에너지연, 친환경 ‘그린수소’의 경제적 생산을 위한 청사진 제시

-알칼라인 수전해, 양성자교환막 수전해 기술 비교로 최적의 운영 전략 도출

-현재로서는 알칼라인 수전해와 기존 전력망을 이용한 보조 전력 연계가 가장 효율적

-제주도 기상 데이터를 기반으로 우리나라에 적합한 수전해 수소 생산 조합 제안

■ 한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 에너지AI·계산과학실 박정호 박사 연구진이 미래 친환경 수소 생산 기술로 손꼽히는 수전해 기술의 경제성을 분석하고 최적의 운영 방안을 제시했다.

□ 미래 친환경 연료인 그린수소의 생산에는 주로 알칼라인 수전해와 양성자교환막 수전해(이하 ‘PEM 수전해’) 기술이 활용된다. 이 중 알칼라인 수전해 기술은 값싸게 대량의 수소를 생산할 수 있어 가장 상용화된 기술이다. 하지만 장치 가동에 필요한 전력의 요구치가 높고 일정한 공급이 필요해 전력 생산이 들쑥날쑥한 재생에너지와의 연계가 어렵다.

* 그린수소 : 태양광 등 재생에너지를 통해 얻은 친환경 전력으로 물을 분해해 생산하는 궁극적인 청정 수소. 청정 수소는 2038년까지 암모니아 발전과 함께 우리나라 전체 발전량의 6.2%(‘23년 기준 발전량 없음)를 담당할 계획(11차 전력수급기본계획, 2025.02.21.)

* 알칼라인 수전해 : 수산화칼륨 등 알칼라인 액체 전해질을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술

* 양성자교환막 수전해 : 고체 상태의 양이온 교환막을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술

□ PEM 수전해의 경우 적은 전력으로도 수소를 생산할 수 있어 재생에너지만으로도 작동이 가능하다. 하지만 초기 설치 비용이 높고 알칼라인 수전해에 비해 기술 성숙도가 낮다는 단점이 있다. 한가지 기술만으로 그린수소 생산 인프라를 구축하기 어려운 이유다.

■ 이에 연구진은 알칼라인 수전해와 PEM 수전해의 기술적 차이, 경제성을 비교 분석해 최적의 운영 전략을 도출했다. 특히 알칼라인 수전해의 가동 전력을 안정적으로 공급하기 위해 기존의 전력망을 보조 전력으로 이용하는 것이 가장 경제적이라는 시각을 제시했다.

□ 알칼라인 수전해 장치에 전력이 일정하게 공급되지 않으면 가동과 중단이 반복돼 열화가 발생하고 수명과 효율이 떨어진다. 이를 극복하기 위해서는 에너지 저장 장치(이하 ‘ESS’) 등 보조 전원을 활용해 전력을 끊임없이 공급해야 한다.

□ 연구진의 분석 결과, 재생 전력을 사용하면서 ESS를 보조 전원으로 활용할 경우 수소 생산 단가^*는 킬로그램당 최대 8.6달러로 평가됐다. 반면 기존 화석 연료 발전 중심의 전력망을 통해 보조 전력을 확보하면 킬로그램당 6.6달러로 낮아진다. 현재 기준으로 기존 전력망과의 연계가 경제적이지만 환경 문제를 해소하지 못해 장기적으로는 ESS 단가 절감과 바이오매스, 원자력 등 무탄소 연료 발전 비중이 높아져야 한다는 분석이다.

* 균등화 수소 생산 단가(LCOH, Levelized Cost of Hydrogen) : 수소 생산을 위한 총 자본과 운전 비용의 합계를 총 수소 생산량으로 나누어 수소 생산 단가를 도출하는 지표

* 수소생산단가 도출 기준

1) (ESS 조합 기준) ESS 용량 500메가와트시(Mwh) 조합 시 8.6달러/킬로그램

2) (전력망 이용 기준) 알칼라인 수전해 운전에 필요한 최소 전력인 20% 이용 기준 6.6달러/킬로그램

□ 또 다른 기술인 PEM 수전해의 경우 장치에 과부하를 주면 오히려 경제성이 개선된다는 시각을 제시했다. PEM 수전해 장치는 필요 이상으로 전력을 과잉 공급해 수소 생산량을 늘리는 과부하 운전이 가능하기 때문이다. 연구진은 재생에너지 발전량을 늘려 필요 전력의 1.5배를 과잉 공급할 경우 수소 생산 단가를 킬로그램당 5.8달러까지 낮출 수 있을 것으로 내다봤다.

□ 이를 통해 연구진은 재생에너지 발전 비율이 높고 안정적 공급이 가능한 환경에서는 PEM 수전해를, 이외의 환경에서는 알칼라인 수전해와 무탄소 기반의 전력망을 조합하는 것이 가장 이상적이라고 분석했다.

□ 이에 더해 연구진은 우리나라 환경에 맞는 최적의 수전해 수소 생산 조합을 제안했다. 제주도의 기상 데이터를 기반으로 평가한 결과, 향후 수전해 설비 100메가와트(MW)를 기준으로 해상풍력 100메가와트, 태양광 100메가와트를 조합하면 킬로그램당 4달러 수준에서 안정적인 수소 공급이 가능할 것으로 내다봤다.

■ 연구를 주도한 에너지연 박정호 박사는 “이번 연구는 알칼라인과 PEM 수전해의 기술적 차이를 명확히 분석하고, 에너지 환경에 따른 최적의 설계 및 운영 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다.”며, “향후 재생에너지를 활용한 수소 생산 시스템 구축 시, 기술 선택과 투자 방향을 결정하는 데 중요한 참고 자료가 될 것”이라고 밝혔다.

□ 연구성과는 에너지연 기본사업을 통해 수행됐으며 국제 저명 학술지 에너지 컨버전 앤 매니지먼트(Energy Conversion and Management, IF 9.9, 역학 분야 상위 1.8% 저널) 2월호에 게재됐다.