이산화탄소 배출없는 친환경에너지 주목
에너지기술硏, 고효율 수전해 기술 개발
수소자동차 상용화 시대 앞당길 원천기술

증기기관 발명으로 촉발된 화석연료는 인류에게 비약적 발전을 선사했다. 하지만 무분별한 화석연료의 사용은 온실가스의 증가로 인류의 생존을 위협하는 부메랑으로 되돌아왔다. 연료로 사용하는 석유, 석탄 등을 에너지화 하는 데는 필연적으로 이산화탄소가 발생하기 때문이다.

이에 온실가스의 발생이 없는 새로운 에너지 시스템으로의 전환이 시급한 과제가 됐다. 이를 위해 전 세계는 화석연료의 대안으로 수소를 에너지원으로 삼는 수소에 주목하고 있다.

수소는 우주 전체 질량의 약 70%를 차지하는 가장 흔한 물질로서 고갈의 우려가 없으며 연료로 사용할 경우 이산화탄소의 배출이 없는 친환경 연료다. 또한 수소 에너지는 타 연료에 비해 효율이 높고 대용량, 장기 보관도 가능하다.

그러나 수소는 자연 상태에서 수소 자체로 존재하는 것이 아니라 화석연료나 물 등의 화학 성분으로 존재하기 때문에 이들로부터 추출해야 한다. 현재 정부는 온실가스가 배출되지 않는 물을 이용한 ‘그린(Green) 수소’로의 패러다임 전환을 추진하고 있다. 이 그린수소의 생산은 재생에너지로 발생한 전력으로 물을 전기분해해 수소를 얻는 방식으로 수소경제의 궁극적 지향점이다.

이와 관련 국내 과학기술 정부출연연구기관인 한국에너지기술연구원은 그린수소 생산을 위한 핵심 연구개발을 추진, 가시적 성과를 도출하고 있다.

한국에너지기술연구원 수소연구단 김창희 박사 연구팀은 수소경제의 성공적 이행을 위한 핵심 기술인 ‘부하변동 대응형 수전해 스택’을 개발했다. 이 스택은 태양광, 풍력 등과 같이 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지를 이용해 안정적이며 고효율로 수소를 생산할 수 있다. 연구진은 내구성과 효율이 높은 전극과 분리막을 자체 개발, 수전해 시스템을 모듈화 하는데 성공했다.

이로써 수소 생산 효율이 82% 이상으로 극대화, 부하변동 시 발생할 수 있는 가스 혼입 및 전극 효율 문제를 해결해 보다 넓은 출력 범위의 연계 운전이 가능하게 됐다. 김창희 박사는 “이 기술은 순수 국내 기술로 수소경제 사회 구현을 위한 그린수소 생산의 길을 앞당겼다는 데 큰 의미가 있다”고 설명했다.

수소자동차 상용화 시대를 구현할 핵심요소로 꼽히는 고효율 수소생산 원천기술도 개발됐다. 에너지연 윤왕래 박사 연구팀은 도시가스 파이프라인에 연결만 하면 바로 도심지 또는 수요처 인근에서 99.999% 이상의 고순도 수소를 저렴하게 생산 및 공급할 수 있는 ‘현장 생산형 고순도 수소 생산 유닛’ 기술을 100% 국산화하는 데 성공했다.

이 기술은 수소차 시장의 성장을 이끌 핵심 요소인데 이 기술에 대한 국산화율은 40~ 50%에 불과하다. 1대당 30억 원이었던 초기 시설 투자비를 1대당 10억원 이하로 낮출 수 있는 기반을 마련했다. 미국과 일본에서 초기 수소에너지 보급 사양 중 제시한 수소생산 효율 75~80%를 상회하는 81%의 고효율도 기록했다.

에너지연 수소연구실 조원철 박사는 수전해의 효율과 안정성 향상에 기여할 수 있도록 수소·산소 섞임을 획기적으로 낮춘 분리막을 개발했다. 분리막은 수전해에서 생성된 수소와 산소가 섞이지 않게 하는 역할을 한다. 그러나 분리막의 세공 사이로 수소와 산소가 만나 섞이는 위험성이 있어, 폭발 위험과 가동률에 대한 한계를 지적받아 왔다.

이를 극복하기 위해 연구진은 분리막의 세공 크기를 줄이면서도 전압 효율은 유지하는 분리막을 개발하는 데 성공했다. 일반적으로 분리막의 세공 크기를 줄이면 저항이 증가해 전압 효율이 하락하는데, 연구진은 친수성 성분의 지르코니아 입자를 분리막에 균질하게 분포하도록 합성하는데 성공해 전압 효율을 유지하는 결과를 얻었다. 또 개발한 분리막은 대량 생산이 가능한 필름 캐스팅 방식으로 합성돼 범용적으로 적용할 수 있어 향후 기술 상용화에도 크게 기여할 수 있다.

김종남 한국에너지기술연구원장은 “우리나라는 에너지원 해외 의존도가 94.7%나 되는 심각한 에너지 종속국으로 두 차례의 석유파동을 겪은 바 있으며, 언제 또 어떻게 에너지가 무기화 될지 알지 못한다”면서 “석유 자원은 이미 예정된 바대로 고갈될 것이며 수소경제 사회로의 전환도 필연적으로 다가오고 있다”고 말했다.

그는 또 “현재 국내에서는 2050년 탄소중립의 실현 여부 또한 중요한 쟁점으로 논의되고 있지만 실현 가능성 때문에 수소경제 사회로의 이행에 대한 연구가 지연돼서는 안 될 것이며 더욱 전폭적인 연구 및 지원이 필요한 때”라고 덧붙였다.

구본혁 기자

https://n.news.naver.com/article/016/0001808017