기사 메일전송
  • 기사등록 2023-05-04 13:19:16
기사수정
재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 12번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘포스트 코로나 대응소재’다. 2020년 3월 이후 코로나가 전세계적으로 확산되며 세계 경제 및 사회에 전례 없는 큰 충격을 주고 있다. 포스트 코로나 시대의 거대한 변화를 도약의 기회로 만들기 위한 과학기술 기반의 준비가 필요하다. 이에 소재기술백서 2020는 ‘포스트 코로나 대응 소재기술’을 주제로 방역·의료소재, 언택트 환경·디지털 소재, 친환경·신에너지 소재와 관련한 기술동향을 분석했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2020’를 연재한다.

수소기반 E저장 등 시장 확대




산업, 발전, 수송, 건물 등 다양한 분야 적용 기대

맥킨지, 2050 70조 효과, 60만 일자리 창출 전망



■ 산업 및 시장 국내 동향


1)시장규모 및 전망


국내 수소 시장규모는 2015년 기준 240만 톤으로, 대부분은 산업용 원료로 사용되고 있다. 재생에너지 3020정책을 비롯한 재생전력 보급 확대 정책에 따라 수소 기반의 에너지 저장 산업의 발전이 예상되며, 이와 더불어 수소전기차 보급 증가에 의한 수소공급 및 관련 인프라 시장 산업이 크게 증가할 것으로 전망된다.


맥킨지(McKinsey&Company)는 2050년 국내 수소 시장규모가 약 1,690만 톤에 달할 것으로 예측하였으며, 이는 연간 최종 에너지 수요의 약 21%에 해당한다. 수소가 산업용 원료뿐만 아니라 발전, 수송, 건물, 산업 등 다양한 분야에 적용되어 국내 기준 약 70조 원의 경제효과가 발생하며, 약 60만 개의 일자리 창출이 이루어질 것으로 전망된다. 이러한 수소 에너지 사용 증가는 연간 1.5억 톤 수준의 이산화탄소를 줄이는 효과를 나타내어 탄소 배출 저감을 통한 환경 문제를 해소에 도움이 될 것으로 기대된다.


정부에서는 2021년 수소 모빌리티, 수소공급 인프라, 수소핵심기술개발, 수소 시범도시 등에 8천억 원 규모의 예산을 지원해 수소경제로의 전환을 가속화할 예정이다. 산업통상자원부의 수소 관련 예산은 2020년 대비 982억 증가한 2,574억이며, 그중 가장 많은 예산을 차지하는 부분은 수소 및 연료전지 등이 포함된 ‘신재생에너지 핵심기술개발사업(R&D)’이다.


또, ‘수소생산기지 구축사업’ 예산은 2020년 대비 2배 이상 증가한 666억 원으로 수소 에너지에 대한 요구 증대를 알 수 있으며, ‘그린수소 생산과 저장시스템 기술개발사업(R&D)’ 100억 원 및 ‘P2G 기술개발사업(R&D)’ 58억 원의 예산으로 그린 수소에 대한 중요성이 커지고 있음을 확인할 수 있다.


2) 기업 현황


국내 알칼라인 수전해 기술로는 이엠솔루션(이엠코리아)이 중형 수전해 장치 연계 수소스테이션용 수전해 실증과제를 실시한 바 있고, 현재 이엠솔루션 대구 수소스테이션에서는 수전해를 이용한 수소 생산 및 공급을 운영 중이다. 또한, 3~400Nm3/h 급의 다양한 규모의 알칼라인 수전해 장비를 개발 완료하여 판매 중이다.


고분자 전해질막 수전해 기술은 국내에서 2012년 종료된 21세기 프론티어 사업을 통해 저온형 수전해 방법에 의한 고압 수소 제조기술 개발이 진행되었으며, 엘켐텍 주관으로 고분자 전해질막 수전해 방식에 대한 기초연구가 진행되었다. 엘켐텍은 150bar 수소발생 압력을 갖는 고압형 수전해 스택 및 평가장치를 개발하였으며, TiO2 동공(hollow sphere) 전극을 적용하여 90%의 스택 효율을 달성하였다. 동공 전극은 마이크로미터 크기의 전극으로 속이 빈 동공의 모재 위에 촉매를 형성한 것을 말한다.


