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ⓒ클립아트코리아

 

우주에서 가장 풍부하고, 가벼우며 간단한 구조를 가진 수소. 무독성일 뿐 아니라 고효율, 친환경성의 장점이 있어 신재생 에너지원으로서 주목받고 있습니다. 전 세계적인 에너지전환 움직임으로 인해 대체에너지의 필요성이 높아진 상황에서 수소 경제는 태양열, 풍력과 함께 문제를 해결할 핵심으로 평가받고 성장하고 있습니다.

 

하지만 아직 풀지 못한 문제가 하나 있습니다. 친환경 연료인 수소를 얻는 생산과정은 친환경적이지 못하다는 것입니다. 현재 사용되는 수소의 95% 이상이 이산화탄소를 배출하는 과정을 수반하기 때문인데요. 수소가 진정한 친환경 에너지의 의미를 갖기 위해서는 꼭 해결해야 하는 문제입니다.

 

그 문제를 해결할 수 있는 것이 바로 수전해 방식입니다. 수전해 방식을 사용하면 깨끗하게 수소를 만들어 낼 수 있습니다. 수전해란, 물을 전기분해하는 과정을 거쳐 수소를 생산해내는 방법을 일컫습니다. 전력으로 물(H2O)을 전기 분해하여 수소(H2)를 제조할 수 있는데요. 이 과정에서 태양열, 태양광이나 풍력에너지 등의 신재생에너지를 이용하면 수소 생산 전 과정을 친환경적으로 진행할 수 있습니다.

 

수전해의 동작 원리 ⓒ이현수 제작

 

연료전지 반응을 이해하면 수전해를 이해하는 데 도움이 됩니다. 연료전지 반응은 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응시켜 전기와 열을 동시에 생산하는 발전과정입니다. 연료전지 반응은 다음 과정을 통해 이루어집니다. Anode 전극에서 수소(H2)는 촉매를 이용하여 수소이온과 전자로 분리하고, 분리된 수소이온은 전해질을 통해 Cathode 전극으로 이동합니다. 전자는 외부 도선을 통해 흐르게 되는데요. 이 과정을 통해 전기에너지를 발생시킵니다. 한편 Cothode 전극으로 이동한 수소이온과 전자, 산소 이온은 물이 되어 배출됩니다. 즉 연료전지 반응으로 수소와 산소로 전기와 부산물로 물을 얻습니다. 수전해는 이와는 반대로 물에 전기분해를 가해서 수소와 산소를 분해하는 과정으로 이해할 수 있습니다.

 

앞서 말한 연료전지 반응은 운전 온도와 전해질의 종류에 따라서 촉매와 같은 구성요소들이 결정되고, 크게 5가지 종류로 구분됩니다. 전해질로 이온 교환막을 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 인산염을 사용하는 인산형 연료전지(PAFC), 수산화칼륨을 이용하는 알칼리 연료전지(AFC), 탄산염을 사용하는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 세라믹을 사용하는 고체산화물 연료전지(SOFC)인데요. 이렇게 다양한 연료전지반응이 연구되는 이유는 고온 운전의 경우 효율이 높으나 고온 유지에 필요한 비용과 조건을 갖추기 위한 노력이 필요하고, 설치의 용이성에서 차이가 나는 등 장단점과 사용 목적이 뚜렷하여 최고의 효율을 얻고자 하기 때문입니다.

 

소개한 연료전지 반응 중 알칼리 연료전지(AFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)의 역반응은 각각 알칼리 수전해, 고분자 전해질막 수전해, 고온수증기 수전해가 됩니다.

 

수전해의 분류 ⓒ이현수 제작

 

알칼리 수전해는 Anode에서 산화를 통해 산소를 발생하고, 음극에서 환원을 통해 수소를 생성합니다. 전해질은 수산화칼륨(KOH)을 사용합니다. 알칼리 수전해는 개발이 상당히 진행되어 있어 실증된 기술이고, 구조가 단순하며 특수 소재가 필요하지 않다는 장점이 있습니다. 하지만 효율과 전류밀도가 낮고, 생산 가격이 높으며 전해질이 부식성이라는 유의점이 존재하죠.

 

고분자전해질막 수전해는 Anode에 공급된 물을 분해하고, Cathode에서 수소를 생성합니다. 장점은 비부식성 전해질을 사용하고, 디자인이 간단하여 소형화가 가능하다는 점, 에너지 효율이 높다는 점입니다. 단점으로는 이온교환막, 귀금속 촉매의 가격이 높고, 고순도의 물이 필요하다는 점이 있습니다. 상업화를 위해서는 이온교환막과 전극 촉매의 개발을 통한 저가화가 필수적입니다.

 

고온수증기 수전해는 다른 전기분해 방식과 달리 650~900℃의 고온에서 작동합니다. 이러한 차이를 이용하여, 전기분해에 필요한 전기의 일부를 열에너지 형태로 공급한다는 점이 특정적입니다. 따라서 효율을 극대화할 수 있고, 비부식성 전해질이라는 점이 장점입니다. 하지만 고온 운전으로 구성하는 재료와 조립에 어려움이 있고, 고온의 열원이 필요하다는 점은 기술적인 고민이 필요한 부분입니다. 혁신적인 기술이지만 아직 재료와 조립기술의 개발이 필요하다고 할 수 있죠.

 

수전해기술의 현황은 기술성숙도 TRL(Technical Readyness Level)로도 나눌 수 있는데요. 기술성숙도란 핵심 요소기술의 기술적 성숙도에 대한 일관성 있는 객관적 지표입니다. 1~2단계는 기초연구단계, 3~4단계는 실험단계, 5~6단계는 시작품 단계, 7~8단계는 실용화 단계, 9단계는 사업화 단계로 구분합니다. 가장 연구가 많이 진행된 알칼리 수전해는 7단계 이상, 고분자전해질막 수전해는 4~6단계, 고온수증기 수전해는 아직 1~3단계 수준이지만 해외에서는 실용화 단계인 경우도 있습니다.

 

그린수소 사업협력 MOU ⓒ한국전력 홈페이지

 

수전해는 에너지를 저장하는 ESS* 분야에서 주목받고 있는 기술이기도 합니다. 수전해는 HESS의 핵심 기술이기 때문인데요. 전력을 수소로 바꾸어 저장하는 HESS(Hydrogen Energy Storage System)는 배터리보다 오래 저장할 수 있고 용량도 크며, 장소의 제약도 적습니다. 이 밖에도 여러 가지 장점이 있어 다양한 연구가 진행되고 있습니다.

 

한국전력은 2019년 9월 전라남도, 나주시와 그린수소 사업 협력 MOU를 체결하고 오픈 MG프로젝트의 일환으로 P2G*기술을 사용하는 등 적극적으로 수전해기술 개발과 활용에 앞장서고 있습니다. 수전해, P2G 기술과 HESS로 이어지는 생산, 저장기술의 활발한 연구개발을 통해 진정한 청정에너지 수소 경제시대가 오기를 기대합니다.

 

*ESS(에너지저장시스템)은 전력을 물리적 또는 화학적 에너지로 바꾸어 저장하는 시스템입니다.

*P2G(Power to Gas)는 태양광·풍력의 출력으로 물을 전기분해 해 수소를 생산 저장하거나, 이 수소를 이산화탄소와 반응시켜 생성된 메탄을 저장하는 기술입니다.

 

 

 


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