한 눈에 쏙! 에너지 그래픽

S-OIL이 친환경 에너지 화학 기업의 미래를 그리며 정보 탐색을 이어갑니다. 인포그래픽으로 정리된 에너지 관련 정보를 살펴보세요.

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이상고온과 기록적인 폭우, 가뭄 등 기후변화를 체감할 수 있는 요즘입니다. ‘유엔 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)’의 보고서에 따르면 2011년에서 2020년까지 지구 온도는 1.1도가 상승했습니다. 국제재생에너지기구(IRENA)는 “평균 온도 상승 폭을 1.5℃ 이하로 억제하기 위해서는 그린 수소의 역할이 필수적”이라고 강조했습니다.

그린 수소는 전기를 이용해 물을 분해하는 수전해 기술을 통해 생산됩니다. 탄소중립을 실천하고 수소 경제의 이니셔티브를 가지기 위해서는 수전해 기술의 확보가 필수입니다. 그린 수소 생산의 핵심인 수전해 기술의 원리와 종류, 그리고 발전 전망까지 S-OIL과 함께 알아보세요!

1. 물에서 수소를 뽑아 그린 수소를 만드는, 수전해 기술

그린 수소는 태양광과 풍력발전으로 만든 전기에너지로 수소와 산소로 이뤄진 물을 분해하여 생산됩니다. 여기서 물의 전기 반응으로 수소를 생산하는 방식을 ‘수전해’라고 합니다. 탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있어 친환경 수소 경제를 구축하기 위한 핵심 에너지 기술로 주목받고 있습니다.

물(H₂O)은 수소 원자 2개와 산소 1개로 구성되어 있습니다. 물에 전기를 가하면 양극(+)에는 음이온을 띤 산소 원자가, 음극(-)에는 양이온을 띤 수소 원자가 붙으며 원자가 분리됩니다. 수전해는 전기 분해법을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술입니다. 전기 분해법은 음극에서 수소, 양극에서 산소가 발생하는 반응이며, 이를 위해 전해질(물에 녹았을 때 전기가 통하는 물질) 용액과 전극이 필요합니다.

수전해 기술은 운전 온도에 따라 크게 고온 수전해와 저온 수전해로 나뉩니다. 고온 수전해 기술은 세라믹과 같은 고체산화물을 전해질로 사용하며, 600~800℃에서 스팀의 열에너지와 전기에너지를 이용하여 수소를 생산합니다. 반면, 저온 수전해 기술은 비교적 낮은 온도인 50~80℃에서 작동해 신재생에너지와 직접 연계하기가 쉽습니다.

2. 알칼라인에서 고체산화물까지, 다양한 수전해 기술

수전해 기술은 어떤 전해질을 사용하는지, 어떤 이온을 이동하는지에 따라 알칼라인 수전해(AWE), 양이온 교환막 수전해(PEMWE), 음이온 교환막 수전해(AEMWE), 고체산화물 수전해(SOEC) 등 다양한 종류가 있으며, 각각의 특성에 따라 장단점이 뚜렷합니다.

먼저 알칼라인 수전해(AWE)는 가장 상용화된 수전해 방식으로, 알칼라인 전해액에 전기를 흘려 수소와 산소를 분리하는 방식입니다. AEC라고도 불리는데, 100년 넘게 산업에서 활용되어 기술 숙련도가 높으며, 시스템의 수명이 30~40년으로 길어 안정적입니다. 촉매로 니켈 등 비귀금속을 사용해 저렴하고 생산 구조가 단순해 대량 생산에도 적합합니다. 하지만 다량의 고농도 액체 전해질을 사용하며 두꺼운 분리막으로 인해 시스템 내부의 저항이 높아 시스템 효율이 낮습니다. 또한 수소와 산소 혼입의 위험이 있고, 알칼리 성분으로 인한 부식, 수소 정제가 필요하다는 점이 단점으로 꼽힙니다.

양이온 교환막 수전해(PEMWE)는 고분자 전해질막을 전해질로 사용하는 방식으로, 고분자 전해질막 수전해라고도 불립니다. 주로 수소이온이 이동할 수 있는 나피온(Nafion) 등의 양이온 교환막을 전해질로 이용합니다. 백금 촉매와 양이온 교환막을 사용해 높은 전류밀도로 운전할 수 있고 에너지 효율이 높아 장치 소형화가 가능하다는 장점이 있습니다. 반응에 필요한 양성자를 빠르게 공급할 수 있어 알칼라인 수전해(AWE)와 비교할 때 수소 생산 속도가 빠릅니다. 화합물 없이 물만 원료로 사용할 수 있어 수소 순도도 높은 편입니다. 단점은 촉매로 백금 같은 귀금속을 사용해 생산 단가가 높다는 것입니다.

반대로 음이온 교환막을 전해질로 사용하는 수전해 기술도 있습니다. 음이온 교환막 수전해(AEMWE)는 알칼라인 수전해와 양이온 교환막 수전해의 단점을 보완하고 장점을 극대화한 방식입니다. 저가의 촉매를 사용해 수소 생산 비용을 낮출 수 있고, 낮은 전력에서도 잘 작동하며 압축기 없이도 고압에서 작동이 가능해 효율과 순도가 높습니다. 수소 생산 방식의 혁신을 가져올 잠재력이 있는 차세대 기술로, 앞으로 지속적인 기술 개발 및 상용화를 통해 수소 경제 구축에 기여할 것으로 기대되지만, 아직은 촉매와 음이온 교환막의 성능과 신뢰도가 높지 않다는 한계가 있습니다.

