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재생에너지 단짝, MW 규모 ‘P2G’ 기술개발 본격화

‘재생에너지 장주기 저장·전환 P2G 기술개발’ 과제 착수
간헐적 재생에너지 미활용 전력 이용률 극대화
2MW급 PEM·알칼라인 하이브리드 수전해 시스템 실증
열화학적·생물학적 CO2 메탄화 시스템 설계·운영 기술 확보


[월간수소경제 이종수 기자] 정부가 지난 2017년 12월 오는 2030년까지 태양광과 풍력을 중심으로 재생에너지 발전량 비중을 20%로 확대하는 ‘재생에너지 3020’ 이행계획을 발표함에 따라 P2G 기술 확보가 시급해졌다.


P2G(Power-to-gas) 기술은 재생에너지 유휴전력을 활용, 물 전기분해(수전해)를 통해 수소를 제조·저장·전환하는 기술로, 재생에너지 발전 비중 증가로 인한 유휴전력의 활용도를 높이고 전력 변동성에 대응할 수 있는 최적의 기술로 평가된다.


P2G 기술 분야의 국내 최고 전문가인 김창희 한국에너지기술연구원 박사의 자료에 따르면  재생에너지 전력 비중이 높아지면 미활용(유휴) 전력이 발생한다. 중국의 경우 지난 2016년 재생에너지 미활용 전력으로 인해 205억 위안의 손실을 봤다. 영국과 독일의 풍력발전 미활용 전력 비율은 각각 13%, 9.2%이다.


국내에서도 재생에너지 미활용 전력이 발생하기 시작했다. 지난해 제주도의 재생에너지 발전 비중은 12.9%로, 0.18%의 미활용 전력이 발생했다. 아직 미미하지만 오는 2020년에는 14.6%로 크게 증가할 전망이다.


국내 전체 재생에너지 미활용 전력이 본격적으로 발생하는 시점은 재생에너지 전력 비중이 10% 이상인 오는 2022년(1.1%)으로 예상된다. 2025년에는 5.4%, 2030년에는 10.4%의 미활용 전력 비율을 나타낼 것으로 전망된다. P2G 기술 확보가 시급해진 이유다. 이에 따라 P2G 기술개발 정부 과제가 본격 착수됐다.


한국전력공사는 지난달 16일 전력연구원 제2연구동 강당 및 본관동 대회의실에서 ‘재생에너지 장주기 저장 및 전환을 위한 P2G 기술개발 정부과제 통합 착수회의 및 워크숍’을 개최했다.


한국전력이 주관(총괄)하는 이번 과제에는 한국동서발전, 한국중부발전, 두산, 엘켐텍, 지필로스, 한국에너지기술연구원, 한양대학교 등 총 19개 산·학·연이 참여한다.


이번 과제는 △재생에너지 이용 극대화를 위한 2MW급 하이브리드 수전해 그린수소 생산 및 저장 기술개발 △수소의 메탄화 공정 모듈화 기술개발 △재생에너지 이용 극대화를 위한 2MW급 P2G 시스템 엔지니어링 기술 및 비즈니스 모델 개발 등 총 3개 세부과제로 진행된다.    

 

2MW급 수전해 수소 생산·저장 기술개발
세부 1과제인 ‘재생에너지 이용 극대화를 위한 2MW급 하이브리드 수전해 그린수소 생산 및 저장 기술개발’ 내용은 크게 △200Nm³/h급 알칼라인 수전해 단일스택 제작 △하이브리드 수전해 시스템 설계 및 제작 △액상 유기화합물 수소저장(LOHC) 및 암모니아 차세대 수소저장기술 개발로 구분된다.


이 과제에는 전력연구원, 동서발전, 중부발전, 수소에너젠, 엘켐텍, 에이치앤파워, 한국에너지기술연구원 등 총 12개 기관·기업이 참여한다.    




연구팀은 과제 수행에 있어 신개념 제로갭 알칼라인 수전해 실증 리스크, PEM 수전해의 귀금속 촉매 사용으로 인한 상용화 비용 증대, LOHC 탈 수소화 반응 속도 개선 필요 등의 문제요인이 있는 것으로 판단하고, 이를 해결하기 위한 전략으로 △전산모사 모델 개발을 통한 설계 및 운전 예측 △새로운 촉매·전극과 제조기법 개발·적용 △반응 속도 분석을 통한 반응 메커니즘 규명 △열 및 물질 전달 향상을 위한 신개념 반응기 개발을 추진할 예정이다.


