New Energies, new possibilities

GS칼텍스 - 2024.05.24
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올해 3월부터 시범사업으로 시작된 ‘청정수소 인증제’에 대한 에너지 업계의 관심이 뜨겁습니다. GS칼텍스 역시, 작년 3월 한국남동발전과 청정수소 생산, 공급, 활용과 기타 탄소 중립 사업 협력을 위한 업무협약(MOU)를 체결하며 청정수소 벨류 체인 구축을 위해 노력하고 있는데요. GS칼텍스에서 여수산단에 공급한 청정 수소를 한국 남동발전이 발전 설비 운영에 활용하며, 단기적으로 지역 내 이산화탄소 감축에 기여하고 중장기적으로 공동 모델을 발굴해 탄소 감축을 위한 적극적 행보를 이어나갈 예정입니다.

청정수소 인증제는 온실가스 배출량을 기준으로 삼고, 생산이나 수입 과정에서 배출되는 온실 가스의 양이 일정 수준 이하인 경우 ‘청정수소’로 인증하는 제도입니다. 2050 탄소중립 시나리오를 위해 청정수소가 주요 탄소 감축 수단으로 역할이 대두되며 필요성이 제기되었습니다. 이러한 흐름에 따라 미국, 유럽연합, 일본 등 해외 주요국은 청정수소 인증제 도입을 위해 자국의 여건을 고려해 청정수소 기준을 마련하고, 연계 지원방안을 발표하고 있습니다. 청정수소가 탄소 중립을 위한 주요 감축수단으로 역할이 대두되고 있는 지금, 각국의 청정수소 인증제 기준과 운영 방안에 대해 자세히 살펴보았습니다.
전 세계 대부분의 국가가 약속한 2050년까지 탄소중립 경로에서 全세계 에너지 교역수단은 청정수소를 기반으로 할 것이며, IRENA에 따르면 전 세계 수요의 약 25%인 1.5억톤의 수소가 국제교역을 통해 거래될 것으로 전망하고 있다. 이에 전통적인 에너지 수출국인 중동, 호주 등은 대규모 수소 수출을 위한 국가전략보고서를 발간하고 있다. 최근 러시아-우크라이나 사태로부터 에너지 안보와 탈탄소화 정책 목표를 동시에 충족시킬 목적으로 청정수소 수요를 2030년 2천만 톤까지 상향조정한 EU에서는 그중 1천만 톤을 수입할 것을 발표하였으며, 미국은 자국 내 1천만 톤의 청정수소 생산과 이중 1/3의 수출을 예정하는 등 청정수소 교역 속도가 가속화될 예정이다. 이에 교역의 규범 역할을 할 청정수소 인증제도에 전 세계 이목이 집중되고 있다.

우리나라 인증제 수립 현황

[에너지칼럼] 수소 경제 활성화를 위한 무역규범, 청정수소 인증제 글로벌 동향 | img 11 1
우리나라는 전 세계에서 가장 선도적으로 청정수소 인증제도를 개발하고 있다. 지난 2021년부터 국가 연구개발 사업으로 인증제도를 설계하기 시작하였으며, 2023년 시행령 및 시행규칙 제·개정과 2024년 3월 <청정수소 인증제도 운영에 관한 고시>를 제정하면서 근거 법령을 완비하였다.
청정수소 인증 기준의 핵심인 1kg의 수소 생산을 위한 연료조달부터 수소 생산지점까지의 배출 허용량(Well-go-gate*)을 4kgCO2e(이산화탄소 환산 킬로그램)이하로 정의하였으며, 다시 △1등급 0~0.1kgCO2e/kgH2 △2등급 0.1~1kgCO2e/kgH2 △3등급 1~2kgCO2e/kgH2 △4등급 2~4kgCO2e/kgH2의 4개 등급으로 구분하였다.

