그린수소는 재생에너지로 얻은 친환경 전력으로 물을 분해해 생산하는 궁극적인 청정수소로, 2038년까지 우리나라 발전량의 6.2%를 암모니아 발전과 함께 담당할 예정이다.
그린수소 생산은 주로 알칼라인 수전해와 양성자교환막 수전해(PEM 수전해) 기술을 활용한다.
이중 알칼라인 수전해는 수산화칼륨 등 알칼라인 액체 전해질을 이용해 물을 수소와 산소로 분해해 수소를 값싸게 대량 생산할 수 있지만, 장치 가동에 필요한 전력 요구치가 높고 일정한 공급이 필요해 전력 생산이 들쑥날쑥한 재생에너지와의 연계가 어렵다.
PEM 수전해는 고체 상태 양이온 교환막을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술로, 적은 전력으로도 수소를 생산할 수 있어 재생에너지만으로도 가능하지만 높은 초기 설치비용과 알칼라인 수전해 대비 기술 성숙도가 낮다.
그린수소 생산 최적안 도출
한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 에너지AI·계산과학실 박정호 박사 연구팀이 알칼라인 수전해와 PEM 수전해의 기술적 차이와 경제성을 비교분석해 최적 운영전략을 제시했다.
연구팀은 알칼라인 수전해의 경우 가동 전력을 안정적으로 공급하기 위해 기존 전력망을 보조 전력으로 이용하는 것이 가장 경제적이라는 결론을 도출했다.
이는 알칼라인 수전해는 장치에 전력이 일정하게 공급되지 않으면 가동과 중단이 반복돼 열화가 발생, 수명과 효율이 떨어지기 때문이다.
분석결과 현재 기준 재생전력을 사용하면서 ESS를 보조 전원으로 활용할 경우 수소 생산단가는 ㎏당 최대 8.6달러로, 기존 화석연료 발전 위주의 전력망으로 보조 전력을 확보할 때 6.6달러보다 높았다.
그러나 이는 환경문제를 해소하지 못하기 때문에 장기적으로 ESS 단가 절감과 바이오매스, 원자력 등 무탄소연료 발전 비중이 높아져야 한다고 분석했다.
아울러 PEM 수전해는 장치에 과부하를 주면 오히려 경제성이 개선된다는 결과가 나왔다.
이는 PEM 수전해장치가 필요 이상으로 전력을 과잉 공급해 수소 생산량을 늘리는 과부하 운전이 가능하기 때문이다.
연구진은 재생에너지 발전량을 늘려 필요 전력의 1.5배를 과잉 공급할 경우 수소 생산단가를 ㎏당 5.8달러까지 낮출 수 있을 것으로 전망했다.
이를 토대로 재생에너지 발전 비율이 높고 안정적 공급이 가능한 환경에서는 PEM 수전해를, 이외의 환경에서는 알칼라인 수전해와 무탄소 기반 전력망 조합이 가장 이상적이라는 결론을 내렸다.
실제 연구팀이 제주도 기상데이터를 기반으로 평가한 결과 해상풍력 100㎿, 태양광 100㎿를 조합하면 ㎏당 4달러 수준에서 안정적인 수소 공급이 가능할 것으로 예측됐다.
박 박사는 “재생에너지 비율이 높은 국가는 PEM 수전해의 활용성이 높고, 안정적인 전력망을 가진 국가는 알칼라인 수전해가 더욱 경제적”이라며 “이번 연구는 향후 각국의 에너지 환경과 정책에 맞춘 수소경제 활성화 전략 수립에 기여하고, 특히 재생에너지를 활용한 수소 생산시스템 구축 때 기술선택과 투자방향을 결정하는 데 중요한 참고 자료가 될 것”이라고 설명했다.
한편, 이번 연구결과는 국제학술지 ‘Energy Conversion and Management’ 2월호에 게재됐다.