먼저 알칼라인 수전해 분야는 수소에너젠이 1MW급 알칼라인 수전해 단일 스택 및 BOP 개발, 한국에너지기술연구원은 최적의 셀 프레임 설계·제작과 분리막 평가 및 소재 선정, 엘켐텍은 1MW급 알칼라인 전극 제작, 한국과학기술원은 알칼라인 전극 제조 및 성능평가를 각각 맡는다. 


이 분야는 간헐적인 재생에너지 전력 공급에 따른 잦은 ON-OFF 환경에 강한 고내구성 촉매와 200Nm³/h급 수전해를 위한 대면적 촉매, 효율 73% 및 0.4A/cm² 이상을 달성할 수 있는 고성능 촉매 개발이 필요하다.


재생에너지 발전 OFF 시 발생하는 역전류 및 촉매 부식 문제를 해결하기 위해 역전류 부식 현상을 규명하고 전위차를 극복한 소재를 개발해 촉매의 내구성 향상 및 부식을 억제한다는 계획이다.




또 이미 촉매 대면적 코팅 장비를 보유하고 있어 개발 기간 3년 이내에 200Nm³/h급 수전해 대면적 촉매 국산화가 가능할 것으로 보고 있다.


기존 Ni폼 촉매는 효율 73% 및 0.4A/cm² 이상 달성이 불가능해 Ni폼 기반의 활성 복합 촉매를 개발할 예정이다.  


아울러 간헐적 재생에너지 공급에 따른 부하 변동성 제어시스템, 200Nm³/h급 수전해 대면적 셀 프레임, 촉매 효율 73% 및 0.4A/cm² 이상을 달성하기 위한 전류 손실 극복 기술도 개발한다.


기존 정적 제어시스템은 급격한 부하 공급과 스택 전압 슈팅이라는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 부하 변동 대응형 제어시스템을 개발해 물 공급, 온도, 전류량을 실시간 감시 및 제어한다는 것이다.


셀 프레임 대면적화(100장 이상 셀 적층) 시 션트 커런트가 발생해 스택 부품의 부식 및 전류 효율이 감소한다. 이를 해결하기 위해 CFD 기반의 셀 프레임을 개발해 전류 효율 98% 및 촉매 효율 73% 이상을 달성한다는 계획이다.


PEM 수전해 분야는 엘켐텍이 고활성 및 저 귀금속 전극 기술을 일부 적용한 고효율 1MW급 수전해 스택 실증 및 운전 평가, 한국과학기술연구원이 대면적과 저 백금화가 가능한 전극 촉매 및 전극 개발을 각각 담당한다. 


PEM MEA의 대면적화는 고가의 MEA 제조 설비와 장시간의 MEA 제조 시간이 필요하다. 또 2년 사이 이리듐(Ir) 가격이 2배 이상 증가했고, 향후에도 이리듐 가격이 증가할 것으로 예상돼 저 백금화가 필요하다. 이에 따라 한국과학기술연구원이 보유한 기술을 활용해 대면적과 저백금화가 가능한 촉매와 전극을 개발한다는 계획이다. 



하이브리드 및 시험평가 부분은 한국기계연구원이 수전해 하이브리드 시스템 모델 개발 및 시스템 설계, 아크로랩스가 수전해 단위 전지 특성 평가 및 수명 예측 프로토콜 개발을 진행한다.


이 부분에서는 수전해 하이브리드 시스템의 동적 모델링을 개발하고 유효성을 검증한다. 또 재생에너지 발전의 동적 모델링을 개발하고 재생에너지-수전해 통합시스템 시뮬레이션을 진행한다. 재생에너지 연계 P2G 시스템의 최적 운전 알고리즘도 개발할 예정이다. 


마지막으로 LOHC 수소저장 부분은 에이치앤파워가 20Nm³/h LOHC 시스템 운전과 제어 프로토콜 개발 및 실증, 동국대학교가 LOHC 수소화 및 탈수소화 반응기 설계 기술개발, 한국과학기술원이 LOHC 탈수소화 다공성 촉매 및 전기화학 암모니아 합성기술 개발을 각각 추진한다.