*Well to Gate : 원료의 생산에서부터 제품의 생산까지의 전 과정

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수소 생산 경로별로 알려진 추가 요건으로 그린수소는 전력 공급 시간대와 수소 생산에 투입된 전력 시간대를 2029년까지 한시적으로 1달 단위로 정산할 예정이며, 수소 생산설비와 전력공급 설비가 동일 그리드 내에 있어야 하는 공간적 상관성 요건을 제시하였다. 또한 블루수소 생산을 위해서는 특정 가스전과 연결된 경우, 가스전별 연료 사용과 기기 효율을 고려할 수 있도록 사업자의 배출량 입증 의무를 요구하는 동시에 CCS 과정 중 누출되는 CO2량을 차감할 것으로 예고하여 엄격한 배출량 관리를 표명하였다. 최근 많은 논란이 있는 바이오수소의 경우, 쓰이는 바이오원료가 진정한 폐기물로 분류되어 해당 폐기물이 수소 생산 외 다른 활용 방안이 없는 경우에 한해 인증이 가능할 것으로 예고하였다.

미국, IRA 보조금과 연결한 청정수소 인증 기준 발표


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미국은 2022년 8월 인플레이션 감축법안(Inflation Reduction Act, IRA)을 발표하면서 청정수소의 인증 기준을 마련하였는데, 원료조달부터 수소 생산지점까지(Well to Gate)를 기준으로 1kg의 청정수소 생산을 위한 배출 임계점을 4kgCO2e(이산화탄소 환산 킬로그램) 이내로 하고 4개 등급으로 구분하여 배출이 적을수록 더 많은 생산 세액공제(Production Tax Credit) 혜택을 받을 수 있도록 설계하였다.

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이어 2023년 12월 미국 재무부는 인플레이션감축법(IRA)의 청정수소 생산 세액공제(45V 조항)에 대한 세부 가이던스를 발표하였는데, 골자는 기존과 비교하여 추가적으로 온실가스를 감축할 수 있는 방향으로 청정수소 생산 형태를 특정하고자 하는 노력에 있다. 먼저 그린수소 제조와 관련하여서는 3가지의 추가 요건을 발표하였는데 먼저 시간적 상관성과 관련하여 전력 공급 시간대와 수소 생산에 투입된 전력 시간대를 2027년까지 연간 단위로 매칭하고, 2028년부터는 1시간 단위 기준으로 매칭시키기로 하였다. 둘째, 그린수소 생산에 필요한 전력을 조달하기 위해서는 수소 생산시설 완공 전 3년 이내에 새롭게 건설된 재생에너지 설비를 통해 전력 공급이 필요하다. 마지막으로 송전에 따른 효율 저하와 관리적인 측면을 고려하여 수소 생산설비와 동일한 전력망으로부터 전력 조달만을 허용하기로 하였다. 또한 동 가이던스에서 수소 생산을 위한 바이오매스 사용에 대한 고려 사항도 발표하였는데, 한마디로 그간에 유의미한 사용을 해본 적이 없는 최초의 활용에 한정을 의미하는 “first productive use”로 원료의 적격성을 정의하였으며, 만약 그렇지 않은 경우에는 일반 천연가스와 동일하게 취급할 것임을 예고하였다.

