기고

글 싣는 순서 1. 수소에너지- 기대와 성과 (김종원) 2. 태양광을 이용한 광화학적 수소제조기술의 동향 (이재성) 3. 생물학적 수소생산기술 개발동향 및 전망 (김미선) 4. 광바이오촉매 활용 수소제조기술(주현규) 5. 열화학적 물분해 수소제조기술 (박주식) 6. 저온 수전해 기술동향 (문상봉) 7. 고온수전해 수증기전기분해를 이용한 미래수소제조기술 (우상국) 8. 고압수소저장기술 (김종원, 정문선) 9. 수소저장 나노 소재개발 현황(김해진) 10. 수소저장용 수소저장합금과 금속수소화물 (조영환) 11. 화학수소화물 이용 수소저장기술 (남석우) 12. 수소리니어 동력발전 기술개발 동향 (이영재, 이종태) 13. 수소센서 기술의 동향 (김종원) 14. 수소안전기술의 동향 (김종원, 정문선) 고온 수전해, 적은 전기E로 H₂대량 생산한다 ||현재의 에너지 시스템은 대량생산 및 대량소비를 위해 화석에너지를 과도하게 사용함으로써 온실가스를 발생시켜 기후변화에 큰 영향을 주고 있다. 이에 에너지 공급시스템 다양화 측면에서 기존 화석연료를 이용한 에너지 공급을 최소화하고 신재생에너지를 이용한 다양한 공급기술을 확보하기 위한 많은 연구개발들이 이뤄지고 있다. 이 가운데 수소에너지는 환경 및 에너지 문제 해결을 위한 실현 가능성 있는 유력한 대안으로서, 수소에너지의 제조기술 및 이용기술의 성장과 함께 본격적으로 수소경제가 도래할 것이라는 다양한 전망들이 제시되고 있다. 그러나 고순도 수소를 효과적으로 생산하는 기술이 아직까지 확립되지 않은 상황이기 때문에 현재 대부분의 수소는 탄화수소 개질 공정에 의하여 제조하고 있다. 이러한 기술은 여전히 화석에너지에 의존적이며 CO₂ 등 환경오염 물질을 배출하기 때문에 진정한 의미의 수소 경제를 위한 대안으로는 적합하지 않다. 고체산화물수전해는 고온의 수증기를 전기분해해 수소를 제조하는 방법으로써 상대적으로 무한한 자원인 물을 이용해 공해물질 없이 대량의 수소를 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 신재생에너지와 연계하여 수전해에 필요한 전기에너지를 자연으로부터 얻고자 하는 다양한 시도에 대하여, 경제적인 측면에서 최소한의 전기에너지를 이용하여 다량의 수소를 제조하는 기술이 핵심적인 이슈가 될 수 있다. 이러한 관점에서 물의 끓는점인 100도 이상에서 수증기상태로 전기분해 하는 고온수전해 기술은 액체를 전기분해하는 기존의 저온수전해 공정에 비해 전기에너지가 월등히 적게 소요되기 때문에 가장 유력한 수소제조 기술로 주목 받고 있다. ■주요 기술 이슈 수전해 기술은 기본적으로 고체산화물연료전지에 기술적인 기반을 두고 있지만 연료전지와는 전기화학 반응의 방향 및 운전조건이 다르기 때문에 기존의 연료전지 소재를 그대로 사용할 경우 내구성에 문제가 발생할 수 있다. 실제로 공기극 소재의 산소환원반응속도(ORR: Oxygen Reduction Rate)와 역반응의 차이로 인하여 연료전지 모드에서 문제가 없이 사용하던 일부 소재가 수전해 모드에서는 박리현상을 일으키는 등 다양한 문제점이 보고되고 있다. 다시 말해 연료전지에서는 산소가 전자와 회합하여 이온화되지만 수전해 공정에서는 이와 역반응으로 산소이온이 전자와 산소로 분리된다. 이러한 이유로 인해 수전해장치의 효율 및 안정성을 증대시키기 위해 소재 원천기술, 계면현상, 이온전도 메커니즘 및 열화현상 등의 기초 원천연구가 필요하다. 