Special 탄소중립 실현을 위한 수소에너지 기술 개발 및 산업 응용 동향

고분자전해질 수전해(PEMEC) 개발기술과 촉매 사용을 통한 저비용 고성능 생산기술

유성종_한국과학기술연구원 수소연료전지연구센터 책임연구원
박윤수_한국과학기술연구원 수소연료전지연구센터 박사 후 연구원

1. 서론

최근 국제에너지기구(IEA)는 ‘2050 탄소 중립 로드맵 개정판(Net Zero Roadmap: A Global Pathway to Keep the 1.5C Goal in Reach, 2023년)’을 발표하였다. 에너지 부문에서 사상 최대의 이산화탄소 배출량을 보고하며 (그림 1a), 탄소 중립을 향한 국제적인 공동 노력의 필요성을 강조하였다. 유럽과 미국을 포함한 120개국에 달하는 국가가 2050년 탄소 중립 달성을 공개 선언하였고, 주요 선진국들은 목표의 법적 구속력을 확보하기 위한 조치를 취하고 있다. 우리나라는 ‘2050 탄소 중립 추진 전략(2020년)’을 발표하며 국제적인 탄소 배출 감소를 위한 노력에 동참하고 있다. IEA는 탄소 중립을 향한 경로로서 화석 연료 수요를 2030년까지 25% 이상, 2050년까지는 80% 이상 감축하고, 이를 위해 청정 재생에너지의 보급 확대를 핵심 요소로 제시하였다.

그림 1. a) 전 세계 에너지 부문에서의 이산화탄소 배출량 증가 추세 및 b) 태양광 및 풍력 등을 통한 2030년까지의 이산화탄소 배출량 감축 추세 (출처: IEA, Net Zero Roadmap: A Global Pathway to Keep the 1.5 °C Goal in Reach, 2023).

  따라서 전 세계적으로 이산화탄소 배출을 동반하는 기존의 화석에너지를 대체하고 재생에너지원을 이용한 전력 생산 확대 및 효율적인 공급 방안을 모색 중이다. IEA의 보고서에 따르면 최근 2년간 태양광 및 풍력을 중심으로 한 청정에너지 보급의 급증과 함께 기술 비용 절감이 탄소 중립 시나리오에 기여하고 있음을 밝혔다 (그림 1b). 청정 에너지원은 친환경적이고 무한하다는 특성이 있지만, 시간에 따른 높은 출력 변동성과 간혈성이라는 한계점을 지닌다. 따라서, 재생전력원의 안정한 계통 편입과 전력 공급의 유연성을 달성하기 위해서는 에너지 전환 및 저장 기술과의 연계가 필요하다. 이를 해결하기 위한 솔루션 중 하나로, Power-to-Gas(PtG) 기술이 주목받고 있다. PtG는 에너지를 수소 가스 형태로 전환하여 활용하는 방식이며, 이는 재생에너지 보급 확대와 수요 및 공급의 균형을 확보하기 위한 핵심 기술이다 (그림 2). PtG 기술은 재생 전력원을 통한 수전해 기술, 즉 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 것이 핵심으로, 탄소배출 없이 생산된 수소를 에너지 저장 및 전달체로 활용하는 개념이다. 현재 수준의 PtG 기반 수전해 기술은 베터리 기반 장치(ESS)에 비해 낮은 에너지 변환 효율(약 70%)을 가지지만 추후 기술 개발을 통해 12시간 이상의 에너지를 저장할 때 경제성을 확보할 수 있을 것으로 전망된다[1]. 따라서 국내외 여러 기업과 연구소에서 연구개발을 통해 수전해 기술 발전을 통한 높은 수소 생산 효율과 경제성을 확보하고자 노력하고 있다.

그림 2. PtG를 통한 전력 공급 모식도 (출처: IRENA, Hydrogen from renewable power, 2018).

  수소는 효과적인 에너지 저장 매체 뿐만 아니라 그 자체로 미래의 청정 에너지원으로 평가받고 있다. 수소 연료의 대표적인 활용처로 연료전지가 있는데, 수소는 전기에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 따라서 주요 활용처인 운송 및 전력 분야가 향후 수소 시장의 50% 이상을 차지할 것으로 전망된다. 이와 더불어 전 세계적으로 수소의 수요가 증가하고 있으며 2050년에 78EJ까지 성장하여 전 세계 에너지 수요의 18%를 차지할 것으로 예측된다[2]. 그러나 현재 생산 중인 수소의 약 90-95%는 생산 비용이 가장 저렴한 그레이 수소, 즉 천연 가스의 수증기 개질 (700~1000°C 온도의 수증기와 가압 하에서 메탄이 혼합)을 통해 생산되고 있다 (표 1). 그레이 수소는 1kg당 2~5달러이며, 공정 상에서 수소 1kg 당 10kg의 이산화탄소 배출에 기여하므로 탄소 중립과 거리가 멀다[3]. 이에 대한 대안으로 탄소 포집과 저장을 통해 그레이 수소 생산 과정에서의 이산화탄소 배출을 저감하는 블루 수소 기술이 개발되었다. 하지만 궁극적으로는 재생에너지 활용을 통한 탄소 배출 제로를 달성하기 위하여, 재생전력원과 연계된 수전해를 통한 경제적인 그린 수소 기술로 전환되어야 할 것이다[4]. 현재 낮은 수전해 기술 효율로 인한 경제성 문제로, 완전한 그린 수소로의 전환에 어려움이 있다. 따라서 그린 수소의 생산 비용을 낮추기 위한 적극적인 수전해 기술 개발이 요구되고 있다. 본 기고문에서는 고분자전해질 수전해(PEMEC) 기술에 주목하여, 비용 절감 및 성능 향상을 위한 전기화학적 촉매 연구 동향을 다루겠다. 본 수전해 기술은 효율성, 대응 속도, 그리고 재생에너지와의 연계성에서 중요한 장점을 가지고 있으며, 현재 상용화되어 있는 기술 중 하나이다. 나아가 고성능 스택 개발을 통해 전류 밀도 증가와 대규모의 그린 수소 생산 시스템 비용 절감에 기여할 수 있을 것이다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 12월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>