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“해양플랜트 기반 수소생산기지 구축 나서야”

세계적 에너지 패러다임 변화…미래 청정에너지원 ‘수소’ 급부상
동남지역 해상 재생에너지 수전해 실증단지 구축 필요
해상 가스전 천연가스 개질 및 재생에너지 수전해로 수소생산 가능
유럽 중심으로 해상 재생에너지 기반 그린 수소생산 연구·투자 활발

[월간수소경제] 18세기 중엽 영국에서 시작된 기술혁신으로 농업중심사회에서 공업중심사회로 전환되면서 산업화·공업화로 인해 화석연료 사용이 급격하게 증가함에 따라 지구환경문제는 점차 사회적 이슈가 되기 시작했다.


산업화가 가속되면서 화석연료 사용이 급격히 증가했고, 이로 인한 온실가스 배출은 지구온난화를 가속화 했다. 이제 전 세계가 온실가스 감축과 지구온난화 문제를 해결하기 위해 에너지 전환 체계 마련에 동참하고 있다.


지난 2015년 파리기후변화협정은 전 세계의 환경정책 방향 수립에 큰 영향을 주었고, 저탄소 에너지시스템으로의 전환을 통해 적극적으로 대응하기 시작했다. 선진국을 중심으로 온실가스 감축 및 기후변화 대응을 위해 화석연료 에너지원으로부터 태양광, 풍력, 수소에너지 등 신재생에너지원으로 공급 혁신을 가속화 하고 있다.


최근 우리나라에서도 미세먼지 등 대기환경 오염이 심각해지면서 화석연료 사용을 제한하고 있고, 이를 대체하기 위한 저탄소 청정에너지원 정책을 강력하게 추진하고 있다.


특히, 에너지 문제와 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 친환경 청정에너지원이자 무한한 미래 에너지원인 수소에너지가 크게 주목받고 있다. 수소는 높은 에너지밀도를 가지는 에너지 저장 매체이자 열 및 전기에너지 등으로의 전환이 가능한 에너지원이다.


지난해 우리 정부는 3대 전략투자 분야에 ‘수소경제’를 확정한 데 이어 지난달에는 수소경제 플랫폼 구축을 위한 중장기적 수소경제 활성화 로드맵을 발표했다. 이러한 에너지 패러다임 및 정책 변화로 인해 수소산업이 예상보다 빨리 도래함으로써 수소의 활용도가 높아질 것으로 예상된다.



해양플랜트 수소생산기지 필요성
앞으로 급증하게 될 수소 수요에 대응하기 위한 수소 공급량을 제공하기 위해 생산설비를 늘려 수소생산량을 확대해야 한다. 대표적인 수소생산 방법은 화석연료 개질과 바이오매스 가스화가 있다.


화석연료 개질방법은 스팀개질반응, 부순산화반응, 자열개질반응, 그리고 가스화반응이 있다. 재생 가능한 방법은 바이오매스를 이용한 열화학적 방법과 생물학적 방법으로 나뉘며, 물을 이용한 방법은 전기분해법, 열분해법, 광분해법이 있다.


오늘날 수소생산 원료는 천연가스가 48%로 가장 많으며, 그 외에 오일 30%, 석탄 18%, 전기분해가 4%를 차지하고 있다. 이러한 수소생산 원료들은 해외로부터 수입을 통해 육상플랜트에서 이루어지고 있어 해양과 밀접한 관계가 있는 한국, 일본과 같은 에너지 자원빈국에서는 해양플랜트(Offshore plants) 기반의 수소생산 기지 확보로 에너지 해외 의존도를 줄이고 에너지 자립을 실현해야 한다.


해양플랜트 에너지 산업은 아직까지 크게 주목받지 않고 있는 산업 분야로 해양플랜트 및 해양에너지 관련 기술 역시 초기 단계 정도이다. 미국, 유럽 등 선진국에서도 최근 들어 상용화를 위한 프로젝트를 진행하고 있는 수준이다.



