[특별기고] 수소 핵심기술개발 난제 많지만 국산화 성공시 해외경쟁력 높아, 2022.01.05
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[특별기고] 오버플러스파워(주) 정수호 대표이사- 탄소중립과 수소경제 -수소 핵심기술개발 난제 많지만 국산화 성공시 해외경쟁력 높아 (gasnews.com)
- 탄소중립과 수소경제 -
수소 핵심기술개발 난제 많지만 국산화 성공시 해외경쟁력 높아
청정에너지원으로서 수소수요 증가
중장기적인 기술개발 로드맵 필요
지난해 중반 국내 탄소중립위원회가 ‘탄소중립 시나리오’ 3안의 초안을 기반으로 국내 순배출량을 0으로 하는 두 개의 시나리오 최종본인 A안과 B안을 발표하였다.
A안은 화력발전 전면 중단 등 배출 자체를 최대한 줄이는 방안이고, B안은 LNG발전이 잔존하는 대신 CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage) 등 이산화탄소 제거기술을 적극 활용한다는 안이다.
이 두 가지 시나리오는 꼭 하나를 선택해야 한다는 아이디어라기보다는 다양한 미래상을 제시하기 위함이라는 것이 위원회의 입장이다. 온실가스 배출원을 전환, 산업, 건물, 수송, 농축수산, 폐기물, 수소, 탈루로 구분하여 백만톤CO2eq를 산정하였다.
이 중 수소와 관련된 시나리오에서는 A안은 국내 생산 수소 전량을 수전해 수소(그린수소)로 공급하여 온실가스를 전혀 배출하지 않겠다는 것이고, B안은 국내 생산 수소 일부를 부생수소나 추출수소로 공급하여 2050년도까지 9백만톤 CO2eq를 배출하는 대신에 CCUS 즉 이산화탄소 포집 및 활용·저장을 통해 그 배출량을 상쇄하겠다는 안이다. 어떤 안이 되었던 청정에너지원으로서 수소수요는 향후 27.4~27.9백만톤까지 증가될 것으로 예상된다.
이와 같이 탄소중립 시나리오가 이루어지기 위해서는 수전해 수소 공급기반 강화 및 수소산업 생태계의 균형적 발전이 이루어져야 한다. 이를 위해서는 수소의 생산, 저장, 운송, 이용의 전 단계에 걸쳐 기술개발과 산업화가 이루어져야 하는데 이에 대한 구체적이고 신중한 논의가 이루어져야 한다.
국내에서 보유하고 있는 기술과 보유하고 있지 않은 기술에 대한 냉정한 판단에 근거한 중·장기적인 기술개발 로드맵이 필요하다. 위의 수소 전주기 기술은 전기화학, 화학공학, 기계공학, 신소재공학 등 다양한 분야의 전문성이 요구되며, 기술개발 및 사업화의 전문적인 팀 구성과 적절한 자본투자가 이루어져야 오랜 개발을 통해 기술을 확보할 수 있다.
이에 부가하자면 전략적인 해외업체와의 기술제휴도 필요할 것이다. 수소 전주기에 요구되는 핵심기술들은 무엇하나 쉬운 것들이 없다. 그만큼 개발에 성공하기 위해서는 제품의 성능, 내구성, 안전성 등이 확보되어야 한다. 이렇게 기술개발의 난제들이 산재하지만 이를 뒤집어서 생각해보면 이런 어려운 기술들을 국산화에 성공한다면 해외경쟁력을 상당히 높일수 있는 기회가 된다.
수소 생산분야
여러 가지 수소생태계 분야 중 수소생산 분야는 아마도 탄소중립으로 가기 위한 수소경제의 역할에 있어서 가장 관심이 가는 분야라고 본다. 수소생산 분야는 다양한 생산기술들이 존재하지만 현재 고려되고 있는 가장 대표적인 기술은 부생수소, 추출수소(혹은 개질수소), 그리고 수전해 수소 기술이다.
부생수소는 나프타라는 원유를 정제하는 과정에서 생성되는 다양한 가스 중 수소만을 분리하고 정제하여 고순도의 수소를 생산하는 방식으로 이미 기술적으로 안정적이고 상용화되어 있으며 효율이 높은 방법이지만, 정유공장 내 자체 소비, 트레일러 공급으로 인한 지역적 공급문제, 수소공급원으로서의 확장성 부재 등은 부생수소가 가지고 있는 한계점이다.
