수전해 기술의 현황 및 전망
<목차>
1. 국내외 수전해 기술 현황
2. 해외 수전해 기술 및 실증 현황
3. 해외실증 사례 및 계획
4. 독일 실증 사례 및 계획
5. 그 밖의 국가 실증 사례 및 계획
6. 국내 수전해 기술 현황
7. 국내 실증 사례 및 계획
8. 수전해 장치 생산 역량
9. 국내의 수전해 업체 생산 능력 진단
1. 국내외 수전해 기술 현황
세계적으로 연간 7천만 톤의 수소가 생산되고 있다. 이중 76%는 천연가스의 개질을 통해 생산되며 22%는 석탄가스화를 통해 생산된다. 그리고 나머지 2% 정도는 수전해를 통해 생산되는데, 대부분 클로로알칼리 공정에서 생산되는 수소로 추측된다.1)
1)Hydrogen strategy, enabling a low-carbon economy, office of fossil energy, DOE, 2020
2. 해외 수전해 기술 및 실증 현황
수전해 기술은 1800년대 초 물의 전기 분해가 발견된 후 1900년 초부터 상업적인 수전해 장치가 이용되는 등 100년 이상 발전되어온 기술이다.2) 먼저 상용화된 것은 알칼라인 수전해다. 백 MW 이상의 대형 수전해 장치가 암모니아 합성을 위한 수소 제조에 이용되었다.3) 1960년대에는 우주개발과 군사목적으로 고체고분자수전해(PEM) 기술이 최초로 개발·적용되었으며 1970년 초에 고체산화물수전해(SOEC) 기술이 소개되었다.4) 2000년대부터는 재생전력의 확대와 수소전기차의 등장으로 다시금 수전해 기술이 주목받기 시작했다. 이에 따라 알칼라인 수전해 기술의 성능 향상 및 저가화 연구, PEM 수전해 장치의 대형화, 저가화 연구, SOEC의 내구성 향상 및 용량 증가 연구가 진행되고 있는 중이다.
2) U.F. Vogt, M. Schlupp, D. Burnat, A. Züttel, Novel Developments in alkaline water electrolysis, 8th international symposium hydrogen & energy, 16.- 21. Feb. 2014, Zhaoquing, China, p.3
3) U.F. Vogt, M. Schlupp, D. Burnat, A. Züttel, Novel Developments in alkaline water electrolysis, 8th international symposium hydrogen & energy, 16.- 21. Feb. 2014, Zhaoquing, China, p.5
4) U.F. Vogt, M. Schlupp, D. Burnat, A. Züttel, Novel Developments in alkaline water electrolysis, 8th international symposium hydrogen & energy, 16.- 21.Feb. 2014, Zhaoquing, China, p.5
5) Study IndWEDe - Brief OverviewIndustrialisation of water electrolysis in Germany: Opportunities and challenges for sustainable hydrogen for transport, electricity and heat,
Oct. 30, 2018, p.15
알칼라인 수전해 장치의 대표적인 업체는 NEL, Hydrogenics, IHT, ELB, Mcphy, IHT가 있으며 PEM 수전해 장치의 대표적인 업체는 Proton onsite(NEL과 합병), Simens, ITM power, Hydrogenics를 들 수 있다.
현재 기준으로 알칼라인 수전해 스택의 수명은 5~10년으로 전류 밀도는 150~400 mA/cm2, 용량은 최대 760 Nm3/h에 이르며 효율은 4.5~5.5kW/Nm3가량이다. 시스템 가격은 kW당 $800~2,000가량으로 알려져 있다. PEM 수전해 스택의 수명은 2~5년이며 전류 밀도는 1~2A/cm2, 최대 200 Nm3/h 이상 용량의 제품이 있다. 효율은 알칼라인 수전해와 유사하며 시스템 가격은 kW당 $1,200 이상으로 추정된다.6) 7) 8)
해외의 수전해 기술의 장기적인 개발 성능 지표를 살펴보자. EU FCH-JU에서 제시한 자료에 따르면 2030년까지 장치 가격 400 유로/kW, 전류 밀도 800mA/cm2, 효율 48kWh/kg-H2, 비활성화0.1%/1,000h을 목표로 하고 있다. PEM 수전해의 경우 장치 가격 500 유로/kW, 전류 밀도 2.5A/cm2, 효율 50kWh/kg-H2, 비활성화0.12%/1,000h을 목표로 한다. 고온수전해의 경우 장치 가격 750 유로/kW, 효율 37kWh/kg-H2, 전류 밀도는 제시하지 않고 있으며비활성화는 타 수전해 방식과는 다른 기준인 production loss rate로 0.5%/1000h을 제시하고 있다.9)
현제 PEM 뿐만 아니라 알칼라인 수전해 제조업체에게도 가장 중요한 과제는 대량 생산을 통한 비용 절감을 달성하는 것이다. 그와 함께 전류 밀도, 수명, 장치 가격 저감 및 장치 효율성의 균형을 지속적으로 개선하기 위한 연구개발 노력도 진행 중이다.
