에너지 가스 변환(Power to Gas) 기술 및 산업 동향
2020-05-06
org.kosen.entty.User@750cc6f7
윤정배(yoonjung)
1. 개요
에너지 가스 변환(P2G)은 전력을 수소(H2) 또는 메탄 (CH4) 가스 형태로 전환하는 에너지저장 기술로, 전력계통에 여유가 있을 경우 발전된 전력(풍력 및 태양광)을 계통으로 송전하지만, 전력 계통이 포화될 경우(송전 제약) 물을 전기분해(수전해 Electrolysis)하여 수소(H2)를 생산하거나, 수소를 이산화탄소(CO2)와 반응(메탄화반응 Methanation)시켜 메탄(CH4)의 형태로 저장한 후, 난방, 발전 그리고 수송용 연료(압축천연가스 CNG) 등으로 이용하는 기술이다.
기존의 에너지저장방식이 생산된 전력을 이차전지에 저장하는 방법이라면, P2G는 생산된 전력을 기체연료 형태로 저장하는 방식으로, 화력발전에서 발생된 이산화탄소(온실가스)를 메탄의 원료로 사용할 수 있다는 측면에서, 기존의 대용량 에너지저장시스템(Energy Storage System)과 구별될 수 있다.
더불어, 전력계통 운영 측면에서, 신재생에너지 출력의 안정화라는 공통적인 기능 이외에 이차전지는 주파수 안정화에 중점을 두는 반면, P2G는 송전 제약의 해소를 목적으로 한다.
본 리포트에서는 P2G 시스템의 현재 기술 수준, 업체 동향, 시장 규모 및 전망 그리고 시사점에 대해 소개하고자 한다.
2. 기술 동향[1, 2]
P2G는 장기간/대용량/고밀도 에너지 저장이 가능해, 일조량 및 풍량 등에 따라 높은 출력 변동성이 발생하는 재생에너지와 결합에 적합하며, 태양광과 풍력의 발전단가가 기존 화력 발전의 수준에 도달하는 2020년 이후 유럽을 시작으로 본격적인 상용화가 예상되고 있다.
P2G 시스템에서 가장 핵심적인 기술은 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해이며, 알카리 수용액을 사용하는 알칼라인(Alkaline Electrolysis, AEL) 방식에서, 시스템 간소화에 용이한 고분자(Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis, PEMEL) 또는 고체산화물(Solid Oxide Electrolysis, SOEL) 전해질 기반의 기술로 진화 중이다.
2.1. 수전해(Water Electrolysis)
일반적으로, 알카라인(AEL) 및 멤브레인(PEMEL) 수전해는 구동 온도가 100℃ 이하이므로 저온 수전해로 분류되고, 700℃ 이상에서 작동하는 고체산화물(SOEL)은 고온 수전해로 구분된다.
2.1.1. AEL(Alkaline Electrolysis)
AEL은 20세기 초부터 MW 규모의 수소 생산에 적용된 기술로 고가의 백금촉매를 필요로 하지 않아 단위출력당 설치비용은 PEMEL에 비해 저렴하며, 산화극과 환원극은 다공질 격막에 의해서 분리되고, 전해질로는 25~30%의 KOH 혹은 NaOH 용액이 주로 사용된다.
공급수는 환원극에서 소모되고(2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-), 산화극에서는 물이 생성 되는데(2OH- -> 1/2O2 + H2O + 2e-), 전해질 농도의 변화 및 생성가스 오염을 방지 하기 위해서 양쪽 전극으로 유입되기 전에 혼합되고, 이때, 수소 및 산소의 순도는 각각 99.5~99.9% 및 99~99.8% 수준이다.
AEL 기술의 핵심은 고온/고압 환경에서 구동하는 것으로, 전해온도 110~115℃의 고온영역에서 전해액의 저항 및 과전류 감소를 위한 방법에 해당되며, 특히, 고압에 의해 발생된 수소 기포의 크기를 작게 하는 방법 및 기존 격막(석면 -> 특수 불소수지) 그리고 전극재료(니켈 도금 탄소강 -> 활성화 전극)에 대한 대체 물질 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
2.1.2. PEMEL(Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis)
PEMEL은 고분자전해질연료전지(PEMFC)에서 이용되는 양이온교환막을 전해질로 이용하여, 시스템을 소형화 및 고성능화할 수 있으나, 산성 특성이 있어 저가의 전이금속을 사용하지 못하고 귀금속인 백금(환원극, 2H+ + 2e- -> H2)과 이리듐(산화극, H2O -> 1/2O2 + 2H+ + 2e-)을 촉매(Catalyst)로 사용해야 하는 단점이 있다.