추출수소(혹은 개질수소)는 아마도 향후 수년간은 가장 경제성이 높은 기술일 것이라고 사료된다. 전 세계적으로 정유 산업 등에서 오래되고 안정적인 기술이지만 관련된 고순도(99.999%) 추출수소 국내기술은 아직 검증을 받고 있는 단계이다. 그리고 화두가 되는 이산화탄소의 발생량은 수소발생의 1/4일 정도로 무시할 수 없는 양이며 탄소중립이라는 개념 내에서의 수소경제를 위해서는 이산화탄소를 포집하여 활용할 수 있는 기술개발이 절실한 상황이다.
수전해 수소 기술은 아마도 재생에너지, 즉 태양광이나 풍력 발전에서 남는 잉여전력을 활용하여 수소를 생산할 수 있어 온실가스 발생을 수반하지 않는, 탄소중립적으로 가장 매력적인 기술이라고 할 수 있다. 소위 P2G(Power-to-Gas)라는 신규사업이 향후 크게 반향을 일으킬 것으로 예상이 된다. 여기서 가장 크게 넘어야 할 산은 수전해 기술의 내구성이다. 전기화학 반응을 기반으로 하는 수전해 기술과 연료전지 기술은 전 세계적으로 오랫동안 관심을 많이 받고 투자도 많이 이루어져 활발하게 연구가 이루어지고 있는 분야이다.
하지만 전 세계수준에서도 이 전기화학 기술들은 내구성 면에서 아직도 많이 향상되어야 한다. 만약 하루 24시간 동안 가동되어야 하고 3년 제품기술 보증을 제공해야 한다면 약 2만6천 시간 동안 운전이 담보되어야 하는데 전기화학적인 입장에서는 다소 버거운 부분이다. 각 제조업체에서 제품의 향상된 내구성을 홍보하고 있지만 대량 생산 시, 전 제품의 내구성 평준화도 큰 과제 중 하나이다. 주목할 사항은 이미 수십 년 동안 전 세계적으로 전기화학 디바이스, 즉 수전해와 연료전지로의 많은 연구개발 투자가 오랫동안 이루어졌다는 부분이다. 이는 그만큼 내구성 향상이 하루아침에 이루어질 수 없는 꾸준히 이루어져야 한다는 점을 시사한다.
수소 저장·운송분야
수소저장 분야는 수소 전주기 기술 중 가장 취약한 부분이 아닐까 한다. 아래 그래프에서 보듯이 연료로서 수소의 에너지 밀도는 무게 당은 뛰어나지만 부피 당은 상당히 취약한 편이다.
쉽게 표현하자면 같은 부피의 용기 안에 담을 수 있는 에너지 밀도가 기존의 연료인 경유, LPG, LNG 등에 비해 수소는 상당히 낮은 것을 알 수 있다. 현재 현대자동차 넥쏘의 내압용기(수소저장용기)의 압력은 700bar인데 그 리터당 에너지 밀도가 디젤에 비해서 6배 정도나 낮음을 알 수 있다.
이렇게 고압가스가 아닌 액체의 형태로 수소를 저장했을 시 리터당 에너지 밀도가 높아짐을 알 수 있지만 수소가 액화되는 온도가 천연가스(LNG)와는 달리 –253℃ 정도의 초저온에서 견딜 수 있는 부품들이 필요하여 그 기술이 쉽지 않다.
국내외에서 많은 업체들이 사업화를 추진하고 있지만 기술의 고도화와 안정화를 위해서는 충분한 시간이 필요해 보인다. 이에 대응해 또 관심을 많이 받는 기술이 암모니아를 이용한 수소저장 기술이다. 위 수소생산 분야에서의 기술적인 이슈들이 짚어졌다면 그 대안으로 호주와 같은 해외에서 재생에너지나 갈탄을 활용하여 생산된 수소를 국내로 도입하는 안이 관심을 많이 받고 있는 가운데 이렇게 대용량 장거리로 저장 및 운송을 해야 할 경우, 기존의 액체수소(LH2)나 액상유기수소화물(LOHC)보다는 액상 암모니아(NH3)가 1.5배 정도 더 많은 양을 저장 및 운송할 수 있다는 점에서이다. 가장 큰 장점은 전 세계적으로 이미 비료로도 활발히 쓰이는 암모니아는 그 수출입이 활발해 생산시설, 운반선 등의 인프라가 이미 갖춰져 있다는 점이다.
