2021.10.10 (일)

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수소 연구개발 동향 @한국에너지기술연구원

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정부 출연 연구기관인 한국에너지기술연구원의 연구개발 성과를 통해 ‘2050 탄소중립’ 실현을 위한 수소기술의 동향을 알아본다.






Hydrogen Fuel Cell

수소연료전지


연료전지는 수소경제의 핵심기술이다. 화석연료를 대체하는 수소 연료의 이용을 가능하게 하는 기술로 자동차, 선박, 중장비, 기차 등 모빌리티뿐 아니라 가정·건물용, 분산발전소에 고정형으로 활용된다. 연료전지연구실의 연구원들은 고분자전해질연료전지(PEFC), 알칼리막연료전지(AMFC), 고체산화물연료전지(SOFC) 등에 집중하고 있다. 전극과 전해질, 분리판, 스택 등 소재와 시스템을 아우르는 다양한 연구가 진행된다.


3세대 연료전지 기술로 통하는 SOFC 연구가 한창이다. 단추 모양으로 만든 SOFC 버튼셀을 시험기기에 넣고 효율을 테스트하게 된다. 700℃ 이상의 고온에서 작동하는 SOFC는 효율이 높아 발전시장에서 인기가 많다. 미국의 블룸에너지는 SK건설과 손을 잡고 블룸SK퓨얼셀을 설립, 발전용 연료전지 시장에 새 바람을 불러일으키기도 했다. 한국에너지기술연구원(이하 에기연)은 스택의 성능과 내구성을 높이기 위한 연구에 집중하고 있다.





Electrolysis

수전해


에너지연 수소연구단은 태양광, 풍력 같은 재생에너지의 전력을 이용해 안정적으로 수소를 생산하는 ‘부하변동 대응형 수전해 스택’을 개발했다. 재생에너지의 간헐성과 변동성에 대응하기 위해 내구성과 효율을 높인 전극과 분리막을 자체 개발한 스택 기술을 적용, 수전해 시스템을 모듈화하는 데도 성공했다. 수전해는 재생에너지의 잉여전력으로 물을 분해해 온실가스 배출이 없는 그린수소를 생산한다. 유럽 수소전략의 핵심기술로, 2022년 이후로 사업이 예정되어 있는 새만금 등 대단위 재생에너지 단지에 폭넓게 적용될 예정이다.


수전해 장치의 성능은 수소와 산소를 생산하는 ‘수전해 셀’의 효율에 좌우된다. 수소연구단 김창희 박사 연구팀은 수전해 셀 운전 때 만들어지는 수소와 산소의 유량과 농도를 실시간으로 측정해 전압 효율뿐 아니라 전류 효율까지 정밀하게 분석해주는 ‘수전해 평가장비’를 개발했다. 연구개발 단계에서 로드셀이나 스택의 성능을 평가하는 데 꼭 필요한 장비로, 수경화학에 기술이전을 완료했다.


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수소연구단 윤왕래 박사팀이 개발한 현장생산형 ‘고순도 수소생산 유닛’도 빠뜨릴 수 없다. 천연가스를 개질해 일명 ‘그레이 수소’를 만드는 수소추출기다. 수전해로 넘어가는 과도기에 꼭 필요한 상용기술로, 핵심기술을 국산화하는 과정에서 효율을 높이고 설치비용을 크게 낮췄다. 잠수함에 들어가는 수소저장합금 제작사인 원일티엔아이에 기술이전을 완료했다.





Ammonia

암모니아


비료의 원료로 잘 알려진 암모니아(NH3)가 수소 저장과 운송의 대안으로 떠올랐다. 특히 액상 암모니아는 액화수소보다 많은 양의 수소를 저장할 수 있고, 기존 설비나 운송망을 적극 활용할 수 있어 경제적인 이점이 크다. 다만 이렇게 들여온 암모니아를 분해해 다시 수소를 생산하는 설비를 새롭게 개발해야 한다. 에너지연은 한국과학기술원(KIST), CES, 젠스엔지니어링, 현대차 등과 ‘암모니아 분해 수소생산 시스템’을 개발했다.  





New & Renewable Energy

신재생에너지


에너지 전환을 위한 신재생에너지 연구도 활발하다. 에너지연의 제주 분원인 제주글로벌연구센터는 해상풍력 연구를 비롯해, 태양광과 에너지저장장치(ESS)를 활용한 분산형 전기차 충전시스템을 개발 중이다. 또 바닷물이 민물과 만날 때 양이온과 음이온이 서로 이동하면서 전자를 주고받는 반응을 유도해 전력을 생산하는 ‘염분차 발전’에도 집중하고 있다. 수소는 신재생에너지의 미활용전력을 저장하는 데 효과적이다. ‘탄소중립’이라는 큰 목표를 향해 함께 가야 하는 기술들이다.





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