한편으로는 불소계 Nafion®막을 대체하고자 탄화수소 계열의 SPEEK막이 개발되기도 하였다. 또한, 연구개발단계로 산업부 지원을 받아 350bar PEM수전해 장치 및 재생연계용MW급 고분자 전해질막 수전해 스택개발 연구과제를 수행하였다.



산업 및 시장 해외 동향


1) 시장규모 및 전망


수소에 대한 수요는 1975년 이후 현재까지 3배 이상 가파르게 증가하고 있다(그림 5). 현재 수소는 석유 정제, 암모니아 생산, 메탄올 생산, 철강 생산과 같은 전통적인 화공 산업에 주로 사용되고 있으나, 향후 에너지 생산, 저장, 이동, 친환경 등 다양한 주요 에너지 문제를 해결하는 데에 결정적인 역할을 할 수 있을 것으로 전망된다.


수소는 신재생에너지를 필두로 하여 현재 사용 중인 원자력 에너지, 화석 에너지 등 다양한 에너지원으로부터 에너지를 저장할 수 있는 매체로서 잠재력을 가지고 있다. 생산된 수소는 수소 탱크를 이용하여 이송될 수 있고, 향후 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)와 유사하게 파이프라인을 통하여 더욱 손쉽게 수소충전소 및 가정으로 이송될 수 있다. 이러한 수소 에너지 이송의 용이함은 위치의 영향을 크게 받는 신재생에너지의 단점을 보완할 수 있다.


전 세계에서 수소 생산기술에 대한 투자를 지원하는 국가는 지속적으로 증가하고 있으며, 세계적으로 수소를 직접 지원하는 약 50개의 목표, 명령 및 정책 인센티브가 있는데 대다수는 운송 관련 사업에 중점을 두고 있다. 지난 몇 년 동안 전 세계 정부의 수소 에너지 연구·개발 및 시연에 대한 예산은 증가 추세이며, 이를 통해 세계 각국의 수소 에너지에 대한 전망이 긍정적임을 파악할 수 있다.


2)기업현황


유럽과 미국이 알칼라인 수전해 기술을 선도하고 있으며, 대표적인 기업으로는 Nel Hydrogen(노르웨이), Teledyne Technologies(미국), McPhy(프랑스), ETOGAS(덴마크), Green Hydrogen Systems(덴마크), Enapter(이탈리아) 등이 있다.


특히 노르웨이의 Nel Hydrogen은 전력 소모량이 49kWh/kg인 상용제품을 생산하고 있다. 유럽의 연료전지 및 수소 에너지 기술에 대한 연구개발 및 시연 활동을 지원하는 공공-민간 파트너십인 FCH2JU(Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking)에서는 알칼라인 수전해 운전전류밀도를 2024년까지 0.7A/cm2로 높이겠다는 목표를 설정하기도 하였다.


알칼라인 수전해 음이온교환막 제조 기업인 Afga-Gevaert(벨기에)의 Zirfon® 유무기 복합 분리막은 폴리머 매트릭스(matrix)에 무기 입자(zeolites, meso-porous materials, non-porous silica, carbon nano-tubes 등)를 첨가하여 wetting, gas permeability, mechanical strength를 향상시킨다.


독일 Fuma-tech사는 기존 불소계 막을 대체하기 위한 탄화수소계 음이온 교환막을 개발 중이며, 이탈리아의 Acta 사는 전극에 사용되는 이오노머를 공급하고 있다. 일본 Tokuyama 사는 저밀도 폴리에틸렌 필름과 음이온 전도성 고분자의 복합막인 A901, A201을 상용화 시도 중이나. 높은 단가(A201막의 경우 $1,000/m2)에 비해 높은 연료 투과도, 낮은 기계적 안정성, 복잡한 합성 공정이 주된 문제점으로 지적되고 있다.


