2021.09.07 (화)

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탄소배출 저감형 중대형 수소추출기 개발한다

2025년 전체 수소 수요의 15%, 거점형 생산기지 담당
국내 중대형 수소추출기술 전무, 기술개발 시급
중대형 수소추출기 국산화 기술개발 사업 착수
원일티엔아이, 에너지연·가스기술공사와 공동 개발

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[월간수소경제 이종수 기자] 정부가 지난 2019년부터 대량의 수소생산·공급을 위한 천연가스 기반 수소생산기지 구축사업을 추진하고 있다. 2019년도 산업통상자원부 예산 지원으로 올 상반기에 국내 최초의 수소생산기지(창원)가 준공한 데 이어 올해 안으로 평택과 삼척에서 추가로 준공할 예정이다. 


수소생산기지에는 천연가스에서 수소를 추출하는 설비인 수소추출기가 필요하다. 국내에서는 현재 제이엔케이히터, 원일티엔아이, 현대로템이 수소추출기 사업을 벌이고 있는데, 모두 소규모 수소생산기지에 들어가는 용량의 추출기술을 보유하고 있다. 


정부가 한국판 뉴딜 종합계획의 일환으로 2025년까지 450기의 수소충전소를 구축하기로 함에 따라 안정적인 수소공급을 위한 중대 규모 거점형 수소생산기지도 필요하다. 중대형 수소추출기의 국산화 기술개발이 시급한 이유다.  


2025년 이전까지 거점형 수소생산기지를 위한 수소추출기 개발이 완료되어야 국산화 제품의 초기 시장진입이 가능한 상황이다. 수소생산 과정에서 나오는 이산화탄소 처리 문제도 해결해야 한다. 


탄소 포집 기능까지 융합한 중대형 수소추출기술 국산화 개발과제가 지난 5월 착수됐다. 원일티엔아이가 주관하는 이번 과제에는 한국에너지기술연구원과 한국가스기술공사가 참여한다.  

 

수소생산기지 구축 계획

정부는 지난 2019년 1월에 발표한 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 통해 천연가스 기반 추출수소를 초기 수소경제 이행의 핵심 공급원으로 정하고 수소생산기지 구축 방향을 밝혔다. 거점형 중대규모 수소생산기지와 분산형 소규모 수소생산기지로 구분해 구축한다는 것이다. 


거점형은 전국 LNG 공급망을 활용해 300~1,000N㎥/h 이상급 수소추출기를 구축해 수소를 대량으로 생산하는 방식이다. 분산형은 수요처 인근 도심지 LPG, CNG 충전소 또는 CNG 버스 차고지 등을 활용해 300N㎥/h급 수소추출기를 구축해 수소를 생산한다. 


정부는 지난해 7월 1일 ‘제1회 수소경제위원회’에서 의결된 ‘수소산업 생태계 경쟁력 강화 방안’을 통해 2025년까지 수소생산기지 구축 계획을 제시했다. 이에 따르면 부생수소의 공급 불안정성, 생산설비 정기점검 등을 고려해 2025년 전체 수요(약 11만 톤)의 15%는 거점형 중규모 생산기지를 통해 공급할 계획이다. 2022년까지 호남・경남권 각 1개씩(광주, 창원), 2025년까지 중부・강원권에 구축을 완료한다는 것이다. 


또 2025년까지 총 40개의 소규모 수소생산기지를 구축한다는 계획이다. 


올 상반기에 창원에 국내 최초의 수소생산기지가 준공해 가동 중이며, 올해 안으로 경기도 평택과 강원도 삼척에서 각 1개의 수소생산기지가 준공할 예정이다. 이 밖에 대전, 부산 등 5개의 소규모 수소생산기지와 창원과 광주에서 각 1개의 거점형 수소생산지기 구축이 진행 중이다.    

 

수소추출기 시장 현황  

수소생산기지의 핵심 설비는 바로 수소추출기다. 전 세계적으로 소형 추출기는 일본 오사카가스, 중대형은 독일 린데 등이 선도하고 있는 것으로 알려진다. 국내 수소추출기 기술은 초기 단계로 개발 제품들은 소규모급이다. 




산업용 가열로 전문기업 제이엔케이히터는 정부 R&D 과제를 통해 하루 250kg, 500kg급 상용 추출기를 개발하고, 올 상반기에 준공한 창원 소규모 수소생산기지(하루 1톤)에 추출기를 공급했다. 이미 서울 상암수소충전소와 속초 수소충전소에 온사이트 충전소용으로 추출기를 공급한 바 있다.      


천연가스 생산·공급설비 전문기업 원일티엔아이는 한국에너지기술연구원 수소연구실 윤왕래 박사 연구팀이 개발한 수소추출기 기술을 이전받아 추출기 사업을 추진하고 있다. 현재까지 경기 평택과 안산, 전주 수소생산기지용 추출기를 수주했다.  


윤 박사팀은 과기부 연구과제로 ‘하루 500kg급 시장 보급형 가압형 모듈화 고순도 수소생산 유닛의 설계기술’을 개발했다.  




현대로템은 지난 2019년 11일 일본 오사카가스의 수소추출기 기술이전에 대한 라이선스 계약을 맺고 수소생산기지 수소추출기 및 온사이트형 수소충전소 구축사업을 추진하고 있다. 현재까지 충주, 삼척, 대전 등 3곳의 추출기를 수주했다.   


