SPecial 탄소중립 실현을 위한 수소에너지 기술 개발 및 산업 응용 동향

그린수소 생산을 위한 부하변동 대응형 고밀도 알칼라인 수전해 핵심 기술 개발

이창수_한국에너지기술연구원 수소연구단 선임기술원
조현석_한국에너지기술연구원 수소연구단 책임연구원
김민중_한국에너지기술연구원 수소연구단 책임연구원
이세찬_한국에너지기술연구원 수소연구단 선임연구원
박현정_한국에너지기술연구원 수소연구단 선임연구원
두기수_한국에너지기술연구원 수소연구단 선임연구원

1. 서론

화석연료는 석유, 석탄, 천연가스와 같은 자연에 발생한 유기물을 기반으로 하는 에너지원이다. 이들 화석연료의 주요 문제 중 하나는 고갈이다. 우리는 수십만 년이 걸리는 자연 과정을 통해 생성되는 화석연료를 소비하는 속도가 너무 빠르기 때문에 고갈 위기에 직면하고 있다. 이는 에너지 수급에 미치는 영향과 함께 경제적, 지정학적인 문제를 초래할 수 있다. 또한, 화석연료의 연소 과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)와 같은 온실가스는 지구 온난화의 주요 원인 중 하나이다. 이러한 온실가스들이 대기 중에 누적되면서 지구의 기온 상승을 초래하고, 이는 극지방의 빙하 녹음, 기후변화, 극단적인 기상 현상 등을 유발한다. 이러한 지구 온난화는 자연 생태계와 인간 생활에 미치는 영향이 크며, 생태계의 변화와 자연재해 발생 등을 증가시키고 있습니다. 전 세계적으로 이러한 화석연료의 고갈과 지구 온난화 문제에 대한 경각심이 높아지고 있으며, 이에 따라 많은 국가와 기업이 탄소 중립성 달성을 위한 노력을 기울이고 있다. 재생에너지의 확대, 효율적인 에너지 사용, 친환경 기술의 개발 등을 통해 화석연료 의존도를 낮추고 지구 온난화를 완화하기 위한 다양한 노력들이 진행되고 있다.
  재생에너지는 우리의 미래에 중요한 역할을 맡고 있다. 이는 탄소배출을 줄이고, 지구 환경을 보호하며, 에너지 안정성을 높이는 데 기여하는 핵심적인 요소이다. 여러 가지 이유로 재생에너지의 중요성은 더욱 부각되고 있다. 먼저, 환경 측면에서 재생에너지는 지구 온난화와 환경오염을 줄이는 데 큰 역할을 한다. 탄소배출을 줄이고 대기 중에 방출되는 유해 물질을 제어함으로써 공기와 물의 질을 향상시키는 데 도움이 된다. 이는 지구 온난화의 영향을 완화하고, 생태계를 보호하는 데에도 도움을 준다. 뿐만 아니라, 화석연료의 한계와 안정성 문제도 재생에너지의 필요성을 부각시키고 있다. 석유와 석탄 등의 화석연료는 한정된 자원이기 때문에 그 한계에 도달할 가능성이 높아져 가고 있다. 이에 대비하기 위해서는 신속하고 지속적인 에너지원이 필요한데, 재생에너지는 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 대안으로 떠오르고 있다. 더불어 재생에너지는 에너지 안정성을 향상시키고 에너지 독립성을 증진시키는데 큰 역할을 한다. 기존의 에너지 공급은 국가들에게 에너지 수입에 큰 의존을 만들었지만, 재생에너지는 지역 자원을 활용하여 에너지를 얻을 수 있는 가능성을 제공한다. 이것은 에너지 공급의 다양성을 증가시키고, 국가들의 에너지 안보를 강화하는 데에 도움이 된다.
  하지만, 재생에너지는 간헐성이라는 본질적인 문제점을 갖고 있으며, 이로 인해 재생에너지 전력원의 수요와 공급의 불균형을 초래한다. 재생에너지의 변동성과 예측 불가능성은 다양한 예시로 설명될 수 있는데, 태양광과 풍력발전은 자연조건에 의해 영향을 많이 받기 때문에 일정하지 않은 에너지양을 공급한다. 이러한 문제를 해결하기 위한 한 방안으로써, 재생에너지 전력원을 가스 형태의 에너지캐리어로 저장하고자 하는 노력이 되고 있다. 대표적인 예로써 재생에너지 전력원을 활용하여 수전해 반응을 통해 수소의 형태로 에너지를 저장하는 ‘그린수소생산’ 방식이 최근 크게 각광을 받고 있다. 그린수소생산은 재생에너지 전력원과 물을 사용하여 수소를 생산하기 때문에, 수소 생산과정에서 이산화탄소 배출이 없다는 장점을 갖고 있다. 이러한 중요성으로 인해, 대한민국 정부에서도 수전해를 통한 수소 생산기술을 국가 12대 전략기술 중 하나로써 선정하고 지속적으로 수전해 기술에 대한 R&D 투자를 유지하고 있다. 본 기고문에서는 그린수소생산에 활용되는 다양한 수전해 기술 중에서도 저온 알칼라인 수전해 기술이 무엇인지 알아보고, 앞으로 해결해야 할 기술적 문제점과 연구 방향에 대해 소개하고자 한다.

