▲출처: Roland Berger
수소에너지는 환경오염물질을 배출하지 않고 무한정인 물을 원료로 제조할 수 있어 미래 에너지 문제와 환경문제를 한번에 해결할 수 있는 청정에너지원으로 떠오르고 있습니다. 이에 따라 탈탄소화를 위한 수소 에너지 활성화 시도가 세계 각국에서 진행되고 있습니다.
지난 1월 정부는 수소경제를 선도하기 위한 수소경제 활성화 로드맵을 발표했는데요. 이에 따라 수소에너지를 생산할 수 있는 수전해기술 연구와 개발의 중요성이 더욱 커졌습니다. 오늘은 친환경 수소에너지란 무엇이고, 신재생에너지로 수소를 생산하는 기술에 대해 알아보도록 하겠습니다.
#수소에너지란?
▲출처: shell
수소에너지는 화석연료를 수증기 개질 또는 부분 산화하여 얻는 개질방식과 물을 전기분해하여 얻는 수전해 방식, 또는 바이오매스를 가스화 혹은 탄화시켜 얻을 수 있습니다. 이 중 수전해방식은 물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해하는 전기화학적 기술로, 수소를 친환경적으로 생산하는 방법입니다.
전기화학적 수소생산 기술 #수전해기술
수전해 방식을 이용한 수소 생산 기술에는 알칼라인 수전해 (Alkaline Electrolysis), 양성자 교환막 수전해 (Proton Exchange Membrane Electrolysis)와 고온 수증기 분해 수전해 (THE, High Temperature Electrolysis) 기술 등이 있습니다.
1_ 알칼라인 수전해기술
알칼리 수전해기술은 전해액*으로 알카리 수용액을 이용하고 생성된 수소/산소를 분리하기 위하여 다공성 격막을 사용합니다. 고가의 귀금속을 필요로 하지 않아 초기 설치 비용이 상대적으로 저렴하고 대용량에 적합합니다.
2_양성자 교환막 수전해기술
양성자 교환막* 수전해기술은 전류밀도가 높아 에너지 효율이 높은 방법으로 작은 크기로도 제작이 가능하며, 전해액을 사용하지 않고 순수한 물을 원료로 하기 때문에 순도가 매우 높습니다. 하지만 분리막이 고가이고 그 자체가 부식성을 가지고 있어 내구성이 좋은 귀금속 계열의 전극이 사용돼 유지비용이 많이 드는 단점이 있습니다.
3_고온 수증기분해 수전해기술
고온 수증기분해 수전해기술은 물을 분해하기 위한 필요한 전기에너지가 고온에서 더 낮아지는 현상을 이용한 방법으로, 적은 전기에너지로 고효율의 물 분해가 가능하고, 고체산화물전지와 그 구조 및 원리가 같아 양방향 운전이 가능하고 전력 저장을 위한 시스템으로 구성이 가능합니다. 하지만 수증기를 700℃ 이상으로 가열하는데 추가 열원이 필요하며 고온의 작동조건을 가지기 때문에 충분한 내구성을 가진 고체전해질에 대한 연구와 개발이 필요합니다.
신재생 에너지 통한 수소 생산, #P2G기술
물을 전기분해해 수소를 얻는 수전해기술은 고순도의 수소를 생산할 수 있고 환경 오염이 적다는 장점이 있지만, 고가의 비용이 발생한다는 단점이 있습니다. 따라서 태양광, 풍력 등 신재생 에너지와 연계해 전기를 생산하고 이를 활용해 물을 전기분해해서 수소를 얻는 방안이 대두되고 있습니다.P2G(Power to Gas)는 전력계통에서 수용할 수 없는 풍력, 태양광 등의 전력을 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하거나, 생산된 수소를 이산화탄소와 반응시켜 메탄 등의 연료형태로 저장하는 기술입니다.
P2G기술은 배터리 기반의 ESS에 비해 에너지 전환 효율은 떨어지지만 강력한 장점들을 지니고 있는데요. 대용량의 에너지를 장기적으로 저장할 수 있으며, P2G를 통해 생산된 가스를 천연가스 망에 연결할 수 있기 때문에 전력망과 가스망의 유기적 결합이 가능합니다. 또한 전력저장과 동시에 이산화탄소의 전환 및 연료화가 가능하기 때문에 온실가스 저감에 능동적으로 대처할 수 있는 기술 중 하나로 평가받고 있습니다.
수전해기술과 #한화솔루션
한화솔루션은 수전해기술과 유사한 CA 전해조를 통해 염소와 가성소다를 국내 최대 규모로 30년 이상 생산해 온 오랜 경험과 운전 노하우를 보유하고 있는데요. 현재 수전해 핵심기술을 보유하고 있는 KAIST, 연세대, 강원대와 해외 우수대학 등 국내외 연구기관과 공동연구를 진행하고 있습니다. 연구를 통해 신재생 에너지 활용에 최적화가 가능한 음이온 교환막 알칼라인 수전해 핵심소재 및 전해조 기술을 개발하고, 이를 태양광 사업과 연계해 에너지 시장의 효율성을 향상시켜 친환경 에너지 사회를 선도하기 위해 노력하고 있습니다.
최근에 친환경 자동차로 빠르게 상용화 되어가고 있는 전기차는 단거리 승용은 유리하지만 충전 시간 및 저장 용량의 한계로 장거리 운송 수단으로서는 아직 기술적 한계가 있습니다. 반면에 수소차는 그 효율성과 저장 장치의 특성으로 전기차가 가진 단점을 극복하고 장거리 승용 및 고출력 상용차 적용에는 유리하다는 장점이 있습니다.
미국 수소연료전지차 스타트업 니콜라는 한 번 충전으로 2,000km를 달릴 수 있는 화물용 트럭을 개발하여 2021년 양산을 목표로 하고 있습니다. 니콜라는 미국과 캐나다 전역에 수소 충전소 네트워크를 구축할 계획이며 수소 충전소에는 한화솔루션의 태양광 발전으로 물을 전기분해해 수소를 뽑아내는 수소 생성기도 설치할 예정입니다.
▲출처 : Nikola Motor Company
가까운 미래에는 한화솔루션의 수전해 및 태양광 기술을 통해 태양광 발전으로 물을 전기분해 하여 수소를 공급하는, 수소 충전소 네트워크가 글로벌 전역에 구축될 것으로 기대됩니다. 앞으로도 태양광 에너지부터 수소 에너지까지, 신재생 에너지 개발을 위해 노력하는 한화솔루션을 지켜봐 주시기 바랍니다.
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