수소추출기의 설계·제작부터 시운전·유지관리까지 모든 과정의 기술이전을 받은 현대로템은 기술 국산화를 통해 최종적으로 20억 원 이하로 수소추출기를 공급한다는 목표다. 또 하루 200kg, 640kg, 1,000kg급 이상 등으로 수소추출기의 포트폴리오를 다양화한다는 계획이다.


트리신은 산업부와 방위사업청이 지원하는 민군기술협력사업으로 하루 320kg(150Nm³/h)급의  천연가스·LPG 겸용 수소추출기를 개발해 창원에서 실증 운전 중이며 향후 500kg/day, 640kg/day급으로 확대한다는 계획이다. 

 

2,000kg/day급 추출기 개발 추진 

이처럼 국내 시장에는 250kg, 500kg 등 소규모 수소추출기가 공급되고 있지만 국내 기술로는 거점형 수소생산기지용 수소추출기를 공급하는 데 한계가 있다. 중대규모 수소추출기의 국산화 기술개발이 시급한 배경이다. 


실제로 원일티엔아이가 수주한 평택 수소생산기지 구축사업(하루 7톤급)에서 하루 600kg급, 6톤급 각 1기 중 6톤급은 독일 캘로릭(Caloric)의 제품이 설치된다. 원일티엔아이는 캘로릭의 한국 에이전트다. 창원과 광주에서 구축이 진행 중인 거점형 수소생산기지에는 독일 말러사의 제품이 설치될 예정인 것으로 전해졌다. 




특히 정부가 2050 탄소중립 정책을 추진함에 따라 수소추출 과정에서 나오는 이산화탄소를 처리하는 문제도 현안 과제로 떠올랐다.     


정부가 지난 2019년 10월에 발표한 ‘수소기술 로드맵’에는 오는 2025년까지 거점형 수소생산기지(1,000N㎥/h 이상)와 소형 온사이트 수소충전소(300~1,000N㎥/h) 구축을 위한 중소형 개질 수소생산 시스템 개발 계획이 반영됐다.  


그 일환으로 한국에너지기술평가원은 2021년도 에너지기술개발사업 신규과제로 ‘수소 가격 경쟁력 강화를 위한 2,000kg/day급 탄소배출 저감형 고효율 중대형 개질기 기술개발’ 과제를 공모한 결과 원일티엔아이 컨소시엄이 과제 수행사업자로 최종 선정됐다. 


원일티엔아이는 이번 과제(사업비 총 280억 원)를 통해 중대규모 수소생산기지용 추출기 시장을 선도할 것으로 기대하고 있다. 




원일티엔아이는 에너지기술연구원으로부터 기술이전 받은 500kg/day급 수소추출기술을 적극 활용한다는 계획이다.


윤왕래 에너지기술연구원 박사에 따르면 원일티엔아이의 500kg/day급 수소추출기는 720시간 이상 시험 운전 결과 시스템 효율 80%(HHV) 이상(개질 효율 77%, PSA 수소 회수율 90%), 수소 순도 99.999% 이상, 수소 내 CO 농도 0.2ppm 이하 등 우수한 성능을 나타냈다.   


이 추출기는 소규모 분산형 수소생산기지 구축사업에 능동적으로 대응할 수 있고, 거점형 수소생산기지를 위한 중형 개질(1,000Nm³/h 이상) 시스템으로 스케일-업을 위한 기반기술로도 활용될 수 있다. 


원일티엔아이의 수소추출기는 조달청으로부터 2020년도 혁신 시제품으로 지정받기도 했다.  


원일티엔아이가 주관하는 이번 2,000kg/day급 개발 과제에는 한국에너지기술연구원, 한국가스기술공사가 함께 참여한다. 100% 국산화 설계기술을 개발해 시장에 고성능·저가형으로 보급한다는 계획이다. 


또한 천연가스에서 수소를 추출하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집·활용함으로써 수소에너지에 대한 국민 수용성을 제고하고 온실가스 감축에도 기여한다는 계획이다. 


이번 과제는 크게 2,000kg/day급 중형 고순도 추출 수소생산 유닛과 탄소 포집 유닛 개발로 구분된다.  


핵심 기술 목표는 수소생산 용량 2,000kg/day, 시스템 효율 80%(HHV) 이상, ISO 개질가스 품질기준(수소 순도 99.999%, CO < 0.2ppm), PSA 회수율 85%, CO2 회수율 90%, CO2 저감 비용 4만 원/tonCO2, 누적 운전시간 1,500시간이다.  


과제의 주요 내용을 보면 △개질 모듈(리포머 & WGS) + PSA 수소정제 모듈 + CCS 모듈 고유설계 및 시스템 통합 엔지니어링 △주요 단위공정 상세설계 제작 및 통합 시스템(Prototype) 현장설치 △프로토타입 시운전 및 문제 해결을 통한 운전 최적화 △공정의 안정적 제어 및 장기 실증 운전을 통한 실적(1,500시간) 확보 → 3D 모델링 → 스키드(skid) 유닛화 △정량적 핵심기술목표에 맞는 품질보증 신뢰성 데이터(DB) 제시 △사업자 시각의 비용 경제성 분석 등이다. 


개발된 2,000kg/day급 수소추출기는 경기도 평택에 설치되어 실증 운전을 할 예정이다. 





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