그러나, 다공성 격막을 사용하는 AEL과는 다르게 전극 간에서 발생하는 수소 및 산소가 고분자 막을 투과하기 어렵기 때문에 상대적으로 높은 순도(99.99% 수소)의 생성가스를 얻을 수 있다.
PEMEL 기술의 핵심은 제조 공정의 저비용/대형화를 실현하는 것으로, 기존의 고가 불소계 양이온교환막을 저가의 탄화수소계 고분자로 대체하기 위한 연구 및 반응효율을 유지한 상태에서 귀금속 촉매의 사용량을 줄이기 위한 소재개발 연구가 활발히 진행 중이며, 더불어, MW급 대형 스택(Stack)의 설계기술 개발도 진행 중이다.
2.1.3. SOEL(Solid Oxide Electrolysis)
SOEL은 1970년대부터 미국에서 개발이 진행되었으며, 최근 들어 고체산화물연료전지(SOFC)의 기술 발전에 따라 폐열을 활용하여 수소를 생산할 수 있으며, 높은 온도에서 구동 하기 때문에 저온 수전해에 비해 높은 효율을 보인다는 점에서 관심을 받고 있다.
일반적으로, 산소이온(O2-)을 전도체로 사용해 700~1,000℃에서 구동되며, 이산화탄소와 수증 기의 동시 전해가 가능하여 합성가스를 생성할 수 있고, 구동 모드의 변환에 따라 연료전지로 가동할 수 있다.
산화극(O2- -> 1/2O2 + 2e-)에는 주로 페로브스카이트(Perovskite: 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속산화물) 구조의 금속산화물이 활용되고, 환원극(H2O + 2e- -> H2 + O2-)으로는 니켈(Ni) 서멧(Cermet: 세라믹스(Ceramics)와 금속(Metals)의 조합으로 구성된 소결 재료)을 적용하고 있으며, 니켈 서멧은 오래 사용하게 되면 결정립 조대화가 일어나 장기 성능에 있어 안정성이 떨어진다는 문제가 있고, 페로브스카이트는 수전해 반응 시 수소와 함께 생산되는 산소 분압이 높아지는 환경에서 산소 수용력이 떨어져 전극의 미세구조 변화에 따른 박리 현상이 발생할 수 있다는 단점이 있다.
더불어, 1kW급 가정용 고체산화물연료전지(SOFC)를 상용화한 Toshiba(일본)는 2015년 SOEL 시스템 시제품을 출시한 적이 있으나, 다른 수전해 기술에 비해 아직 단위셀이나 소형 스택을 이용한 연구 수준에 머물러 있어 상용화를 위해서는 소재의 내구성과 시스템의 신뢰성에 더 많은 연구가 필요한 실정이다.
2.2. 메탄화(Methanation)
메탄화는 수전해를 통해 생산된 수소와 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 반응 시켜 천연가스의 주성분인 메탄으로 전환하는 화학공정 기술로, 촉매역할을 하는 물질의 종류에 따라 니켈 기반의 촉매를 사용하는 열화학적 메탄화와 미생물을 사용하는 생물학적 메탄화로 구분된다.
열화학적 메탄화 기술은 기술적 성숙도 및 대용량 운전 가능성 측면에서 높게 평가되나, 간헐적 운전에 대한 유연성이 적고, 운전온도가 높으며(300~550℃), 촉매 사용으로 인해 가스의 성분과 온도에 대한 정밀한 제어가 필요하여, 대부분의 상용화된 메탄화 공정은 다수의 단열반응기와 결합하여 구성하고 있으며, 반응기 후단의 가스를 재순환시키거나 반응기 사이에 열교환기를 설치하여 공정상 온도를 원하는 범위 내로 제어하는 방식을 취하고 있다.
또한, 열역학적으로 안정한 화합물인 이산화탄소를 메탄으로 전환시키기 위한 추가적인 에너지가 요구되며, 더불어, 이산화탄소의 효율적인 연료화를 위한 최적의 합금촉매 개발이 핵심기술에 해당된다.
