[기술로 보는 그린수소 ②] 집중 투자 속 성과 드러나는 수전해 기술
[기술로 보는 그린수소 ②] 집중 투자 속 성과 드러나는 수전해 기술
  • 임호동 기자
  • 승인 2021.12.07 17:04
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정부의 집중투자 이어지는 수전해, 연구기관에서 성과 도출
수전해 기술 전반에서 성과 보이는 한국에너지기술연구원
연구기관의 성과 민간으로 이어져야

기후위기에 대응하기 위해 많은 국가들이 탄소중립 전략을 추구하고 있는 상황에서 가장 큰 주목을 받고 있는 분야는 수소라고 할 수 있습니다. 탄소중립을 달성하기 위해서는 석유를 중심으로 한 화석에너지 시대에서 수소를 중심으로 하는 에너지믹스 시대로 전환이 필요하기 때문입니다.

하지만 현재 수소를 생산하는 방식은 탄화수소 계열의 화석연료(천연가스, 석유 등)를 촉매반응으로 개질해 순수한 수소를 생산하는 개질 수소 방식과 제철·석유화학 공정과정에서 화학반응에 의해 부수적으로 생성되는 부생수소를 얻는 방식이 주를 이루고 있습니다. 이러한 수소 생산 방식에서는 이산화탄소가 배출되고 있는 상황입니다.

수소가 탄소중립 이행을 위한 에너지원이 되기 위해서는 이산화탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있는 기술이 필요한 것입니다. 이에 많은 국가와 연구기관들은 이산화탄소 배출 없이 생산되는 수소인 그린수소를 생산하기 위해 기술을 개발하고 있습니다. 이번 기사에서는 청정 수소를 얻기 위한 기술로는 어떤 기술들이 있고, 어떻게 연구되고 있는지 알아보고자 합니다. 두 번째 순서는 탄소배출 없이 수소를 생산할 수 있는 수전해 기술의 개발을 위해 정부와 연구기관 등에서 이뤄지고 있는 연구와 성과에 대해서 알아보겠습니다. [편집자 주]

한국에너지기술연구원의 10kW 알칼라인 수전해 스택 및 운전 장치(한국에저기술연구원 제공)/그린포스트코리아
한국에너지기술연구원의 10kW 알칼라인 수전해 스택 및 운전 장치(한국에저기술연구원 제공)/그린포스트코리아

[그린포스트코리아 임호동 기자] 수전해 기술은 친환경적으로 수소를 생산할 수 있는 기술로 탄소중립과 수소경제 완성에 있어 꼭 필요한 기술이다. 신재생에너지를 통해 생산된 전력으로 물을 분해해 수소를 생산할 수 있어서다. 이에 따라 정부는 2019년부터 투자를 강화하고 있으며, 다양한 연구기관에서 지속적인 연구를 통해 가시적인 성과를 도출하고 있다.

특히 수전해 기술에 핵심이라고 볼 수 있는 고성능·고내구성의 촉매 개발과 수전해 효율 향상을 통해 수소 생산 단가를 낮추고, 보다 친환경적으로 수소를 생산하기 위해 노력하고 있다. 정부는 이러한 그린 수소 생산을 위한 신기술 개발에 투자를 강화하고 있으며, 연구기관은 촉매분야, 직접해수전해 등 다양한 수전해 기술 향상을 위해 나선다는 방침이다. 

◇ 조금씩 성과 나타나고 있는 수소 신기술 분야

신재생에너지를 통해 생산된 전력을 활용한 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 기술은 이산화탄소를 배출하지 않으면서 수소를 생산하기 위한 핵심기술로 주목받고 있다. 이에 정부는 2019년부터 다양한 사업을 통해 수전해 기술 개발에 나서고 있다.

특히 과학기술정보통신부(이하 과기정통부)는 2019년부터 수소에너지 혁신기술개발 사업을 추진하고 있다. 과기정통부는 2019년부터 2023년까지 총 486억 1000억원을 투입해 친환경적이면서 효율이 높은 수소 생산기술과 수소를 안정적으로 저장할 수 있는 기술을 개발한다는 방침이다.

