그린수소 생산 기술 등 신성장 동력 발굴 절실

수소생산 소재·부품·스택·시스템 등 원천기술 확보 必

알칼라인·고분자전해질막·고체산화물 수전해 등 연구중

■수소생산소재 기술 정의 및 분류

수소는 화석 연료를 대체할 차세대 에너지원으로서 단순한 에너지원을 넘어 수소 경제로 대표되는 경제 및 산업 구조 전반에 큰 파급력을 가진 기술이다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 자원으로 화석 연료와 달리 고갈의 염려가 없으며, 국지적으로 존재하지 않으므로 전 세계 각국의 에너지 자립 및 안보가 가능하다.

또한, 파리기후변화협약 2015년 유엔 기후 변화 회의에서 채택된 조약을 통해 세계 각국이 탄소 배출 감소를 위하여 집중하는 상황에서 수소는 탄소를 전혀 배출하지 않는 지속 가능한 친환경 에너지원으로서의 잠재력이 크다고 할 수 있다.

화석 연료는 유용한 에너지 공급을 통하여 인류 역사 발전에 결정적인 역할을 해 왔으나, 온실가스 배출로 인한 지구 온난화 현상 등 지구 환경에 심각한 위협을 가하는 주원인이기도 하다. 이에 전 세계 에너지원의 80% 이상을 차지하는 화석 연료를 지속 가능한 친환경 에너지원으로 전환하기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있다.

풍력, 태양광을 필두로 한 친환경 신재생에너지원 개발이 대표적이다. 그러나 신재생에너지원은 적시적지(適時適地)하지 않은 특징으로 인하여 고품질의 전력 공급이 어렵다는 단점이 있다. 이러한 어려움을 극복하기 위하여 간헐적이고 불규칙적으로 생산되는 신재생에너지의 전력을 안정적으로 저장·유지하며, 필요할 때 즉각적으로 전력을 공급할 수 있는 대용량 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)의 요구가 증대되고 있다.

수소 에너지는 신재생에너지를 저장하는 주요한 방식 중 하나로 사용될 수 있다. 전기 에너지를 또 다른 매체의 전기 에너지로 저장하는 방식인 ESS와는 달리 전기 에너지를 연료의 화학 에너지로 저장하는 P2G(Power to Gas) 기술을 활용한다. 이를 통하여 수소 에너지는 1GW 수준의 대용량 전기 에너지를 장기간 효율적으로 저장할 수 있는 에너지저장 기술로 주목받고 있다.

현재 사용되는 수소 생산기술은 생산 과정 중 탄소 배출 정도에 따라 크게 고탄소 수소 생산, 저탄소 수소 생산 및 그린 수소 생산으로 분류할 수 있다.

고탄소 수소 생산은 탄화수소 개질과 탄화수소 열분해 등 화석 연료를 원료로 하는 수소 생산 방법이며 생산 과정 중 다량의 이산화탄소를 배출한다. 천연가스의 수증기 개질(Steam reforming)이 대표적인 고탄소 수소 생산 방법이며, 전 세계 연간 7900만 톤 수소 생산의 약 50%를 차지하는 가장 주요한 수소 생산 방법이다.

정유 및 화학 부문의 부생(副生) 수소는 전 세계 연간 수소 생산 중 30% 수준을 차지하며, 중국을 중심으로 석탄가스화로부터 생산되는 수소는 전 세계 연간 수소 생산 중 약 18%를 차지한다.

이를 통해 알 수 있듯이 현재 전 세계 수소 생산의 약 98%는 화석 연료로부터 생산되며, 이로부터 발생하는 이산화탄소는 연간 약 8억 3000만 톤에 달한다. 저탄소 수소 생산은 고탄소 수소 생산 기반으로 수소를 생산하나 생산 과정에서 배출되는 이산화탄소를 CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage) 기술을 활용하여 포집 및 제거한 수소 생산 방법이다.

CCS(Carbon Capture and Storage) 기술은 배출되는 이산화탄소를 포집 및 수송하여 육상 및 해저 등의 지하 지층에 폐기하는 기술이며, 고비용, 장소 선정의 어려움, 제한된 저장량, 환경 파괴 등으로 인하여 최근 기술 개발이 다소 주춤한 상황이다.

CCU(Carbon Capture and Utilization) 기술은 배출되는 이산화탄소를 화학적·생물학적 방법을 통해 연료, 화학 원료, 건축 자재 등 유용한 물질로 전환하는 기술로 국내외적으로 활발한 연구 및 투자가 진행 중이다. 이미 일부 기술은 상용화되어 수증기 개질 공장에 적용 및 가동 중이며 탄소 배출량을 최대 90%까지 감소시킬 수 있음이 실증되었다.

그린 수소 생산은 물을 전기분해하는 수전해 기술을 사용하여 수소를 생산하는 방법으로, 생산 과정 중 탄소가 전혀 배출되지 않는 친환경적인 수소 생산 방법이다. 현재는 높은 생산 비용으로 인하여 전 세계 수소 생산의 0.1 % 미만을 차지하고 있으나, 세계 각국에서 연구 및 기술 개발이 활발히 진행되고 있고 신재생에너지와 연동된 친환경적인 수소 생산이라는 점에서 향후 진정한 의미의 수소 경제를 구성하는 수소 생산기술을 담당할 것으로 예측된다.이에 본 백서에서는 그린 수소 생산기술 및 소재에 대하여 집중적으로 논의하고 향후 연구 및 기술 개발 방향에 대하여 제언하고자 한다.

