조선비즈
산업이재은 기자
입력 2020.10.14
남아메리카 대륙의 파타고니아(Patagonia)는 자연경관이 세계에서 가장 아름다운 지역 중 하나로 꼽힌다. 아르헨티나와 칠레가 공유하는 남아메리카 최남단을 포함하는 지방으로, 안데스산맥을 기준으로 양국이 구분된다. 서쪽의 칠레 파타고니아는 안데스산맥의 높이가 점점 낮아지면서 나타나는 고원 지대로, 남극에 가까운 지리적 특성상 바람이 많이 분다.
세계적인 에너지 기업들은 파타고니아의 이런 특성을 활용해 수소 생산에 나섰다. 독일 고급 자동차 회사 포르쉐는 독일 지멘스 에너지, 이탈리아 재생에너지 회사 에넬과 손잡고 칠레 마젤란 해협 북쪽 카보 네그로에 온실가스가 나오지 않는 ‘그린수소’ 생산시설을 짓겠다고 이달 2일 발표했다. 에넬 측은 "남미 최대 규모의 그린수소 공장이 될 것"이라고 밝혔다.
이 공장에서는 풍력 에너지로 생산한 전력으로 물을 전기분해해 수소를 뽑아낼 예정이다. 물 전기분해는 오염물질을 배출하지 않는 가장 친환경적인 수소 생산 방식이다. 이를 가능하게 하는 것은 전기분해를 통해 물을 수소와 산소로 분리해내는 ‘수전해 설비(electrolyser)’다.
한국을 포함한 세계 주요국이 수소경제 육성에 속도를 내면서 ‘수전해 설비’ 개발과 확충에 총력을 기울이고 있다. 온실가스 배출이 없는 진정한 수소경제를 구축하려면 태양광·풍력 등 재생에너지 기반 전력으로 그린수소를 만들어야 하는데, 수전해 설비 없이는 불가능하기 때문이다.
독일 서부 도시 마인츠에 위치한 풍력에너지 기반 수소생산시설 ‘에네르기파크 마인츠’ 전경. 독일 대표 제조기업 지멘스의 PEM 수전해 설비를 사용해 그린수소를 생산한다. / 지멘스 제공
수소는 제조 방식에 따라 석유화학 공정의 부산물로 나오는 '부생수소', 천연가스를 개질해 만드는 '추출수소', 물을 전기분해해 생산하는 '수전해 수소(그린수소)'로 구분된다. 현재 부생수소와 추출수소가 국내서 생산되는 수소의 90% 이상을 차지하지만, 이처럼 화석연료를 사용한 수소 생산 방식은 생산 과정에서 온실가스를 다량으로 배출한다는 문제점을 안고 있다. 그래서 주요국은 그린수소 생산에 중점을 둔 수소경제 정책을 세우고 있다.
그린수소 중심의 수소경제를 구축하려면 태양광·풍력 등 재생에너지는 물론, 고성능 수전해 설비가 필요하다. 그러나 한국은 아직 수전해 설비의 효율이 경쟁국에 비해 떨어지는 데다 핵심 소재 기술이 부족해 상용화에 어려움을 겪고 있다는 지적이 나온다. 한국에너지기술연구원에 따르면 지난해 기준 독일은 이미 55MW(메가와트) 이상의 수전해 설비를 사용 중인 반면, 한국은 아직 개발 단계에 머물러 있다. 이웃나라 일본도 10MW급의 수전해 설비를 갖추고 있다.
수전해는 전기화학반응을 이용해 수소와 산소를 생산하는 기술이다. 수전해 설비는 양극과 음극, 분리막으로 구성된 ‘수전해 셀’로 이뤄졌다. 음극·양극에서는 수소와 산소가 각각 발생하고 분리막은 수소와 산소의 혼합을 막아주는 역할을 한다. 수전해 설비의 효율은 수전해 셀의 성능에 좌우된다. 현재 노르웨이 수전해 설비제조회사 넬(NEL), 일본 아사히 카세이 등 해외 기업의 수전해 설비 효율이 80%을 웃도는 반면, 국산 수전해 설비의 효율은 70%에도 못 미친다.
국산 수전해 설비가 해외 수전해 설비보다 효율이 떨어지는 이유는 한국의 수전해 기술 관련 연구개발(R&D) 역사가 짧고, 아직 관련 시장이 형성되지 않았기 때문이다. 수전해 설비는 일반 전기를 사용한 1세대와 재생에너지를 연계한 2세대로 나뉘는데, 유럽의 경우 1세대 수전해 설비 개발 역사가 120여년에 달한다. 2세대 수전해 설비 역시 12년 이상 개발해왔다. 우리나라의 경우 본격적으로 수전해 기술 개발에 나선 지 약 5년밖에 안된다.