암모니아 생산을 위해 전 세계적으로 가장 많이 쓰이고 있는 기술은 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정인데 그 외에도 전기화학적 방식이나 타 암모니아 합성 방법들이 개발되고 있는 것에 비해, 국내의 기술들이 아직 미진하여 그 개발이 시급할 것으로 보여진다. 만약 국내에서 암모니아 합성기술이나 수소추출 기술이 확보가 된다면 천연가스 추출수소 기술에 비해서 온실가스의 발생이 현저히 낮기 때문에 탄소중립 개념에서의 수소전주기 기술 중 하나로 각광 받을 수 있을 것이다.
수소 이용분야
수소는 에너지원으로서 가치에 대한 관심을 받기 이전에 이미 산업계에서 다른 용도인 플로트유리, 금속 야금, 반도체 공정, 석유정제, 식품산업 등에 이미 널리 쓰이고 있었다. 수소가 에너지원으로서 쓰일 수 있게 하는 장치는 바로 ‘연료전지’이다.
연료전지는 앞서 언급했다시피 수전해와 같은 전기화학 디바이스이며 이의 가장 큰 약점은 내구성이다. 하지만 내구성이 낮다고 하여 연료전지의 산업체로서의 역할이 없는 것은 전혀 아니다. 자동차나 백업파워 같은 비교적 높은 내구성이 요구되지 않는 산업분야에서 충분히 그 능력을 발휘할 수 있는 것이다.
수소경제의 역할을 이렇게 자동차나 백업파워의 위치에서 출발한 후 기술력이 발전해 내구성이 계속 높아지면서 기저부하 발전 등 그 역할의 영역을 넓혀가는 것이 현명한 접근방식일 것이다.
정수호 대표
- 2002년 미국 플로리다 대학 산화물연료전지 석사학위, 2005년 반도체공정 박사학위
- 포틀랜드 오레곤 반도체회사 인텔 시니어엔지니어 5년 근무
- 클리어에지파워(현 두산퓨얼셀 전신) 추출수소엔지니어 2년
- 캘리포니아공과대학 태양광 연계 수소생산기술인 인공광합성 5년 연구
- 2017년 6월 오버플러스파워 설립
출처 : 가스신문(http://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=102974)
A안은 화력발전 전면 중단 등 배출 자체를 최대한 줄이는 방안이고, B안은 LNG발전이 잔존하는 대신 CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage) 등 이산화탄소 제거기술을 적극 활용한다는 안이다.
이 두 가지 시나리오는 꼭 하나를 선택해야 한다는 아이디어라기보다는 다양한 미래상을 제시하기 위함이라는 것이 위원회의 입장이다. 온실가스 배출원을 전환, 산업, 건물, 수송, 농축수산, 폐기물, 수소, 탈루로 구분하여 백만톤CO2eq를 산정하였다.
이 중 수소와 관련된 시나리오에서는 A안은 국내 생산 수소 전량을 수전해 수소(그린수소)로 공급하여 온실가스를 전혀 배출하지 않겠다는 것이고, B안은 국내 생산 수소 일부를 부생수소나 추출수소로 공급하여 2050년도까지 9백만톤 CO2eq를 배출하는 대신에 CCUS 즉 이산화탄소 포집 및 활용·저장을 통해 그 배출량을 상쇄하겠다는 안이다. 어떤 안이 되었던 청정에너지원으로서 수소수요는 향후 27.4~27.9백만톤까지 증가될 것으로 예상된다.
이와 같이 탄소중립 시나리오가 이루어지기 위해서는 수전해 수소 공급기반 강화 및 수소산업 생태계의 균형적 발전이 이루어져야 한다. 이를 위해서는 수소의 생산, 저장, 운송, 이용의 전 단계에 걸쳐 기술개발과 산업화가 이루어져야 하는데 이에 대한 구체적이고 신중한 논의가 이루어져야 한다.
