친환경 수소에너지 어떻게 만들 수 있을까?
친환경 에너지 수소
12개 국내 대기업 그룹과 함께하는 수소기업 협의체가 2021년에 출범했었습니다. 이 협의체 출범은 기후변화 대응과 친환경 에너지로 수소가 급부상함에 따라 이루어졌습니다. 이 협의체는 생산과 활용 등 수소경제를 구성하는 모든 분야에서 경쟁력을 확보하고, 글로벌 수소 시장을 선점하는 것이 목표입니다. 정부도 2019년 1월 수소경제 로드맵을 발표하며, 2030년 수소차·연료전지 분야 세계 시장 점유율 1위를 목표로 제시하였습니다.
수소경제를 구현하기 위해서는 친환경적인 수소를 생산하는 '그린 수소'의 생산이 급선무다. 현재 탄소를 배출하지 않는 그린 수소 생산 기술은 물에 전기에너지를 가해 전기분해로 수소를 얻는 '수전해'가 대표적이지만, 에너지원으로 재생에너지를 사용할 경우 친환경 논란이 있습니다.
이러한 상황에서는 가동 중인 고온 원자로나 석탄 화력발전소에서 발생하는 폐열을 이용해 열에너지로 수소를 생산하는 연구가 국내에서 진행되고 있습니다. 포스텍 기계공학과 교수진은 1000도 미만의 열에너지로 물을 분해해 수소를 생산하는 '열화학 물분해 기술'을 개발하고 있고, 이러한 연구가 화제가 되고 있습니다.
현재 수소 생산은 대부분 "개질수소"에 의존하고 있습니다.
2019년 국제에너지기구(IEA)가 발표한 '수소의 미래' 보고서에 따르면 전 세계 연간 수소 생산량 약 7000만 톤 중 76%는 천연가스(LNG)에서 추출하는 '개질 수소'에서 생산되고 있다고 합니다. 개질 수소는 LNG 성분 메탄에 800도 이상의 고온 고압 증기를 주입하면 촉매를 통해 화학 반응으로 메탄에서 수소가 생산됩니다. 이 과정에서 이산화탄소가 발생하나 생산 단가가 낮기 때문에 친환경 수소 생산과는 거리가 멀지만 수소 생산 비용이 저렴하다는 장점이 있습니다.
또한, 석유 화학 공정에서 발생하는 부생 수소도 있습니다. 석유를 정제하는 화학 반응 과정에서 부산물로 생산되는 수소로 대부분 국내의 석유 화학 공장에서 자체 활용하고 있습니다.
수전해 방식은 친환경적이지만 생산에 필요한 전기에너지를 태양광, 풍력 등 신재생 에너지로 얻어야 하기 때문에 생산 효율과 단가가 문제가 됩니다. 1kg의 수소를 생산하는 데 개질 수소 생산 비용보다 통상 2배 가량 더 많은 비용이 들어갑니다. 그래서 효율적인 수전해 촉매 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. IEA는 같은 보고서에서 "수전해로 얻는 그린 수소는 전 세계 수소 생산량의 0.1% 이하"라고 밝혔습니다.
발전소에서 버려지는 열 에너지로 수소를 생산 할 수 있는 연구가 활발히 진행 중
포스텍 연구팀이 개발 중인 기술은 열화학 물분해 기술입니다. 이 기술은 수전해와 유사하나, 전기 에너지가 아닌 열 에너지를 이용하여 물을 분해하여 수소를 얻는 것입니다. 이 기술은 탄소 발생이 없으며 폐열을 재활용하여 경제성을 확보할 수 있습니다.
그러나 이 기술을 사용하기 위해서는 2000도 이상의 매우 높은 열 에너지가 필요합니다. 현재 기술로는 촉매 물질을 사용하여 저온의 열 에너지로도 화학 반응을 이끌기 위해 최소한 1300도 이상의 고온 열 에너지가 필요합니다. 이는 화력발전에서 발생하는 폐열의 온도가 약 600도라는 점을 감안할 때, 기존 인프라를 활용하기 어려운 문제를 야기합니다.
연구진은 “기존 발전소의 폐열이나 화학 공장에서 발생하는 열 에너지를 재활용하여 그린 수소를 생산하기 위해서는 반응할 수 있는 열 에너지의 온도를 낮추어야 합니다”라고 말합니다. 따라서 연구팀은 현재 1000도 미만으로 열 에너지의 온도를 낮추는 새로운 촉매 물질과 반응 메커니즘을 연구하고 있습니다.
해외에서는 1300~1500도 고온의 열 에너지를 내는 열원을 확보하는 방향으로 연구가 진행되고 있습니다. 태양열을 이용하여 고온의 열 에너지를 생산하는 연구가 활발하지만 설비에 많은 비용이 들어가 수소 생산 단가가 높아질 가능성이 있습니다.
연구진은 “조만간 의미 있는 연구 결과를 얻을 것으로 예상됩니다”라며 “이 기술이 개발되면 기존의 발전소나 화학 공장 인프라는 물론 생물 연료로 에너지를 추출하는 바이오매스 에너지로도 열 에너지를 얻을 수 있어 친환경 그린 수소 생산이 가능해질 것입니다”라고 말합니다.