New Energies, new possibilities

월간수소경제 = 성은숙 기자 | 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’)은 수소연구단 정운호 박사 연구진이 국내 최초로 화석연료를 사용하지 않는 암모니아 분해 기반 청정 수소 생산 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

이번 연구의 성과로 화석연료 사용 시 발생하는 이산화탄소 배출 없이도 수소전기차용 국제표준을 충족하는 고순도의 수소 생산이 가능해졌다는 분석이다.

수소와 질소의 화합물인 암모니아는 액화수소에 비해 수소 저장 밀도가 1.7배 높으며, 인프라·취급·안전 기준이 갖춰져 있어 수소 저장과 운송 문제를 해결할 가장 현실적인 대안으로 평가받고 있다.  

에너지연에 따르면 연구진은 암모니아 분해 반응 후 남은 미량의 수소와 암모니아를 열원으로 재사용해 기존 공정에서 열원으로 활용하던 화석연료 없이도 고순도의 수소를 생산하는데 성공했다.

암모니아를 원료로 고순도 수소를 생산하기 위해서는 600도(℃) 이상의 고온에서 루테늄(Ru) 촉매를 이용해 암모니아를 분해하고 압력변동흡착(PSA) 기술을 이용해 수소를 정제해야 한다. 이 과정에서 질소와 수소가 포함된 잔류가스가 발생하고 암모니아 분해 반응기 열원으로 재사용된다. 다만 잔류가스만으로는 열량이 부족하기 때문에 추가적으로 열량을 보충해 주어야 한다.

기존 기술과 에너지연 개발 기술의 비교.(그림=한국에너지기술연구원)

기존 기술의 경우 부족한 열량을 천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG) 등의 화석연료로 보충하기 때문에 연소 시 이산화탄소가 배출되는 문제가 있었다. 하지만 이번에 개발된 시스템을 이용하면 화석연료 대신 암모니아를 공급해 열량을 충당하고 이산화탄소 배출을 원천 차단할 수 있다.

개발한 시스템을 이용하면 수소전기차용 연료전지에 공급 가능한 99.97% 이상의 고순도 수소를 시간당 약 0.5kg(5N㎥)을 생산할 수 있다는 게 에너지연의 설명이다. 아울러 생산된 수소의 불순물 농도는 질소 300ppm 미만, 암모니아 0.1ppm 미만으로 수소전기차용 국제표준인 ISO 14687 기준을 충족했다.

국내 최초의 무탄소 암모니아 분해 반응기.(사진=한국에너지기술연구원)

아울러 에너지연은 연구진이 국내 최초로 암모니아 추출 수소를 활용해 이산화탄소 배출 없이 전력을 생산하는 1kW급 건물용 연료전지 시스템에 대한 실증도 성공했다고 밝혔다. 이번 실증은 두산 퓨얼셀파워BU와 함께 진행했다.

연구책임자인 정운호 박사는 “이번에 개발된 기술은 그동안 2% 부족했던 암모니아 기반 무탄소 수소 생산 기술을 완성했다는 점에서 의의가 있고, 청정 수소가 필요한 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대한다”라며 “암모니아와 연료전지를 결합해 친환경 선박의 무탄소 전원으로 활용할 수 있고 향후 용량을 확대하면 청정 수소 발전시장에도 참여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

암모니아 추출 수소 연계 무탄소 건물용 연료전지.(사진=한국에너지기술연구원)

출처 : 월간수소경제(https://www.h2news.kr)