해양플랜트는 해양에 부존하는 원유나 천연가스를 개발하기 위해 설치되는 설비들을 말한다. 해양플랜트는 일반적으로 용도에 따라 시추용과 생산용, 형태에 따라 고정식과 부유식으로 구분할 수 있다.


해양플랜트용 수소생산기지는 고정식 생산용과 부유식 생산용으로 나눌 수 있다. 이러한 해양플랜트 기반 수소생산 시스템 기술은 에너지 패러다임 변화를 반영할 수 있는 첨단해양기술로 발돋움할 수 있을 것이다. 해양플랜트 기반 수소생산 기술은 해양가스전 천연가스 개질에 의한 수소생산과 해상 재생에너지(풍력, 태양광, 조력)를 이용한 해수 수전해에 의한 수소생산으로 크게 나눌 수 있다.



해상 가스전 천연가스 개질 수소생산 
현재 수소생산 방법 중 대용량 천연가스 개질 기술이 가장 경제성이 있는 기술로 알려져 있다. 특히, 해상 유전 및 가스전 매장량이 전체 매장량의 73%를 차지하고 있어 이를 활용한 해상 가스전 천연가스 개질에 의한 수소생산 기술 확보가 필요하다.


해상 천연가스 개발 기술은 고정식 및 부유식 해상 천연가스 액화기술이 상업화되어 본격적으로 생산하는 단계까지 도달해 있다. 액화천연가스(Liquefied natural gas, LNG)를 국내로 운송하고, 이를 육상에서 스팀 개질을 통해 수소를 생산하는 방법도 고려할 수 있지만  LNG 밸류체인과 동일하게 액화수소 밸류체인화를 한다면 생산공정 및 경제적 측면에서 유리할 것이다.


따라서 해상 가스전 천연가스 개질에 의한 수소생산 시스템은 천연가스 전처리 공정을 통해 고순도 메탄화하고, 이를 스팀개질공정, 수성전이공정, PSA공정을 통해 고순도 수소를 생산하게 된다. 생산된 수소는 액화공정을 통해 액화수소로 전환하고 액화수소 운반선에 저장해 육상으로 운송하게 된다. 천연가스 개질 수소생산 육상 플랜트 공정기술의 해상환경 및 공간적 한계를 극복하기 위해서는 해양환경에 적합한 강건하고 콤팩트한 공정기술 개발 및 적용이 가장 중요한 핵심기술이다.


해상 재생에너지 활용 수전해 수소생산
해상 재생에너지를 통해 생성된 전기에너지를 활용, 해수 수전해 공정을 통해 수소를 생산하는 기술은 친환경적 CO2-free 수소생산 기술, 즉 P2G(Power to Gas) 수소생산 기술로서 에너지 활용도를 높일 수 있어 선진국을 중심으로 기술개발이 이뤄지고 있다.



대표적 해수 수전해 기술은 알카라인형(alkaline electrolysis)과 고분자전해질(PEM, Proton exchange membrane 또는 Polymer electrolyte membrane electrolysis) 수전해 기술이 있다.


알카라인 수전해는 기술적으로 가장 성숙되었으며 상업적으로 가장 많이 사용되고 있다. PEM 수전해는 전력 변동에 대한 수소생성 효율 저하가 가장 적기 때문에 출력 변동성이 큰 재생에너지 연계에 적합한 수전해 기술이다. 최근에는 두 가지 수전해 기술의 장점을 활용한 하이브리드형 수전해 기술에 대한 연구도 활발히 진행 중이다.


그러나 해수 수전해 기술은 해수 내 이온물질, 염소가스 발생, 부식문제 등 해결해야 할 문제점들이 산재해 있다. 또한 고효율 수전해 전극 및 촉매에 대한 설계, 소재부품, 시스템 개발에 대한 연구가 필수적으로 이루어져야 한다.


