수전해 기술은 고밀도 수소생산과 스택기술이 관건

촉매·전극·소재의 내구성 향상이 필수
20년 세계 수전해 용량 75%가 알칼라인 방식
英·美·中, 원자력 연계 수전해 기술 연구

[수소뉴스 = 양인범 기자] 수전해(水電解)는 태양광, 풍력, 수력 등 재생에너지를 통해 물을 전기분해해 그린수소를 추출하는 기술이다. IRENA(국제재생에너지기구)는 2021년 “평균 온도 상승폭을 1.5℃ 이하로 억제하기 위해서는 그린수소의 역할이 필수적”이라고 언급했다.

이번 호에서는 수전해의 원리와 각 수전해 설비의 종류와 장단점, 현재 연구 중인 기술 동향과 국내 수전해 장비 생산업체 등에 대해 자세히 알아봤다.

알칼라인 수전해, 기술 성숙도 가장 높아


물(H₂O)은 수소원자 2개와 산소 1개로 구성되어 있다. 물에 전기를 가하면 양극(+)에는 음이온을 띤 산소원자가, 음극(-)에는 양이온을 띤 수소원자가 붙으며 원자가 분리된다. 초등학생들이 전기분해 실험을 할 때 양 쪽의 전극을 물에 넣고 전기를 넣었을 때 나오는 공기방울이 산소이다.

기본 개념은 동일하지만 수전해는 어떤 전해질(Electrolyte, 물에 녹았을 때 전기가 통하는 물질)을 사용하는지, 어떤 이온을 이동하는지에 따라 AWE(알칼라인 수전해), PEMWE(양이온 교환막 수전해), AEMWE(음이온 교환막 수전해), SOECs(고체 산화물 수전해) 등 여러 가지 방법으로 나뉜다.

먼저 AWE는 알칼리 전해액을 이용해 물을 전기분해 하는 방식이다. AWE 혹은 AEC라고도 불리는데 이 기술은 수전해 방법 중 가장 상용화된 기술로 연구가 오래 진행되어 안정적이다. 비귀금속 촉매를 사용하고, 수소 생산단가가 가장 낮은 장점을 가진다. 단점은 수소와 산소 혼입의 위험이 있고, 저순도 수소 및 낮은 에너지 밀도, 부식환경과 수소 정제가 필요하다는 점이다.

PEMWE는 양이온 교환막 혹은 고분자전해질막 수전해라고 불리는데, 주로 수소이온이 이동할 수 있는 나피온(Nafion)등의 양이온교환막을 전해질로 이용한다. PEM은 백금 촉매와 양이온 교환막을 사용해 높은 전류밀도로 운전할 수 있고 에너지 효율이 높아 장치 소형화가 가능하다. 단점은 비싼 귀금속 촉매와 비싼 T-biolar로 인해 스택 및 시스템 가격이 고가가 된다.

AEMWE는 음이온교환막 수전해 기술로 음이온 교환막을 전해질로 이용한다. AEM은 AWE와 마찬가지로 저가의 촉매를 사용해 수소 생산 비용을 낮출 수 있다. 낮은 전력에서도 잘 작동하며 압축기 없이도 고압에서 작동이 가능해 효율 및 순도가 높다. 단점은 기술력의 한계로 촉매와 음이온 교환막의 성능 및 신뢰도가 높지 않다는 점이다. 또, 촉매·전극의 활성과 내구성이 저하된다.

SOEC는 고체산화물 수전해로 고체산화물 전해질을 이용해 800℃이상의 고온 수증기를 수전해 시켜 수소를 만드는 기술이다. 고체산화물 전해질을 사용하기에 부식에 강하고, 전해액을 보충할 필요가 없어 유지 보수가 쉽다. 하지만, 수증기를 가열하기 위해 추가적인 열 에너지가 필요하고 800℃ 이상의 고온을 견딜 충분한 내구성을 지닌 고체전해질에 대한 연구가 아직은 부족한 상황이다.


미국, 원자력 연계해 수소 수요 35% 충당

수전해 기술은 각각 장단점이 있고, 아직 상용화에 필요한 기술 개발이 이뤄지지 않은 것도 있다.

한국가스공사 등이 경제성을 분석한 자료를 살펴보면 구체적인 수치 비교는 힘들지만, 1kg 당 수소 생산비용은 AWE가 가장 저렴하고, PEMWE, SOEC가 그 뒤를 이었다. 이는 현재 시점의 기술 성숙도와 사용하는 촉매의 가격 등이 원인이라고 전문가들은 보고 있다.

가장 많이 쓰이고 오래 연구된 AWE 기술의 핵심 부품은 스택이다. 스택은 ‘전극과 분리막’으로 이뤄진 셀을 적층한 것을 말한다. 국내외 전체적으로 이 알칼라인 수전해를 위한 스택 개발에 많은 기업들이 몰두하고 있다.

<표2>는 세계 주요 업체들의 알칼라인·음이온 수전해 장치 개발 현황이다. 스택의 효율 면에서는 일본, 독일이 앞서는 상황이고, 한국에너지기술연구원이 만든 스택 기술은 최근 ㈜테크윈, ㈜테크로스, GS건설(주)에 기술 이전되어 상용화 협력 연구를 진행 중이다.