상황이 이렇다 보니 국내 기업이 제작하는 수전해 설비도 핵심 소재(양극·음극·분리막)는 외국산을 수입해 쓰는 실정이다. 국내 수소생산시설 사업에 참여하는 대기업들도 국산을 쓰거나 직접 개발하는 대신 외국산 수전해 설비를 수입해 사용하고 있다. 국내 수소업계에서는 "정부의 적극적인 수소경제 전략이 자칫하다 해외 기업만 배불릴 수 있다"고 우려한다. 그러면서 에너지 자립이라는 목표를 달성하려면 정부와 기업이 힘을 합쳐 국산 수전해 설비 역량을 끌어 올리고 관련 시장을 키워 비용 절감에 힘써야 한다고 입을 모은다.
현재 그린수소가 화석연료 기반 수소 대비 단가가 높은 이유 중 하나로 비싼 수전해 설비 비용이 꼽히는데, 수전해 설비를 다량으로 구축하게 되면 규모의 경제를 통한 비용 절감이 가능할 것으로 업계는 보고 있다. 현재 우리나라 그린수소의 평균가격은 kg당 약 1만원으로 부생수소(약 1500원), 추출수소(약 5000원)보다 비싸다.
그래픽=정다운
유럽은 그린수소의 경제성 확보 노력의 일환으로 지역 내 수전해 설비를 대폭 늘리기로 했다. 유럽연합(EU)은 지난 7월 발표한 수소전략에서 오는 2030년까지 수전해 설비 개발과 확충에 420억유로(약 57조원)을 투입한다고 밝혔다. 2024년까지 수전해 설비 6기가와트(GW)를 구축해 100만톤의 그린수소 만들고, 2030년까지 수전해 설비 40GW를 마련해 1000만톤의 그린수소를 생산한다는 목표를 세웠다. 이런 정책 지원에 발맞춰 지멘스, 티센크루프 등 유럽 주요 기업들도 수전해 설비 개발과 생산에 박차를 가하고 있다.
정부도 유럽만큼은 아니지만, 수전해 기술 투자와 설비 확충에 나선다는 계획이다. 과학기술정보통신부는 수전해 기술을 포함해 친환경적인 방법으로 수소를 생산하고 효과적으로 저장하는 기술에 5년간 500억원을 투입하기로 했다. 수전해 기술은 크게 알칼라인 수전해 기술(AE), 양성자 교환막 수전해 기술(PEM), 고온 수증기 수전해 기술(HTE)로 나뉘는데, 이 가운데 가장 경제적이면서 효율적인 알칼라인과 PEM 기술에 예산을 집중한다는 방침이다.
김창희 한국에너지기술연구원 박사(수소연구단장)은 "2세대 수전해 설비의 경우 한국이 지금은 유럽 등에 뒤처져 있지만, 기업들이 정부 출연 연구소나 대학에서 개발한 첨단 수전해 기술을 활용할 의지만 있다면 3~5년 내 충분히 따라잡을 수 있을 것으로 예상한다"며 "기업의 적극적인 참여를 유도하려면 정부도 보조금 같은 유인책을 마련할 필요가 있어 보인다"고 말했다.
현재 대기업 중에서는 한화그룹이 직접 수전해 설비를 개발하겠다고 발표한 상태다. 한화솔루션 관계자는 "수년 내 혁신적인 수전해 설비를 선보이겠다"며 "기존 기술보다 전력을 덜 쓰고 투자비도 절감할 수 있는 방향으로 연구를 진행 중"이라고 말했다.
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[수소경제 ③]물에서 수소 얻는다… 꿈의 에너지 캐는 혁신기업
스페셜안소영·최지희 기자,, 편집= 임홍경
입력 2020.01.03
호주의 먼스터에 있는 ‘우드맨 포인트 서호주 폐수처리장’. 이곳에서는 호주 신재생 에너지 기업 헤이저 그룹의 수소 생산 시설을 세우기 위한 움직임이 한창이다. 2021년 운영을 시작하는 이 시설에서는 하수처리장에 있는 메탄가스를 수소와 흑연으로 바꾸는 사업이 진행될 예정이다.
헤이저그룹은 기존의 수소 생산 방식인 화석연료와 전기를 사용하지 않고, 부산물도 흑연으로 바꿔 환경 오염이 적은 편이다. 하수처리장·매립지에서 나오는 바이오가스와 가격이 비싸지 않은 철광석을 촉매로 사용해 비용도 많이 들지 않는다. 호주 재생에너지국은 헤이저 그룹의 특수한 수소 생산 기술에 940만 달러의 자금을 투자하는 등 적극적으로 지원하고 있다.