암모니아 수소저장은 높은 온도 및 압력 조건으로 인한 설비 비용 증대 및 효율 저감, 약 15% 수준의 낮은 열역학적 합성 수율 및 암모니아 응축을 위한 열교환으로 플랜트를 대형화해야 하는 등의 기술적 문제가 있다. 


연구팀은 이의 해결방안으로 차세대 LOHC 저장기술과 차세대 전기화학적 암모니아 합성 기술을 개발한다. 차세대 LOHC 저장기술의 실증을 통해 보다 효율적인 수소저장 원천기술 및 시스템 기술을 확보한다는 것이다. 전기화학적 방법을 통해 상압 암모니아를 합성하는 기술은 아직 기초기술 단계로 전극 및 셀 기술 확보가 필요하다.


암모니아 합성 단위 셀을 개발하고 함침법 등 새로운 전극 공정 도입 및 미세구조 최적화를 통한 성능 향상을 통해 고성능 및 고내구성의 차세대 전기화학적 암모니아 합성 원천기술을 확보한다는 계획이다.




현재 대량생산이 가능한 저비용·고신뢰성 상용 LOHC 소재인 DBT(Dibenzyltoluene)을 활용한 LOHC 시스템은 상용화 초기 단계이다. 한국전력공사가 국내 최대 규모인 20Nm³/h급 LOHC 시스템을 개발해 실증을 진행 중이다.   


그러나 LOHC 탈 수소화의 느린 반응 속도로 인한 귀금속 촉매 비용 증대, 장기 운전 시 촉매 표면 탄소침적 및 촉매와 지지체의 분리로 인한 내구성 저하 문제가 있다.


이의 해결방안으로 이종금속 촉매 소재 및 연소기반의 새로운 나노 합성공정 개발을 통해 촉매 활성을 향상시킨다는 계획이다. 또 촉매 캡슐화(encapsulation)를 통한 탄소 침적 억제 및 촉매와 지지체의 물리적 결합성 향상을 통해 촉매의 내구성을 높인다는 목표다.


기존 촉매 반응기 설계 기술은 과량의 수소 발생으로 인한 촉매-LOHC 접촉 면적 감소, 수소버블로 인한 열전달률 저하로 반응열 공급 한계 등의 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 탈 수소화 반응기 내에 기포 제거 기술과 물리적 성질에 의한 미반응 및 기반응 LOHC 분리기술을 적용한 차세대 LOHC 탈 수소화 반응기를 개발할 계획이다.


동서발전과 중부발전은 실증부지를 제공하고 재생에너지 전력을 연계한 데이터베이스화 및 운전을 맡는다. 실증부지는 동서발전 동해바이오화력본부 부지와 중부발전의 제주 상명풍력단지로 예정돼 있다.               
 
수소 메탄화 공정 모듈화 기술개발
세부 2과제인 ‘수소의 메탄화 공정 모듈화 기술개발’은 MW급 재생발전 플랜트 연계 수소를 이용한 열화학적·생물학적 CO2 메탄화 시스템의 설계 패키지를 개발하고 국산화하는 사업이다. 이 과제는 △대용량 열화학적 메탄화 반응 촉매 및 반응기 개발 △소용량 생물학적 메탄화 반응 미생물 및 반응기 개발 △통합 열역학적·생물학적 메탄화 시스템 설계 및 운전조건 도출로 구분된다.


이번 과제에는 전력연구원, 포항산업과학연구원, 한국에너지기술연구원, 고등기술연구원, 한양대, 대성에너지 등 6곳이 참여한다.



수소의 메탄화는 재생에너지 유휴전력을 통해 생산된 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)를 메탄(CH4)으로 전환해 발전 및 도시가스 등의 연료로 활용하는 P2G 기술로, 재생에너지 장주기 저장에 가장 적합한 기술로 평가된다.   


수소 메탄화는 생물학적, 열화학적 메탄화로 구분된다. 현재 생물학적 메탄화 기술은 KW급 공정개발(CH4 2Nm³/h 규모 테스트베드)과 국내 고유 메탄화 미생물을 확보한 수준이다. 열화학적 메탄화 기술은 CH4 1Nm³/h 실험실급 규모와 CO 기반 촉매 제조 기술을 확보한 수준이다.


