수소는 차·비행기·선박, 가정과 산업의 발전용 등으로 활용할 수 있어 오는 2050년 탄소 중립의 해법으로 꼽힌다. 물을 전기분해해 수소를 만드는 수전해 방식이 궁극적 해법이지만 물 분해에는 막대한 전기가 필요하다. 태양광·풍력 등 재생에너지나 차세대 원전에서 나오는 전기를 쓰면 온실가스가 배출되지 않는 그린(Green)수소가 나오지만 아직은 수전해 기술이 경제성이 많이 떨어지는 것이다.
■수소 생산 위해 온실가스 배출?=수소는 자연에 존재하는 가장 풍부한 원소지만 자체로 존재하기보다는 석유·석탄·천연가스 등 화석연료나 물 등 다른 원소와 화학적 결합 형태로 존재하기 때문에 이들로부터 추출해야 한다. 현재는 수전해 기술이 부족하다 보니 천연가스와 석탄을 고온·고압에서 수증기와 반응시켜 만드는 추출수소 등 그레이(Grey)수소에 많이 의존한다. 가격이 저렴하고 대량생산이 가능하나 이산화탄소(CO2) 등 온실가스가 대거 발생하는 게 문제다. 우리나라는 수소 생산을 위해 석탄은 쓰지 않고 천연가스를 활용하지만 석탄보다는 낫더라도 역시 적지 않은 CO2가 발생한다. 석유화학·제철 공장의 부산물인 수소 혼합 가스에서 수소를 분리하는 부생수소는 저렴하지만 대부분 다른 공정의 원료로 투입되고 원천이 화석연료라는 한계가 있다.
■친환경 수전해의 장점과 한계는=수전해는 물을 전기분해해 고순도(99.999%)의 수소를 친환경적으로 얻는 기술이지만 고가의 전력 비용이 발생해 아직 본격적인 실용화로 이어지지 못하고 있다. 그린수소로 화석연료를 대체할 수 있고 다양한 화합물을 합성하는 것도 가능하지만 생산 단가를 대폭 낮춰야 하는 과제가 있는 것이다. 물을 전기나 열로 분해하는 방식으로 수소를 만들려면 국제 전기 가격을 고려할 때 ㎏당 약 6달러가 든다. 현재 천연가스를 원료로 사용하는 메탄 개질에 의한 수소 생산비가 ㎏당 2달러 안팎인 것에 비해 3배가량 비싸다. 천연가스 개질 방식이 현재 세계 수소 생산량의 약 75%를 차지하는 것도 이 때문이다.
수소에너지저장(HESS) 기술을 대용량·장기 저장이 가능하도록 바꿔나가는 것도 과제다. 재생에너지를 활용해 수소를 생산할 때 불안정한 전력 부하로 인해 수전해 시스템 성능이 급속히 나빠지는 것도 해결해야 한다.
■주요 수전해 기술은=알칼라인수전해·고분자전해질막수전해·고체산화물수전해 등이 있는데 기술 성숙도와 출력 특성 등을 고려해 상호 보완적인 연구개발(R&D)이 이뤄지고 있다. 장종현 한국과학기술연구원(KIST) 수소연료전지연구단장은 “고성능·저가 이중 도금, 3D 구조 나노와이어 전극 등 상용화가 가능한 수준의 다양한 수전해 기술 R&D에 나서고 있다”며 “가격을 낮추고 내구성을 높이기 위해 수전해 시스템의 기술 고도화와 소재·부품 업그레이드가 요구된다”고 말했다.
앞서 한국에너지기술연구원은 재생에너지의 간헐성과 변동성을 보완하기 위해 안정적으로 효율을 높여 수소를 생산할 수 있는 ‘부하변동 대응형 수전해 스택’을 지난해 개발하기도 했다. 내구성과 효율이 높은 전극과 분리막을 개발하고 수전해 시스템을 모듈화하는 데 성공한 것이다. 김창희 에너지기술연 수소연료전지단장은 “기업에 기술이전하고 상용화를 추진 중”이라며 “다만 해외 선도국과 경쟁하기 위해서는 보다 고성능·고내구성 전극과 분리막, MW급 스택 스케일업 설계 기술을 확보해야 한다”고 강조했다.
■수전해 핵심 기술, 선도국의 60~70%=전문가들은 우리나라가 수소차 기술에서는 앞서 있으나 수전해 기술에서는 미국과 독일이 산업화 단계를 밟는 데 비해 우리는 걸음마라고 지적한다. 김재경 에너지경제연구원 연구위원은 “국내에서 수소 생산 기술 연구가 최근 활발해지고 있으나 핵심 원천 기술 확보와 상용화 실증에서는 여전히 세계 최고 수준과 격차가 있다”며 “현재의 천연가스 추출수소 기술은 중소형 추출기 생산 수준이고 중간에 발생하는 이산화탄소를 포집·저장하는 연구도 아직 실증 단계에 머무르고 있다”고 전했다. 특히 수전해 기술의 경우 선진국의 60~70%에 불과하고 재생에너지 발전 설비와 수전해 설비를 직접 결합하는 방식은 아직 상용화 단계에 이르지 못하고 있다고 지적했다.
<고광본 선임 기자>