▲헤이저그룹이 호주 먼스터 지역 하수처리장에 짓고 있는 수소 생산시설./ 호주 재생에너지국(ARENA) 제공
주요국 스타트업들은 헤이저그룹처럼 수소 산업의 기술·가격 측면의 한계를 뛰어넘기 위해 신기술을 내놓고 있다. 기존의 수소 생산·저장 기술을 뛰어넘어 다양한 사업모델을 내놓는 한편, 수소 활용처도 확대하고 있다. 이러한 움직임에 힘입어 수소 경제도 지속해서 성장할 것으로 보인다. 맥킨지는 “2050년 수소 산업이 전 세계적으로 2800조원의 부가가치와 3000만개의 일자리를 창출해 전 세계 에너지 수요의 18%를 충족시킬 것”이라고 전망한 바 있다.
| "환경오염 줄이고 가격도 낮춘다" 수소 생산 나선 스타트업
새로운 수소 생산법에 나선 기업은 헤이저그룹 뿐만이 아니다. 최근 들어 신재생에너지의 효율성을 극대화해 수전해 수소를 생산하거나, 전기도 화석연료도 아닌 방식으로 수소를 만들어내는 기업이 속속 나온다.
그간 수소 생산 방식은 △석유화학 공정에서 부산물로 생기는 부생수소 △천연가스에서 직접 추출하는 추출수소 △물을 전기분해하는 수전해수소가 주였다. 하지만 화석연료를 사용하는 방식은 지구 온난화를 유발하고, 수전해 방식은 수소 전환 효율성이 낮고 생산비용이 비싸다는 지적이 꾸준히 나왔다.
▲생산기술별 수소(1kg) 생산비용. 신재생에너지를 이용한 수전해로 청정 수소를 얻는 데 드는 비용은 현재의 수소 kg당 14.90달러 수준이다. 전문가들은 태양광, 풍력으로 얻는 재생에너지의 균등화발전비용(LCOE·사회적 환경적 비용을 포함한 전력생산 비용)이 떨어지고, 전기분해 효율이 높아져야 수소생산비용이 낮아질 수 있다고 보고 있다./ 한국 수소산업 로드맵 , 그래픽= 박길우
미국 스타트업 ‘헬리오겐’은 인공지능(AI)과 거울, 태양광을 활용해 수소를 생산할 계획이다. 헬리오겐은 앞서 1000℃까지 온도를 올려 전기를 만드는 집광형 태양광 시스템을 개발했고, 최근에는 1500℃까지 온도를 높여 물에서 수소를 분리하는 기술을 개발 중이다.
헬리오겐은 혁신적인 기술로 지속해서 거물들의 투자를 유치하고 있다. 현재까지 빌 게이츠 마이크로소프트의 창업자를 비롯해 캘리포니아뉴스그룹 회장인 패트릭 순 시옹, 레볼루션 LLC 회장인 스티브 케이스가 투자자로 참여했다. 수백만 달러를 투자한 빌 게이츠는 “혁신적인 태양열 집광 기술의 초기 후원자가 돼 기쁘다”면서 “고온 기술은 화석연료를 대체하기 위한 촉망 받는 발전”이라고 밝혔다.
2016년 설립된 스타트업 트롤리시스는 먹고 남은 음료수 캔으로도 수소를 생산할 수 있는 방식을 개발했다. 물에 넣은 폐알루미늄이 화학적 반응을 통해 수소와 산소로 분리되는 식이다. 화석연료를 사용하지 않고 남은 알루미늄은 재활용할 수 있어 친환경적이다. 트롤리시스는 수소 생산 기술에 대한 관심이 높아지면서 지난 10월 스페인 기업 ‘에나가스’에 2500만 달러에 매각됐다.
| "수소 사회 앞장"… 수소 저장 기술 개발하는 스타트업
수소 사회가 현실화되기 위해서는 수소를 안전하게 저장할 수 있는 기술 개발이 선행돼야 한다. 스타트업들은 더 안전하고 보다 저렴한 저장 방식을 찾기 위해 몰두하고 있다. 현재 가장 보편적으로 쓰이는 수소 저장 방식은 고압 기체로 수소를 저장하는 것이지만, 압력이 800기압(bar) 정도까지 높아 폭발 위험이 크다는 단점이 있다.
스타트업들은 고압 기체 수소 저장 방식 대신 △수소를 극저온 액화하여 액체 수소를 저장하는 방식 △수소를 흡착할 수 있는 고체 물질에 저장하는 방식 △수소 기체를 유기화합물이나 무기화합물 등을 사용해 화학적 결합을 통해 상압·상온에 저장하고 추출하는 화학적 액상 저장 방식 등에 신기술을 개발해 접목하고 있다.