생물학적 메탄화 기술은 수소와 이산화탄소를 이용해 메탄을 생성시키는 고세균류(Archaea) 미생물을 사용하고 있고, 열화학적 메탄화 기술에 비해 시스템 구성이 단순하고 상대적으로 낮은 온도(30~70℃)에서 운전되는 장점이 있으나, 현재 파일럿 규모의 소규모 실증 연구 단계로 시스템 효율 향상에 관한 검증이 필요하다.
3. 업계 동향[3, 4]
3.1. 해외 동향
P2G 시스템의 핵심기술인 수전해 설비를 공급하는 대표업체로는 Hydrogenics(캐나다)와 ITM Power(영국) 등이 있고, 유럽에서는 30여개의 P2G 플랜트가 운영 중이며, 수소 생산을 위해 적용된 전기분해 기술은 AEL이 19개소 그리고 PEMEL이 21개소 등이다.
Hydrogenics(캐나다)는 1995년 설립된 수소연료전지와 수소 제조용 수전해 설비 제조업체로, P2G 기술, 수소에너지 저장 및 수송 분야에서 독일을 중심으로 유럽 여러 나라에 다양한 수전해 설비를 공급하고 있으며, 2012년 E.ON(독일)의 P2G 실증사업인 Falkenhagen 프로젝트에 AEL 방식의 2MW급 수전해(수소생산 360Nm3/hr) 설비를 공급하였다.
ITM Power(영국)는 2001년 설립된 수소에너지 솔루션 업체로, 사업영역은 청정연료의 설계, 제조 및 에너지 저장을 위한 수소에너지 시스템의 판매/생산을 포함하여, 건설 시공, 컨설팅, 유지 보수 및 기타 서비스를 제공하고 있고, 2017년 9월 가스회사 Gasunie(네덜란드)의 자회사인 EnergyStock(네덜란드)에 1.1MW급 PEMEL 설비를 공급했으며, 2018년 1월 Shell(네덜란드)의 독일 Rhineland 정유소에 세계 최대 규모인 10MW급 PEMEL 시설의 건설 계획을 발표하였다.
3.2. 국내 동향
국내의 대용량에너지저장 기술개발과 보급정책은 리튬이온전지 등을 중심으로 이루어져, P2G와 같은 재생에너지를 연계한 수소 저장 연구는 초기 단계이고, 국내 수전해 관련 기업들은 주로 해외 기술에 의존하고 있으며, 정부는 2015년 말부터 재생에너지-수전해 연계 실증연구 과제를 지원하고 있다.
창원시는 2020년까지 총사업비 930억 원을 투입해 수소충전소 구축사업(1단계)과 압축천연가스(CNG)를 활용한 수소생산설비 구축사업(2단계), 이산화탄소 재처리 장치 구축사업 (3단계), 수소액화장치 및 저장장치 구축사업(4단계) 그리고 태양광 및 연료전지발전소를 연계한 수소전기 융합에너지 실증단지 조성(5단계) 등을 차례로 진행할 계획이며, P2G 관련 원천기술을 가진 국내 기업은 극소수에 불과한 실정이고, 대표적인 P2G 관련 업체로는 엘켐텍과 지필로스 등이 있다.
엘켐텍은 2002년 4월 수전해 기술로 사업을 시작해 전기분해에 의한 살균과 수소수 제조에 이어, 멤브레인 수전해 원천기술인 막전극접합체(MEA) 및 대용량 수소 발생용 수전해 시스템 분야에 특화된 기술력을 보유하고 있으며, 국내 최초로 350기압의 고압 수전해장치 개발에 성공한데이어 수전해장치와 연료전지를 연계한 0.5kW급 140기압 분리형 재생연료전지(Discrete Regenerated Fuel Cell) 시스템도 개발에 성공하면서 청정 수소에너지 생산 및 저장에 대한 기술도 확보하고 있다.
지필로스는 2009년 4월 연료전지 전력변환기 개발업체로 설립되었고, 주력 사업인 연료 전지용 계통연계 인버터, 고용량 DC/DC 전력변환기 및 독립형 전원장치의 연구개발을 통해 제품의 고도화와 대용량/고부가가치 전력변환장치 사업에 집중하고 있으며, 2017년 12월부터 대형풍력의 잉여전력을 활용한 수소변환 및 저장 기술을 개발하고 있고, 더불어, 시스템 및 공정의 경제성 확보 방안을 연구개발하고 있다.