유럽, 그린수소 사용 의무화

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유럽은 청정수소 임계점을 가장 먼저 제시하였는데, 배출량 산정범위는 원료 조달부터 수소 생산을 거쳐 수소 활용까지의 Well to Wheel* 범위를 기준으로 약 3.38kgCO2e(이산화탄소 환산 킬로그램)/kgH2 이내로 배출하고 별도의 등급은 구분하지 않는다. 유럽은 2030년까지 역내에서 1천만 톤의 대규모 그린수소를 생산하기 위한 목표를 수립하였다. 이에 기존에 건설된 재생에너지 발전 설비가 수소 생산에 활용되어 전력망 공급 부족과 같은 현상으로 탈탄소화에 부정적 영향을 미치지 않도록 제어하는 데 초점을 맞추고 있다.
EU는 2023년 제정된 재생에너지 지침(RED II) 위임법안을 통해 2028년부터 그린수소 생산을 위한 재생에너지 발전설비는 수소 생산설비 구축 시점으로부터 3년 이내 건설된 설비만 인정하는 추가성 요건을 제시하였으며, 이외에도 2030년부터는 재생에너지 발전량과 수소 생산에 투입된 전력량을 1시간 단위로 일치되는 부분만 인정하는 시간적 상관성, PPA(Power Purchase Agreement)계약 등 전력망을 통해 전력을 조달 시에는 동일한 입찰구역(인접한 입찰구역의 경우에는 전력공급 단가가 더 비싼 경우에 한정)에 있는 전력을 쓰도록 유도하는 공간적 상관성을 추가요건으로 제시하였다. 또한, 자원시장의 왜곡방지를 목적으로 바이오매스를 기원으로 한 수소의 경우에는 바이오연료로 간주하기로 하고, 그린수소를 RFNBO(Renewable liquid and gaseous transport fuels of non-biological origin)로 명명하였다.
제도운영 차원에서는 청정수소가 다양한 분야에서 생산되어 서로 다른 분야로 투입될 수 있는 sector coupling 감축 수단임에 따라 이를 관리하기 위한 European Union DB 운영을 예고하였으며, 이외에 제도운영을 위해 기존의 자발적 인증 체계에서 몇 개의 제도를 지정하는 형태로 운영을 예고하였으나, 아직 기관 지정이 이뤄지지 않았다.

*Well to Wheel : 연료 채굴부터 이 연료를 이용하는 주행까지의 연료 흐름, 또는 이 과정에서 배출되는 탄소의 합

일본, 민관합동지원금으로 청정수소 생태계 조성

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일본은 2023년 6월 청정수소 인증 기준을 담은 수소 기본전략 개정안을 발표하였다. 원료 조달부터 수소 생산지점까지(Well to Gate)를 기준으로 3.4kgCO2e(이산화탄소 환산 킬로그램)/kgH2을 임계점으로 한다. 아직 인증제도 운영을 위한 기관 지정이나 세부 인증 기준은 검토 단계인 것으로 확인된다. 해당 기본 전략에서는 청정수소 생태계 조성을 위해서 민관 합동으로 약 15조 엔을 지원할 예정이며, 이중 6-8조 엔이 정부 지원 금액에 해당한다고 발표하였다.

맺음말

우리나라는 국내뿐만 아니라 국외에서 생산하는 청정수소 생산 여건을 염두에 두고 이미 다양성에 기반한 표준화가 필요한 실정이다. 아직은 청정수소 인증제도 자체가 전 세계적으로 시행 초기 단계이기도 하여 참고할 사례도 부족하다. 그러나 역으로 생각하면 이는 기회요인이다. 즉, 우리나라만의 제도가 충분히 타당성을 인정받으며 국제표준으로 전개될 기회를 마련하였다는 뜻이다. 현재 우리나라는 전 세계에서 가장 앞장서서 제도를 시행한 만큼 다양한 경험이 축적되고 있으며, 이러한 선제적 제도운영 경험은 2023년 11월 두바이에서 체결된 청정수소 인증제 상호인정 선언문(DOI)에서 합의에 근거한 국제표준 제정 과정에서 한국형 표준을 제시할 수 있는 기반이 될 것이다.

'Astonishing results' | Natural hydrogen purity of up to 95.8% discovered at drill site in South Australia | Hydrogen Insight

Planned 400MW green hydrogen project faces questions over €780m cost | Hydrogen Insight

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.
[기획] 원자력 수소 생산 기술 및 국내외 정책 동향재생에너지 부족한 한국에 ‘원자력 수소’가 대안으로 부상 < 실시간 기사 < 기획 < 기획·인터뷰 < 기사본문 - 수소뉴스 (h2news.co.kr)

출처 : 수소뉴스(http://www.h2news.co.kr)

월간수소경제 = 박상우 기자 |  국내 연구팀이 고기능성 촉매가 부착된 탄소섬유 수전해 전극을 개발했다.