2017년 스위스에 설립한 스타트업 ‘GRZ 테크놀로지스’는 흡착 방식의 저압 수소 저장 기술을 개발해 10bar 이하의 압력으로 수소를 저장할 수 있도록 했다. 기존 기체 수소 저장 방식(200~800bar)보다 압력이 크게 낮아지면서 더 안전할 뿐만 아니라 5~10배 많은 양의 수소를 저장하고 이송할 수 있어 비용도 절감된다.
노리스 갈란다트 GRZ 테크놀로지스 대표는 “수소 자동차 개발은 성숙기지만 수소를 저장하고 압축하는 분야는 여전히 넘어야 할 산이 많다”며 “30년간의 연구 끝에 스펀지가 물을 흡수하듯 수소를 흡착할 수 있는 다공성 재료를 활용한 기술을 개발했다”고 말했다.
▲ 수소차 보급 확대를 위한 충전 시스템으로 액화수소 기반의 이동식 수소 충전소./ 하이리움산업 제공
‘하이리움산업’은 국내 처음으로 극저온 액화수소 기술을 개발하고 저장 탱크의 무게를 세계 최저 수준으로 줄였다. 수소는 영하 235℃에서 기체에서 액체로 액화돼 부피가 800분의 1로 줄어든다. 여기에 하이리움산업이 개발한 저장 탱크를 접목하면 탱크 100kg당 12~18kg의 액화수소를 담을 수 있다. 700bar정도의 고압가스 탱크가 100kg당 5~6kg의 수소를 저장할 수 있는 것과 비교하면 저장량이 최대 3배까지 늘어난 것이다.
이 기술은 해외에서도 ‘러브콜’을 받고 있다. 미국 기업 알라카이 테크놀러지스의 액화수소 연료 항공 택시엔 하이리움산업의 저장 기술이 사용된다. 김서영 하이리움산업 대표는 “액화수소기술이 적용된 항공 택시는 1회 10분 이내 충전으로 4시간 이상 비행이 가능하다”며 “수소차와 드론 등을 액화수소로 구동하면 충전 시간은 단축되고 운행 시간은 늘어나 산업용으로 다양하게 쓰일 것”이라고 말했다.
▲수소연료전지드론과 배터리드론의 활동 범위 비교./그래픽=박길우
| 수소연료전지 활용해 드론 비행 시간·거리 대폭 늘린 스타트업
수소 생산·저장뿐 아니라 드론, 항공기 등으로 수소 활용처를 늘리는 스타트업도 많다. 에스토니아 드론제조업체 스카이코프는 수소 구동 드론으로 비행시간을 2배로 늘렸고, 영국의 스타트업 H2고 파워는 3D 프린터로 만든 수소 드론을 가지고 비행시간을 90분까지 늘렸다.
▲자이언트 드론
2015년 설립된 국내 드론업체 자이언트드론은 리튬 배터리 드론(5~10km)보다 더 넓은 범위에 활용할 수 있는 수소 연료 전지 드론(80~160km)을 개발했다. 3L짜리 수소저장 탱크를 탑재하고, 고분자 전해질 연료전지를 도입해 비행시간이 1~2시간가량이다. 자이언트드론은 강원도청과 손잡고 수소연료전지 드론을 산불감시 등 소방용 드론으로 제공할 계획이다.
최근 수소 연료전지를 동력원으로 하는 항공기까지 등장했다. 미국의 항공 모빌리티 스타트업 앨러카이 테크놀로지스는 지난 5월 수소 연료 전지에서 동력을 얻는 5인승 항공 택시 ‘스카이’를 선보였다. 우버·인텔이 개발 중인 항공 택시는 모두 배터리 구동 방식이지만, 앨러카이의 항공 택시는 액화 수소를 사용해 운항 시간을 8배 이상 늘려 4시간 이상 날 수 있다. 열과 물만 방출해 친환경적이고, 다른 연료전지 항공기보다 더 많은 적재물을 운반할 수 있다.
▲앨러카이 테크놀로지스
브라이언 모리슨 앨러카이 테크놀로지스 최고기술경영자(CTO)는 “스카이는 교통혼잡을 해소하고, 자연재해 시 구호물품을 전달하거나 운송수단으로도 활용할 수 있을 것”이라며 “실용적이고 실질적인 해결책을 제공할 수 있다”고 말했다.
미국 실리콘밸리에 있는 제로아비아는 2022년까지 고압 탱크에 저장된 수소를 연료로 사용하는 20인승 프로펠러 항공기를 단거리 노선에 도입하겠다는 목표를 세웠다. 제로아비아는 수소연료전지 동력전달장치물(파워트레인)을 개발한 상태로, 항공기에 달아 시험 비행을 진행 중이다.
