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한국에너지기술연구원 기획기사

[울산제일일보-제2회 울산 수소산업의 날 특별기고②] 수소분야의 연구개발 과제

  • 작성일 2021.02.24
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백동현 한국에너지기술연구원 울산차세대전지연구개발센터 책임연구위원


요즘 출퇴근길에 연구소에서 가까운 남구 옥동 수소충전소를 매일 지나다니며 눈여겨보는 것이 있어 즐겁다. 수소충전소에서 세계 최고의 수소전지차인 넥쏘(NEXO)에 수소를 충전하는 모습을 보며 이미 수소경제 시대가 시작되고 있음을 실감한다. 2013년 세계 최초로 수소전기차를 양산, 출시한 지 벌써 8년이나 되어 도심의 도로를 지나다니는 수소전기차를 심심찮게 볼 수 있다. 세계 최고 기술력과 세계 최다 보급량을 달성한 우리의 수소전기차가 새삼 자랑스럽다.

 

수소산업은 수소의 생산, 운송, 저장 및 활용 등 다양한 분야로 이루어진다. 수소산업은 탄소배출을 획기적으로 줄일 수 있고 42만명의 고용창출과 43조원의 경제효과가 있다고 정부가 밝힌 바 있다. 수소생산 방식은 크게 부생수소, 추출수소 및 수전해수소 방식으로 구분한다. (해상)풍력 또는 대규모 태양광과 같은 재생에너지와 연계한 그린수소 생산용 수전해 기술, P2G(Power to Gas) 기술도 시급히 개발해야 한다. 최근 MW급 재생에너지 연계 실증을 추진하고 있지만 수전해 효율을 55%에서 70%까지 높이고 수전해 시스템의 전력소비량을 50kWh/kg-H2 이하로 달성하면서 부하 변동에 대응하는 기술 개발이 필요하다. 추출수소 분야에서는 기존의 천연가스 개질 수소 생산 외에 하수슬러지와 생활폐기물 등을 활용한 바이오매스 수소 생산과 해양미생물을 이용한 청정수소 생산기술의 연구개발도 필요하다.

 

수소 생산 기술과 더불어 수소를 운송저장하는 기술도 매우 중요하다. 특히 안정적이고 경제성 있는 수소 유통체계를 확립하기 위해 수소를 고압기체, 액체 및 고체 등으로 저장하는 다양하고 효율적인 기술 개발이 필요하다.

 

수소 이송 방식은 크게 튜브트레일러 방식과 배관망(파이프라인) 방식으로 구분할 수 있다. 고압수소 튜브트레일러는 기존의 200bar에서 450bar 이상으로 높인 기술을 실증하는 중이지만 경제성 확보를 위해서는 700bar 이상의 튜브 활용도 필요하다. 액체로 저장하면 추가비용이 들지만 기체 대비 부피가 1/800로 작아지고 운송비용도 1/10 수준으로 낮아지는 장점이 있다. 이를 위해 국내 액화 플랜트 및 액화 탱크, 펌프, 밸브 등의 국산화 기술 개발이 필요하다.

 

국내에 이미 설치된 총 200km의 수소배관 중에서 울산에는 120km가 석유화학단지를 중심으로 설치되어 있지만 금속배관 소재 수소 취성으로 인해 공급 압력을 약 20bar 이상으로 높이기 어려운 실정이다. 100bar 이상의 비금속 복합소재 배관이 미국의 에너지부와 독일 등 유럽연합에서 실증사업으로 진행하고 있다. 고압의 수소를 다량 안전하게 이송하는 새로운 비금속 소재와 배관 개발 및 실증 기술도 중요하다. 최근 울산에서는 국내 최초로 수소배관과 연결한 수소충전소도 준공해 새로운 수소충전소의 모델을 제시했다.

 

대표적인 수소 활용 분야는 모빌리티 분야로 수소 전기차, 택시, 버스, 트럭, 건설기계, 트램 및 드론이 가장 파급력 있게 적용될 것이다. 수소전기차 핵심부품의 99%를 국산화하여 글로벌 경쟁력을 확보하고 있으나 스택의 막/전극접합체(MEA), 수소저장장치 고압용기 등에서는 부품 소재의 국산화 기술 개발이 절실하다. 수소전기차 보급과 대중화를 위해서는 더 많은 수소충전소의 구축(현재 63)이 필요하며 압축기, 고압밸브, 저장용기 등 핵심부품과 충전기술의 국산화가 시급하다. 수소는 연료전지를 사용해 발전용, 가정/건물용 및 모빌리티용 에너지원으로 활용할 수 있다. 울산에는 국내 최초로 MW급 수소연료전지의 실증을 비롯해 가정/건물용 연료전지를 적용한 수소타운을 실증(2018)한 바 있다. 이러한 연료전지에 들어가는 핵심소재인 귀금속촉매의 대체 혹은 사용량 저감 기술, 수입의존도가 높은 전극과 분리판 등의 부품 소재 기술 개발도 시급하다. 또한 수소산업의 육성과 수소제품의 보급을 위해 다양한 인증과 표준 개발, 규제 개선 및 현실화도 필수적으로 이루어져야 한다.

 

울산시는 현재 1868대의 수소전기차 보급, 수소충전소 9개소 및 수소배관 120km 등의 국내 최고 기록을 비롯해 연간 5천대 규모의 수소전기차 양산 공장을 보유하고 있다. 또한 2019년부터 중기부 지원 수소그린모빌리티 규제자유특구 사업과 국토부 지원 수소시범도시 사업을 진행하고 있으며, 수소모빌리티 분야 수소 융복합 실증단지 유치 및 울산 국제수소에너지 전시회 및 포럼(H2 World) 개최(4/28-30) 등으로 수소에너지 기반 신규 비즈니스를 모색하고 있다. 향후 울산시는 대한민국 수소경제 선도도시로서 수소산업의 활성화와 혁신성장 산업을 선도할 새로운 모델을 제시하고 그 중심 역할을 할 수 있을 것이라 믿어 의심치 않는다.

 

백동현 한국에너지기술연구원(KIER) 울산차세대전지연구개발센터 책임연구위원

 

기사원문링크 : http://www.ujeil.com/news/articleView.html?idxno=271032

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