그동안의 사업운영을 통해 과기부와 협력하고 있는 산학연에서는 기술이전, 수소 생산단가 절감, 해외 학술지 논문 게제 등의 연구 성과를 도출하고 있다. 실제 한국에너지기술연구원은 지난해 재생에너지를 이용해 안정적이고 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 ‘알칼라인 수전해 장치(스택)’를 개발해 지난해 5월 국내 수요기업에 이전했으며, 수전해 촉매로 사용되는 이리듐 사용량을 70% 낮추면서 성능과 내구성은 향상시킨 수전해 촉매/전극을 개발해 수소생산 단가를 절감 시키는 데 성공했다.

이와 함께 지난해 서울대학교는 수소 촉매 반응, 차세대 연료전지, 단백질 구조 등 연구에 활용이 가능한 액체 내 화학반응을 원자단위 수준에서 직접 관찰할 수 있는 플랫폼을 개발하기도 했다.

이러한 성과와 함께 지난 3월 과기정통부는 ‘미래수소원천기술개발 사업’을 신규 추진한다고 밝혔다. 해당 사업은 향후 파급효과가 클 것으로 예상되는 수소 생산·저장 기술을 개발하기 위해 올해부터 추진되는 사업으로, 올해 33억원을 포함, 2026년까지 253억원을 투입할 방침이다.

해당 사업을 통해 과기정통부는 태양광과 촉매를 이용해 물을 수소로 분해하는 광전기화학적 고효율 수소생산 기술(PEC)를 비롯해 400~600℃의 수중기를 전기 분해해 프로톤 이온(H+ 이온)을 이동시켜 수소를 생산하는 프로톤 기반 고효율 중온 수전해 수소 생산기술(PCEC), 메탄 등 탄화수소계 연료를 높은 온도로 가열해 수소를 분리시키는 재생에너지 연계 열화학적 수소생산 기술 등의 수소 생산기술을 개발할 예정이다. 또한 수소 저장 용량과 내구성을 높이는 다공성 흡착 소재개 발 및 최적 구조 설계를 위한 고체흡착 수소 저장 기술도 개발할 계획이다.

과기정통부 관계자는 “수소 생산․저장 분야는 활용 등 수소 전 주기 내 다른 기술 분야보다 기술혁신이 더욱 요구된다”며, “특히 2050 탄소중립 실현을 위해 그린수소로 생산 패러다임이 전환되는 최근 추세에서 우리나라가 개발한 친환경 수소 생산·저장 기술이 세계를 선도할 수 있도록 지원할 것”이라고 밝혔다.

 
수전해 스택, 고성능 고내구성 촉매, 직접해수전해 등 다양한 수전해 기술 성과를 도출하고 있는 한국에너지기술연구원. 사진은 수전해 스택의 핵심 부품인 분리막 제작 기술과 셀프레임 설계 기술 등을 수요 국내 기업(테크로스)에 이전하는 '기술 이전 계약 체결식' 모습(한국에너지기술연구원 제공)/그린포스트코리아
수전해 스택, 고성능·고내구성 촉매, 직접해수전해 등 다양한 수전해 기술 성과를 도출하고 있는 한국에너지기술연구원. 사진은 수전해 스택의 핵심 부품인 분리막 제작 기술과 셀프레임 설계 기술 등을 수요 국내 기업(테크로스)에 이전하는 '기술 이전 계약 체결식' 모습(한국에너지기술연구원 제공)/그린포스트코리아

◇ 한국에너지기술연구원, 고성능 촉매·해수수전해 등 꾸준한 연구성과

친환경 수소를 생산하기 위한 수전해 기술 개발 성과는 최근에도 계속되고 있다. 가장 대표적인 곳은 한국에너지연구원(이하 에너지연)이다.

에너지연은 지난 6월 금속산화물에서 온도 조절만으로 나노 입자의 조성을 최적화해 더 많은 산소와 수소를 발생시키는 촉매를 개발했다. 에너지연 플랫폼 연구실 김병현 박사 연구진과 경북대, 조지아텍(미국)이 공동연구를 통해 개발한 고성능·고내구성 수전해 촉매는 산소와 결합해 산화된 금속화합물인 금속화합물을 이루는 양이온들의 환원온도가 다르다는 점에 착안해 만든 기술이다.

환원 온도 제어를 통해 화합물이 용융 또는 가열될 때 내부에 있던 금속이 표면으로 분리되는 용리 현상을 이용해 나노입자의 조성을 최적화하는 방법을 찾은 것이다. 이에 연구진은 500℃의 환원 온도에서는 금속산화물 표면에 니켈 나노입자를, 550℃의 환원 온도에서는 니켈-루테늄 합금 나노입자를 생성해 서로 다른 조성을 갖는 금속나노입자-금속산화물 촉매를 성공적으로 생산했다.