▲수소기술 혁신 스타트업./ 그래픽=박길우
산업이재은 기자
입력 2020.10.14
남아메리카 대륙의 파타고니아(Patagonia)는 자연경관이 세계에서 가장 아름다운 지역 중 하나로 꼽힌다. 아르헨티나와 칠레가 공유하는 남아메리카 최남단을 포함하는 지방으로, 안데스산맥을 기준으로 양국이 구분된다. 서쪽의 칠레 파타고니아는 안데스산맥의 높이가 점점 낮아지면서 나타나는 고원 지대로, 남극에 가까운 지리적 특성상 바람이 많이 분다.
세계적인 에너지 기업들은 파타고니아의 이런 특성을 활용해 수소 생산에 나섰다. 독일 고급 자동차 회사 포르쉐는 독일 지멘스 에너지, 이탈리아 재생에너지 회사 에넬과 손잡고 칠레 마젤란 해협 북쪽 카보 네그로에 온실가스가 나오지 않는 ‘그린수소’ 생산시설을 짓겠다고 이달 2일 발표했다. 에넬 측은 "남미 최대 규모의 그린수소 공장이 될 것"이라고 밝혔다.
이 공장에서는 풍력 에너지로 생산한 전력으로 물을 전기분해해 수소를 뽑아낼 예정이다. 물 전기분해는 오염물질을 배출하지 않는 가장 친환경적인 수소 생산 방식이다. 이를 가능하게 하는 것은 전기분해를 통해 물을 수소와 산소로 분리해내는 ‘수전해 설비(electrolyser)’다.
한국을 포함한 세계 주요국이 수소경제 육성에 속도를 내면서 ‘수전해 설비’ 개발과 확충에 총력을 기울이고 있다. 온실가스 배출이 없는 진정한 수소경제를 구축하려면 태양광·풍력 등 재생에너지 기반 전력으로 그린수소를 만들어야 하는데, 수전해 설비 없이는 불가능하기 때문이다.
독일 서부 도시 마인츠에 위치한 풍력에너지 기반 수소생산시설 ‘에네르기파크 마인츠’ 전경. 독일 대표 제조기업 지멘스의 PEM 수전해 설비를 사용해 그린수소를 생산한다. / 지멘스 제공
수소는 제조 방식에 따라 석유화학 공정의 부산물로 나오는 '부생수소', 천연가스를 개질해 만드는 '추출수소', 물을 전기분해해 생산하는 '수전해 수소(그린수소)'로 구분된다. 현재 부생수소와 추출수소가 국내서 생산되는 수소의 90% 이상을 차지하지만, 이처럼 화석연료를 사용한 수소 생산 방식은 생산 과정에서 온실가스를 다량으로 배출한다는 문제점을 안고 있다. 그래서 주요국은 그린수소 생산에 중점을 둔 수소경제 정책을 세우고 있다.
그린수소 중심의 수소경제를 구축하려면 태양광·풍력 등 재생에너지는 물론, 고성능 수전해 설비가 필요하다. 그러나 한국은 아직 수전해 설비의 효율이 경쟁국에 비해 떨어지는 데다 핵심 소재 기술이 부족해 상용화에 어려움을 겪고 있다는 지적이 나온다. 한국에너지기술연구원에 따르면 지난해 기준 독일은 이미 55MW(메가와트) 이상의 수전해 설비를 사용 중인 반면, 한국은 아직 개발 단계에 머물러 있다. 이웃나라 일본도 10MW급의 수전해 설비를 갖추고 있다.
수전해는 전기화학반응을 이용해 수소와 산소를 생산하는 기술이다. 수전해 설비는 양극과 음극, 분리막으로 구성된 ‘수전해 셀’로 이뤄졌다. 음극·양극에서는 수소와 산소가 각각 발생하고 분리막은 수소와 산소의 혼합을 막아주는 역할을 한다. 수전해 설비의 효율은 수전해 셀의 성능에 좌우된다. 현재 노르웨이 수전해 설비제조회사 넬(NEL), 일본 아사히 카세이 등 해외 기업의 수전해 설비 효율이 80%을 웃도는 반면, 국산 수전해 설비의 효율은 70%에도 못 미친다.
국산 수전해 설비가 해외 수전해 설비보다 효율이 떨어지는 이유는 한국의 수전해 기술 관련 연구개발(R&D) 역사가 짧고, 아직 관련 시장이 형성되지 않았기 때문이다. 수전해 설비는 일반 전기를 사용한 1세대와 재생에너지를 연계한 2세대로 나뉘는데, 유럽의 경우 1세대 수전해 설비 개발 역사가 120여년에 달한다. 2세대 수전해 설비 역시 12년 이상 개발해왔다. 우리나라의 경우 본격적으로 수전해 기술 개발에 나선 지 약 5년밖에 안된다.
