대규모 수전해 그린수소 정제 솔루션 출시

정부는 지난 2021년 11월 청정수소 공급체계 전환을 주요 내용으로 한 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’을 발표했다. 2030년까지 MW급 실증을 통해 25만 톤급, 2050년까지 300만 톤급 대규모 그린수소 생산 기반을 구축한다는 계획이다. 현재 제주도를 중심으로 MW급 재생에너지 기반 수전해 그린수소 생산 실증사업이 진행 중이다. 부안·평창·동해·보령 등에서는 수전해 수소생산기지가 구축 중이다.  

수전해는 전기를 이용해 물(H2O)로 수소를 생산하는 기술로, 재생에너지 전기를 사용하는 경우 그린수소라고 말한다. 수전해 기술은 현재 알칼라인, PEM 기술 위주로 상용화되어 있고, 음이온교환막수전해(AEM), 고체산화물수전해(SOEC) 등의 차세대 수전해 기술이 개발 중이다.


수소 순도의 중요성

수전해 시스템을 통해 물을 전기분해하면 수소(H2)와 산소(O2)로 분리되는 데, 이렇게 생산된 수소가스에는 수분, 산소 등의 불순물이 포함되어 있다. 수소를 활용하는 설비와 제품의 품질을 안정적으로 유지하기 위해선 수소가스에 포함된 수분과 산소를 걸러내야 한다. 이때 필요한 게 정제 장치이다. 

수소는 순도에 따라 활용 분야나 사용처가 다르다. 수소 순도는 크게 99.9%(3N), 99.99%(4N), 99.999%(5N), 99.9999%(6N, 초고순도)로 구분된다. 

99.9%는 제철공업용(환원제철)과 정유 공장의 탈황 공정 및 수소화 반응에 주로 사용된다. 99.99%는 발전·건물용 연료전지와 R&D 등, 99.999%는 암모니아 합성 및 염산 제조와 수소충전소 등에 사용된다. 99.9999%의 초고순도 수소는 반도체용 공정, 항공우주·제약 설비 등에 활용된다. 


대규모 수소정제 패키지 개발  

테크니컬코리아가 국내 최초로 연구용이 아닌 상업 플랜트용의 대규모 그린수소 정제 패키지를 개발했다. 지난 16일부터 20일까지 DL이앤씨, SK에코플랜트, GS건설, 포스코 E&C, 현대건설, 삼성 E&A 등의 EPC 업체와 현대차, 한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원 등을 대상으로 한 제품 설명회에서 큰 호응을 얻었다.

테크니컬코리아는 석유화학, 정유 등과 관련한 압축기, 프로세스 냉동기, 정제장치 등의 설비를 생산하는 기업이다. 생산 규모를 확대하기 위해 경기도 화성시 비봉면에 있는 본사·공장 바로 건너편 다른 업체의 공장을 추가로 매입해 리모델링을 거쳐 2025년부터 사용한다. 이들 공장 규모는 총 8,595㎡에 이른다.

회사 직원은 총 47명으로, 이중 설계 직원만 19명이다. 고객이 제품 요건을 제시하면 직접 설계해서 제작·공급하는 방식으로 사업을 하기에 설계 능력이 중요하다. 

테크니컬코리아는 수소경제 시대에 맞춰 수소 제품을 확대하고 있다. 우선 국내에 수소출하시설, 수소충전소 등의 용도로 압축기를 공급하고 있다. 지난 2017년 ‘NK 서부산 충전소’에 미국 PDC사의 수소압축기를 처음으로 판매 및 설치·시험운전을 한 이후 본격적으로 PDC사의 수소압축기 본체를 공급받아 자체 설계를 통해 패키징해서 공급하고 있다. 이를 통해 산업통상자원부로부터 수소전문기업으로 지정되기도 했다.

수소압축기 다음으로 수전해 그린수소 생산을 위한 정제 시스템을 개발해 2025년부터 본격적으로 국내외 시장에 공급한다. 99.9999%까지의 수소정제 패키지를 설계·제작해 시장에 공급할 수 있는 능력을 갖췄다.

오규일 테크니컬코리아 대표는 “당사는 그간 고객 요구에 따라 수소, 이산화탄소, 에틸렌, 프로필렌, 부텐, 질소 등 여러 분야에 적용 가능한 정제장치(드라잉 패키지)를 설계·제작해 공급해왔다”라며 “이번에 99.999%의 고순도 수소생산이 가능한 대규모 정제시스템을 설계해서 2025년 1월에 처음으로 해외 고객(말레이시아)에 납품할 예정”이라고 밝혔다. 