미국 Lynntech 사는 미국 Army Research Office로부터 군수용 알칼라인 수전해 개발에 대한 연구를 위탁받아 수행하였으며, 이온전도도 3×10-2S/cm의 폴리술폰계 음이온 교환막을 제조하였다. 영국의 ITM Power는 자체개발 음이온 교환막(두께: 160μm), NiFeOx anode, Pt cathode, 4M KOH, 60℃에서 2.12V 운전에 1,000mA/cm2 (HHV 효율 69.8%)를 얻었으나 높은 로딩의 귀금속 촉매가 사용된다는 단점이 있다.​


고분자 전해질막 수전해 기술개발 선도기업으로는 Hydrogenics(캐나다), Nel Hydrogen(Proton onsite, 노르웨이), Giner(미국), ITM Power(영국), Siemens(독일), AREVA H2GEN(프랑스) 등이 있다.


유럽은 연구 지원을 지속적으로 진행하고 있으며,MW급 수전해 장치를 이용한 그리드 연계 전력 밸런스용 연구사업 프로그램인 ELYGRID Improvements to Integrate high Pressure Alkaline Electrolysers for Electricity/H2 Production from Renewable Energies to Balance the Grid와 재생에너지 연계 수전해 기술개발 연구사업인 RESELYSER Hydrogen from RES: pressurised alkaline electrolyser with high efficiency and wide operating range 등에 지원하고 있다.


ITM power는 고분자 전해질막 수전해(HySTAT®) 및 연료전지 시스템을 공급하고 있으며, HYFIVE Hydrogen For Innovative Vehicle 프로젝트로 런던의 충전소 건설에 파트너로 참여하고 있다. 프랑크푸르트 THUGA P2G(Power to Gas) Plant 과제, 캘리포니아 수소충전소, WAITROSE Renewable fertiliser 등에도 참여하고 있다.


미국은 현재 고분자 전해질막 수전해 기술 개발에 집중하고 있으며, 2017년 Nel Hydrogen에 합병된 Proton OnSite 및 Giner를 통해 정부 연구개발 과제를 다수 진행 중이다.


또, 2017년 미국 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL)은 Southern California Gas와 함께 수전해-바이오 메탄화 연계 P2G 실증 연구를 진행 중이다.


Giner는 최대 15.5bar에서 2,200kg/day를 제공하는 5MW 시스템을 상용화하였다. Hydrogenics는 WindGas Hamburg 프로젝트 내 1.5MW P2G 연계를 위한 고분자 전해질막 수전해 기술을 적용하였다. Hydrogenic의 가장 큰 스택은 수소 생산 속도가 620Nm3/h 인 3MW 시스템 (HyLYZER 600)이며, 최대 35bar에서 작동하며 스택 효율은 각각 3-2MW에서 75-80%이다. Hydrogenics 1MW 스택은 공칭 부하에서 229Nm3/h를 생산하고 1.5MW의 최대 부하에서 290Nm3/h를 생산하며 총 에너지 소비 범위는 4-5.2kWh/Nm3 수준이다.


Siemens는 현재 6MW 플랜트를 운영하고 있으며(SILYZER 200), Siemens, Shell 및 ITM Power는 최대 용량 10MW(1,300 t/year)의 세계 최대 수소 수전해 공장을 계획하고 있으며, 이는 독일의 Rhineland 정유 공장에서 가동될 예정이다. 또, Siemens는 2020년 이후 100MW의 전력 입력을 가진 고분자 전해질막 수전해 시스템을 목표로 하고 있다.


고분자 전해질막 수전해 소재 중 고분자 전해질막으로는 대부분 과불소화술폰산계 전해질막이 사용되고 있으며 DuPont사의 Nafion® 또는 Solvay사의 Aquivion등이 대표적이다.


고분자 전해질막 수전해 촉매로는 귀금속 촉매가 주로 사용되며, 대표적으로 일본의 Tanaka 귀금속 공업이 Pt/C 및 PtCo/C 합금 촉매 등을 신뢰성 있게 생산하는 기업이다.