고온 수전해용 고체산화물 셀은 연료전지와 마찬가지로 튜브형과 평판형으로 제조할 수 있다. 특히 원자력 발전 등을 이용해 고온수전해 수소제조를 할 경우 고온 고압의 스팀을 사용해야 하므로 가압운전에 취약한 평판형 보다는 튜브형 셀을 이용하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 이 가운데 평관형 고온수전해 장치는 튜브형 셀의 기계적 우수성과 고성능 구현이 가능한 평판형 셀의 장점만을 채택한 구조로서 연결재를 일체형으로 구성할 경우 평판형 셀과 같이 적측 방식으로 스택을 구성할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같이 세라믹 일체형으로 제작된 스택은 고온에서 부식성이 강한 금속 소재의 사용을 최소화 할 수 있으며 집적도 향상으로 단위부피당 출력밀도 (Volumetric Power Density)를 극대화 할 수 있다는 장점이 있다. ||소재 열화 현상 극복위한 연구개발 필요 시간당 350ℓ H₂생산 셀 개발 목표 ■각국의 연구 동향 미국, 일본 유럽을 비롯한 기술 선진국들은 21세기 에너지문제와 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 거의 유일한 대안으로서 수소에너지 기술의 연구에 심혈을 기울여 왔으며 이미 상당한 성과를 거두고 있다. 이 가운데 고온 수전해 기술은 2000년대 초반부터 미국 DOE(Department of Energy)의 NHI(Nuclear Hydrogen Initative) 프로그램을 통해 원자력을 이용하여 수소를 제조하기 위한 목적으로 개발이 추진되어 왔으며, 미국 Idaho National Lab에서 가장 주도적으로 개발을 수행하였다. 현재까지 알려진 최대 규모의 수전해 연구는 15kW(5Nm³/h)급 수전해 시스템에 관한 결과로서 2,500시간 연속운전 결과가 알려지 있지만 480시간 운전 시점에서 이미 88% (5.7 → 0.7 Nm³/h) 가량의 급격한 열화 현상이 확인돼 현재 내구성 증진을 위한 연구들이 추진 중인 것으로 알려져 있다. 한편, 최근 유럽 다개국 컨소시엄인 RelHy 프로젝트에서는 새로운 소재기술로 전 세계 고온수전해 기술을 주도하고 있으며 핵심기술을 공유하면서 급속한 기술적 성장을 이루고 있다. 기존에 사용하던 소재의 열화 현상을 극복하기 위하여 새로운 전해질 및 전극 소재를 적용하는 연구에 집중하여 최근 1~5%/1000시간 수준으로 열화연상을 제어한 다양한 연구결과를 발표하고 있다. 최근의 고온수전해 수소제조 기술은 단독으로 시스템을 구성하기 보다는 태양에너지 및 풍력에너지와 같은 자연에너지와 연계하여 신재생에너지를 기반으로 한 수소제조기술 (Renewable Electrolysis)로 발전되고 있다. 자연에너지의 시차 및 불균일성을 극복하고자 하는 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 특히 최근에는 수소를 발전 및 에너지 저장의 개념으로 수소의 생산, 저장 및 소비를 동일한 시스템에서 구현할 수 있는 양방향 수전해 (Reversible Electrolysis)에 대한 새로운 연구들이 시도되고 있다. ■수소E사업단 연구 현황 및 전망 21세기 프론티어사업의 일환으로 한국에너지기술연구원 우상국 박사 연구팀에서 추진하고 있는 고온 수전해 수소제조 기술은 평관형 고체산화물 수전해 셀을 이용하여 800~850℃의 고온에서 다량의 수소를 제조하기 위한 연구를 추진 중에 있다. 