 스택을 상용화하여 판매하고 있으며, 관련 산화·환원 전극용 비(非)귀금속 산화물 촉매 및 MEA 제작에 사용하는 음이온 교환 ionomer 용액도 개발하였다.

4) 세계 수소시장

세계 평균 에너지소비 증가율은 1.6% 정도이고 2030년까지 수소 에너지 시장은 3,000억 달러 규모에 이를 것으로 보이고 최종 에너지 대비 수소 사용량 비중은 2040년 약 15%까지 확대될 것으로 보인다. 세계 수소시장은 2011년 875억 달러에서 연 평균 6.2% 성장하여 2016년 1,180억 달러로 증가할 것으로 예상되며, 생산된 수소의 대부분은 석유화학제품 및 암모니아 생산에 이용되고 있다.

선진국(미국, 유럽 등)에서는 수소산업의 본격적인 시장 진입을 2010∼2020년 보급단계에서 수소 연료전지 자동차 약 500만대, 정치용 연료전지 약 1,000만대를 예측하고 있으며, 일본의 경우 이 단계에서 약 4,000대의 수소스테이션이 필요한 것으로 예측하고 있다.

■ 미래의 연구방향 및 정책 제언

산업혁명 이후 인류는 눈에 띄는 발전을 거듭하고 있지만 무분별한 화석연료의 사용으로 인해 많은 온실가스가 발생하였고 이로 인해 지구 온난화가 진행되었으며 지난 133년 동안 지구의 평균온도는 0.85℃ 상승하였다. 온도 상승을 1.5℃ 이하로 막지 못할 경우, 자연재해, 식량 부족, 무력 분쟁 등 과 같이 인류에 심각한 영향을 줄 것으로 보인다. 이와 같은 이유로 인해 온실가스 감축을 위한 국제 사회의 논의가 본격화되었고, 2015년 12월 UN 기후변화 당사국총회에서 파리 기후변화 협약(COP21) 합의문이 도출됨에 따라 Post-2020 신 기후 체제가 본격적으로 출범하였다.

한국은 국제적 책임과 국가 여건의 조화를 고려하여 2030년 온실가스 감축목표를 배출전망치(BAU) 대비 30%에서 37%(국내 25.7% + 국제 탄소 시장 11.3%)로 공표하고, 이를 구체화하기 위한 정책 수립을 시작하였다. 주요 온실가스 감축 방안으로 신재생 에너지 보급 확대, 석탄화력 비중 축소, 에너지 효율 향상 및 이산화탄소 포집 활용 및 저장(CCUS) 기술의 도입 및 상용화 등 다양한 기후변화대응 기술을 확대 개발하여 대응하고자 하고 있다.

근본적인 온실 가스 감축은 에너지원의 변화에서 찾을 수 있다. 탄소 기반 에너지원에서 수소 기반의 에너지원으로 변하게 된다면, 온실 가스 배출은 급격히 감소 또는 발생 자체가 없을 수 있을 것이다. 하지만 수소경제사회로 이행되기 위해서는 많은 노력과 투자가 필요하기에 서서히 진행될 것으로 보인다. 수소 경제체제에 진입을 위해서는 수소의 생산, 저장, 이동, 이용 등 많은 분야에서 기술 발전이 되어야 한다. 수소 생산의 경우, 현재는 화석연료에서 대부분의 수소를 얻고 있어 청정 에너지원이라 할 수 없다. 그래서 미래 연구 방향은 태양광, 풍력 등의 무한한 신재생에너지원으로부터 생산된 전력으로 물을 전기분해 하여 수소를 생산하여 이용하게 되면 진정한 의미의 무탄소 청정 에너지원이라 할 수 있을 것이다.

전체 수소 생산량 중 수전해에 의한 수소는 전체 에너지 수요 10%, 수소 6,670X109㎥ 에 이를 것으로 전망하고 있다. 대부분의 나라에서는 수소생산을 분산 및 중앙 생산 방식으로 나누고 있으며, 저온형 수전해의 경우 분산 생산이 적절하다.

저온형 수전해 방식에서 가장 중용한 것은 운전 환경에 맞는 소재의 개발, 적용 및 최적화라고 할 수 있다. 언급한 3가지 방식 중 완벽한 방식은 없기 때문에 각 수전해별로 극복해야하는 분야에 대한 집중 연구 개발이 필요하다. 알칼리 수전해는 고성능의 고안정성 촉매, 고효율 격막 및 부식방지 소재에 대한 연구, 양이온 교환막 수전해는 귀금속 촉매 저감·대체 소재 개발 및 고효율 저가 양이온 교환막 개발, 음이온 교환막 수전해는 고성능 비귀금속 소재 및 100℃까지 열적안정성이 있는 고효율 음이온 교환막 개발이 필수라고 할 수 있다. 현재 수전해 분야에서 전 세계적으로 기술의 독점적 지위를 가진 업체, 국가가 없는 상황이어서 충분한 투자 및 기술개발을 통해 향후 세계 수소 제조 기술을 선도할 수 있을 것이다.

정부는 기본적으로 수소경제사회로 나아가기 위한 분야에 대한 적극적인 지원 정책을 수립하고 추진해야 한다. 현재 신재생에너지 보급 사업을 통해 정책적 노력을 하고 있지만, 2012년 OECD 기준으로 신재생에너지 비중은 약 2%로 전체 34위로 최하위에 머무르고 있는 등 부족한 편이다. 일본의 원전사고와 신(新)기후체제의 등장으로 신재생에너지 보급 확대의 공감대는 형성되었으나 정책 추진여건은 여전히 취약하다. 공공기간의 신재생에너지설비 설치 의무 비율의 대대적 확대, 경쟁력이 취약한 소규모 사업자에 대한 정책지원강화, 신재생에너지 설치에 대한 정부 보조금 지원, 신재생 관련 규제·제도의 현실화 및 미래화 등과 같은 정책적 기반 마련이 중요하다. 정부의 적극적인 정책지원과 유관 산·학·연이 각자의 역할에 충실하게 되면 수소제조분야 뿐만 아니라 수소경제사회를 이룩하는데 필요한 주요 기술들을 선점하여 주도할 수 있을 것이다.

▲ <그림 3-5-2-41>(a)이엠코리아가 대구에 준공한 국내 최대 규모의 수전해 수소스테이션

▲ <그림 3-5-2-42>(a)엘켐텍에서 개발한 PEM 형 수전해 장치 H2Gen

▲ (a)웨스피에서 개발한 PEM형 수전해 장치 WESPE 2510XA

▲ (a)미국 Teledyne Energy System사 수소생산 공장(Titan H2Oasis)

▲ <그림 3-5-2-45>NEL 사의 A-485(시간당 485Nm3의 수소 생산 가능)

▲ <그림 3-5-2-49>세계 수소시장 규모 및 전망

▲ <표 3-5-2-4>분야별 수소 수요 전망

▲ <표 3-5-2-5>수전해 장치 국내 선도기업

▲ <표 3-5-2-6>수전해 장치 국외 선도기업