6) Renewable Energy 85 (2016) 1371-1390, p.1373
7) FCH-JU study on development of water electrolysis in the EU final report, 2014, p.60-63
8) HYDROGEN FROM RENEWABLE POWER TECHNOLOGY OUTLOOK FOR THE ENERGY TRANSITION, IRENA Sept. 2018, p.20
9) Addendum to the Multi-Annual Work Plan 2014 – 2020, 15 June 2018, p.48-50.
3. 해외실증 사례 및 계획
해외에서는 1998년 이후 22개 국가에서 143개의 P2G 프로젝트 진행 중이며 유럽에서는 2016년에서 2019년 사이에 34개의 프로젝트를 새로이 시작하였다.
4. 독일 실증 사례 및 계획
Amprion사와 OGE사가 2023년까지 독일 북서부지역에 수소파이프라인에 수소를 공급하는 프로젝트(Hybridge project)를 150만 유로에 제안하였으며 곧 100MW의 수전해가 설치될 예정이다. 이를 확장하여 2023년까지 200MW까지 확장을 고려한 40MW 풍력발전기와 수전해를 연계한 수소생산과 저장을 계획하고 있다.
2020년 Shell사의 Wesseling refinery 공장에 수소를 10MW PEM(ITM Power) 수전해를 통해 공급하는 프로젝트(Refhyne project)가 진행 중이며 Mainz에서는 2017년부터 6MW 수전해를 통한 수소의 생산과 이송에 대한 프로젝트를 수행 중에 있다.
2019년 이후 11개의 실증 프로젝트가 승인되었으며 다음과 같다.
•CCU P2C Salzbergen - synthetic methane production
•DOW Green MeOH - methanol production
•Element eins - 100 MW electrolyser
•EnergieparkBL - 35 MW electrolyser
•GreenHydroChem - 50 MW electrolyser
•H2 Stahl - hydrogen injection in a blast furnace
•H2 Whylen - 10 MW electrolyser
•HydroHub Fenne - 17.5 MW electrolyser
•Norddeutsches reallabor - 77 MW electrolyser
•RefLau - 10 MW electrolyser
•REWest - 10 MW electrolyse
5. 그 밖의 국가 실증 사례 및 계획
네덜란드의 로테르담 항에서는 2GW 수전해 시스템 설치에 대한 타당성 연구가 진행 중이다. 또 흐로닝언 지역에는 2020년 초까지 20MW 수전해를 설치하고 추후 60MW까지 확대할 계획이다. 여기서 생산된 수소는 메탄올과 합성 항공유 생산에 이용될 예정이다.
오스트리아 린츠 지역에서는 지멘스가 6MW PEM 수전해 저장 공급에 대한 프로젝트(H2Future project)를 진행 중이며, 노르웨이에서는 고온수전해를 이용해 수소를 생산하고 이산화탄소와의 반응을 통해 합성연료를 생산하는 프로젝트를 진행하고 있다. 향후 연간 8,000톤(수전해 10MW)까지 확대할 계획이다.
일본의 후쿠시마 수소 연구 분야는 도시바, 도호쿠전력, 이와 타니가 참여하는 NEDO 프로젝트로 진행하였다. 2019년 10월에 시운전을 해 2020년 7월에는 실증운전을 시작하였다. 10MW 알칼라인 수전해를 이용해 수소를 생산하고 이를 수소충전 및 발전(연료전지)에 활용하는 실증을 진행 중이다.
6. 국내 수전해 기술 현황
알카라인 수전해 장치의 경우 상용으로 판매하고 있으며, PEM 수전해의 경우 요소기술, 실증연구개발 등 개발 위주로 진행 중이다. 고온 수전해 기술은 21세기 프론티어 사업을 통해 기초연구가 진행되었으며 현재는 산업통상자원부와 과학기술 정보통신부 사업을 통해 연구개발이 진행되고 있다.