[공학저널 전찬민 기자] 이제 화석연료 시대를 벗어나 2050년까지 탈탄소시대를 열겠다는 세계 각국의 약속과 도전은 에너지 전환에 따른 새로운 패러다임의 변화를 이끌고 있다. 특히, 신재생에너지는 지속가능한 에너지를 발굴하는 단계에서 더 나아가 효율적인 에너지 저장과 활용으로 확장되고 있다.
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이를 배경으로 전 세계적으로 새로운 기술과 산업시장을 누가, 얼마나 빨리 전략적으로 확보하고 선점할 것인가의 문제는 에너지 전환 시대의 새로운 질서가 예고되고 있다. 우리나라 역시 지난 2017년 정부가 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획’에 따라 2030년까지 전체 발전량에서 재생에너지가 차지하는 비중을 7%에서 20% 이상으로 확대한다는 목표를 세웠으며, 지자체에서도 신재생에너지 활성화를 위한 노력이 다방면으로 진행되고 있다.
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대표적으로 신재생에너지 비율이 가장 높은 제주도는 탄소 발생을 저감하는 에너지원으로 대체하겠다는 ‘탄소없는 섬(Carbon Free Island)’을 목표로 10여년 전부터 태양광, 풍력 발전을 높여왔다.
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하지만, 태양광발전과 풍력발전의 에너지원은 지역과 기후조건에 따라 전력 공급과잉 또는 전력부족이 발생해 전력공급과 계통에 불안정성을 초래할 수 있다는 것이 한계로 지적되고 있다. 특히, 전력 과잉 생산을 방지하기 위해 출력 제한하는 컷테일먼트(Curtailment)는 잉여전력을 버리는 셈이 되기 때문에 기존 전력망과 신재생에너지의 균형을 이루고 보다 안정적인 전력공급을 위한 대안이 필요한 상황이다.
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이에 따라 최근 이러한 태양광과 풍력발전의 불규칙적인 발전 문제를 해결함과 동시에 재생에너지원의 친환경성을 유지할 수 있는 기술이 주목을 받고 있다. 그 기술이 바로 ‘P2G(Power to Gas) 에너지저장기술’이다.
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P2G 에너지저장기술은 태양광, 풍력발전에서 생산된 잉여전력을 P2G 수전해시스템을 통해 수소로 생산한 후 저장하고, 발전량이 적을 때는 저장된 수소를 이용해 수소연료전지를 가동해 전력을 생산할 수 있다는 것이 가장 큰 장점이다. 이는 P2G시스템이 잉여전력을 활용해 낭비되는 에너지자원을 친환경 그린수소로 생산할 수 있다는 점에서 궁극적으로는 친환경 에너지 발전 방식이라고 볼 수 있다.
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이러한 P2G시스템은 현재 독일을 중심으로 유럽에서 가장 활발히 활용되고 있으며, 국내에서도 P2G시스템에 대한 다양한 연구와 시도가 진행되고 있다. 그 중 ㈜지필로스는 국내 최초로 제주도에서 풍력발전의 버려지는 잉여전력을 이용한 그린수소 생산 실증연구를 2017년부터 2021년 4월까지 약 4년여 동안 진행했으며 성공적으로 마무리한 바 있다.
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특히, 제주 상명풍력발전소의 잉여전력을 수전해시스템을 통해 고순도(99.999%) 수소의 생산과 저장, 그리고 수소연료전지시스템으로 다시 전기를 생산하는 등 수소생산통합시스템의 설계와 운영기술을 국내 최초로 실증하며 그린수소 생산 확대에 기여를 하고 있다.
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또한, 지필로스는 이 실증사업을 통해 축적한 수전해시스템의 최적 운전조건과 그린수소생산 데이터, 경제성 데이터 등을 바탕으로 제주도 행원에서 ‘3MW 급 그린수소 생산플랜트’, 국내에서 가장 큰 규모의 ‘12.5MW 그린수소 생산기지 구축 프로젝트’에 참여하는 등 그 기술력을 인정받고 있다.