또, 영국의 Johnson Matthey, 미국의 3M 역시 수전해 관련 귀금속 촉매 연구 및 개발을 활발히 하는 기업이다. 고분자 전해질막 수전해의 또 다른 핵심 소재인 확산체(PTL)의 경우 소량 주문생산이 이뤄지고 있으며, 대표적인 기업으로는 Mott사가 있다. Mott는 sintered porous metal filter를 생산하고 있으며, 250μm 두께로 28~47% 기공, 2 SCFM 공기@1 PSIG, 최소 인장강도 6KSI를 특징으로 한다.


고체산화물 수전해는 2010년에 설립된 독일의 SunFire GmbH에 의해 상용화된 시스템을 제공하고 있다(그림 8). 2016년 SunFire는 연료전지 및 수전해모드에서 작동할 수 있는 용량 140kW의 고체산화물 수전해 시스템을 보잉(Boeing)에 전달했다.


이 시스템은 최대 85%의 효율로 42Nm3/h를 생산한다. 2017년에는 공칭 입력 전력이 150kW, 생산 속도가 40Nm3/h이고 시스템 효율이 84%인 증기 고체산화물 수전해 모듈을 Salzgitter Flachstahl GmbH에 전달했다. 또한, GrInHy2.0(Green Industrial Hydrogen 2.0) 프로젝트를 통하여 출력 720kW의 SunFire HTE 시스템이 처음으로 산업 환경에 배치되었으며, 2022년 말까지 최소 13,000시간 동안 가동되어 신재생에너지로부터 최소 100톤의 그린 수소를 생산할 것으로 예상된다.


■ 국내외 선도기업

수소 생산기술 부문 국내외 선도기업 및 주요 연구내용을 다음의 표에 정리하였다.



■ 미래연구방향


전 세계의 수소 생산기술 관련하여 2019년부터 수소전략 및 로드맵을 발표하는 국가들이 증가하고, 수소 생산기술의 구체적인 목표를 설정해 왔으며, 2020년에도 지속적이며 적극적으로 진행되었다. 2019년 캐나다 밴쿠버에서 개최된 제10회 청정에너지장관(Tenth Clean Energy Ministerial, CEM10)에서는 수소 및 연료전지 기술이 전 세계 청정에너지 분야에서 담당하는 역할을 강조하였다.


또, 2019년 제2차 수소 에너지 장관 회의에 참석한 35개국 및 국제기구는 수소 관련 연구개발의 확대를 위하여 Global Action Agenda에 동의했다. 현재까지 수소 관련 목표는 주로 운송 분야에 초점을 맞추고 있지만, 최근 발전, 건물, 산업 등 다른 분야를 포함하는 명확한 추세가 있었다.


이것은 수소가 다양한 분야에 주요한 역할을 담당하여 밸류체인을 통한 경제에 크게 기여하는 동시에 탈(脫)탄소화를 통해 환경 문제 해소에 기여할 수 있음을 나타낸다. 이러한 이유로 정부는 그린 수소 기술이 경제, 에너지 안보, 환경 등 정책 목표에 기여할 수 있는 적절한 환경을 구축할 수 있도록 전폭적인 지원을 해야 한다.


강력한 정책과 규정 개발은 그린 수소에 대한 민간 부문 투자를 장려하여 공급과 수요를 모두 높이고 결국 더 많은 분야에서 재정적으로 자립할 수 있게 할 것이다. 그린 수소 생산에 대한 상업적 수요를 자극하며 공급 업체, 유통 업체 및 사용자의 투자를 뒷받침하기 위하여 지속 가능한 시장을 만드는 정책이 필요하다.


더불어 원천기술 확보 및 비용 저감을 위하여 적극적인 연구개발 지원이 필요하다. 적극적인 연구개발 지원은 위험을 감수한 혁신적인 연구 주제 설정 및 혁신을 위한 민간 자본 유치를 끌어낼 수 있으며, 결과적으로 혁신적인 기술 개발 및 시장 성장을 유도하는 데 중요하다.