국내에서 국산 기술로 가장 큰 규모의 수전해 장치가 공급된 단일 시스템은 군 시설에 400Nm3/h급, 20 Nm3/h급의 알칼라인 수전해 장치가 설치된 사례다.10) 국내 수전해 장치의 이용 실적이 미비하여 스택의 수명에 대한 자료는 아직 없으며 수소 생산 효율은 5.5~6.0kW/Nm311)가량으로 알려져 있다.
알칼라인 수전해는 향후 몇 년 안에 제로갭(zero-gap) 기술 적용으로 활성 전극 사용을 통해 해외 장치 수준으로 효율이 향상될 것으로 예상된다. 용량도 100Nm3/h/stack 이상으로 증가할 것으로 기대되며 PEM 수전해도 MW급의 시스템이 곧 상용화될 것으로 보인다.12) 관련 산업의 내수시장 확보와 해외시장 진출을 위한 실증, 연구개발 지원을 통해 내구성 및 track-record 확보가 시급하며, 성능과 가격 저감을 위한 지원이 지속적으로 필요하다.
10) http://www.yesemk.com/~yesemk/kor/customer/news.html?bbsData=bm89MzM5%7C%7C&mode=view, 2019.12.13
11) http://www.yesems.co.kr/kor/data/EMK-Energy.pdf, 2019.12.13
12) 김재경, 친환경 CO2-free 수소생산 활성화를 위한 정책연구, 에너지경제연구원, 제3장 친환경 CO2 –free 수소생산 방식 현황, p.33
7. 국내 실증 사례 및 계획
이엠솔루션은 2019년~2022년까지 울산에서 한국전력과 ‘P2G기반 한전 마이크로 실증사업(사업비 총 193억 원)’을 통해 1MW급의 알칼라인 수전해를 제로갭 형태의 고효율 시스템으로 공급 및 실증할 예정이다. 이 사업에는 엘켐텍도 참여하고 있으며 역시 1MW급 PEM 수전해 장치를 공급할 계획이다.
한국에너지기술연구원은 2020년 4월부터 2023년 12월까지 국토교통부의 사업을 통해 삼척시에 6개의 주택동과 1개동의 주민센터에서 태양광으로 발전한 전력을 약 250kWh급의 ESS에 저장하여 사용하고 잉여 전력은 수전해로 수소를 생산해 이를 금속수소화물에 저장해 이용하는 기술을 실증하고 있다.
일 단위의 에너지 저장은 전력과 열에너지로 사용하고 계절간에너지의 저장은 수소로 하는 Power to Hydrogen, Power to Heat, Power to Power 기술과 ICT 기술을 이용해 단지 내 에너지 거래와 단지 외부로의 에너지거래를 하는 에너지 신사업 참여 모델을 실증하며 수소에너지가 주거부문으로 확산하는데 필요한 제도적, 기술적, 경제적 보완점을 연구할 예정이다.
한국전력공사는 산업통상자원부 및 한국에너지기술평가원의 지원으로 재생에너지 장주기 저장 및 전환을 위한 Power to Gas 기술개발과제 2단계를 진행중이다(기간 : 2019년 5월~2022년 4월, 예산 총 485억 원(국비 285억 원, 민자 200억 원)). 이 과제는 재생에너지의 안전성 확보 및 미유용전력의 저장과 활용기술개발, 재생전력 발전단지와 연계한 대규모 에너지 저장장치 시장창출을 목적으로 시작하였다. 전력연구원을 주축으로 신재생에너지 공급(중부발전, 동서발전), 알칼라인 수전해(한국에너지기술연구원, 수소에너젠), PEM 수전해(KIST, 엘켐텍), 수소저장(동국대, KAIST, 에이치앤파워), 하이브리드(기계연구원, 아크로랩스) 분야로 나누어 산학연이 참여하였다.13) 1단계에서는 400N㎥-H2/h급 하이브리드 수전해 시스템 개발, 2단계에서는, 2MW급 전력-수소시스템 설계 및 운전을 목표로 하였다.
500kW급 Hybrid H-ESS 개발 및 실증은 한국에너지기술평가원의 지원 사업으로, 2017년 12월부터 2020년 11월까지 36개월간 진행되었으며, 주관기업은 지필로스, 참여기관은 한국중부발전, 수소에너젠, 아크로랩스, 두진, 한국에너지기술연구원, 한국가스 안전공사, 제주대학교, 창원대학교 등이었다.14)
개발 목표는 잉여전력 최적 활용을 위한 500kW급 Hybrid system 구축, 52N㎥/h급 수전해장치 이용 수소변환시스템 구축, 시스템 수명 및 효율 증대를 위한 최적 운전제어 알고리즘, BESS & HESS Hybrid 구성을 통한 고효율 실현, 수소 활용을 위한 10kW급 연료전지시스템, 200Bar 고압수소저장시스템 구축, 시스템 실증 운영을 통한 성능평가다.