음이온 교환막 수전해와 함께 차세대 수전해 기술로 꼽히는 고체산화물 수전해(SOEC)는 고체산화물 전해질을 이용해 800℃ 이상의 고온 수증기를 수전해 시켜 수소를 만드는 기술입니다. 부식에 강하고, 전해액을 보충할 필요가 없어 유지 보수가 쉽습니다. 하지만, 수증기를 가열하기 위해 추가적인 열에너지가 필요하고 800℃ 이상의 고온을 견딜 충분한 내구성을 지닌 고체 전해질에 대한 연구가 아직은 부족한 상황입니다.

3. 다양한 산업에서 활용되고 있는 수전해 기술

수전해 기술은 가장 친환경적인 수소인 그린 수소를 생산하는 것 외에도 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다.

가장 오랫동안 사용된 곳은 비료 산업입니다. 20세기 초에 이미 수전해 기술이 실용화되어 수력에서 발생한 전력을 이용해 수소를 생산함으로써 비료를 제조하는 데 사용되어 왔습니다. 수전해로 생산된 수소는 질소와 반응하여 암모니아를 생산할 수 있는데, 암모니아는 화학 비료의 주요 성분입니다.

화석연료에서 생산한 수소와 공기의 질소를 고온, 고압에서 반응시켜 암모니아를 합성하는 공정인 하버-보슈법(Haber-Bosch process)을 이용하면 비료뿐만 아니라, 플라스틱·폭발물·의약품 제조, 선박용 연료 등을 생산할 수 있습니다. 이때 재생에너지 전력 기반의 수전해로 생산된 수소를 사용하면 지속 가능한 암모니아 생산이 가능합니다.

P2G(Power to Gas)는 수전해 설비를 활용해 전력을 수소로 변환하고, 이 수소를 포집한 이산화탄소와 결합해 탄소 중립적 메탄을 생산하고, 활용하는 기술을 말합니다. 이렇게 생산된 수소와 메탄은 연료전지나 가스터빈, 그리고 수소차의 연료로 사용됩니다.  

또한 수전해 기술을 통해 부가적으로 생성되는 산소는 의료, 제조업, 폐수 처리, 식품 등 다양한 산업에서 활용될 수 있습니다. 이 외에도 수전해 기술은 다양한 산업 분야에서 혁신적인 솔루션을 제공하고 있으며, 앞으로 더 많은 발전이 기대됩니다.

4. 미래 에너지산업 패러다임을 바꿀, 수전해 기술

수전해 설치 용량 중 가장 높은 비율을 차지하는 알칼라인 수전해 기술은 현재 수소 생산 고밀도화와 안전성 확보를 위한 연구가 활발히 진행 중입니다. 이를 통해 궁극적으로 그린 수소 생산 단가를 저감할 수 있을 것으로 기대됩니다.

수전해 기술은 전기에너지가 충분해야 하기에 일정한 전력 공급이 유지되어야 합니다. 하지만 태양광이나 풍력발전은 날씨의 영향으로 수소 공급량을 예측하기 어렵습니다. 이에 유럽과 북미 등에서는 원자력 연계 수전해 기술 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 우리나라에서도 원전 연계형 수전해 시스템 개발 및 실증이 진행 중이며, 정부 차원의 대규모 지원이 투입될 예정입니다. 최근 국내에서는 에너지저장장치 없이도 출력을 조절할 수 있는 재생에너지 직접 연계 방식의 수전해 기술을 개발했습니다. 비용과 공간을 아낄 수 있고, 변동성을 제어할 수 있어서 설비 수명이 1세대에 비해 길고 폭발 위험성도 낮은 것이 특징입니다. 50kW급 기준으로 시간당 약 1kg의 그린 수소를 생산할 수 있고, 적층 형태인 ‘스택’ 방식으로 설계돼 용량을 250kW까지 늘릴 수 있습니다.

다양한 수전해 기술의 개발은 탄소중립을 달성하고 미래 청정 에너지원을 생산해 내는 핵심 요건입니다. 우리나라의 수소 생산 분야 기술력은 선진국 대비 75% 수준에 불과합니다. 다른 국가들과의 기술 교류 및 협력을 증진해 풍부한 해수를 이용한 수전해 기술을 확보하는 등 지속적인 지원과 기술개발을 통해 세계 시장에서의 경쟁력을 높여야 합니다.

미래에 화석연료를 사용하지 않고, 친환경 에너지를 통해 지구를 지키기 위해서는 그린 수소의 생산을 위한 수전해 기술의 지속적인 개발이 이루어져야 합니다. 탄소중립을 달성하는 데 있어 핵심적인 수전해 기술 경쟁력 확보를 위한 민관 협력이 원활하게 이루어지기를 S-OIL이 응원하겠습니다!

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참고 · www.ecotiger.co.kr/news/articleView.html?idxno=46944
          kist.re.kr/ko/news/kist-opinion.do?mode=view&articleNo=9609&title=그린수소+생산+위한+직접+해수+수전해+연구+필요
          www.iusm.co.kr/news/articleView.html?idxno=1016289
          biz.chosun.com/science-chosun/technology/2023/07/12/BSO5YVH6F5GV7IPC4UWJHWZSJA/
          www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=111399
          www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=52956
          www.fnnews.com/news/202405011825070404?pg=mny
          www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=878
          www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=12050
          www.kier.re.kr/tpp/energy/A/view/60?contentsName=below3_6&menuId=MENU00963
          www.airproducts.co.kr/gases/oxygen
          www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=8949
          ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%98%EB%B2%84%EB%B2%95
          www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=4556
          www.kepri.re.kr:8080/ebook_2015/pdf_files/2019_09.pdf