국내에서 보유하고 있는 기술과 보유하고 있지 않은 기술에 대한 냉정한 판단에 근거한 중·장기적인 기술개발 로드맵이 필요하다. 위의 수소 전주기 기술은 전기화학, 화학공학, 기계공학, 신소재공학 등 다양한 분야의 전문성이 요구되며, 기술개발 및 사업화의 전문적인 팀 구성과 적절한 자본투자가 이루어져야 오랜 개발을 통해 기술을 확보할 수 있다.
이에 부가하자면 전략적인 해외업체와의 기술제휴도 필요할 것이다. 수소 전주기에 요구되는 핵심기술들은 무엇하나 쉬운 것들이 없다. 그만큼 개발에 성공하기 위해서는 제품의 성능, 내구성, 안전성 등이 확보되어야 한다. 이렇게 기술개발의 난제들이 산재하지만 이를 뒤집어서 생각해보면 이런 어려운 기술들을 국산화에 성공한다면 해외경쟁력을 상당히 높일수 있는 기회가 된다.
수소 생산분야
여러 가지 수소생태계 분야 중 수소생산 분야는 아마도 탄소중립으로 가기 위한 수소경제의 역할에 있어서 가장 관심이 가는 분야라고 본다. 수소생산 분야는 다양한 생산기술들이 존재하지만 현재 고려되고 있는 가장 대표적인 기술은 부생수소, 추출수소(혹은 개질수소), 그리고 수전해 수소 기술이다.
부생수소는 나프타라는 원유를 정제하는 과정에서 생성되는 다양한 가스 중 수소만을 분리하고 정제하여 고순도의 수소를 생산하는 방식으로 이미 기술적으로 안정적이고 상용화되어 있으며 효율이 높은 방법이지만, 정유공장 내 자체 소비, 트레일러 공급으로 인한 지역적 공급문제, 수소공급원으로서의 확장성 부재 등은 부생수소가 가지고 있는 한계점이다.
추출수소(혹은 개질수소)는 아마도 향후 수년간은 가장 경제성이 높은 기술일 것이라고 사료된다. 전 세계적으로 정유 산업 등에서 오래되고 안정적인 기술이지만 관련된 고순도(99.999%) 추출수소 국내기술은 아직 검증을 받고 있는 단계이다. 그리고 화두가 되는 이산화탄소의 발생량은 수소발생의 1/4일 정도로 무시할 수 없는 양이며 탄소중립이라는 개념 내에서의 수소경제를 위해서는 이산화탄소를 포집하여 활용할 수 있는 기술개발이 절실한 상황이다.
수전해 수소 기술은 아마도 재생에너지, 즉 태양광이나 풍력 발전에서 남는 잉여전력을 활용하여 수소를 생산할 수 있어 온실가스 발생을 수반하지 않는, 탄소중립적으로 가장 매력적인 기술이라고 할 수 있다. 소위 P2G(Power-to-Gas)라는 신규사업이 향후 크게 반향을 일으킬 것으로 예상이 된다. 여기서 가장 크게 넘어야 할 산은 수전해 기술의 내구성이다. 전기화학 반응을 기반으로 하는 수전해 기술과 연료전지 기술은 전 세계적으로 오랫동안 관심을 많이 받고 투자도 많이 이루어져 활발하게 연구가 이루어지고 있는 분야이다.
하지만 전 세계수준에서도 이 전기화학 기술들은 내구성 면에서 아직도 많이 향상되어야 한다. 만약 하루 24시간 동안 가동되어야 하고 3년 제품기술 보증을 제공해야 한다면 약 2만6천 시간 동안 운전이 담보되어야 하는데 전기화학적인 입장에서는 다소 버거운 부분이다. 각 제조업체에서 제품의 향상된 내구성을 홍보하고 있지만 대량 생산 시, 전 제품의 내구성 평준화도 큰 과제 중 하나이다. 주목할 사항은 이미 수십 년 동안 전 세계적으로 전기화학 디바이스, 즉 수전해와 연료전지로의 많은 연구개발 투자가 오랫동안 이루어졌다는 부분이다. 이는 그만큼 내구성 향상이 하루아침에 이루어질 수 없는 꾸준히 이루어져야 한다는 점을 시사한다.