지필로스 박가우 대표이사(사진)는 “지필로스의 강점은 P2G 운영솔루션 구축 경험과 유지관리 운영시스템(PMS) 기술을 보유하고 있다는 것으로, 이를 통해 국가 탄소 중립 구현과 산업 경쟁력을 갖는 것이고 이는 곧 글로벌 시장에서의 기술 선점과 시장 확대로 이어질 것이라 확신한다”며 “특히, 신재생에너지 정책에 발맞춰 민·관 협업 네트워크 구축과 상생협력을 통해 그린수소 생산사업 창출과 수소경제 활성화를 이끄는 견인차 역할을 해왔고 앞으로도 그 역할을 다할 것”이라고 말했다.
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그는 이어 “분산에너지 활성화법이 오는 6월에 시행되면 P2G를 활용한 그린수소 생산이 분산에너지원 중 하나로 자리 잡을 것이지만 P2G가 성공적으로 자리매김 하려면 상용화에 경제성 확보가 최우선시 돼야 한다”며 “지필로스는 앞으로도 기술의 고도화를 통해 안정적 수소생산과 경제적인 가격를 통해 수소에너지 기술 강국이 될 수 있도록 지속적으로 노력해 나갈 것이라고 덧붙였다.
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현재 지필로스는 2026년 3월까지 제주에서 연간 1000톤 이상의 그린수소를 생산하는 실증과제에도 참여하고 있다. 이 과제에서는 ▲ ALK, ▲ PEM, ▲ SOEC(고분자전해질), ▲ AEM(음이온교환막) 등 현존하는 수전해 기술이 모두 활용되고 있다.
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지필로스는 이 사업에 쓰일 2MW급 수전해시스템을 지난해 수원 산단에 구축한 수소용품 제조공장에서 생산할 계획이다. 또한, 자체 기술로 개발한 100kW 급 ALK·PEM 수전해와 모듈형 1MW 급 ALK 수전해 제품의 KGS 인증을 받아 세계 최고 수준의 경쟁력을 갖추는 것을 목표로 해외 수출을 위한 CE인증과 UL인증도 취득할 계획이다.
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지필로스가 개발한 단일제품 ‘ALK Linked 100kW’는 10kW 수전해 연료전지 스택을 모듈화한 것으로, 순수 10ℓ당 1kg의 수소를 생산할 수 있다. 또한, 수소 순도는 99.999% 수준으로 안정적인 효율(53.86kWh/kg)을 갖추고 있으며, 수소 생산량은 100kW 기준 하루 43kg(20N㎥)으로 수소차 8.5대를 충전할 수 있는 규모다.
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1MW급 ‘ALK Linked 1MW’의 경우, 수소 생산량은 하루 430kg(200N ㎥)이며, 10kW Module Type 100개를 합친 것으로 스택의 확장성과 연속운전이 가능한 것이 특징이다.
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모듈 타입(Module Type)은 기존 단일 제품과 달리 수소발생장치인 스택의 유지보수가 용이하고 수소 용량별 시스템 증설과 대량 생산이 가능하다는 것이 장점이다. 또한, 10kW 모듈의 개별 제어를 통해 재생에너지 변동성에 우수한 대응력을 확보할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
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이처럼 ALK, PEM 타입 모두를 생산하고 것은 해외에서도 일부 기업에만 해당하며, 우리나라에서는 지필로스가 유일하다. 이러한 기술력을 바탕으로 지필로스는 현재 수전해설비 생산을 위한 준비를 마치고 올해 15MW 규모 생산을 앞두고 있으며, 이는 P2G 통합시스템 기술 퍼즐의 완성을 위한 지필로스의 과감한 투자를 엿볼 수 있다.
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박 대표는 “그린수소 즉, 재생 가능한 에너지원을 사용해 수소를 생산하는 방식은 미래 에너지 시장에서 중요한 역할을 하고 있다”며 “우리나라는 수소 분야에 있어서는 세계 최고수준이지만, 마련된 로드맵, 정책, 계획들에 대한 명확한 실행이 이뤄져야 하며 해외 동향을 꾸준히 살피면서 우리나라가 선두를 유지할 수 있도록 민·관 모두의 노력이 필요하다”고 말했다.
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그는 이어 “특히, 그린수소에 대한 가격, 정책, 보조금 등 체계적인 제도가 마련된다면 그린수소 산업을 발전시키고 해외로 확장될 수 있는 기틀을 다질 수 있을 것”이라며 “이에 지필로스는 탄소를 전혀 배출하지 않는 그린수소 생산용 모듈형 수전해시스템의 개발과 양산화에 주력하고, 그동안 축적한 기술적 경험을 바탕으로 P2G시스템을 통한 온실가스 배출량을 줄이는 동시에 국내 기업이 글로벌 경쟁력을 갖추기 위한 최선의 노력을 다할 것”이라고 말했다.