이엠솔루션과 가스테크 등은 수전해 방식으로 수소를 생산하여 연료전지차에 고압으로 수소를 주입하기 위한 수소스테이션 기술을 개발 중에 있으며, 한국에너지기술연구원은 고체산화물연료전지(SOFC)와 함께 수전해와 재생에너지의 연계 요소기술을 중점 연구하고 있다.
4. 시장 현황[5, 6, 7]
P2G 산업의 특징은 플랜트 수주 산업, 진입장벽이 높은 가스 산업, 정책 의존도가 높은 에너지 신산업, 생산 및 부가가치 유발효과가 높은 산업, 그리고 신성장 전략 산업으로 요약되며, P2G 관련 산업이 차지하고 있는 시장규모, 시장성장성(제조업 평균 대비), 장단기 시장전망, 수익성, 경쟁강도, 수명주기 및 시장촉진/저해요인을 종합적으로 검토한 결과, P2G 산업의 시장매력도는 ‘보통’ 수준으로 판단된다.
4.1. 국내 시장
산업통상자원부 등의 수소분야 연구개발비 지원 실적에 따르면, P2G 국내 시장은 2014년 52억 원에서 연평균 11.46% 성장하여 2017년 72억 원 규모이며, 이후 연평균 15.19% 성장하여 2022년에는 약 162억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망되고, 국내 시장은 엘켐텍, 지필로스 그리고 한국원자력연구원 등이 수행 중인 연구과제의 정부와 민간 투자비에 의해 형성된 상태이며, 2022년 이후 실증이 진행되면, 2025년부터 내수 시장이 형성될 것으로 예상된다.
4.2. 세계 시장
시장조사기관인 Navigant Research(미국)의 Power-to-Gas for Renewable Integration 보고서에 따르면, P2G 세계 시장은 2014년 66백만 달러에서 연평균 16.96% 성장 하여 2017년 106백만 달러 규모이며, 이후 연평균 36.50% 성장하여 2022년에는 444 백만 달러의 시장규모를 형성할 것으로 전망되고, 재생에너지 강국인 독일은 북부의 풍력발전에서 생산된 전력을 공업지대인 남부 지역으로 전송하기 위해 2019년부터 2027년까지 1,320백만 달러를 투자해 누적 1,500MW의 P2G 설비를 설치할 계획이며, 독일 이외에도 프랑스, 덴마크, 네덜란드, 영국, 스페인 등 유럽의 주요국에서 재생에너지와 P2G를 연계한 14개 플랜트의 건설을 계획 중이다.
5. 시사점
P2G는 재생에너지 보급 증가에 따라 발생하는 출력 변동성, 전력 수요/공급의 불일치 그리고 송배전 제약 등의 전력계통 문제 해결과 열/수송용 연료 등 다양한 분야에 활용 가능한 기술로, 상용화를 위해 요구되는 핵심 기술은 다음과 같다.
P2G 핵심기술은 수전해(Water Electrolysis)와 메탄화(Methanation)로 구성되어 있으며, 물을 전기분해하여 수소를 생산 하는 수전해는 전해질로 알카리 수용액을 사용하는 방식에서 시스템 간소화에 용이한 고분자막을 적용하는 기술로 발전하고 있는 바, 경제성을 높일 수 있는 저가의 대체 전해질 및 전극소재의 개발이 필요한 실정이다.
더불어, 메탄화는 수전해로 생산된 수소에 이산화탄소를 화학반응시켜 천연 가스의 주성분인 메탄을 합성하는 화학공정으로, 반응기 설계 기술과 반응성을 높일 수 있는 저가의 합금촉매 개발이 요구되고 있다.
References
1. Transition of Future Energy System Infrastructure; through Power-to-Gas Pathways. University of Waterloo, 2017.
2. The Potential of Power-to-Gas. ENEA Consulting, 2016.
3. 에너지저장, 그리드 밸런싱, 부분간 결합을 위한 수전해 기술의 현황. KOSEN, 2018.
4. 에너지 가스 변환(Power to Gas) 기술. 한국신용정보원 TDB, 2018.
5. 에너지 가스 변환(Power to Gas) 시장. 한국신용정보원 TDB, 2018.
