간단 설명
수소의 생산 방법 중 하나로, 물을 전기분해하여 수소를 추출하는 것을 뜻한다. 추출 과정에서 이산화탄소를 전혀 배출하지 않아 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다.
상세 설명
이산화탄소 배출 ZERO, 재생에너지로 더 깨끗한 수소를 생산하다
수소는 자연 상태에서는 독립적으로 존재하지 않고 대부분 여러 가지 원소와 결합한 화합물 형태로 존재합니다. 따라서 에너지원으로 만들기 위해서 별도의 생산 과정을 거쳐야 합니다. 석유화학 공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 부수적으로 발생하는 ‘부생수소’, 천연가스를 고온 및 고압에서 분해해 생성하는 ‘개질수소’, 물을 전기 분해해 수소를 만드는 ‘수전해’가 수소를 생산하는 대표적인 방식입니다. 이중 수전해(水電解)는 태양광, 풍력 에너지 등 재생에너지를 통해 물을 전기분해하여 고순도(99.999%)의 그린수소[1]를 추출하는 것을 뜻합니다. 수소 추출 과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없어 친환경적이며 탄소중립 시대에 궁극적으로 추구해야 할 기술로 각광받고 있습니다.
실제로 IRENA(국제재생에너지기구)는 2021년 “평균 온도 상승 폭을 1.5℃ 이하로 억제하기 위해 그린수소의 역할이 필수적”이라고 언급했습니다.
[1] 수소의 생산 방법에 따라 부생수소와 개질수소는 ‘그레이수소’로, CCUS 기술로 그레이수소의 한계를 보완해 수소를 추출한 것은 ‘블루수소’로, 수전해를 사용한 것은 ‘그린수소’로 불림
수전해는 어떠한 원리로 작동되나?
물을 전기분해하여 수소를 얻는 기본 원리는 다음과 같습니다. 물(H2O)은 수소원자(H) 2개와 산소원자(O) 1개로 구성되어 있습니다. 이러한 물에 전기에너지를 가하면 (+)극에는 양이온을 띤 산소원자가, (-)극엔 음이온을 띤 수소원자가 달라붙으며 원자가 분리됩니다. 따라서, (-)극에 모인 원자만 모으면 고순도의 ‘수소’를 추출할 수 있습니다.
물을 전기분해한다는 기술적 개념은 동일하지만 수전해는 어떤 전해질[2]을 사용하는지, 어떤 이온[3]을 이동하는지에 따라 PEM, AEC, AEM, SOECs 등 여러가지 방법으로 나뉩니다.
[2] ‘전해질(Electrolyte)’ 수분에 녹았을 때 전기가 통하는 물질
[3] ‘이온(ion)’ 전자를 잃거나 얻어서 전기를 띤 원자 또는 원자단. (+)전하를 띤 입자는 양이온, (-)전하를 띤 입자는 음이온
[참고. 수전해 설비의 종류]
1. 고분자전해질막 수전해(PEM, Polymer Electrolyte Membrane)
고분자전해질막 수전해(이하, PEM)은 고분자 전해질막을 전해질로 이용하는 방식입니다. 주로 수소이온이 이동할 수 있는 나피온(Nafion) 등의 양이온교환막을 전해질로 이용합니다. PEM은 백금 촉매와 양이온교환막을 사용해 높은 전류밀도로 운전할 수 있고 에너지 효율이 높아 장치의 소형화가 가능합니다. 그린수소 생산에 가장 적합한 수전해 방식으로 화합물 없이 물만을 원료로 사용해 생산한 수소의 순도가 매우 높다는 특징이 있습니다. 백금 촉매와 양이온교환막의 단위 가격이 높은 것이 단점이지만 기술 개발로 PEM의 가격이 낮아지고 있는 추세입니다.
