Special 그린뉴딜/탄소중립 실현을 위한 세라믹소재 기술개발 동향(1)

그린수소 대량 생산을 위한 고체산화물수전해(SOEC) 최신 기술 동향

김선동_한국에너지기술연구원 책임연구원

1. 서론

지구촌이 직면한 환경오염 및 기후변화의 원인을 한두 가지 요인으로 설명할 수는 없으나 대량 생산과 대량 소비의 시대에 사는 요즘 인간이 만들어 낸 과도한 탄소배출이 다양한 환경 문제를 가속화 시킨다는 것은 관련된 과학자들 뿐 아니라 많은 일반인들에게도 공감을 얻고 있다. 지구의 대기 온도 상승, 극지방 해빙에 의한 해수면 상승 및 유례없는 이상기후 등 충분히 인지할 수 있는 자연 환경의 변화는 지속가능한 삶을 추구하는 인류에게 큰 위협이 되고 있다. 이에 국제사회는 탄소배출권 규제 및 기후협약 등 국가 간 상호 감시 제도를 마련함과 동시에 그린뉴딜 및 탄소중립을 국가의 중요한 환경.에너지 정책으로 추진하려는 자발적인 노력을 기울이고 있다.
  이 가운데 그린뉴딜은 환경과 사람이 중심이 되는 지속가능한 발전 정책을 의미하며, 구체적으로는 재생에너지 보급.이용 확대와 수소경제로의 전환을 통해 저탄소 경제 구조로 진입하면서 기후변화와 환경문제에 대응하려는 사회적 변화를 의미한다. 이러한 변화에 맞추어 다양한 글로벌 기업 및 자치단체 에서는 필요한 전력의 100%를 태양광 및 풍력 등 재생에너지로 충당하고자 하는 이른바 RE100(Renewable Energy 100%) 움직임이 일어나고 있다. 이러한 변화는 저렴한 에너지가 가져다줄 수 있는 단기적인 효율성 및 경제논리에서 벗어나 미래를 대비하고자 하는 인식의 변화를 의미하며, 이미 덴마크 등 일부 유럽 국가에서는 RE100을 단기적인 가시권에 두고 국가 에너지 정책을 추진 중이다. 
  그러나 이와 같은 재생에너지 보급 및 활용 확대에 대한 움직임 이면에 존재하는 문제점인 자연에너지의 변동성은 안정적인 전력 수급 및 활용을 저해하는 큰 장애요인이 되고 있다. 대표적 재생에너지인 태양광 및 풍력 발전은 시차에 따라 발생하는 태양광 입사량과 대기 흐름의 변화를 단기적으로 예측하기 어려우며 때문에 발전 변동을 보상할 수 있는 기술을 필요로 하고 있다. 이를 위해 재생에너지 발전 시스템에는 필수적으로 에너지저장(ESS: Energy Storage System) 장치를 구비하고 있으며 발전량의 일부를 ESS에 저장하여 활용하고 있다. 그러나 앞서 언급한 RE100 등 재생에너지 보급이 급격하게 확대됨에 따라 배터리 기반 ESS로 수용 가능한 전력량은 한계에 다다르고 있으며, 경제성 및 기술적 이유로 ESS 용량을 무한정 확장할 수 없는 것이 현실이다. 이러한 문제를 혁신적으로 해결하기 위한 방안으로 재생에너지 발전량의 일부를 이용해 물을 전기분해하여 수소를 만들어 저장하였다가 필요한 시점에 재활용하는 그린수소 기술이 주목받고 있다. 그린수소는 재생에너지 잉여전력을 기반으로 제조된 친환경 수소로 지구 온난화의 주범인 CO2를 전혀 배출하지 않으면서 지구상에 상대적으로 무한한 자원인 물을 원료로 이용하여 제조하므로 지속가능한 에너지기술이라고 할 수 있다. 이처럼 재생에너지 보급.이용의 확대와 그린수소 제조.저장.이용 기술은 벨류체인(value-chain) 측면에서도 모두 깊은 연관 및 상호 보완적인 의미 가지고 있으며 그린뉴딜, 탄소중립 및 수소경제의 핵심 사안이라고 할 수 있다.