2. 알칼라인 수전해 기술이란?

수전해 기술은 물을 전기분해하여 온실가스 배출 없이 친환경적인 방식으로 고순도의 수소를 생산하는 기술이다. 이 기술을 신재생에너지와 결합하면 친환경적인 그린수소를 얻을 수 있다. 수소는 자연에서 가장 풍부한 원소 중 하나이지만, 화석연료나 물 등에서 추출해야 하기 때문에 다양한 화학적 방법이 필요하다. 천연가스 개질, 석유화학, 정유, 제철 공장의 부생수소 생산, 물의 전기분해 등으로 수소를 생산할 수 있다. 또한, 열화학적 분해, 광화학적 분해, 생물화학적 분해 등의 방법도 있다. 물을 전기분해하여 얻는 수전해 기술은 매우 순수한 수소를 생산할 수 있지만, 환경 오염은 적지만 고가의 전력비용이 발생한다. 알칼라인 수전해(AWE), 양성자 교환막 수전해(PEMWE), 그리고 고온 수증기전해(SOEC) 등 수전해 기술에는 다양한 형태가 있으며, 본 고에서는 알칼라인 수전해 기술에 대해 기술하고자 한다.
  알칼라인 수전해는 알칼리 전해액인 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 사용하여 물을 수소 양이온(H+)과 수산화 음이온(OH-)으로 분리하는 기술이다. 이 반응은 직류전원을 전극에 인가하여 양극에서는 산화반응을 통해 산소를 생산하고, 음극에서는 환원반응을 통해 수소를 생산한다. 수산화 음이온(OH-)은 알칼리 전해액을 통해 전달되어 전체 전기화학 회로를 완성한다. 다공성 분리막은 전극 사이에 위치하여 생산된 수소와 산소가 섞이지 않도록 하며, 수산화 음이온(OH-)은 통과할 수 있게 한다. 양극과 음극에는 주로 니켈(Ni)계 합금이 사용되며, 이들 소재의 내구성으로 인해 높은 시스템 수명(10년 이상)을 보장한다. 알칼라인 수전해 장치는 대부분 니켈계 전극과 스테인리스강으로 이뤄져 저렴한 시스템 가격을 갖는 반면, 운전 전류밀도가 상대적으로 낮다. (알칼리 수전해: ~0.4 mA/㎠, 양성자 교환막 수전해: ~1.5 mA/㎠). 이는 장치 크기의 증가, 느린 시작/정지 응답, 고압 및 차압 운전의 문제를 야기할 수 있다. 또한, 재생에너지와 연계할 때 재생에너지 전력의 부하 변동성으로 인해 예상치 못한 내구성 문제와 효율 저하, 안전 문제가 발생할 수 있다. 이에 알칼라인 수전해 기술을 활용하여 재생에너지인 태양광, 풍력 등의 전력계통을 안정적으로 유지하고 효율적인 에너지 저장을 위해서는 재생에너지의 급격한 변동성에 대응할 수 있는 부하변동 대응형 소재 기술 및 운전 전류밀도를 향상시킨 고밀도 알칼라인 수전해 기술을 확보하는 것이 중요하다.

  이러한 기술적 트렌드는 실제로 여러 글로벌 기관 및 보고서에서 제시하고 있는 목표 수치에서 확인할 수 있다. 아래 표는 국제 에너지 기구에서 발표한 ‘Green Hydrogen Cost Reduction’이라는 보고서에서 제시하고 있는 알칼라인 수전해 장치의 향후 목표 성능 수치이다. 주목해서 봐야 할 점은, 운전 전류밀도(norminal current density)와 운전범위(load range)이다. 앞서 설명한 바와 같이 그린수소 생산단가를 낮추기 위해서 운전 전류밀도를 향상 시킬 필요성이 있으며, 해당 보고서에서는 긍극적인 목표로써 2A/㎠ 이상의 전류밀도를 제시하고 있다. 알칼라인 수전해 장치의 운전범위 목표를 확인해 보았을 때도 재생에너지와 연계 시 부하변동 대응형 기술의 필요성을 확인할 수 있다. 기존의 고전적인 알칼라인 수전해 장치는 통상적으로 정전류 및 정전압 환경에서만 운전이 되었었지만, 앞으로는 운전범위라는 새로운 성능 지표를 설정하고 향후 궁극적인 목표로 5~300% 운전범위를 달성하는 것이 중요하다. ‘알칼라인 수전해 고밀도화 전략’과 ‘부하변동 대응형 알칼라인 수전해 기술’에 대해 더 자세히 알아보도록 하겠다.

그림 2. 알칼라인 수전해 장치 목표 성능 수치
(출처: : IRENA Green Hydrogen Cost Reduction(2020.12.))

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