이에 따라 이번 과제에서는 메탄화 촉매 및 반응기 최적화 기술과 연계통합 설계·운영 기술이 필요하다. 이를 통해 MW급 통합공정 및 모듈화 기술을 개발한다는 목표다.  


먼저 메탄화 핵심 촉매 및 미생물 개발 기술을 확보한 후 30Nm³/h급 메탄화 시스템 설계·구축·운영기술 개발을 거쳐 100Nm³/h급 메탄화 시스템 격상 설계 및 전력·가스 계통연계 기술을 확보할 예정이다.    


생물학적 메탄화 기술은 한양대, 전력연구원, 에너지기술연구원, 열화학적 메탄화 기술은 RIST, 고등기술연구원, 전력연구원, 에너기술연구원, 메탄화 계통연계 기술은 전력연구원, 대성에너지가 각각 담당한다.


향후 한전은 수소기술 개발 로드맵, 대성에너지는 도시가스사업과 각각 연계해 개발된 수소 메탄화 공정 모듈화 기술의 사업화를 추진할 계획이다.


한전은 Grid-ESS(물리·화학적 수소저장 및 메탄 전환 기술)와 청정 융복합 발전(탄소 포집 및 자원화)을 2030 8대 핵심전략기술로 선정했다.



한전은 연료전지, 태양광 등 신재생 발전원과 능동형 배전망 및 에너지 솔루션에 블록체인 등 디지털 기술을 접목해 지역별로 에너지 자립과 효율을 향상시킴으로써 다양한 비즈니스와 P2G 등 신기술이 시현되는 개방형 에너지 커뮤니티를 조성하는 마이크로 그리드 사업을 추진 중이다.


대구지역 도시가스 사업자인 대성에너지는 이번 연구에서 메탄화 시작품을 가스 그리드 시설에 연계해 메탄가스 및 수소 성분을 분석하고 사업화 관련 법규를 검토할 예정이다. 도시가스 수용가와 융·복합 충전소에 메탄가스를 공급하는 사업화를 추진할 방침이다.  


통합 엔지니어링 기술 및 비즈니스 모델 개발
P2G 핵심기술인 수전해, 메탄화 기술을 기반으로 전력 및 가스 그리드 연계를 포함해 경제성 확보가 가능한 통합 공정설계 및 사업화 엔지니어링 기술이 필요하다. 또 P2G 요소기술의 시스템 통합 엔지니어링 및 시나리오별 경제성 분석을 통한 적용 분야별 최적의 사업 모델을 도출하는 것도 필요하다.  


세부 3과제인 ‘2MW급 P2G 시스템 통합 엔지니어링 기술 및 비즈니스 모델 개발’은 △통합 수소에너지 시스템 설계 및 운전조건 도출 △통합 수소에너지 시스템 신재생 연계 BOP 제작 △통합 수소에너지 시스템 비즈니스 모델 경제성 평가로 구분된다.


이번 과제에는 전력연구원, 동서발전, 중부발전, 두산중공업, 에이치앤파워, 한국선급 등 총 8곳이 참여한다. 


한전과 발전사는 P2G 상용 플랜트 구축(동서발전), P2G 기반 마이크로 그리드 사업(한전), 에너지 자립섬 등에 개발되는 P2G 시스템 통합 엔지니어링 기술을 적용해 사업을 다각화한다는 의지를 가지고 있다.


안전관리 방안 마련
전력연구원은 지난 5월 발생한 강릉 수소저장탱크 폭발사고와 같은 일이 발생하지 않도록 하기 위해 이번 연구사업에서 수전해 및 수소저장, 수소 메탄화 공정의 안전관리 방안을 마련했다.  

 
수전해 및 수소저장 부분에서는 수전해 시스템 국제 표준 인증(ISO 22734)을 추진하고 수전해 및 LOHC 연계시스템 안전운전 제어 로직을 구축할 계획이다. 또 2MW급의 P2G 설비 실증을 위해서는 장시간 운전이 필요하고 사고 발생 시 큰 피해가 예상되므로 실증설비 사고 대응 매뉴얼을 제작할 계획이다. 


수소 메탄화 공정 부분에서는 공정 상세설계에 따른 안전관리 매뉴얼 구체화, 메탄화 공정 안전 관련 설비 강화, 참여 인력 안전 교육 및 설비 안전점검 등을 추진할 계획이다.






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