신재생 에너지로 수소 생산한다? [우리가 몰랐던 과학 이야기] (131)

수소 에너지는 환경오염 물질을 배출하지 않고, 무한정인 물을 원료로 제조할 수 있어 미래 에너지와 환경 문제를 한번에 해결할 수 있는 청정 원료로 떠오르고 있습니다. 이에 따라 탈(脫)탄소화를 위해 수소 에너지를 활성화하려는 시도가 세계 각국에서 진행되고 있습니다.

지난 1월 정부는 수소경제 활성화 로드맵을 발표했는데요. 이에 따라 수소 에너지를 생산할 수 있는 수전해 기술 연구와 개발의 중요성이 더욱 두드러지게 됐습니다. 오늘은 친환경 수소 에너지란 무엇이고, 신재생 에너지인 수소를 생산하는 기술에 대해 알아보도록 하겠습니다.

◆수소 에너지란?

수소 에너지는 화석연료를 수증기 개질 또는 부분 산화하여 얻는 개질 방식과 물을 전기분해하여 얻는 수전해 방식, 또는 바이오매스를 가스화 혹은 탄화시켜 얻을 수 있습니다.

이 중 수전해 방식은 물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해하는 전기·화학적 기술로, 수소를 친환경적으로 생산하는 방법입니다.

◆전기·화학적 수소 생산…수전해 기술

수전해(Electrolysis) 방식을 이용한 수소 생산 기술에는 알칼라인(Alkaline)과 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane), 고온 수증기 분해(HTE·High Temperature Electrolysis) 등이 있습니다.

1. 알칼라인 수전해 기술

알칼리 수전해 기술은 전해액으로 알칼리 수용액을 이용하고 생성된 수소와 산소를 분리하기 위하여 다공성 격막을 사용합니다. 고가의 귀금속을 필요로 하지 않아 초기 설치 비용이 상대적으로 저렴하고 대용량에 적합합니다.

여기서 전해액은 전기분해를 할 때 전해조에 넣어 이온 전도의 매개 역할을 하는 용액을 이른다.

2_양성자 교환막 수전해 기술

양성자 교환막 수전해 기술은 전류 밀도가 높아 에너지 효율이 높은 방법으로, 작은 크기로도 제작할 수 있으며, 전해액을 쓰지 않고 순수한 물을 원료로 하기 때문에 순도가 매우 높습니다. 하지만 분리막이 고가이고 그 자체가 부식성이 있어 내구성이 좋은 귀금속 계열의 전극이 활용돼야 하는 만큼 유지비용이 많이 드는 단점이 있습니다.

양성자 교환막은 열 에너지를 만들기 위해 수소와 산소 가스를 직접 연소시키지 않고, 전기 에너지를 가해 수소와 산소가 전자 화학반응을 통해 얻은 화학 에너지를 변형하는 발전장치를 가리킨다.

3. 고온 수증기 분해 수전해 기술

고온 수증기 분해 수전해 기술은 물을 분해하기 위해 필요한 전기 에너지가 고온에서 더 적어지는 현상을 이용한 방법입니다. 적은 전기 에너지로도 물을 고효율로 분해할 수 있고, 고체 산화물 전지와 그 구조 및 원리가 같아 양방향 운전도 할 수 있어 전력 저장을 위한 시스템으로 구성될 수도 있습니다.

하지만 수증기를 700도 이상으로 가열하는데 추가 열원이 필요하며, 고온의 작동조건 탓에 충분한 내구성을 가진 고체 전해질에 대한 연구·개발(R&D)이 필요합니다.

◆신재생 에너지 통한 수소 생산, P2G 기술

물을 전기분해해 수소를 얻는 수전해 기술은 고순도로 생산할 수 있고 환경 오염이 적다는 장점이 있지만, 고가의 비용이 발생한다는 단점이 있습니다.

따라서 태양광, 풍력 등 신재생 에너지와 연계해 전기를 생산하고 이를 활용해 물을 전기분해해서 수소를 얻는 방안이 대두하고 있습니다.P2G(Power to Gas)로 전력계통에서 수용할 수 없는 풍력과 태양광 등을 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하거나 이렇게 생산된 수소를 이산화탄소와 반응시켜 메탄 등의 연료형태로 저장하는 기술입니다.

P2G 기술은 배터리 기반의 에너지저장장치(ESS)에 비해 에너지 전환 효율은 떨어지지만 다른 강력한 장점을 지니고 있는데요. 대용량의 에너지를 장기적으로 저장할 수 있으며, P2G를 통해 생산된 가스를 천연가스망에 연결할 수 있기 때문에 전력망과 가스망의 유기적 결합도 바라볼 수 있습니다. 또한 전력 저장과 동시에 이산화탄소로의 전환 및 연료화도 할 수 있기 때문에 온실 가스의 저감에 능동적으로 대처할 수 있는 기술 중 하나로 평가받고 있습니다.

◆수전해 기술과 한화솔루션

한화솔루션은 수전해 기술과 유사한 CA(가성소다) 전해조를 통해 염소와 CA를 국내 최대 규모로 30년 이상 생산해 온 오랜 경험과 운전 노하우를 보유하고 있는데요.

현재 수전해 핵심기술을 보유하고 있는 한국과학기술원(KAIST)과 연세대, 강원대와 해외 우수 대학 등 국내외 연구기관과 공동연구를 진행하고 있습니다. 연구를 통해 신재생 에너지 활용에 최적화할 수 있는 음이온 교환막 등 알칼라인 수전해 핵심 소재 및 전해조 기술을 개발하고, 이를 태양광 사업과 연계해 에너지 시장의 효율성을 향상시켜 친환경 에너지 사회를 선도하기 위해 노력하고 있습니다.

최근 친환경 자동차로 빠르게 상용화가 되어가고 있는 전기차는 단거리 승용은 유리하지만 충전시간 및 저장 용량의 한계로 장거리 운송 수단으로서는 아직 기술적 한계가 있습니다. 반면에 수소차는 그 효율성과 저장 장치의 특성으로 전기차가 가진 단점을 극복하고 장거리 승용 및 고출력 상용차 적용에는 유리하다는 장점이 있습니다.

미국의 수소연료 전지차 스타트업(신생 벤처) 니콜라는 한 번 충전으로 2000㎞를 달릴 수 있는 화물용 트럭을 개발하여 내년 양산을 목표로 하고 있습니다. 니콜라는 미국과 캐나다 전역에 수소 충전소 네트워크를 구축할 계획이며, 특히 수소 충전소에는 한화솔루션의 태양광 발전을 적용해 물을 전기분해 한 뒤 수소를 뽑아내는 수소 생성기도 설치할 예정입니다.