- 경제적 비용의 고효율 수소생산 원천기술 개발

- 수소충전소용으로 활용 시 10억 원/1대 이하

■ 최근 정부에서 4차에 걸친 ‘신산업 현장애로 규제혁신 방안’ 마련과 수소차, 전기차 등 ‘친환경차 선제적 규제혁파 로드맵’ 발표 등 규제개선을 통해 신산업을 육성하기 위한 노력을 지속하고 있는 가운데, 수소차 시장의 성장을 이끌 핵심요소인 ‘경제적 비용의 고효율 수소생산 원천기술’이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

□ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 수소연구단 윤왕래 박사 연구진은 도시가스 파이프라인을 연결만 하면 바로 도심지 또는 수요처 인근에서 99.999% 이상의 고순도 수소를 저렴하게 생산 및 공급할 수 있는 ‘현장생산형(On-Site) 고순도 수소생산유닛’ 원천설계 및 엔지니어링 기술을 100% 국산화하는데 성공했다.

○ 수소 인프라 구축 핵심 요소인 ‘현장생산형 천연가스 개질 고순도 수소생산 유닛’의 핵심기술에 대한 국산화율은 40~50%에 불과하다. 이는 현실적으로 시판 가능하고 성능이 입증된 국산화 제품이 없어 전적으로 수입에 의존하기 때문이다. 이로 인해 초기 시설투자비는 1대당 30억 원으로, ‘수소경제 활성화 로드맵’의 2022년 목표치인 수소가격 6,000원/kg의 비용경제성을 확보하기 위해서는 국산화율을 높여 1대당 10억 원대 이하인 동시에 수소생산효율이 80% 이상 되어야 한다.

■ 현장생산형 고순도 수소생산기술은 수소경제 이행을 위한 초기 핵심인프라 시설로써 천연가스와 수증기가 반응하여 각각의 반응물에 내재된 수소를 뽑아내는 리포밍 모듈과 여기에 포함된 일산화탄소, 이산화탄소, 미반응 메탄 등의 불순물을 흡착분리하여 99.999% 이상의 고순도 수소를 생산하는 정제 모듈(VPSA)의 조합으로 구성되었다.

□ 시스템 효율에 가장 중요한 영향을 미치는 개질반응기(SMR)의 열 및 물질전달 설계가 중요한데, 이를 위하여 열교환 일체형 대류 열전달 개질기를 설계함과 동시에 발열반응 자동제어 열교환형 수성가스 전이반응기를 모듈화 원천 설계함으로써 콤팩트화 및 고효율화를 기하였다.

* SMR(Steam Methane Reformaing): 수증기 메탄 추출 방식은 메탄(천연가스)과 물을 연료로 700℃ 이상의 고온에서 촉매 반응시켜 수소를 추출하는 방식

□ 더불어 고순도 수소 정제를 위하여 기존의 PSA가 아닌 VPSA(진공압력변동 흡착)를 자체 개발하였고 탈착압력을 낮춤과 동시에 5가지 흡착제의 최적 레이어링 및 배열을 통하여 유효 흡착량 증대와 분리효율을 극대화시켰다. 이를 통해 수소 정제 효율 99.999% 이상 및 CO 농도를 0.2 ppm 이하로 유지할 수 있도록 설계했다.

□ 이번 현장생산형 고순도 수소생산유닛 기술은 미국 에너지부와 일본 NEDO에서 초기 수소에너지 보급 사양 중 제시한 수소생산효율 75~80%를 상회하는 81%의 고효율을 기록하였으며, 기존 LNG 공급망을 활용하여 추가 인프라 투자 없이 쉽고 안정적으로 경제적인 수소생산·공급이 가능하다는 점에서 충분한 경쟁력이 있음을 보여줬다.

■ 연구책임자인 수소연구단 윤왕래 박사는 “이 기술은 부생수소와 더불어 초기 수소경제 이행의 핵심공급원으로서 매우 중요한 역할을 하게 될 것으로 전망한다.”고 밝혔으며 “자발적 시장진입의 전제로서 대당 10억 원 이하의 비용경제성과 더불어 효율 80% 이상, CO 농도 0.2ppm 이하, 안정적 가동 등 시스템 성능 관련 신뢰성 있는 품질데이터가 확보되어야 한다.”고 강조했다.

□ 이번 연구개발은 국가과학기술연구회가 지원하는 BIG 연구사업의 일환으로 2017년부터 4년 간 진행되고 있으며, 지난 5월 18일 월요일 한국에너지기술연구원 대전 본원에서 ‘가압형 모듈화 고순도 수소생산유닛 국산화 설계기술’로 ㈜원일티엔아이와 총액 50억 원의 기술이전계약 체결식을 진행했다.

□ 한편 ㈜원일티엔아이는 한국에너지기술연구원으로부터 이전받은 ‘현장생산형 고순도 수소생산 유닛’ 기술로 정부에서 추진하고 있는 분산형 소규모 수소생산기지 구축사업에 적극 대응함과 동시에 거점형 수소생산기지를 위한 중형개질 시스템 스케일-업 개발을 위한 기반기술로 활용할 계획이다.