상황이 이렇다 보니 국내 기업이 제작하는 수전해 설비도 핵심 소재(양극·음극·분리막)는 외국산을 수입해 쓰는 실정이다. 국내 수소생산시설 사업에 참여하는 대기업들도 국산을 쓰거나 직접 개발하는 대신 외국산 수전해 설비를 수입해 사용하고 있다. 국내 수소업계에서는 "정부의 적극적인 수소경제 전략이 자칫하다 해외 기업만 배불릴 수 있다"고 우려한다. 그러면서 에너지 자립이라는 목표를 달성하려면 정부와 기업이 힘을 합쳐 국산 수전해 설비 역량을 끌어 올리고 관련 시장을 키워 비용 절감에 힘써야 한다고 입을 모은다.
현재 그린수소가 화석연료 기반 수소 대비 단가가 높은 이유 중 하나로 비싼 수전해 설비 비용이 꼽히는데, 수전해 설비를 다량으로 구축하게 되면 규모의 경제를 통한 비용 절감이 가능할 것으로 업계는 보고 있다. 현재 우리나라 그린수소의 평균가격은 kg당 약 1만원으로 부생수소(약 1500원), 추출수소(약 5000원)보다 비싸다.
그래픽=정다운
유럽은 그린수소의 경제성 확보 노력의 일환으로 지역 내 수전해 설비를 대폭 늘리기로 했다. 유럽연합(EU)은 지난 7월 발표한 수소전략에서 오는 2030년까지 수전해 설비 개발과 확충에 420억유로(약 57조원)을 투입한다고 밝혔다. 2024년까지 수전해 설비 6기가와트(GW)를 구축해 100만톤의 그린수소 만들고, 2030년까지 수전해 설비 40GW를 마련해 1000만톤의 그린수소를 생산한다는 목표를 세웠다. 이런 정책 지원에 발맞춰 지멘스, 티센크루프 등 유럽 주요 기업들도 수전해 설비 개발과 생산에 박차를 가하고 있다.
정부도 유럽만큼은 아니지만, 수전해 기술 투자와 설비 확충에 나선다는 계획이다. 과학기술정보통신부는 수전해 기술을 포함해 친환경적인 방법으로 수소를 생산하고 효과적으로 저장하는 기술에 5년간 500억원을 투입하기로 했다. 수전해 기술은 크게 알칼라인 수전해 기술(AE), 양성자 교환막 수전해 기술(PEM), 고온 수증기 수전해 기술(HTE)로 나뉘는데, 이 가운데 가장 경제적이면서 효율적인 알칼라인과 PEM 기술에 예산을 집중한다는 방침이다.
김창희 한국에너지기술연구원 박사(수소연구단장)은 "2세대 수전해 설비의 경우 한국이 지금은 유럽 등에 뒤처져 있지만, 기업들이 정부 출연 연구소나 대학에서 개발한 첨단 수전해 기술을 활용할 의지만 있다면 3~5년 내 충분히 따라잡을 수 있을 것으로 예상한다"며 "기업의 적극적인 참여를 유도하려면 정부도 보조금 같은 유인책을 마련할 필요가 있어 보인다"고 말했다.
현재 대기업 중에서는 한화그룹이 직접 수전해 설비를 개발하겠다고 발표한 상태다. 한화솔루션 관계자는 "수년 내 혁신적인 수전해 설비를 선보이겠다"며 "기존 기술보다 전력을 덜 쓰고 투자비도 절감할 수 있는 방향으로 연구를 진행 중"이라고 말했다.
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[수소경제 ③]물에서 수소 얻는다… 꿈의 에너지 캐는 혁신기업
스페셜안소영·최지희 기자,, 편집= 임홍경
입력 2020.01.03
호주의 먼스터에 있는 ‘우드맨 포인트 서호주 폐수처리장’. 이곳에서는 호주 신재생 에너지 기업 헤이저 그룹의 수소 생산 시설을 세우기 위한 움직임이 한창이다. 2021년 운영을 시작하는 이 시설에서는 하수처리장에 있는 메탄가스를 수소와 흑연으로 바꾸는 사업이 진행될 예정이다.
헤이저그룹은 기존의 수소 생산 방식인 화석연료와 전기를 사용하지 않고, 부산물도 흑연으로 바꿔 환경 오염이 적은 편이다. 하수처리장·매립지에서 나오는 바이오가스와 가격이 비싸지 않은 철광석을 촉매로 사용해 비용도 많이 들지 않는다. 호주 재생에너지국은 헤이저 그룹의 특수한 수소 생산 기술에 940만 달러의 자금을 투자하는 등 적극적으로 지원하고 있다.