세라믹 일체형으로 제작되고 있는 평관형 단위셀은 전 세계 수전해 연구 그룹을 통틀어 독보적인 디자인과 효율성을 인정받아 현재 8건의 국내특허가 등록되어 있고 20여 편이 넘는 국내외 특허가 출원되어 있다. 단위셀 기준 3.5~3.8L/h (800℃) 이상의 수소 제조를 하고 있으며, 현재 350L/시간 수소 제조를 목표로 스택 기술에 대한 연구에 매진하고 있다. ||

천연가스, 脫원전시대 新발전원 부상||||■원자력 발전의 대안 LNG 복합화력이처럼 전 세계적으로 원자력 발전의 건설이 취소되는 가운데, 복합화력발전을 통해 원자력 발전 축소에 따른 전력 부족을 보완하는 경향을 나타내고 있다. 이미 일본에서는 원자력 발전 중단에 따른 전력 부족분을 천연가스 발전으로 보충하고 있으며, 미국에서는 셰일가스 상업화 개발에 따른 천연가스 가격의 안정화로 발전단가가 낮아진 가스발전의 비중을 높이고 있는 상황이다. 또한 신흥경제대국은 경제성장에 상응하는 전력수요를 충당하기 위해 가스복합화력 발전을 증가시킬 것으로 예상된다. 우리나라도 지난 2월 고리원전 1호기의 가동중단 사고와 함께 시민단체의 폐쇄 요구까지 맞물리면서 국내 원자력 발전의 기조는 어느정도 수정이 불가피할 것으로 예상된다. 이에 향후 피크부하 대응용 발전방식으로서 가스복합화력이 확대될 것으로 예상된다. ■전력 피크 완화 위한 가스냉방 보급 확대작년 9월의 대규모 정전사태, 개선되지 않고 있는 전력 예비율 그리고 올해 여름 예상되는 전력 부족 사태로 말미암아 발전 시장의 대대적인 체질 개선이 요구되고 있는 상황이다. 무엇보다도 하절기 냉방전력 피크부하의 관리가 절실한 상황인데 이에 대한 가장 적합한 대책으로서 천연가스를 사용하는 가스냉방의 보급이 활성화 될 것으로 예상된다. 일반적으로 냉방전력의 피크부하는 전력피크의 2.5% 수준인 약 150만kW 수준으로 알려져 있는데 가스냉방을 통해 냉방전력 피크부하를 완화시켰을 경우, 이는 50만kW급 발전소 3기를 짓지 않아도 되는 양이며 전력예비율을 높여 안정적인 전력공급을 할 수 있음은 물론 전력요금 인상을 억제할 수 있는 역할도 기대되고 있다. 최근 수년간 가스냉방의 하절기 냉방전력 피크부하 완화효과가 입증된 만큼 가스냉방의 확대가 예상되고 있다. ■전력수급 위기 대응 비상용 발전기 확대지난해 9월 이후 동·하절기 전력수급이 용이하지 않은 가운데 최근 지식경제부와 한국전력은 동·하절기 전력수요 증가로 공급예비율이 지속적으로 하락하는 전력수급 위기시 비상대책으로 자가발전기 활용 방안을 모색하고 있다. 비상용 발전기는 현재 정전시 안전·편의를 위해 일정 규모 이상의 건물에 의무적으로 설치해야 한다. 한국전력에 따르면 2010년 기준으로 설치된 비상용 발전기 설비용량은 총 1,354만6,000kW(2만6,594대)로, 현재 국내에서 가동중인 원자력발전기 21기 용량의 약 70% 수준이다. 이 중 1,000kW 이상의 대형 비상발전기는 약 500만kW이며 이 설비 용량은 전력 예비율을 7% 정도 추가 확보 할 수 있는 용량이어서 요즘과 같이 전력수급이 불안한 비상시에는 충분한 활용가치가 있을 것으로 판단된다. 그러나 이러한 여건에도 불구하고 비상용 발전기의 활용은 미미한 것으로 조사되고 있다. 