<월간수소경제>가 지난 20일 방문한 테크니컬코리아 화성 공장에서는 말레이시아에 공급할 4,700Nm³/hr 규모의 수소정제 패키지가 한창 제작(공정률 80%) 중이었다. 4,700Nm³/hr 규모는 수전해 스택 용량으로 보면 약 25MW에 해당한다.   

윤지민 테크니컬코리아 신사업팀 책임연구원은 “요구되는 수소 순도와 발생된 차압을 처리하는 방식에 따라 시스템 설계가 달라지고, 순도와 설계 차압도 변동된다”라며 “제품 컨셉은 최적의 성능을 보장하기 위해 고객 맞춤형으로 설계된다”고 말했다. 


‘3Tower’ 시스템으로 99.999% 달성

테크니컬코리아가 설계하는 수소정제시스템은 2Tower, 2Tower+패키지 내 압축기, 2Tower+피드가스 압축기, 3Tower 등 4가지 방식이 있다.

정제시스템은 크게 Deoxo 공정과 드라이 공정으로 구분된다. 

Deoxo 공정은 피드가스(Feed Gas)인 수소 내에 있는 불순물 중 하나인 산소를 제거하는 공정으로 산소 1mol당 수소 2mol이 반응해 483KJ/mol의 발열이 발생한다.

수소 내 수분을 제거하는 드라이 공정에서 ‘2Tower’는 99.99% 순도의 수소생산을 위한 시스템으로 피드가스 중 일부를 재생용(Regen) 가스로 사용한다.

‘2Tower+패키지 내 압축기’ 시스템은 99.999% 순도의 수소생산을 위한 공정으로 프로덕트(Product) 가스 중 일부를 패키지 내 압축기로 승압해 재생용 가스로 사용한다. 

‘2Tower+피드가스 압축기’ 방식도 99.999% 순도의 수소생산을 위한 공정으로 프로덕트 가스 중 일부를 재생용 가스로 사용하고, 이때 발생한 차압이 피드가스 압축기로 보내져 승압 후 다시 공급된다. 

‘3Tower’ 시스템은 99.999% 순도의 수소를 생산하기 위해 3개의 타워를 사용한다. 추가 동력(압축기)이 없으나 패키지에서 차압이 최대 1bar를 허용하는 경우에 적용하는 방식으로, 말레이시아에 수출하는 제품에 적용된 기술이다. 정제 플랜트 규모가 크면 클 수록 3Tower 시스템의 가격경쟁력이 높다는 게 회사 측 설명이다. 

오규일 대표는 “현재 제작 중인 수소정제 패키지는 3개의 타워를 사용해 추가적인 동력 소비 없이 연속적으로 99.999%의 고순도를 달성하는 동시에 수소 로스율도 제로”라며 “특히 상업 플랜트용으로 대규모의 수소정제 패키지를 당사가 처음으로 설계·제작한다는 점에서 의미가 크다. 다양한 정제 솔루션 설계·제작 경험과 노하우, 대형 프로젝트 납품 실적, 패키지 엔지니어링 기술, 자체 생산 조직 등을 보유하고 있기에 가능한 것”이라고 설명했다.

오 대표는 이어 “수전해 스택이 100%의 수소를 생산한다고 하면 계속 100%를 생산하는 게 아니고 10% 만들었다가 100%를 만들기도 하는 등 부하 변동이 있다“라며 “당사 정제 장치도 그에 맞춰서 현재는 15%부터 100%까지 자동적으로 부하 조절이 가능하다”고 덧붙였다.  

테크니컬코리아는 말레이시아에 수출할 수소정제 패키지 외에도 국내 한 기업으로부터 1,100Nm³/hr(수소 순도 99.999%) 규모의 수소정제 패키지 2대를 수주해 2025년 하반기에 납품할 예정이다. 

테크니컬코리아는 2026년까지 99.9999% 초고순도 수소정제 패키지를 출시할 계획이다. 영하 160℃까지 냉각시켜 수소가스 내 남아 있는 수분, 메탄, 질소 등을 제거하는 시스템이다.

또 부하율을 현재의 15%~100%에서 10%~100%로 강화하고 전기에너지 사용을 최소화하는 히터효율 최적화 기술을 개발할 계획이다. 1~5MW급 소형 수소정제 패키지 수요도 발굴할 예정이다. 

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출처 : 월간수소경제(https://www.h2news.kr)

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