[뉴스워커 창간9주년_산업기획] 그린수소 생산으로 청정 수소경제 앞당긴다
[뉴스워커 창간9주년_산업기획] 그린수소 생산으로 청정 수소경제 앞당긴다
  • 염정민 기자
  • 승인 2021.03.16 13:30
  • 댓글 0
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-정부와 기업, 그린수소 생산 기술 개발과 확보에 적극적으로 나설 필요 있어
그래픽-뉴스워커 그래픽1팀
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바닷물로 수소생산 가능성 열려


[뉴스워커 창간9주년_산업기획] 지난 3월 15일 ‘한국재료연구원(이하 KIMS)’은 바닷물을 전기분해하여 그린수소를 생산함으로써 수소 생산단가를 획기적으로 낮출 수 있는 ‘음이온 교환막 해수 수전해 기술’을 개발했다고 발표했다.

‘그린수소’란 화석연료를 사용하지 않아 온실가스 발생이 거의 없는 방식으로 생산한 수소를 의미하며, 물을 전기분해하는 수전해 방식으로 생산하는 수소가 대표적이다.

바닷물에는 ‘수소’와 ‘산소’로 구성된 ‘물(H2O)’외에도 ‘염소(Cl)’이온과 ‘나트륨(Na)’이온 등이 포함되어 있어서 바닷물을 전기분해하면 수소 외에도 염소 기체와 같은 불순물이 발생하므로, 음이온 교환막 수전해 기술을 사용할 경우 불순물을 정제한 비싼 가격의 정제수를 사용하는 것이 일반적이다.

게다가 바닷물을 전기분해할 경우 산화전극에서는 염소 기체가 발생하여 전극표면 일부가 산성을 띄게 되는 현상이 일어난다.

이때 전극의 촉매물질은 산성인 전극표면에서도 화학적 성질이 잘 변하지 않아야 하므로 ‘백금(Pt)’, ‘이리듐(Ir)’, ‘팔라듐(Pd)’과 같은 귀금속을 사용하는 것이 일반적이다.

그러나 전극의 촉매물질에 백금 등의 귀금속을 사용할 경우 가격 상승은 피할 수 없으므로 전기분해 방법을 사용하여 저렴한 수소를 대규모로 생산하는 것에는 한계가 존재했다.

즉 고순도의 정제수를 전기분해 하거나 혹은 바닷물을 귀금속 촉매로 전기분해하여 얻은 수소는 가격이 비싸다는 단점이 있다.

그러나 KIMS의 에너지전자재료연구실 ‘최승목’, ‘이지훈’ 박사 연구팀은 산소발생을 증가시키는 동시에 염소발생을 억제하여 수소생산 효율을 높이는 방식으로 이와 같은 단점을 극복하려고 시도했다.

연구팀은 바닷물의 PH 농도를 조절하는 방식으로 염소가 발생하는 전위를 1.36V(vs.RHE)에서 1.72V(vs.RHE)로 높여서 염소 발생을 억제하고 전극표면이 산성화되는 것을 방해했다.

전극표면 산성화의 억제를 통해 연구팀은 귀금속 촉매 대신 ‘니켈(Ni)’이 도핑된 ‘수산화철(FeOOH)’ 촉매를 사용하여 촉매 가격을 낮출 수 있었던 동시에 산소발생반응을 촉진시켜 수소생산 효율을 크게 높일 수 있었다.

즉 KIMS 연구팀들이 고가의 귀금속 촉매를 사용하지 않고도 정제수가 아닌 바닷물에서 높은 생산 효율로 수소를 생산할 수 있는 가능성을 보인 것이다.

관련논문은 ‘박유세’, ‘이주영’ 박사가 제1저자로 표기되어 ‘영국왕립화학회(RSC)’의 ‘Journal of Materials Chemistry A’ 3월 3일자 저널에 게재됐으며, 연구팀은 해당 연구 성과를 음이온 교환막 해수 수전해 시스템에 적용하는 내용의 실증연구를 진행하고 있다.

업계에서는 해양풍력으로 얻은 전기를 발전소에서 멀리 떨어진 장소로 송전하지 않고도 해상에서 바닷물을 전기분해하여 대규모의 그린수소를 얻을 수 있는 가능성이 열렸다는 점에서 해당 연구가 수소경제 구축 가능성을 높였다는 평가가 나온다.


프랑스 기업들 그린수소 생산 추진


최근 프랑스의 다국적 산업용 가스 기업인 ‘Air Liquide(이하 에어리퀴드)’와 석유기업인 ‘Total(이하 토탈)’이 대규모 그린수소 생산을 추진하고 있는 것으로 나타났다.

현지시각으로 지난 1월 20일 에어리퀴드는 저탄소 그린수소를 대규모로 생산하는 것을 목적으로 하는 기업인 ‘H2V Normandy’의 지분 40%를 인수했다.

H2V Normandy는 프랑스 지역에 최대 200MW급 규모의 ‘전해조(electrolyzer)’를 포함한 수소생산시설을 구축하려고 하는데, 수소생산이 순조롭게 진행될 경우 연간 25만 톤 규모의 이산화탄소 배출이 감축될 수 있을 것으로 전망된다.

한편 에어리퀴드는 현지시각으로 지난 2월 8일 독일 뮌헨에 본사를 둔 ‘Siemens Energy’와 전기분해와 수소생산 기술 협력을 위한 양해각서를 체결하면서 대규모 그린수소 생산계획 추진에 한층 더 박차를 가했다.

에어리퀴드와 Siemens Energy는 프랑스와 독일을 포함한 유럽에서 대규모 수소생산시설을 구축하는 것에 협력하기로 했으며, 차세대 수전해 시설 관련 기술개발과 확보에도 적극적으로 협력할 것을 약속했다.

‘Bruno Le Maire’ 프랑스 경제부 장관은 프랑스 정부가 2030년까지 70억 유로(한화 약 9조 4825억 원) 규모의 재원을 수소분야에 투자할 예정인데, 이번 에어리퀴드와 Siemens Energy의 협력이 프랑스와 독일 산업동맹의 시작점으로 평가될 것이라고 언급했다.

‘Peter Altmaier’ 독일 연방 재무부 장관 또한 독일은 수소 기술 시장의 확대를 지원하는 것에 최선을 다하고 있으며 조만간 강력한 프랑스-독일의 수소 프로젝트가 진행되기를 기대한다고 긍정적으로 화답했다.

한편 토탈은 현지시각으로 지난 1월 13일 에너지 기업인 ‘Engie’와 신재생에너지로 수소를 생산하는 내용의 프로젝트인 ‘Masshylia’의 설계와 운영 등에 대한 협력 계약을 체결했다고 발표했다.

현재 토탈이 운영하고 있는 40MW급 전해조는 100MW 이상의 출력을 내는 태양광 발전기로 전력을 공급하여 매일 5톤의 수소를 생산할 수 있으며 이로 인해 연간 1만 5000톤의 이산화탄소 배출을 감축할 수 있는 성능을 보유하고 있다.

Masshylia 프로젝트의 수준이 고도화될 경우 새로운 태양광 발전기를 추가하여 매일 15톤의 수소를 생산할 수 있을 정도로 성능이 개량될 수 있을 것으로 전망된다.

현재 수전해를 포함한 그린수소 생산방식은 경제성 문제 등으로 적용 확대에 어려움이 있다는 한계가 지적되고 있다.

그러나 최근 프랑스와 독일을 포함한 유럽에서 그린수소 기술 개발과 실증에 나서고 있으며, 한국 또한 해외와의 경쟁과 협력을 통해 관련 기술 개발에 적극적으로 나설 필요가 있다.


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