Hydrogen Europe에 따르면 세계 수전해 설치용량은 2020년 기준 약 936MW인데, 이 가운데 75%가 AWE이고, 25%가 PEM 방식이며, 4% 정도가 SOEC 방식이다. AWE 기술은 현재 수소생산 고밀도화와 차압 운전대응(음이온 교환막, BOP제어)기술개발을 통한 응답특성 향상을 목표로 한다. 여기에 안전성 확보를 위한 운전범위를 확대시켜 가스섞임 방지도 함께 연구 중이다.

AWE의 수소 생산 고밀도화는 결국 CAPEX 저감을 통한 비용 저감을 만들고, 그를 통해 그린수소 생산단가를 저감할 수 있다.

AEMWE기술은 유럽에서 먼저 개발에 앞서나가고 있다. 독일 Enapter는 2017년 이탈리아 Acta를 인수해 AEMWE시스템을 상용화했고, 2.4kW급(0.5N㎥/h)AEM수전해 스택 개발 및 스택 모듈과 중앙 BOP기술인 멀티코어 방식을 개발했다. 스택 기준은 현재 0.83A/c㎡전류밀도에서 25,000시간을 운전할 수 있다. 단점은 귀금속 촉매를 사용한다.

이탈리아의 HYTER는 2010년부터 AEMWE를 연구하고 있고, 이스라엘의 HYDROLITE는 2016년 설립되어 10~50kW 용량의 기술을 연구 중이다.

한국은 수전해 스택·시스템 설계·제작·운영 기술 및 실증전문기업인 아크로랩스가 1N㎥ AEMWE 스택을 출시할 계획이다. 이 회사는 활성 면적 240c㎡의 막전극 집합체로 구성하는 2~5N㎥급 스택을 개발해 10kW급(2N㎥)AEMWE시스템을 실증한다. 한화솔루션 역시 올해부터 AEMWE시스템 시제품을 제작하고 상용화 연구를 시작했다. 한화는 대면적 고내구 AEMWE기술을 연구 중이다.

AEMWE기술 연구는 비귀금속 촉매, 고내구 음이온교환 소재 및 막 개발, 전극·MEA(막전극 접합체), 스택·시스템 설계 및 운전기술 개발에 중점을 두고 있다.

수전해 기술은 결국 전기에너지가 충분해야 한다는 전제가 필요하기에 일정한 전력 공급이 유지되어야만 한다. 재생에너지 연계형 수전해 시스템은 수소 생산량이 간헐적인 전력원의 특성으로 인해 일정한 수소 공급량의 예측이 어렵다. 이에 유럽과 북미 등에서는 원자력 연계 수전해 기술 연구가 활발히 진행되고 있다.

2021년 IEA에서 보고한 원자력 기반 수전해 기술 통계에 따르면 미국에서 4개소, 영국 3개소, 중국 3개소, 캐나다, 러시아 각 1개소 원자력발전소에서 수전해 연계를 연구하고 있다. 이 분야에서는 영국과 미국이 특히 앞서고 있다.

영국은 오랜 원자력 발전 경험을 토대로 Heysham원전에서 △냉수수전해 △증기 수전해 △열화학적 물분해 △화석 연료 개질 4가지 방안을 연구하고 있다. 이 중 냉수수전해는 발전소 전기를 활용한 ‘발전소-그리드-전해조’ 방식으로 현재까지 기술 중 가장 저렴하게 수소를 생산할 수 있다.

미국은 미네소타 Prairie 원전, 오하이오 Davis-Besse 원전, 애리조나 Palo Verde원전 등에서 연구를 진행하고 있다. Prairie의 1,000MW원자로는 연간 15만톤의 수소를 공급할 것을 발표했고, 미국 내 수소 수요의 15%를 충당할 계획이다. 데이비스 원전은 연간 200만톤을 공급해 미국 내 수소 수요의 20%를 충당할 예정이다.

국내에서는 현재 경북 울진 한울 원전 연계형 수전해 시스템 개발 및 실증이 진행 중이다. 한울 원전의 4세대 원자로(고온가스로)의 전력과 열을 활용해 1kg 당 4,000원의 단가로 수소를 생산하는 것을 목표로 한다. 경북도, 포스코, RIST, 현대엔지니어링, 한국원자력연구원 등이 MOU를 체결했다.

지난해 초 산업부와 과학기술정보통신부에 예비 타당성 조사를 신청했으며, 예타 통과 후 7년간 3680억원이 투입될 예정이다.

수전해 기술 분야의 한 연구자는 “수전해 기술은 한 가지 방향에만 몰두해서 발전시킬 수 없으며, 재료와 소재를 고려하고 경제성, 효율성도 염두에 둬야 한다”며 “또한, 수전해 기술을 연구하는 중소기업들에 대한 정부, 지자체의 규제 완화와 정책적인 지원이 반드시 이뤄져야 한다”고 말했다.
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