[공학저널 김하늬 기자] 지구 온난화로 인해 탄소 배출량 감축의 필요성이 커지면서 전 세계는 청정수소의 생산과 활용에 큰 노력을 기울이고 있다. 우리나라도 탄소 중립을 위해 청정수소에 주목하고 있으며, 오는 2050년까지 탄소 배출량 감축 목표인 7.3억 톤 중 2억 톤을 청정수소의 활용을 통해 감축하겠다는 목표를 세우고 있다.
과거에는 천연가스를 이용한 그레이수소 생산 연구에 집중했지만, 탄소 중립 이슈가 대두되면서 최근에는 청정수소 생산과 관련된 기술의 중요성이 부각되고 있는 상황이다.
현재 연구 개발 방향은 청정수소 생산을 위한 주요 기술로 무탄소전원 기반 수전해를 활용한 청정수소 생산, 천연가스 개질 공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집·저장하는 블루수소 생산, 그 외에 천연가스를 직접 열분해해 수소와 고체 탄소를 생산하는 청록수소 등의 기술개발에 주력하고 있다.
또한, 수소충전소 분야는 핵심 소재·부품의 내구성을 높이고 에너지 효율을 개선해 경제성을 높이려는 노력이 이뤄지고 있으며, 2030년까지 수소충전소 국산화율 100%를 목표로 하고 있다.
이에 국내에서 에너지 분야의 연구개발 전 주기를 책임지는 PD(Program Director) 제도를 도입한 한국에너지기술평가원은 청정수소를 저가에 안정적으로 대량 공급하는데 기여할 수 있는 기술개발을 위한 과제·사업을 기획 중이다.
한국에너지기술평가원 수소에너지실 박진남 청정수소 PD(사진)는 “탄소 중립 달성을 위해서는 발전용·산업용으로의 청정수소 활용이 지속해서 확대돼야 한다”며 “수송용 수소 활용은 수소충전소를 구축해 휘발유와 같은 기존 수송용 연료와 시장에서 경쟁하는 데 비해 발전용·산업용 수소 활용은 기존의 시스템과 경쟁하기 위해서는 훨씬 낮은 가격의 발전단가와 대량으로 청정수소를 공급하는 방안의 확보가 필요하다”고 말했다.
그는 이어 “궁극적으로 무탄소 전원을 이용하는 대규모 수전해 수소생산 단지를 구축해 청정수소를 공급해야 하지만, 현재로서는 시장이 요구하는 생산 물량과 단가를 확보하기 어려워 장기적인 관점으로 시장을 성장시키고 투자해야 한다”고 덧붙였다.
이를 위해 최근 에너지기술평가원은 수소 이송과 저장 기술 분야에서 다양한 연구개발을 지원하고 있다. 고압 튜브 트레일러, 액체수소 탱크 트레일러, 그리고 고압용 금속·비금속 수소 배관 개발이 그 주요 내용이다.
수소에너지 기술개발은 여러 분야가 융합된 기술로, 수소·연료전지 분야에서는 수송용·발전용 연료전지 기술과 기타 수소 활용 기술개발에 집중하고 있다. 또한, 청정화력 분야에서는 수소혼소와 전소 터빈, 암모니아 혼소 석탄화력발전 기술개발 등을 추진 중이다.
특히 현재 수소생산과 관련해 에너지기술평가원이 진행 중인 과제로는 블루수소 생산을 위한 공정 개발 및 실증, 암모니아 열분해를 이용한 수소생산 공정 개발 및 실증이 있다.
수전해 시스템 개발과 관련해 알칼라인 수전해, 고분자전해질 수전해, 음이온교환막 수전해, 고온 수전해 등의 다양한 수전해 분야의 원천기술·시스템 기술개발을 추진하고 있으며, 수전해를 이용한 청정수소 생산 실증 프로젝트도 진행 중인 상황이다.
현재 제주도에서 풍력발전과 연계한 3.3MW 그린수소 생산 실증과 함께 전력망과 연계한 12.5MW 그린수소 생산 실증이 진행 중이며, 올해부터는 재생에너지 조화형 무탄소 전원연계 10MW 수전해 청정수소 생산 실증이 시작될 예정이다.
박 PD는 “청정수소 생산과 연계된 수전해 시장의 급격한 성장이 예상되지만, 국내에는 아직 상용 수전해 시스템을 양산할 수 있는 기업이 없다”며 “국내 수전해 산업 육성을 위해 2025년 신규과제로 10MW 알칼라인 수전해 시스템 개발 및 5MW 고분자전해질 수전해 시스템 개발을 대형과제로 기획하고 있다.
그 외에도 수소충전소의 경제성 제고를 위해 수소충전소 핵심 설비와 더불어 부품의 내구성과 에너지 효율 향상 과제도 진행 중”이라고 설명했다.
현재 유럽, 미국, 중국, 일본은 수전해 시장을 선도하고 있지만, 한국은 기술개발 단계에 머물러 있는 상황으로, 이를 타개하기 위해 에너지기술평가원은 2030년까지 대용량 수전해 시스템 기술개발과 이의 실증을 통한 양산 능력, 트랙 레코드를 확보하고 글로벌 수전해 기업 2개 이상을 육성할 계획이다.
이를 위해 에너지기술평가원은 현재 진행 중인 청정수소 생산을 위한 다양한 수전해 실증사업을 원활히 진행하고, 세계 시장에서 판매가 가능한 대용량 알칼라인 및 고분자전해질 수전해 시스템 개발 과제를 2025년 신규과제로 기획하는 것이 목표다.
박 PD는 “수소 산업의 가장 큰 의의는 지속 가능한 에너지 사용을 통해 탄소 중립에 이바지하는 데 있으며, 이러한 과정에서 수소 산업 육성이 수반된다”며 “탄소 중립 달성과 수소 산업 육성을 위해서는 정부의 재정적인 지원과 정책적인 지원이 모두 필요하며, 정부의 투자는 연구개발뿐만 아니라 산업 육성 및 수소에너지 생산과 활용의 활성화를 위한 모든 영역에 필요할 것”이라고 전했다.
그는 이어 “우리 후속 세대를 위한 지속 가능한 에너지 사회 구축을 위해서는 전 국민의 공감대가 필요하다”며 “수소 외에도 재생에너지, 원자력, 청정화력 발전, 이차전지, ESS 등 다양한 에너지원을 최대한 효율적으로 사용할 수 있도록 우리나라에 맞는 적절한 에너지 포트폴리오를 구축하는 데 노력을 기울여야 할 것”이라고 덧붙였다.