연구자들은 10MW 태양광 발전 출력 중 4MW 이하는 우선 계통 송전을 가정하면, 최소 운전률 30%, 이용률 50% 전후에서 구축 비용이 최소화한다고 제시하였으며 생산된 그린 수소 판매, 계통 보조서비스에 참여, 온실가스저감 효과를 추산하여, 투자 회수기간은 11년이면 가능할 것으로 예측하였다(수소 가격은 kg당 6천 원, 탄소 톤당 4만 원, 계통 예비력 대체로 3,395원/MWh, 전력 비용을 20원/kWh로 가정).
13) 한국동서발전, 그린수소 실증단지 조성과 추진사업 소개, 산업연구소, 수소에너지 인프라구축과 연계 산업 및 사업 모델 최신 분석 세미나 (2020.8.18.~19)
14) 지필로스,재생에너지 연계 그린수소 생산시스템, 산업연구소, 수소에너지 인프라구축과 연계 산업 및 사업 모델 최신 분석 세미나 (2020.8.18.~19)/NTIS 자료
8. 수전해 장치 생산 역량
2018년 기준 독일의 NOW 자료에 따르면 수전해 장치 판매액은 연간 100~150백만 유로로 추정되며 수전해 장치 관련 종사자는 약 1,000여 명으로 관련 부품의 생산을 단독으로 수전해 장치를 위해 하지는 않으며 다른 업종의 업체에도 공급하여 사업 영위하는 것으로 보고되고 있다.
현재의 생산 능력은 연간 100MW로 추정되며 2020년까지 수전해 장치의 생산 능력을 2GW 수준으로 키울 수 있을 것으로 예상하였다. 이중 1/3은 유럽의 제조사가 담당할 수 있을 것이다.
이러한 단기간의 수전해 장치의 양산능력 향상은 이미 supply chain을 구축한 Chlor-alkali 산업 관련 기업의 시장 참여에 따를 것으로 판단된다.
대부분의 제조사는 주문에 따라 제작이 들어가며, 수 MW규모의 시스템을 건설하는데 1년가량의 시간이 필요하며 규격화된 스택의 부품을 보유하여 기존 공급된 산업용 제품의 스택의 교환에 대응하고 있다. 수동이나 workshop 형태의 생산으로 시스템 통합 제조를 하고 있으며 앞으로 스택의 경우 자동화가 가능할 것으로 보이나 확실한 판매 확대를 보장하지 않을 경우 이 확대는 늦어질 것으로 예상된다.
알칼라인 수전해의 경우 양산체계의 구축에서 대부분의 부품 제조사가 양산 대응이 가능하나 PEM 수전해의 경우 기술 know-how(촉매코팅, MEA, 스택 부품류 등)의 보호문제로 in-house 생산에 의존하고 있어 이러한 부분이 일부 제한된다. 대부분의 수전해 업체가 중소·중견 기업으로 현재의 주문에 대응하는 수준의 사업계획을 세울 뿐 공격적이고 충분한 투자 여력이나 계획을 세우기 어려운 상태이다.
9. 국내의 수전해 업체 생산 능력 진단
국내 대표적인 수전해 업체는 알칼라인 수전해 업체로 이엠 솔루션(중견), 수소에너젠(중소), 하이젠텍(중소)가 있으며 PEM 수전해 업체로 엘켐텍(중소), 웨스피(중소)가 있으나 대부분 중소기업이다. 하이젠텍이 수전해 장치를 가장 저가로 제작하기 때문에 제품 공급 수량은 가장 많을 것으로 추정되나 효율, 안전 장치, A/S 등이 앞으로 보완해야할 문제들로 파악되고 있다.
대부분의 현 국내 수전해 기업 역시 주문과 함께 생산하는 방식을 취하고 있으며 본격적인 시장형성이 되지 않고 있는 데다 SMR 방식의 수소생산에 비해 수소의 생산 단가가 높아 대부분 실증형태의 사업에 참여하는 방식으로 사업을 진행하고 있다. 최근 한화솔루션이나 LG화학 등의 업체가 수전해 사업에 참여의사를 밝히고 있다.
저 자
정성욱 한국에너지기술평가원 수소연료전지 PD
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