더구루=윤진웅 기자] 글로벌 수소자동차 시장 규모가 급격하게 쪼그라들고 있다. 수소 충전 인프라와 충전 비용 상승 등의 이유로 수소차 글로벌 1위인 현대차 판매량이 급감했기 때문이다. 현대차는 중국 수소 시장 공략을 토대로 판매량 회복에 나설 계획이다. 1일 에너지 분야 시장조사 업체인 SNE리서치에 따르면 지난해 글로벌 수소차 시장 규모는 1만4451대로 집계됐다. 이는 전년 대비 30.2% 두 자릿수 급감한 수치이다. 수소차 시장 규모가 쪼그라든 것은 2020년 이후 3년 만으로, 수소 연료 충전 비용 상승과 수소연료 결함에 따른 사고, 수소 충전 인프라 부족 등 여러 요인이 작용하면서 수소차 매력도가 크게 줄었다는 평가이다. SNE는 "수소차 매력도 하락은 글로벌 수소차 시장 역성장에 큰 영향을 미치고 있다"고 설명했다.

글로벌 수소차 시장 규모 축소의 주원인으로는 현대차 수소차 판매 부진이 꼽힌다. 글로벌 수소차 판매 1위이자 수소차 시장의 대부분을 점유하고 있는 현대차의 수소차 판매가 줄어들면서 자연스레 시장 규모가 축소됐다는 것이다. 실제 지난해 현대차는 글로벌 수소 시장에서 총 5012대를 판매했다. 이는 전년 대비 55.9% 두 자릿수 감소한 수치이다. 전체 수소 판매량에서 차지하는 비중은 3분의 1에 달했다.

국가별 수소차 시장 규모(승용차 기준)는 중국과 한국, 미국, 유럽, 일본 순으로 컸다. 중국 시장 규모는 5600여대로 전체 수소 시장의 38.8% 점유율을 나타냈고, 한국은 4631대(32%), 미국은 2992대(20.7%)로 집계됐다. 유럽과 일본은 각각 773대(5.3%)와 424대(2.9%)로 집계됐다.

이들 국가 중 중국 수소차 시장의 성장 잠재력이 가장 크다. 중국 정부는 '수소에너지산업 중장기 발전계획(2021~2035)'을 통해 수소차 보급 확대와 인프라 구축에 적극 나서고 있다. 수소에너지 상용화를 가속화하려는 의지가 확고한 상태로 다양한 정책을 도입할 방침이다.

사정이 이렇다 보니 현대차는 중국 수소 대전환에 대한 원대한 계획을 세우고 있다. 오는 4월 25일부터 5월 4일까지 열흘간 중국 베이징 국제전람센터에서 ‘수소와 소프트웨어로의 대전환 : Ease every way’를 주제로 '2024 오토 차이나'(베이징 모터쇼) 미디어 데이를 진행할 계획이다. 해당 주제는 새롭게 떠오르는 현대차의 핵심 비전으로, 현대차는 이미 지난 1월 미국 라스베이거스 만달레이베이 컨벤션 센터에서 진행된 세계 최대 가전·IT 전시회 'CES 2024' 미디어 데이를 통해 한차례 공개한 바 있다.

현대차의 미래 청사진은 △수소사회로의 전환을 앞당길 종합 ‘수소’ 솔루션 △사람, 모빌리티, 데이터, 도시를 연결해 최적 생태계 구축을 위한 ‘소프트웨어’ 혁신 등으로 구체화된다.

한편 글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 최근 미국에서 운영하던 수소충전소 7곳을 영구 폐쇄했다. 지난해 실적 개선을 위해 탄소 절감 부문에 대한 구조조정을 추진하면서 수소 사업 규모를 축소하고 있다. 현지 수소차 시장을 양분하고 있는 현대자동차와 일본 토요타의 수소 사업에도 경고등이 켜졌다.

https://www.theguru.co.kr/mobile/article.html?no=67163