6. 수소분야 연구개발비 지원 실적. 산업통상자원부, 2018.
7. Power-to-Gas for Renewables Integration. Navigant Research, 2017.
에너지 가스 변환(P2G)은 전력을 수소(H2) 또는 메탄 (CH4) 가스 형태로 전환하는 에너지저장 기술로, 전력계통에 여유가 있을 경우 발전된 전력(풍력 및 태양광)을 계통으로 송전하지만, 전력 계통이 포화될 경우(송전 제약) 물을 전기분해(수전해 Electrolysis)하여 수소(H2)를 생산하거나, 수소를 이산화탄소(CO2)와 반응(메탄화반응 Methanation)시켜 메탄(CH4)의 형태로 저장한 후, 난방, 발전 그리고 수송용 연료(압축천연가스 CNG) 등으로 이용하는 기술이다.
기존의 에너지저장방식이 생산된 전력을 이차전지에 저장하는 방법이라면, P2G는 생산된 전력을 기체연료 형태로 저장하는 방식으로, 화력발전에서 발생된 이산화탄소(온실가스)를 메탄의 원료로 사용할 수 있다는 측면에서, 기존의 대용량 에너지저장시스템(Energy Storage System)과 구별될 수 있다.
더불어, 전력계통 운영 측면에서, 신재생에너지 출력의 안정화라는 공통적인 기능 이외에 이차전지는 주파수 안정화에 중점을 두는 반면, P2G는 송전 제약의 해소를 목적으로 한다.
본 리포트에서는 P2G 시스템의 현재 기술 수준, 업체 동향, 시장 규모 및 전망 그리고 시사점에 대해 소개하고자 한다.
2. 기술 동향[1, 2]
P2G는 장기간/대용량/고밀도 에너지 저장이 가능해, 일조량 및 풍량 등에 따라 높은 출력 변동성이 발생하는 재생에너지와 결합에 적합하며, 태양광과 풍력의 발전단가가 기존 화력 발전의 수준에 도달하는 2020년 이후 유럽을 시작으로 본격적인 상용화가 예상되고 있다.
P2G 시스템에서 가장 핵심적인 기술은 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해이며, 알카리 수용액을 사용하는 알칼라인(Alkaline Electrolysis, AEL) 방식에서, 시스템 간소화에 용이한 고분자(Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis, PEMEL) 또는 고체산화물(Solid Oxide Electrolysis, SOEL) 전해질 기반의 기술로 진화 중이다.
2.1. 수전해(Water Electrolysis)
일반적으로, 알카라인(AEL) 및 멤브레인(PEMEL) 수전해는 구동 온도가 100℃ 이하이므로 저온 수전해로 분류되고, 700℃ 이상에서 작동하는 고체산화물(SOEL)은 고온 수전해로 구분된다.
2.1.1. AEL(Alkaline Electrolysis)
AEL은 20세기 초부터 MW 규모의 수소 생산에 적용된 기술로 고가의 백금촉매를 필요로 하지 않아 단위출력당 설치비용은 PEMEL에 비해 저렴하며, 산화극과 환원극은 다공질 격막에 의해서 분리되고, 전해질로는 25~30%의 KOH 혹은 NaOH 용액이 주로 사용된다.
공급수는 환원극에서 소모되고(2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-), 산화극에서는 물이 생성 되는데(2OH- -> 1/2O2 + H2O + 2e-), 전해질 농도의 변화 및 생성가스 오염을 방지 하기 위해서 양쪽 전극으로 유입되기 전에 혼합되고, 이때, 수소 및 산소의 순도는 각각 99.5~99.9% 및 99~99.8% 수준이다.
AEL 기술의 핵심은 고온/고압 환경에서 구동하는 것으로, 전해온도 110~115℃의 고온영역에서 전해액의 저항 및 과전류 감소를 위한 방법에 해당되며, 특히, 고압에 의해 발생된 수소 기포의 크기를 작게 하는 방법 및 기존 격막(석면 -> 특수 불소수지) 그리고 전극재료(니켈 도금 탄소강 -> 활성화 전극)에 대한 대체 물질 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
2.1.2. PEMEL(Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis)
PEMEL은 고분자전해질연료전지(PEMFC)에서 이용되는 양이온교환막을 전해질로 이용하여, 시스템을 소형화 및 고성능화할 수 있으나, 산성 특성이 있어 저가의 전이금속을 사용하지 못하고 귀금속인 백금(환원극, 2H+ + 2e- -> H2)과 이리듐(산화극, H2O -> 1/2O2 + 2H+ + 2e-)을 촉매(Catalyst)로 사용해야 하는 단점이 있다.