수소 저장·운송분야
수소저장 분야는 수소 전주기 기술 중 가장 취약한 부분이 아닐까 한다. 아래 그래프에서 보듯이 연료로서 수소의 에너지 밀도는 무게 당은 뛰어나지만 부피 당은 상당히 취약한 편이다.
쉽게 표현하자면 같은 부피의 용기 안에 담을 수 있는 에너지 밀도가 기존의 연료인 경유, LPG, LNG 등에 비해 수소는 상당히 낮은 것을 알 수 있다. 현재 현대자동차 넥쏘의 내압용기(수소저장용기)의 압력은 700bar인데 그 리터당 에너지 밀도가 디젤에 비해서 6배 정도나 낮음을 알 수 있다.
이렇게 고압가스가 아닌 액체의 형태로 수소를 저장했을 시 리터당 에너지 밀도가 높아짐을 알 수 있지만 수소가 액화되는 온도가 천연가스(LNG)와는 달리 –253℃ 정도의 초저온에서 견딜 수 있는 부품들이 필요하여 그 기술이 쉽지 않다.
국내외에서 많은 업체들이 사업화를 추진하고 있지만 기술의 고도화와 안정화를 위해서는 충분한 시간이 필요해 보인다. 이에 대응해 또 관심을 많이 받는 기술이 암모니아를 이용한 수소저장 기술이다. 위 수소생산 분야에서의 기술적인 이슈들이 짚어졌다면 그 대안으로 호주와 같은 해외에서 재생에너지나 갈탄을 활용하여 생산된 수소를 국내로 도입하는 안이 관심을 많이 받고 있는 가운데 이렇게 대용량 장거리로 저장 및 운송을 해야 할 경우, 기존의 액체수소(LH2)나 액상유기수소화물(LOHC)보다는 액상 암모니아(NH3)가 1.5배 정도 더 많은 양을 저장 및 운송할 수 있다는 점에서이다. 가장 큰 장점은 전 세계적으로 이미 비료로도 활발히 쓰이는 암모니아는 그 수출입이 활발해 생산시설, 운반선 등의 인프라가 이미 갖춰져 있다는 점이다.
암모니아 생산을 위해 전 세계적으로 가장 많이 쓰이고 있는 기술은 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정인데 그 외에도 전기화학적 방식이나 타 암모니아 합성 방법들이 개발되고 있는 것에 비해, 국내의 기술들이 아직 미진하여 그 개발이 시급할 것으로 보여진다. 만약 국내에서 암모니아 합성기술이나 수소추출 기술이 확보가 된다면 천연가스 추출수소 기술에 비해서 온실가스의 발생이 현저히 낮기 때문에 탄소중립 개념에서의 수소전주기 기술 중 하나로 각광 받을 수 있을 것이다.
수소 이용분야
수소는 에너지원으로서 가치에 대한 관심을 받기 이전에 이미 산업계에서 다른 용도인 플로트유리, 금속 야금, 반도체 공정, 석유정제, 식품산업 등에 이미 널리 쓰이고 있었다. 수소가 에너지원으로서 쓰일 수 있게 하는 장치는 바로 ‘연료전지’이다.
연료전지는 앞서 언급했다시피 수전해와 같은 전기화학 디바이스이며 이의 가장 큰 약점은 내구성이다. 하지만 내구성이 낮다고 하여 연료전지의 산업체로서의 역할이 없는 것은 전혀 아니다. 자동차나 백업파워 같은 비교적 높은 내구성이 요구되지 않는 산업분야에서 충분히 그 능력을 발휘할 수 있는 것이다.
수소경제의 역할을 이렇게 자동차나 백업파워의 위치에서 출발한 후 기술력이 발전해 내구성이 계속 높아지면서 기저부하 발전 등 그 역할의 영역을 넓혀가는 것이 현명한 접근방식일 것이다.
정수호 대표
- 2002년 미국 플로리다 대학 산화물연료전지 석사학위, 2005년 반도체공정 박사학위
- 포틀랜드 오레곤 반도체회사 인텔 시니어엔지니어 5년 근무
- 클리어에지파워(현 두산퓨얼셀 전신) 추출수소엔지니어 2년
- 캘리포니아공과대학 태양광 연계 수소생산기술인 인공광합성 5년 연구
- 2017년 6월 오버플러스파워 설립
출처 : 가스신문(http://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=102974)