▲헤이저그룹이 호주 먼스터 지역 하수처리장에 짓고 있는 수소 생산시설./ 호주 재생에너지국(ARENA) 제공
주요국 스타트업들은 헤이저그룹처럼 수소 산업의 기술·가격 측면의 한계를 뛰어넘기 위해 신기술을 내놓고 있다. 기존의 수소 생산·저장 기술을 뛰어넘어 다양한 사업모델을 내놓는 한편, 수소 활용처도 확대하고 있다. 이러한 움직임에 힘입어 수소 경제도 지속해서 성장할 것으로 보인다. 맥킨지는 “2050년 수소 산업이 전 세계적으로 2800조원의 부가가치와 3000만개의 일자리를 창출해 전 세계 에너지 수요의 18%를 충족시킬 것”이라고 전망한 바 있다.
| "환경오염 줄이고 가격도 낮춘다" 수소 생산 나선 스타트업
새로운 수소 생산법에 나선 기업은 헤이저그룹 뿐만이 아니다. 최근 들어 신재생에너지의 효율성을 극대화해 수전해 수소를 생산하거나, 전기도 화석연료도 아닌 방식으로 수소를 만들어내는 기업이 속속 나온다.
그간 수소 생산 방식은 △석유화학 공정에서 부산물로 생기는 부생수소 △천연가스에서 직접 추출하는 추출수소 △물을 전기분해하는 수전해수소가 주였다. 하지만 화석연료를 사용하는 방식은 지구 온난화를 유발하고, 수전해 방식은 수소 전환 효율성이 낮고 생산비용이 비싸다는 지적이 꾸준히 나왔다.
▲생산기술별 수소(1kg) 생산비용. 신재생에너지를 이용한 수전해로 청정 수소를 얻는 데 드는 비용은 현재의 수소 kg당 14.90달러 수준이다. 전문가들은 태양광, 풍력으로 얻는 재생에너지의 균등화발전비용(LCOE·사회적 환경적 비용을 포함한 전력생산 비용)이 떨어지고, 전기분해 효율이 높아져야 수소생산비용이 낮아질 수 있다고 보고 있다./ 한국 수소산업 로드맵 , 그래픽= 박길우
미국 스타트업 ‘헬리오겐’은 인공지능(AI)과 거울, 태양광을 활용해 수소를 생산할 계획이다. 헬리오겐은 앞서 1000℃까지 온도를 올려 전기를 만드는 집광형 태양광 시스템을 개발했고, 최근에는 1500℃까지 온도를 높여 물에서 수소를 분리하는 기술을 개발 중이다.
헬리오겐은 혁신적인 기술로 지속해서 거물들의 투자를 유치하고 있다. 현재까지 빌 게이츠 마이크로소프트의 창업자를 비롯해 캘리포니아뉴스그룹 회장인 패트릭 순 시옹, 레볼루션 LLC 회장인 스티브 케이스가 투자자로 참여했다. 수백만 달러를 투자한 빌 게이츠는 “혁신적인 태양열 집광 기술의 초기 후원자가 돼 기쁘다”면서 “고온 기술은 화석연료를 대체하기 위한 촉망 받는 발전”이라고 밝혔다.
2016년 설립된 스타트업 트롤리시스는 먹고 남은 음료수 캔으로도 수소를 생산할 수 있는 방식을 개발했다. 물에 넣은 폐알루미늄이 화학적 반응을 통해 수소와 산소로 분리되는 식이다. 화석연료를 사용하지 않고 남은 알루미늄은 재활용할 수 있어 친환경적이다. 트롤리시스는 수소 생산 기술에 대한 관심이 높아지면서 지난 10월 스페인 기업 ‘에나가스’에 2500만 달러에 매각됐다.
| "수소 사회 앞장"… 수소 저장 기술 개발하는 스타트업
수소 사회가 현실화되기 위해서는 수소를 안전하게 저장할 수 있는 기술 개발이 선행돼야 한다. 스타트업들은 더 안전하고 보다 저렴한 저장 방식을 찾기 위해 몰두하고 있다. 현재 가장 보편적으로 쓰이는 수소 저장 방식은 고압 기체로 수소를 저장하는 것이지만, 압력이 800기압(bar) 정도까지 높아 폭발 위험이 크다는 단점이 있다.
스타트업들은 고압 기체 수소 저장 방식 대신 △수소를 극저온 액화하여 액체 수소를 저장하는 방식 △수소를 흡착할 수 있는 고체 물질에 저장하는 방식 △수소 기체를 유기화합물이나 무기화합물 등을 사용해 화학적 결합을 통해 상압·상온에 저장하고 추출하는 화학적 액상 저장 방식 등에 신기술을 개발해 접목하고 있다.
