Special 탄소중립 실현을 위한 수소에너지 기술 개발 및 산업 응용 동향

고온수전해(SOEC) 청정수소 제조 기술 동향

김선동_한국에너지기술연구원 책임연구원

1. 서론

기후변화의 원인을 한두 가지로 설명하기는 어려우나 대량 생산과 대량 소비의 시대를 사는 요즘 인간이 만들어낸 과도한 탄소배출이 환경 문제를 가속화 시킨다는 것은 관련된 과학자들 뿐 아니라 일반인들에게도 많은 공감을 얻고 있다. 우리가 살고 있는 지구에서 벌어지는 충분히 인지할 수 있는 자연 환경의 급격한 변화는 지속가능한 미래를 꿈꾸는 인류에게 큰 위협이 되고 있다. 이에 국제 사회는 탄소배출권 규제 및 기후협약 등 규제와 상호 감시 제도를 마련함과 동시에, 국가별로는 그린뉴딜 및 탄소중립을 중요한 환경/에너지 및 경제 정책으로 추진하면서 성장 동력으로 활용하고 있다. 우리나라도 정부의 수소경제활성화로드맵(2019.1), 한국판뉴딜(2020.7) 및 탄소중립선언(2020.10)에 걸친 일련의 일관된 정책 추진을 통해 다가올 미래 사회를 준비하고 있다.
  탄소중립(Carbon Neutral)이란 인간의 활동에 의한 온실가스를 최대한 줄이고 남은 온실가스는 자연 흡수 및 다양한 제거 기술을 통해 실질적인 배출량이 제로가 되는 개념이다. 에너지 관점에서 탄소중립의 실현은 태양광, 풍력 등 재생에너지 보급/이용 확대 및 수소경제로의 전환을 통한 경제 구조의 저탄소화를 의미한다. 이러한 변화에 발맞추어 글로벌 기업 및 지자체를 중심으로 필요한 전력의 100%를 재생에너지로부터 충당하고자 하는 이른바 RE100(Renewable Energy 100%) 움직임이 확산되고 있다. 이는 기존 에너지 체계가 가져다주는 단기적인 효율성 및 경제 논리에서 벗어나 지속가능한 미래를 대비하기 위한 새로운 인식의 변화를 의미하며, 이미 덴마크 등 일부 국가에서는 RE100을 국가 전반에 걸친 에너지 정책으로 추진 중이다.

그림 1. 글로벌 RE100 참여 기업
[출처: CDP 한국위원회 양춘승 상업부위원장 “국내외 기업의 RE100 추진 사례 및 개선과제” 발췌]

  그러나 재생에너지 보급 및 이용의 확대가 가져다주는 에너지 패러다임의 변화 이면에는 시차에 따른 에너지 수요/공급 불일치와 자연에너지의 불규칙성으로 인해 재생에너지 발전량을 예측하기 어렵다는 한계가 존재한다. 이를 보완하기 위한 방법으로 재생에너지로부터 발생하는 잉여전력을 이용하여 물을 전기분해하여 수소를 제조하였다가, 필요한 시점에 수소 또는 전기 변환의 형태로 재활용하는 친환경 「그린수소」 기술이 주목받고 있다.
  그린수소 기술은 지구상에 상대적으로 풍부한 자원인 물을 원료로 사용하며, 생산 과정에서 환경 오염물질(HC, CO, NOx) 또는 기후변화를 발생시키는 물질(CO2)이 부산물로 생성되지 않기 때문에 지속가능한 에너지기술로 평가되고 있다.

2. 본론

2.1. 수전해 방식 청정수소 기술 분류

물을 전기분해하여 수소와 산소로 분리‧추출하는 기술을 약칭하여 수전해라고 하며, 표 2에서와 같이 핵심 부품인 전해질 소재에 따라 알카라인수전해(Alkaline Electrolysis), 고분자전해질막수전해(PEM Electrolysis), 음이온교환막수전해(AEM Electrolysis) 및  고체산화물수전해(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)로 구분된다. 또 다른 분류 방식은 구동 온도에 따라 액상의 물(Water)을 전기분해하는 저온수전해와 700~850℃의 수증기(Steam)를 전기분해하는 고온수전해 방식으로 구분할 수도 있다.

표 1. 수전해 핵심부품인 전해질 소재에 따른 기술 분류

[출처:　수전해시스템 자립화 핵심기술 (한국재료연구원 소재혁신선도본부 이슈페이퍼 2020-04) 참조]

  이 가운데 알카라인수전해 기술은 기술적 성숙도가 가장 높아 수전해 기술 중 전 세계적으로 실용화 및 보급이 가장 활발하게 진행되고 있는 방법이다. 국내에서도 수소 기술개발 로드맵(2019.10)을 통해 안정적인 친환경 수소 공급 시스템 확충을 위한 계획이 수립되어 있으며, 이 가운데 초기 그린수소 생산의 대부분을 알카라인수전해가 담당하고 있다. PEM수전해는 수소전기차에 탑재되는 연료전지와 유사한 기술을 기반으로 고분자 전해질을 이용하는 것을 특징으로 하며 다른 전해기술 보다 상대적으로 콤팩트한 시스템에서 대량의 수소를 제조할 수 있는 장점이 있다. 유럽 및 북미에서 상용화되어 수소 생산에 활용되고 있다.
  한편, 고체산화물수전해(Solid Oxide Electrolysis Cell) 또는 고온수전해(High Temperature Electrolysis)라고 불리우는 기술은 100℃ 미만에서 구동되는 다른 전해기술과는 달리 700~850℃ 고온 영역에서 작동되어 수증기 상태로 전기분해가 이루어지므로 고온수전해라고도 불리며 전기분해 효율이 매우 높은 시스템으로 평가되고 있다. 상대적으로 값비싼 재생에너지 전기를 이용하여 수소를 제조할 경우 수소 제조비용이 높아지기 때문에 높은 전기효율은 그린수소의 경제성 확보에 필수적인 요소이다.

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