2. 본론

2-1. 그린수소 기술 분류
그린수소 생산기술이란 자연에너지로부터 유래된 전기에너지를 인가하여 물(H2O) 전기분해 과정을 거쳐 환경 오염물질(CO2)의 배출 없이 수소(H2)와 산소(O2)를 분리하는 공정을 의미한다. 전해 장치의 수소극에 주입된 물 분자는 결합에너지(산화포텐셜, Oxidation potential) 이상의 전압에서 전기화학적으로 분해(Electrochemical decomposition)되어 인가된 재생에너지 전류량에 비례하여 전자를 소모(Cathodic reaction)하는 환원반응을 통해 수소가 발생하게 되며, 반대전극인 공기극에서는 산소이온이 전자를 방출(Anodic reaction)하는 산화반응을 통해 산소가 발생하게 된다. 이 때 사용하는 전해질의 종류에 따라 아래 표 2에서와 같이 알카라인 수전해, PEM 수전해 및 고체산화물 수전해로 분류하게 된다.

  이 가운데 알카라인 수전해는 기술적 성숙도가 높아 수전해 기술 중 실용화 및 보급이 가장 활발하게 진행되고 있는 방법이다. 위 표 2에서와 같이 수산화이온(OH-)만을 선택적으로 전도하는 KOH(수산화칼륨) 또는 NaOH(수산화나트륨) 전해액 기반 전해질과 이온교환막을 이용하여 장치가 구성되며 전극 소재로는 백금(Pt) 및 이리듐계 산화물(IrO) 소재와 니켈 계 금속 또는 합금(Ni, NiFe)과 같은 범용 금속이 함께 사용되고 있다. 높은 pH에서 구동되어 전해액으로 인한 구성 부품의 부식문제가 있기 때문에 촉매 및 구성품의 엄격한 내부식 특성이 요구된다. 알카라인 수전해 전극 반응은 아래와 같다.
  한편, 고체산화물 수전해는 다른 전해 기술보다 높은 온도인 700~850℃에서 작동되어 고온수전해(High-temperature electrolysis)라고 불리며 소재적인 관점에서 고체산화물(Solid oxide)을 단위셀을 구성하는 핵심 소재로 이용하여 고체산화물 수전해(SOEC: Solid Oxide Electrolysis Cell) 로도 명명되고 있다. 고체산화물 수전해의 작동온도는 전해질 소재로 이용되는 다양한 산화물의 조성 및 두께 등 저항요소에 의해 결정되며 일반적으로 안정화지르코니아(YSZ:　Yttria-stabilized Zirconia)를 5~30 ㎛ 정도 두께로 제작하여 활용하고 있다. 높은 작동온도로 인하여 그림1 에서와 같이 물 분해에 소요되는 총 에너지()의 일부를 열에너지()로부터 조달할 수 있으며, 이로 인하여 전기에너지() 소모량은 절감되는 효과를 나타내게 된다. 수전해 작동 환경에서 이러한 열에너지 도움으로 인하여 고체산화물 수전해 장치는 물의 산화포텐셜(Oxidation potential)인 1.23V 보다 낮은 0.9V 전후에서 전기분해가 시작되며, 알카라인 수전해 및 PEM 수전해 시스템에서 1.3~1.8V 에서 전기분해가 시작되는 것을 감안해 볼 때 동일 전류밀도에서 고온수전해 공정에 소요되는 전기에너지가 ~70% 수준 이하로 매우 낮은 것을 알 수 있다.

그림 1. 온도에 따라 물 전기분해에 소요되는 에너지

  결과적으로 고체산화물 시스템은 전력 소모량을 3.0~3.8 kWh/kg_H2 수준으로 낮출 수 있어서 그린수소 생산 효율이 경쟁기술 대비 월등하게 높으며, 특히 전기분해에 요구되는 열에너지 형태인 고온 스팀을 산업열(스팀터빈, 발전소, 원자력) 등 외부에서 조달 가능할 경우 더욱 효율이 높은 시스템 구현이 가능하다는 장점이 있다.

그림 2. (a) 고체산화물 수전해 장치 및 전극반응 모식도, (b) 고체산화물 스택 운전모드(수전해 vs. 연료전지)에 따른 Heat flux 특성

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