비상용 발전기의 관리체계가 부실한 탓도 있겠지만 최근 지속된 고유가로 인해 비상용 발전기의 발전단가가 상승한 것도 비상용 발전기의 활용을 억누르고 있다는 분석이 설득력을 얻는다. 이에 한국전력에서는 비상용 발전기의 활용도를 높이기 위해 상대적으로 발전단가가 낮고 친환경적이기도 한 천연가스를 활용한 비상용 발전기 활성화 대책을 모색하고 있는 것으로 알려져 있다. 구체적인 방식으로는 천연가스-디젤 혼소 또는 천연가스 전소 방식에 대한 기술검토가 이루어지고 지원대책도 마련하고 있는 것으로 알려지고 있어 천연가스의 보급 확대가 전망된다||국내 전력수급 위기 대응 역할 확대 기대 도서지역 발전원·열병합발전 보급 증대 ||■도서지역 발전시설 LNG 연료화우리나라 도서지역의 발전용량은 약 8만kW인데 이 중에서 울릉도 및 서해 5도를 포함한 15개 도서지역이 총 용량의 85%를 차지하고 있다. 이들 발전시설은 100% 디젤을 연료로 사용하고 있는데 도서지역의 발전단가는 일반적인 천연가스 복합화력발전 단가의 약 3~4배에 이르는 533원/kWh이다. 더구나 최근 유가 상승의 여파로 2010년 492억원이었던 도서지역 발전비용은 2011년 739억원으로 크게 상승하였다. 또한 해양 및 도서지역의 배출가스 규제가 현실화 됨에 따라 보다 친환경적이고 경제적인 발전 연료의 검토가 필요한 시점이다.이에 최근 국토해양부와 한국전력에서는 도서지역 발전에 대한 대책을 검토중인 것으로 알려지고 있는데 기존 디젤 연료에서 LNG로 전환하는 방법이 거론되고 있다. 또한 이와 함께 LNG를 도서지역까지 공급하는 방안도 함께 검토되고 있다.만약 도서지역 발전연료로서 LNG도 대체한다면 연료비는 연간 270억원이 절감될 것으로 예상되고 있으며 도서지역 주민들의 생활 편리성이 증대될 것으로 기대되고 있다.||■마이크로 코제네레이션 시스템 보급전기 중심으로의 에너지 사용패턴변화 등에 의해 최근 10년간 가정용 전기 사용량은 연평균 3.2%의 증가세를 보이고 있으며, 향후 5년 이내에 한 가정 평균 300kWh/월 이상의 전력 소비량을 보일 것으로 전망된다.특히 매년 최고 전력사용량을 갱신하고 있는 상황에서 지난 2011년 9월 15일에는 162만 가구에 전기가 끊기는 사상 유의 대규모 정전사태가 발생했다.이미 천연가스를 이용한 가정용 마이크로 코제네레이션(열병합발전) 시스템은 국외를 중심으로 친환경 고효율에너지기기로초서 필요성이 인정되어 다양한 Prime Mover 기반의 시스템을 개발하여 보급단계에 이르고 있으나 아직 고가의 가격으로 인해 자체 경제성을 확보한 제품은 없는 것으로 파악하고 있다. 최근 우리나라에서도 마이크로 코제네레이션 시스템에 대한 국책과제 등 개발이 진행되고 있어 가격 경쟁력을 확보한 제품이 개발된다면 국가 전력수급 및 기후변화협약의 대응책으로서 보급이 확대될 전망이다.최근 셰일가스와 중소형 가스전의 상업화 개발 노력과 그 가시적인 성과가 도출됨에 따라 세계 에너지 시장에 큰 변화를 가져오고 있다. 이는 천연가스가 화석에너지 중 가장 청정 에너지라는 환경적 명분과 함께 풍부한 매장량을 값싸게 채굴함으로써 타 에너지 대비 저렴한 에너지라는 경제적 명분을 함께 가지고 있기 때문이다.고유가 지속, 환경규제 강화, 전력수급 비상 등이 국가 경제와 국민 생활의 시스템에 혼란을 야기하고 있다. 국가 에너지의 97%를 수입하는 우리나라는 특히 이러한 어려움에 대응하기 위해 향후 에너지 분야와 산업 분야에서 더욱 커지는 천연가스의 역할에 대해 한번 더 고민할 때이다.