원자력 수소 생산 기술 및 국내외 정책 동향

수소뉴스 = 양인범 기자] 넷제로를 이루기 위한 대부분의 시나리오는 2050년까지 수소의 공급, 수요 및 사용이 크게 증가한다고 예상한다. 예를 들어, 국제에너지기구(IEA)는 2021년 보고서에서 전 세계 수소 소비량이 2020년 9천만톤(대다수 산업용)에서 2050년까지 5억 톤 이상으로 증가하고 산업, 운송, 전력 및 난방 부문 전반에 걸쳐 새로운 용도로 사용될 것으로 예상했다.

수소 생산 기술 역시 이에 따라 다양한 방향으로 필요한 상황이나, 재생에너지를 이용한 그린수소는 한계가 있다. 원자력 수소기술은 한국, 일본처럼 수소 수요는 많으나 재생에너지 발전이 제한적인 국가들에게 특히 필요하다.

본지는 이번 호에서 원자력 수소 기술과 국내외 주요 국가들의 정책 동향에 대해 자세히 살펴봤다.

원자로 출구온도 높을수록 수소생산 효율 증대

원자력 이용 수소 생산기술은 원자로에서 생성되는 열과 전기를 활용해 수소를 대량으로 생산하는 기술을 의미한다. 원자력 수소에 활용되는 원자로는 크게 경수로형(LWR)과 비경수로형 원자로로 나눌 수 있으며, 비경수로형 원자로는 소듐냉각고속로(SFR), 용융염원자로(MSR), 초고온가스로(VHTR) 등이 있다.

SFR은 액체금속인 소듐(나트륨)을 냉각제로 활용하는 고속로로, 사용 후 핵연료 방사능 저감과 핵연료의 효율적 이용을 위해 개발되었다. MSR은 용융염을 냉각재로 활용하는 원자로로 액체 형태의 핵연료 활용이 가능하며, 고속로로 설계 시 고준위 폐기물 저감에 활용될 수 있고 토륨 핵주기는 경제성 및 핵비확산성 측면에서 장점을 가진다. VHTR은 피복입자 핵연료, 흑연 감속재 및 반사체, 헬륨 냉각재 등을 활용하는 원자로로, 높은 출구온도(700~950℃)로 인해 고효율 수소생산, 산업용 증기 및 공정열 공급에 유용하다.

수소생산 공정은 △천연가스 수중기 개질 △저온 수전해(PEM, AEM 등) △고온 수전해(SOEC) △열화학 공정 △메탄 열분해 등이 있으며, 원자력 수소는 주로 저온 및 고온 수전해 공정을 활용하고 있다. 저온 수전해는 원전에서 생산한 전력을 활용해 100℃ 이하의 저온의 물을 전기분해한다. 고온 수전해는 원전에서 생산되는 증기와 전력을 함께 사용해 600℃ 이상의 고온 수증기를 분해한다. 열화학 공정은 황 및 요오드를 이용해 수증기를 850℃ 이상 고온에서 열분해하는 방식으로 소규모 실증 수준의 기술개발이 진행 중이다.

원자로 노형 및 수소생산 공정에 따른 시스템 소비 전력량과 전체 효율을 비교하면, 원자로의 출구온도가 높을수록 소비 전력량이 감소하고 시스템 전체 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있다. <표 참조>

특히 일반적인 경수로보다 출구온도가 높은 초고온가스로의 경우, 천연가스 수중기 개질 공정과 같이 고온의 열에너지가 필요한 공정에 열 공급원으로 활용할 수 있다. 초고온가스로에서 발생하는 열에너지를 천연가스 수증기 개질에 활용할 경우, 천연가스 연소를 통한 열에너지 공급 과정을 거치지 않아 기존 대비 간편하고 효율적인 탄소포집 공정도 가능하다.

현재 저온 수전해는 상용화 기술이 존재하나 원전 연계 실증은 초기 단계이며, 고온 수전해는 상용화 초기 단계에 있다.

국내에서는 한국수력원자력과 한전기술, 두산에너빌리티, RIST 등이 지난 2022년 4월부터 ‘원자력 청정수소 생산 플랜트 설계 및 계통 연계 안전성 분석’ 과제를 수행하고 있다. 이 과제는 원전 연계 계통 안전성·경제성·제도 분석 등을 통해 원전 연계 청정수소 생산 플랜트를 설계하는 것을 목적으로 한다. 한국수력원자력은 이후 저온수전해 실증과제를 2027년까지 수행할 계획이다.

원전과 연계되는 저온·고온수전해 수소 생산 개념도

미국, 원자력 수소 기술 SOEC 대용량화 연구 수행

2010년대 셰일가스 개발이 본격화되며 원자력 수소 연구가 축소되었으나, 파리기후협약(2016년)을 기점으로 재활성화되고 있다.