그러나, 다공성 격막을 사용하는 AEL과는 다르게 전극 간에서 발생하는 수소 및 산소가 고분자 막을 투과하기 어렵기 때문에 상대적으로 높은 순도(99.99% 수소)의 생성가스를 얻을 수 있다.
PEMEL 기술의 핵심은 제조 공정의 저비용/대형화를 실현하는 것으로, 기존의 고가 불소계 양이온교환막을 저가의 탄화수소계 고분자로 대체하기 위한 연구 및 반응효율을 유지한 상태에서 귀금속 촉매의 사용량을 줄이기 위한 소재개발 연구가 활발히 진행 중이며, 더불어, MW급 대형 스택(Stack)의 설계기술 개발도 진행 중이다.
2.1.3. SOEL(Solid Oxide Electrolysis)
SOEL은 1970년대부터 미국에서 개발이 진행되었으며, 최근 들어 고체산화물연료전지(SOFC)의 기술 발전에 따라 폐열을 활용하여 수소를 생산할 수 있으며, 높은 온도에서 구동 하기 때문에 저온 수전해에 비해 높은 효율을 보인다는 점에서 관심을 받고 있다.
일반적으로, 산소이온(O2-)을 전도체로 사용해 700~1,000℃에서 구동되며, 이산화탄소와 수증 기의 동시 전해가 가능하여 합성가스를 생성할 수 있고, 구동 모드의 변환에 따라 연료전지로 가동할 수 있다.
산화극(O2- -> 1/2O2 + 2e-)에는 주로 페로브스카이트(Perovskite: 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속산화물) 구조의 금속산화물이 활용되고, 환원극(H2O + 2e- -> H2 + O2-)으로는 니켈(Ni) 서멧(Cermet: 세라믹스(Ceramics)와 금속(Metals)의 조합으로 구성된 소결 재료)을 적용하고 있으며, 니켈 서멧은 오래 사용하게 되면 결정립 조대화가 일어나 장기 성능에 있어 안정성이 떨어진다는 문제가 있고, 페로브스카이트는 수전해 반응 시 수소와 함께 생산되는 산소 분압이 높아지는 환경에서 산소 수용력이 떨어져 전극의 미세구조 변화에 따른 박리 현상이 발생할 수 있다는 단점이 있다.
더불어, 1kW급 가정용 고체산화물연료전지(SOFC)를 상용화한 Toshiba(일본)는 2015년 SOEL 시스템 시제품을 출시한 적이 있으나, 다른 수전해 기술에 비해 아직 단위셀이나 소형 스택을 이용한 연구 수준에 머물러 있어 상용화를 위해서는 소재의 내구성과 시스템의 신뢰성에 더 많은 연구가 필요한 실정이다.
2.2. 메탄화(Methanation)
메탄화는 수전해를 통해 생산된 수소와 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 반응 시켜 천연가스의 주성분인 메탄으로 전환하는 화학공정 기술로, 촉매역할을 하는 물질의 종류에 따라 니켈 기반의 촉매를 사용하는 열화학적 메탄화와 미생물을 사용하는 생물학적 메탄화로 구분된다.
열화학적 메탄화 기술은 기술적 성숙도 및 대용량 운전 가능성 측면에서 높게 평가되나, 간헐적 운전에 대한 유연성이 적고, 운전온도가 높으며(300~550℃), 촉매 사용으로 인해 가스의 성분과 온도에 대한 정밀한 제어가 필요하여, 대부분의 상용화된 메탄화 공정은 다수의 단열반응기와 결합하여 구성하고 있으며, 반응기 후단의 가스를 재순환시키거나 반응기 사이에 열교환기를 설치하여 공정상 온도를 원하는 범위 내로 제어하는 방식을 취하고 있다.
또한, 열역학적으로 안정한 화합물인 이산화탄소를 메탄으로 전환시키기 위한 추가적인 에너지가 요구되며, 더불어, 이산화탄소의 효율적인 연료화를 위한 최적의 합금촉매 개발이 핵심기술에 해당된다.