■ 기술의 원리

현재 수전해 기술로 알칼라인 수전해(Alkaline Electrolysis Cells, AEC), 고분자 전해질막 수전해(Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cells, PEMEC), 고체산화물 수전해(Solid Oxide Electrolysis Cells, SOEC)의 세 가지 주요한 기술이 존재한다. 알칼라인 수전해는 1920년대부터 비료 산업을 위한 수소 생산에 사용되는 등 세 가지 기술 중 가장 성숙되고 상용화된 기술이다. 또한, 알칼라인 수전해는 귀금속 촉매를 사용하지 않기 때문에 다른 수전해 기술에 비하여 생산 비용이 낮으며, 내구성이 확보되었다는 장점이 있다. 하지만 낮은 전류 밀도와 작동 압력은 시스템 크기와 수소 생산 비용에 부정적인 영향을 미치는 요소이다. 다음의 ①~③은 알칼라인 수전해의 각 전극에서 일어나는 반응식과 전체 반응식을 나타내고 있다.

고분자 전해질막 수전해는 1960년대 GE(General Electric)사에서 도입한 기술로 알칼라인 수전해에서 KOH 용액을 전해질로 사용함으로 나타나는 전해질의 회수 및 재활용의 단점을 극복할 수 있는 기술이다. 또한, 알칼라인 수전해에 비하여 높은 에너지 밀도를 가져 동일한 수소 생산을 위하여 보다 적은 부피의 시스템이 가능하다는 것이 장점이다. 하지만 귀금속인 백금과 이리듐을 촉매로 사용하며, 고가의 불소화 막이 필요하므로 상대적으로 높은 시스템 비용이 필요하다. 다음의 ④~⑥은 고분자 전해질막 수전해의 각 전극에서 일어나는 반응식과 전체 반응식을 나타내고 있다.

고체산화물 수전해는 가장 최근 개발된 수전해 기술이며 고체산화물을 전해질로 사용하여 재료비가 낮으나, 작동을 위하여 650 ~ 1000 ℃의 높은 온도를 필요로 하여 이를 위한 추가적인 에너지가 필요하다. 또한, 높은 작동 온도 및 시동·정지 반복 시 수축·팽창에 따른 소재의 열화를 해결하는 것이 주요한 과제이다. 높은 작동 온도는 부하 응답 특성을 감소시키는 요인이기도 하다. 따라서 고체산화물 수전해의 상용화를 위하여 작동 온도를 500~700 ℃ 수준으로 낮추는 데에 초점을 맞추고 있다. 다음의 ⑦~⑨는 고체산화물 수전해의 각 전극에서 일어나는 반응식과 전체 반응식을 나타내고 있다.

■포스트 코로나 대응 관점에서의 수소 생산기술의 중요성

전 세계적인 4차 산업혁명 진행과 코로나-19 위기 상황에서 전통적인 산업을 뛰어넘는 새로운 산업에 대한 요구가 가속되고 있다. 한국 역시 제조업이 활력을 잃고 침체되고 있으며, 신성장동력 발굴이 절실한 상황이다.

수소 관련 기술은 다양한 분야와 밀접히 연관된 에너지 분야의 새로운 동력이 된다는 점에서 미래 성장동력에 큰 영향을 미치는 기술이라 할 수 있다.

수소위원회(Hydrogen Council) 같은 비전과 장기적인 수소 목표를 가진 에너지, 운송 및 산업 분야 기업이 에너지 전환을 장려하기 위해 모인 국제적 이니셔티브는 수소가 2050년까지 전 세계 에너지 수요의 18%를 차지할 것이며, 이는 2.5조 달러 규모의 관련 시장 창출 및 전 세계 3천만 개 이상의 일자리 창출로 이어질 것으로 전망했다

특히 수소 생산기술의 경우 새로운 소재 기술, 부품 제작 기술, 스택 기술, 시스템 기술 등 원천기술 확보가 가능하며 이를 통한 신산업 가치는 매우 높다고 할 수 있다. 수소 에너지는 수소 생산기술뿐만 아니라 에너지 이송 및 에너지 공급까지 전반적인 밸류체인(value chain) 관점에서 바라볼 때 성공적인 신산업으로 성장할 가능성이 높다.

또, 경제적인 효과뿐만 아니라 건강 및 환경오염에 대한 돌파구로서의 수소 에너지 역시 매우 효과적이라 할 수 있다. 탄소 배출이 전혀 없는 그린 수소 도입을 통하여 지구 온난화 등 환경오염의 주범인 화석 연료로부터의 탈출이 가능해지며, 지속 가능한 에너지원 확보가 가능하다는 점에서 수소 생산기술의 중요성이 높다고 할 수 있다.

▲ 수소생산 및 활용과정 모식도

▲ 알칼라인 수전해의 각 전극에서 일어나는 반응식과 전체반응식

▲ 고분자전해질막 수전해의 각 전극에서 일어나는 반응식과 전체반응식

▲ 고체산화물 수전해의 각 전극에서 일어나는 반응식과 전체반응식

▲ 알칼라인 수전해(AEC), 고분자 전해질막 수전해(PEMEC), 고체산화물 수전해(SOEC) 기술의 개념도

▲ 알칼라인, 고분자 전해질막, 고체산화물 수전해 기술의 주요 특징 비교