궁극적으로 해상 재생에너지 기반 청정 해상에너지 도시를 연근해에 구축하게 되면 청정에너지원 공급기지로서의 역할뿐만 아니라 관광산업 등의 미래 먹거리 신산업 창출을 할 수 있을 것으로 보인다.


해상 재생에너지 연계 해수 수전해 실증단지 필요
국내 동남지역에 분포하고 있는 대규모 해양플랜트 재생에너지원(풍력, 태양광, 조력 등)을 해수 수전해 시스템과 연계해 국내 연근해 해수 수전해 플랜트 실증단지 구축이 가능하다. 해양플랜트 및 에너지시스템 성능향상을 통해 경제적인 재생에너지 확보가 가능하며, 이를 해수 수전해 시스템과 연계해 낮은 단가의 그린(Green) 수소 제조가 가능하다.



재생에너지 보급을 위해서는 발생 전력을 청정에너지원으로 변환하는 것이 필수적이며, 해양플랜트 기반 해수 수전해 수소생산 시스템은 이상적인 미래 수소생산 기술이다.


또한 해양플랜트에서 발생하는 재생에너지 출력은 간헐적이며 변동성이 크기 때문에 수전해 시스템에서 효율적이고 안정적인 수소생산을 위해서는 부가적인 전력 제어 및 ESS 장치 개발도 중요하다. 생산된 수소는 높은 무게 대비 에너지밀도(33kWh/kg, 가솔린 대비 약 3배)를 지니지만 부피 대비 에너지저장밀도(2.97kWH/m3, 0C 1bar)는 매우 낮은 편이어서 효율적인 수소저장 및 공급에 대한 기술개발도 병행되어야 한다.


따라서 해상 재생에너지 연계 해수 수전해 수소생산 기술이 청정 그린 수소생산에 새로운 발전 방향을 제시할 것으로 기대된다.


해양플랜트 수소생산으로 에너지 자립
유럽에서는 독일 및 영국을 중심으로 2013년부터 ‘North Sea Power to Gas’ 또는 ‘European Power to Gas’ 플랫폼을 추진하고 있으며, 북대서양에 위치해 있는 대규모 해상풍력발전(약 100GW 규모) 및 태양광발전(60GW 규모) 인프라를 활용해 청정 그린 수소 생산을 진행하고 있다.


북네덜란드에서는 1MW급 태양광발전을 활용한 P2G 수소생산 설비 구축을 위한 파일럿 프로젝트 ‘HyStock’을 2017년부터 추진 중에 있다.


이처럼 전 세계적으로 재생에너지 기반의 P2G 수소생산 기술에 대한 연구 및 투자가 활발히 진행되고 있으며, 앞으로 더욱 증가할 것으로 예상된다.



따라서 국내에서도 재생에너지 연계 그린 수소생산 기술의 연구개발과 관련 산업에 많은 투자를 해야 할 것이다. 특히 동남지역에서 보유하고 있는 해상 재생에너지 연계 해수 수전해 수소생산 시스템 기술개발은 산업적, 기술적, 경제적으로 큰 잠재력을 지니고 있다.


우리나라도 단기적으로 일본과 같이 호주에서 수소를 수입해 활용할 수 있으나 장기적인 관점에서 우리 기술력으로 해양플랜트 기반의 수소생산기지를 확보해 에너지 자립화 계획을 수립할 필요가 있다. 국산화 기술 확보를 통해 수소 신산업 창출과 더불어 해외 수소생산 시장 점유를 통한 국가 산업발전에 이바지할 수 있을 것이다.


이러한 수소산업이 국내에 성공적으로 연착륙할 수 있도록 장기적 관점으로 연구개발, 인프라 구축, 정책 등 정부와 지자체 주도의 투자 및 지원이 반드시 필요하다. 이와 더불어 민간에서도 관심과 투자가 함께 수반되어 민관 협력으로 성공적인 수소산업 정착에 힘을 모아야 할 것이다.




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