생물학적 메탄화 기술은 수소와 이산화탄소를 이용해 메탄을 생성시키는 고세균류(Archaea) 미생물을 사용하고 있고, 열화학적 메탄화 기술에 비해 시스템 구성이 단순하고 상대적으로 낮은 온도(30~70℃)에서 운전되는 장점이 있으나, 현재 파일럿 규모의 소규모 실증 연구 단계로 시스템 효율 향상에 관한 검증이 필요하다.
3. 업계 동향[3, 4]
3.1. 해외 동향
P2G 시스템의 핵심기술인 수전해 설비를 공급하는 대표업체로는 Hydrogenics(캐나다)와 ITM Power(영국) 등이 있고, 유럽에서는 30여개의 P2G 플랜트가 운영 중이며, 수소 생산을 위해 적용된 전기분해 기술은 AEL이 19개소 그리고 PEMEL이 21개소 등이다.
Hydrogenics(캐나다)는 1995년 설립된 수소연료전지와 수소 제조용 수전해 설비 제조업체로, P2G 기술, 수소에너지 저장 및 수송 분야에서 독일을 중심으로 유럽 여러 나라에 다양한 수전해 설비를 공급하고 있으며, 2012년 E.ON(독일)의 P2G 실증사업인 Falkenhagen 프로젝트에 AEL 방식의 2MW급 수전해(수소생산 360Nm3/hr) 설비를 공급하였다.
ITM Power(영국)는 2001년 설립된 수소에너지 솔루션 업체로, 사업영역은 청정연료의 설계, 제조 및 에너지 저장을 위한 수소에너지 시스템의 판매/생산을 포함하여, 건설 시공, 컨설팅, 유지 보수 및 기타 서비스를 제공하고 있고, 2017년 9월 가스회사 Gasunie(네덜란드)의 자회사인 EnergyStock(네덜란드)에 1.1MW급 PEMEL 설비를 공급했으며, 2018년 1월 Shell(네덜란드)의 독일 Rhineland 정유소에 세계 최대 규모인 10MW급 PEMEL 시설의 건설 계획을 발표하였다.
3.2. 국내 동향
국내의 대용량에너지저장 기술개발과 보급정책은 리튬이온전지 등을 중심으로 이루어져, P2G와 같은 재생에너지를 연계한 수소 저장 연구는 초기 단계이고, 국내 수전해 관련 기업들은 주로 해외 기술에 의존하고 있으며, 정부는 2015년 말부터 재생에너지-수전해 연계 실증연구 과제를 지원하고 있다.
창원시는 2020년까지 총사업비 930억 원을 투입해 수소충전소 구축사업(1단계)과 압축천연가스(CNG)를 활용한 수소생산설비 구축사업(2단계), 이산화탄소 재처리 장치 구축사업 (3단계), 수소액화장치 및 저장장치 구축사업(4단계) 그리고 태양광 및 연료전지발전소를 연계한 수소전기 융합에너지 실증단지 조성(5단계) 등을 차례로 진행할 계획이며, P2G 관련 원천기술을 가진 국내 기업은 극소수에 불과한 실정이고, 대표적인 P2G 관련 업체로는 엘켐텍과 지필로스 등이 있다.
엘켐텍은 2002년 4월 수전해 기술로 사업을 시작해 전기분해에 의한 살균과 수소수 제조에 이어, 멤브레인 수전해 원천기술인 막전극접합체(MEA) 및 대용량 수소 발생용 수전해 시스템 분야에 특화된 기술력을 보유하고 있으며, 국내 최초로 350기압의 고압 수전해장치 개발에 성공한데이어 수전해장치와 연료전지를 연계한 0.5kW급 140기압 분리형 재생연료전지(Discrete Regenerated Fuel Cell) 시스템도 개발에 성공하면서 청정 수소에너지 생산 및 저장에 대한 기술도 확보하고 있다.
지필로스는 2009년 4월 연료전지 전력변환기 개발업체로 설립되었고, 주력 사업인 연료 전지용 계통연계 인버터, 고용량 DC/DC 전력변환기 및 독립형 전원장치의 연구개발을 통해 제품의 고도화와 대용량/고부가가치 전력변환장치 사업에 집중하고 있으며, 2017년 12월부터 대형풍력의 잉여전력을 활용한 수소변환 및 저장 기술을 개발하고 있고, 더불어, 시스템 및 공정의 경제성 확보 방안을 연구개발하고 있다.