미국의 에너지부(DOE)는 지난 2020년 H2@Scale Initiative를 통해 수소 생산, 저장, 수송 분야에서 국립연구소와 기업 간 협력 사업을 발굴해 지원하고 실별 수소생산 기술 개발 프로그램을 발표했다. 청정수소 기술의 일환으로 VHTR형 소형모듈원자로(SMR) 실증을 지원 중이다.

미국의 주요 원자력 수소 연구는 △Nine Mile Point MW급 PEM 수전해 △Davis-Besse MW급 PEM 수전해 △Prairir 아일랜드 150kW급 SOEC수전해 △Palo Verde 15~20MW급 PEM수전해가 있다. 아이다호 국립연구소(INL)는 FuelCell 에너지사 및 블룸에너지사와 협력해 250kW급 SOEC 대용량화 연구를 수행중이며, 2030년까지 GW급 규모로 확장할 계획이다.

캐나다는 온타리오주와 뉴브런즈윅 주에서 가동 중인 중수로를 활용한 수소 생산과 각 주에서 개발 중인 SMR을 활용한 수소생산 계획이 있다.

EU는 지난 2022년 1월 세계 최초로 스웨덴의 유니퍼사와 Fortum사가 소유한 원자력발전소(OKG3)에서 생산한 원자력 수소가 상업 계약을 통해 판매되었다. 구매자는 린데로 1일 12kg의 수소를 구입했다.

프랑스는 원자력을 포함한 70억 유로 규모의 그린수소 생산 정책을 2020년 9월에 발표했는데, 프랑스 원전 운영사 EDF는 원자력 수소 사업을 위해 자회사 ‘Hynamics’를 설립했다. 영국은 Landcarshire 원전 부지에 H2H(Hydrogen to Heysham)컨소시엄을 통해 수전해 수소생산 시설 적용 사업을 수행 중이다.

일본은 2030년까지 300만톤(30엔/N㎥), 50년 2천만톤(20엔/N㎥)의 수소 생산 역량을 목표로 로드맵에 VHTR을 포함한 원자력 수소를 포함시켰다. JAEA는 VHTR과 천연가스 수증기 개질을 연계하는 연구를 2030년 내 완료할 계획이다.

중국은 세계 최초로 초고온가스로형 선진원자로 HTR-PM을 웨이하이시에 건설해 2021년 12월 자국 전력망에 전력을 공급했다. 중국은 HTR-PM 실증을 위해 건설되었던 INET의 시험로 HTR-10의 출구온도를 수소생산 연구를 위해 750℃에서 950℃로 높이는 인허가도 준비 중이다.

울진군, 신한울 원전 활용 수소생산단지 추진

국내에서는 과학기술정보통신부가 지난 2004년부터 2019년까지 총 9,861억원을 투자해 한국원자력연구원 주관으로 초고온가스로 연계 원자력 수소생산 핵심 기술 개발연구를 추진했다. 지난 2019년 10월 발표된 ‘수소기술 개발 로드맵’에 초고온가스로는 ‘초고온시험로’란 명칭으로 고온 수전해 등과 함께 수소생산 분야 미래형 기술에 포함되었다.

경북 울진군은 ‘대규모 청정수소 생산 실증단지 조성사업’을 기획하고 추진 중이다. 울진군은 상용원전을 활용해 청정수소 R&D 실증 생산단지를 만들고, 초소형모듈원자로(MMR)을 이용한 고온수전해(SOEC)를 적용할 계획이다.

울진군의 이 사업은 산업부, 과기부, 한수원이 주관해 울진군 죽변면 신한울 원전 인근에 추진되는데, 2021년부터 2030년까지 50만㎡ 면적에 총 사업비 1조9천억원이 투입된다. 이 사업은 2030년까지 100MW급 SOEC 시스템 개발 및 실증을 추진할 계획으로 이를 통해 연간 약 1만7천톤의 수소를 생산할 수 있으며, 이는 SK인천석유화학의 세계 최대 규모 수소 액화플랜트 용량의 약 57% 수준이다.

이러한 실증연구에 대해 국내 전문가들은 원자력 수소 기술은 수전해 기술과의 연계가 필수적이므로, 관련 분야와의 활발한 협력 연구 및 공동사업 수행을 통해 요소기술 간 연계·대용량화를 위한 원천기술 확보가 필요하다고 말하고 있다.

한 수소 분야 전문가는 “원자력 수소 실증 및 운영계획 수립 시, 실수요처 및 수소 전주기 관련 업체와의 협력체계 구축이 필수적이다”고 덧붙였다.
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