2. 알카라인 수전해(AEC, Alkaline electrolysis)
알카라인 수전해(이하, AEC)는 알칼리 전해액을 이용해 물을 전기분해 하는 방식입니다. AEC는 수전해 방법 중 가장 상용화된 기술로 연구가 오래 진행된 만큼 안정적이라는 장점이 있습니다. 또한 비(非)귀금속 촉매를 써서 단가가 저렴하고 수소 생산 구조가 단순해 대용량 생산에 적합하며 내구성이 높습니다. 다만, 35%에 이르는 알칼리 전해액의 농도를 유지하기 위해 전해액을 계속 보충해야 하고, 알칼리 성분으로 인한 부식 문제 및 낮은 전류밀도 효율, 고압 운전의 어려움 등은 해결해야 할 단점으로 꼽힙니다.
3. 음이온교환막 수전해(AEM, Anion Exchange Membrane)
음이온교환막 수전해(이하, AEM)은 음이온교환막을 전해질로 이용하는 방식입니다. AEM은 AEC와 마찬가지로 저가의 촉매를 사용하여 수소 생산 비용을 낮출 수 있고, 낮은 전력에서도 잘 작동하며 압축기 없이도 고압에서 작동이 가능해 효율 및 순도가 높다는 장점이 있습니다. 단, 기술력의 한계로 촉매와 음이온교환막의 성능 및 신뢰도가 높지 않다는 단점이 있습니다.
4. 고체산화물 수전해(SOECs, Solid Oxide Electrolysis Cell)
고체산화물 수전해(이하, SOECs)는 고체산화물 전해질을 이용해 800℃ 이상의 고온 수증기를 전기분해 해 수소를 생산하는 기술입니다. 고체산화물 전해질을 사용하기 때문에 부식에 강하고, 전해액을 보충할 필요가 없어 유지 보수가 쉽다는 장점이 있습니다. 하지만, 수증기를 가열하기 위해 추가적인 열 에너지가 필요하고 800℃ 이상의 고온을 견딜 충분한 내구성을 지닌 고체전해질에 대한 연구가 아직은 부족하다는 한계를 지닙니다.
수전해 기술을 통한 전 세계 각국의 그린수소 생산 계획
전 세계적으로 수전해를 통한 ‘그린수소 생산 계획’ 목표가 꾸준히 발표되고 있습니다. EU는 ‘기후 중립 목표를 위한 수소전략(2020)’에서 “그린수소를 탈탄소를 위한 혁신적인 에너지기술”로 인정하며 “2030년까지 최소 40GW의 수전해 설비를 설치하고 최대 천만 톤의 그린수소 생산 계획”을 내놓았습니다.
IRENA(국제재생에너지기구)는 ‘그린수소 생산비용 절감 전략(2021)’에 대한 보고서에서 수전해 용량이 2023년 270GW, 2050년 약 1700GW(1.7TW)로 확대될 것이라고 전망했습니다.
우리나라 역시 2021년 11월, ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’을 통해 ‘청정수소 공급체계 전환’을 핵심 과제로 발표하고, 2022년부터 본격적으로 재생에너지 기반 수전해 그린수소 생산 실증 사업과 수전해 수소생산기지 구축사업을 추진하고 있습니다. 뿐만 아니라 수전해 공급 인프라 설치 보조, 청정수소발전제도(CHPS) 및 청정수소 인증제 도입 등 그린수소 생산의 경제성 확보를 위한 지원제도 역시 꾸준히 마련해 나가고 있습니다.
SK E&S는 글로벌 수소 기업 ‘플러그’(Plug)와 합작법인 SK 플러그 하이버스(SK Plug Hyverse)를 설립하고 PEM 수전해 설비 공급 계약을 체결하는 등 그린수소 생태계 조성을 위한 수전해 설비의 국산화 및 해외시장 확대를 위해 노력하고 있습니다.
SK E&S-플러그파워, 제주에 수전해 설비 공급…‘청정수소’ 시대 연다(바로가기)
또한, 올해 말까지 인천 지역에 수소 설비 생산·연구기지인 ‘기가팩토리’를 구축해 수소 연료전지와 수전해 설비 제품을 생산할 계획이기도 합니다. 이를 통해 2026년까지 액화수소 연 3만 톤과 블루수소 연 25만 톤 등 수소 공급 능력을 연 28만 톤까지 끌어올릴 목표입니다. SK E&S의 발걸음에 많은 관심 부탁드립니다.