2017년 스위스에 설립한 스타트업 ‘GRZ 테크놀로지스’는 흡착 방식의 저압 수소 저장 기술을 개발해 10bar 이하의 압력으로 수소를 저장할 수 있도록 했다. 기존 기체 수소 저장 방식(200~800bar)보다 압력이 크게 낮아지면서 더 안전할 뿐만 아니라 5~10배 많은 양의 수소를 저장하고 이송할 수 있어 비용도 절감된다.
노리스 갈란다트 GRZ 테크놀로지스 대표는 “수소 자동차 개발은 성숙기지만 수소를 저장하고 압축하는 분야는 여전히 넘어야 할 산이 많다”며 “30년간의 연구 끝에 스펀지가 물을 흡수하듯 수소를 흡착할 수 있는 다공성 재료를 활용한 기술을 개발했다”고 말했다.
▲ 수소차 보급 확대를 위한 충전 시스템으로 액화수소 기반의 이동식 수소 충전소./ 하이리움산업 제공
‘하이리움산업’은 국내 처음으로 극저온 액화수소 기술을 개발하고 저장 탱크의 무게를 세계 최저 수준으로 줄였다. 수소는 영하 235℃에서 기체에서 액체로 액화돼 부피가 800분의 1로 줄어든다. 여기에 하이리움산업이 개발한 저장 탱크를 접목하면 탱크 100kg당 12~18kg의 액화수소를 담을 수 있다. 700bar정도의 고압가스 탱크가 100kg당 5~6kg의 수소를 저장할 수 있는 것과 비교하면 저장량이 최대 3배까지 늘어난 것이다.
이 기술은 해외에서도 ‘러브콜’을 받고 있다. 미국 기업 알라카이 테크놀러지스의 액화수소 연료 항공 택시엔 하이리움산업의 저장 기술이 사용된다. 김서영 하이리움산업 대표는 “액화수소기술이 적용된 항공 택시는 1회 10분 이내 충전으로 4시간 이상 비행이 가능하다”며 “수소차와 드론 등을 액화수소로 구동하면 충전 시간은 단축되고 운행 시간은 늘어나 산업용으로 다양하게 쓰일 것”이라고 말했다.
▲수소연료전지드론과 배터리드론의 활동 범위 비교./그래픽=박길우
| 수소연료전지 활용해 드론 비행 시간·거리 대폭 늘린 스타트업
수소 생산·저장뿐 아니라 드론, 항공기 등으로 수소 활용처를 늘리는 스타트업도 많다. 에스토니아 드론제조업체 스카이코프는 수소 구동 드론으로 비행시간을 2배로 늘렸고, 영국의 스타트업 H2고 파워는 3D 프린터로 만든 수소 드론을 가지고 비행시간을 90분까지 늘렸다.
▲자이언트 드론
2015년 설립된 국내 드론업체 자이언트드론은 리튬 배터리 드론(5~10km)보다 더 넓은 범위에 활용할 수 있는 수소 연료 전지 드론(80~160km)을 개발했다. 3L짜리 수소저장 탱크를 탑재하고, 고분자 전해질 연료전지를 도입해 비행시간이 1~2시간가량이다. 자이언트드론은 강원도청과 손잡고 수소연료전지 드론을 산불감시 등 소방용 드론으로 제공할 계획이다.
최근 수소 연료전지를 동력원으로 하는 항공기까지 등장했다. 미국의 항공 모빌리티 스타트업 앨러카이 테크놀로지스는 지난 5월 수소 연료 전지에서 동력을 얻는 5인승 항공 택시 ‘스카이’를 선보였다. 우버·인텔이 개발 중인 항공 택시는 모두 배터리 구동 방식이지만, 앨러카이의 항공 택시는 액화 수소를 사용해 운항 시간을 8배 이상 늘려 4시간 이상 날 수 있다. 열과 물만 방출해 친환경적이고, 다른 연료전지 항공기보다 더 많은 적재물을 운반할 수 있다.
▲앨러카이 테크놀로지스
브라이언 모리슨 앨러카이 테크놀로지스 최고기술경영자(CTO)는 “스카이는 교통혼잡을 해소하고, 자연재해 시 구호물품을 전달하거나 운송수단으로도 활용할 수 있을 것”이라며 “실용적이고 실질적인 해결책을 제공할 수 있다”고 말했다.
미국 실리콘밸리에 있는 제로아비아는 2022년까지 고압 탱크에 저장된 수소를 연료로 사용하는 20인승 프로펠러 항공기를 단거리 노선에 도입하겠다는 목표를 세웠다. 제로아비아는 수소연료전지 동력전달장치물(파워트레인)을 개발한 상태로, 항공기에 달아 시험 비행을 진행 중이다.
▲수소기술 혁신 스타트업./ 그래픽=박길우