불필요한 규제 장벽을 제거하고 표준을 제정하는 것 역시 주요한 과제이다. 장비, 안전, 배출 인증을 위하여 지식을 공유하고 표준을 조화시키는 것이 핵심이다. 수소의 복잡한 공급망은 정부, 기업 및 시민 사회가 적극적으로 협의해야 함을 의미한다.


또, 강화된 국제 협력을 통하여 표준·모범 사례 공유 및 국경을 넘는 인프라가 필요하다. 그리고 장기 목표를 향한 진행 상황을 추적하기 위해 수소 생산 및 사용을 정기적으로 모니터링할 필요가 있다. 기존 산업 인프라를 최대한 활용하여 수소를 위한 허브로 전환하며, 기존 가스 공급 인프라를 사용하여 새로운 그린 수소 공급을 촉진하고, 수소전기차의 경쟁력을 높이기 위해 운송 차량, 화물 및 통로를 지원하며, 국제 수소 무역을 시작하기 위한 초기 배송 경로를 설정하는 것 역시 주요 과제이다.


■ 정책 제언


1) 국제적 및 부문 간 협력 촉진


국제 교류를 통한 다자간 프로젝트는 지식 공유, 모범 사례 개발, 표준 논의 및 파급효과 활용을 지원하는 효과적인 방법이다. 또한, 국제 수소 거래를 시작하기 위한 국제 무역 경로를 수립하는 데에 필수적이다. 아시아·태평양 지역은 무역 경로를 시작할 수 있는 주요 후보지이며, 일본과 호주 간에 개발된 수소 에너지 공급망(Hydrogen Energy Supply Chain, HESC)은 좋은 모델이라 할 수 있다.


그린 수소 생산 및 사용 확대를 위한 해안 수소 허브 개발 역시 국제 교류의 주요 과제이며, 북해, 중국 남동부, 인도 북서부, 멕시코만 또는 페르시아만과 같은 지역은 유리한 조건을 가지고 있다고 할 수 있다.


2) 비용 절감 및 경쟁력 향상을 위한 강력한 R&D 지원 보장


비용을 획기적으로 절감하기 위해서는 규모의 경제를 만드는 것이 중요하지만 원천기술을 확보하고 그린 수소 기술의 경쟁력을 높이기 위해서는 R&D 역시 매우 중요한 요소이다.


특히 수전해와 같은 초기 기술은 민간 자본의 개입이 제한적이므로 성능 및 제조공정을 개선하기 위한 정부의 적극적인 지원이 중요하다고 할 수 있다. 정부의 연구개발 지원을 통하여 소재 및 시스템 원천기술 확보 및 비용 절감을 이룰 수 있고, 수명 문제 등을 해결하여 신뢰성을 확보할 수 있다.


정부 재정 지원의 혜택을 받아 성공적으로 기술 개발이 이루어질 때 민간 투자자의 신뢰를 얻어 위험 인식을 줄이고 적극적인 민간 자본을 유치할 수 있다. 정부뿐만 아니라 산업계 역시 고탄소 수소 기술과의 격차를 해소하고 그린 수소의 경쟁력을 높일 수 있는 비용 절감을 실현하기 위한 장기 전략을 수립할 때연구개발을 우선순위 중 하나로 고려해야 한다.


▲ 전세계 연간 수소 수요량

▲ 세계 국가별 수소 및 연료전지 관련 정부 R&D 예산규모


▲ 노르웨이 넬 하이드로젠의 알칼라인 수전해 시스템


▲ 수소생산기술-국내선도기업



▲ 수소생산기술-해외선도기업


0
기사수정

다른 곳에 퍼가실 때는 아래 고유 링크 주소를 출처로 사용해주세요.

http://amenews.kr/news/view.php?idx=53324
기자프로필
프로필이미지
나도 한마디
※ 로그인 후 의견을 등록하시면, 자신의 의견을 관리하실 수 있습니다. 0/1000
프로토텍 11
서울항공화물 260
이엠엘 260
린데PLC
im3d
엔플러스 솔루션즈
모바일 버전 바로가기