연구진은 니켈-금속화합물로 이뤄진 산소발생 촉매와 니켈루테늄-금속산화물로 이뤄진 수소발생 촉매를 수전해 장치 양극과 음극에 적용해 기존 이리듐, 백금 촉매를 상용한 상용 수전해 장치에 비해 61% 향상된 수소 발생률과 30시간 이상 장기구동에도 98% 이상 성능을 유지하는 내구성을 확인했다.

또한 에너지연은 지난 11월 바닷물을 전해액으로 사용해 그린 수소를 생산하는 직접해수전해 기술의 가장 큰 문제가 되는 무기침전물을 최소화하는 기술을 개발했다. 에너지연 해양융복합연구팀 한지형 박사 연구팀은 바닷물을 전해액으로 사용해 수소를 생산할 때 해수 산성화를 유도해 분산형 무기침전물을 완전히 억제하고, 전극계면에서 무기 침전물의 성장 속도를 감소시켜 직접수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 최초로 확보했다.

한국에너지기술연구원은 "이번 연구를 통해 직접해수전해 기술의 무기침전문제를 해결할 수 있게 돼 직접해수전해 스택 개발의 가능성이 높아졌으며, 부유식 해상 풍력 플랫폼과 연계 시스템을 통한 해양그린수소 생산을 기대할 수 있게 됐다"고 평가했다. 또한 "바닷물을 전해액으로 사용하기 때문에 해수담수화 및 초고순도 공정에 필요한 제반시설에 대한 제약 없이 바다가 인접한 어느 곳에서나 수소생산을 가능하게 해 수소 경제 활성화에 기여할 수 있을 것"이라고 전했다.

◇ 연기기관의 연구성과... 발전기업, 민간으로 연계되나

한국에너지기술연구원 외에도 다양한 연구기관에서도 수전해기술에 필요한 촉매 성능 개선 연구를 통해 성과를 내고 있다.

울산과학기술원 신소재공학과 박혜성 교수와 동국대 융합에너지신소재공학과 한영규 교수 공동연구팀은 기존 값비싼 귀금속 촉매를 대신할 비귀금속 기반 이기능성 수전해 촉매를 개발했다.

연구팀은 산소발생전극인 산화전극과 수소발생전극인 환원전극 모두에 코팅해 쓸수 있는 이기능성 촉매를 개발해 수전해 장비 제작공정을 단순화해 비용을 절감했다. 또한 1㎠ 크기 전극에 100㎃의 전류를 흘리는 실험에서도 손상 없이 2500시간 안정적으로 작동할 만큼의 내구성을 높였다.

기초과학연구원과 나노구조물리연구단도 저렴한 전이금속인 코블트와 니켈을 이용해 이합체를 구현, 이를 통해 어떤 성질의 물에서도 수소 생산이 가능하고 장시간 작동이 가능한 이합체 촉매를 개발했다.

니켈-코발트 이합체 구조인 해당 촉매는 기존 촉매인 백금보다 4배가량 저렴하며, 단일 원자로 존재할 때보다 수소 생산 효과를 그대화시키는 것으로 확인됐다. 또한 24시간 안정적인 백금 촉매에 비해 니켈-코발트 이합체는 구조 변화 없이 50시간 동안 사용가능한 것으로 나타났다.

이처럼 정부의 투자와 연구기관들의 지속적인 연구와 성과로 인해 수전해 기술은 조금씩 진일보하고 있다. 그러나 이러한 성과에도 불구하고 수전해 기반 그린수소 생산 사업은 여전히 많은 과제를 산재하고 있다. 특히 지난 3월 한국과학기술기획평가원(KISTEP)이 발표한 ‘수소 생산’ 주제의 기술동향 브리프에 따르면, 국내 수전해 산업은 재생에너지 전력보급 및 투자 미흡과 기업의 낮은 관심으로 아직 초기단계에 머물러 있다고 평가했다.

다행히 최근 수소 사업에 주목하는 민간기업과 발전 공기업 등의 주도로 그린수소에 대한 관심이 커지면서 공공과 민간에서도 수전해 기술 개발 및 사업화에 나서는 곳도 나타나고 있다. 다음 화에서는 수전해 기술에 주목하고 있는 기업이나 공공기관은 어떤 곳이 있으며, 어느 정도 수준에 도달해 있는지 알아보겠다.

hdlim@greenpost.kr



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