22일 UNIST는 신소재공학과 채한기 교수팀과 에너지화학공학과 백종범 교수팀이 사우디아라비아의 킹압둘라과학기술대학교(KAUST) 연구팀과 고기능성 촉매가 부착된 탄소섬유 전극을 개발했다고 밝혔다.

현재 수전해 전극을 제조할 때 탄소분말과 같은 파우더 형태의 촉매를 전극 위에 뿌려 고착시킨다. 그러나 균일하게 바르기 어려워 분말이 뭉치거나 떨어지는 등 낮은 안정성과 내구성에 대한 문제가 발생한다.

이런 가운데 최근 학계에서 탄소섬유 기반 자가 지지형 촉매를 기반으로 한 수전해 전극이 주목을 받고 있다. 탄소섬유는 고유의 높은 내화학성, 열/전기 전도성, 대면적화 용이성 등을 가지고 있어 현재의 파우더형 촉매 전극의 안정성, 비용, 대면적화 한계를 개선할 수 있을 것으로 전망된다.

그러나 상용 탄소섬유의 표면에 수열합성, 딥코팅, 화학기상증착 등의 복잡한 공정을 통해 촉매금속을 코팅하는 방식으로 이뤄져 낮은 내구성과 높은 비용, 제조 과정에서의 유해물질 배출 등의 제약이 있다.

연구팀은 상용 탄소섬유의 제약을 극복한 탄소섬유 수전해 전극 개발에 착수했다.

연구팀은 화학반응에 참여하는 전구체 고분자로 탄소섬유 전구체인 ‘폴리아크릴로나이트릴(PAN)’을 활용했다. 폴리아크릴로나이트릴은 강도와 탄성이 우수하고 열안정성과 화학물질 내성이 뛰어나다는 특성이 있다. 특히 우수한 전기절연 능력 때문에 전기 및 전자제품, 절연제품 등에 사용된다.

연구팀은 폴리아크릴로나이트릴 표면에 화학적 촉매 역할을 할 루테늄을 붙였다. 루테늄은 고온 및 화학적 안정성이 뛰어나고 다양한 화학반응 및 촉매 작용에 활용될 수 있는 특성을 보유하고 있다.

이렇게 개발된 전극인 Ru-SFEC은 전류밀도 10mA cm–2에서 11.9mV의 낮은 과전압을 나타냈다. 수소 발생 반응이 일어나는데 필요한 최소전압(과전압)이 낮을수록 에너지 소비가 적은 고효율 촉매가 된다.

또한 상용화된 백금 파우더형 촉매가 1만 번의 작동 후 과전압이 6배 증가한 반면, 개발된 전극은 6.5%의 낮은 과전압 증가율을 나타냈다. 100배 더 긴 시간 동안 안정적으로 사용할 수 있는 것이다.

연구팀이 개발한 전극은 적은 에너지로 만들 수 있으며 폐기물이 적게 생산된다는 이점을 가진다. 개발된 전극을 실제 탄소섬유 산업에서 이용되고 있는 연속 제조 공정으로 확장해 검증했다.

본 연구에서 확보한 세미 파일럿 라인(semi-pilot line) 촉매담지 탄소섬유의 연속 생산 방식은 기술 성숙도(TRL) 6단계에 해당한다. 실제 환경에서 구현될 수 있는 정도의 기술 수준이다.

채한기 교수는 “탄소섬유 고유의 뛰어난 기계적, 전기적 특성을 활용했다”며 “추후 탄소섬유가 다재다능한 전기화학 반응 소재로 활용될 수 있는 길을 열었다”고 설명했다.

출처 : 월간수소경제(https://www.h2news.kr)