이엠솔루션과 가스테크 등은 수전해 방식으로 수소를 생산하여 연료전지차에 고압으로 수소를 주입하기 위한 수소스테이션 기술을 개발 중에 있으며, 한국에너지기술연구원은 고체산화물연료전지(SOFC)와 함께 수전해와 재생에너지의 연계 요소기술을 중점 연구하고 있다.
4. 시장 현황[5, 6, 7]
P2G 산업의 특징은 플랜트 수주 산업, 진입장벽이 높은 가스 산업, 정책 의존도가 높은 에너지 신산업, 생산 및 부가가치 유발효과가 높은 산업, 그리고 신성장 전략 산업으로 요약되며, P2G 관련 산업이 차지하고 있는 시장규모, 시장성장성(제조업 평균 대비), 장단기 시장전망, 수익성, 경쟁강도, 수명주기 및 시장촉진/저해요인을 종합적으로 검토한 결과, P2G 산업의 시장매력도는 ‘보통’ 수준으로 판단된다.
4.1. 국내 시장
산업통상자원부 등의 수소분야 연구개발비 지원 실적에 따르면, P2G 국내 시장은 2014년 52억 원에서 연평균 11.46% 성장하여 2017년 72억 원 규모이며, 이후 연평균 15.19% 성장하여 2022년에는 약 162억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망되고, 국내 시장은 엘켐텍, 지필로스 그리고 한국원자력연구원 등이 수행 중인 연구과제의 정부와 민간 투자비에 의해 형성된 상태이며, 2022년 이후 실증이 진행되면, 2025년부터 내수 시장이 형성될 것으로 예상된다.
4.2. 세계 시장
시장조사기관인 Navigant Research(미국)의 Power-to-Gas for Renewable Integration 보고서에 따르면, P2G 세계 시장은 2014년 66백만 달러에서 연평균 16.96% 성장 하여 2017년 106백만 달러 규모이며, 이후 연평균 36.50% 성장하여 2022년에는 444 백만 달러의 시장규모를 형성할 것으로 전망되고, 재생에너지 강국인 독일은 북부의 풍력발전에서 생산된 전력을 공업지대인 남부 지역으로 전송하기 위해 2019년부터 2027년까지 1,320백만 달러를 투자해 누적 1,500MW의 P2G 설비를 설치할 계획이며, 독일 이외에도 프랑스, 덴마크, 네덜란드, 영국, 스페인 등 유럽의 주요국에서 재생에너지와 P2G를 연계한 14개 플랜트의 건설을 계획 중이다.
5. 시사점
P2G는 재생에너지 보급 증가에 따라 발생하는 출력 변동성, 전력 수요/공급의 불일치 그리고 송배전 제약 등의 전력계통 문제 해결과 열/수송용 연료 등 다양한 분야에 활용 가능한 기술로, 상용화를 위해 요구되는 핵심 기술은 다음과 같다.
P2G 핵심기술은 수전해(Water Electrolysis)와 메탄화(Methanation)로 구성되어 있으며, 물을 전기분해하여 수소를 생산 하는 수전해는 전해질로 알카리 수용액을 사용하는 방식에서 시스템 간소화에 용이한 고분자막을 적용하는 기술로 발전하고 있는 바, 경제성을 높일 수 있는 저가의 대체 전해질 및 전극소재의 개발이 필요한 실정이다.
더불어, 메탄화는 수전해로 생산된 수소에 이산화탄소를 화학반응시켜 천연 가스의 주성분인 메탄을 합성하는 화학공정으로, 반응기 설계 기술과 반응성을 높일 수 있는 저가의 합금촉매 개발이 요구되고 있다.
References
1. Transition of Future Energy System Infrastructure; through Power-to-Gas Pathways. University of Waterloo, 2017.
2. The Potential of Power-to-Gas. ENEA Consulting, 2016.
3. 에너지저장, 그리드 밸런싱, 부분간 결합을 위한 수전해 기술의 현황. KOSEN, 2018.
4. 에너지 가스 변환(Power to Gas) 기술. 한국신용정보원 TDB, 2018.
5. 에너지 가스 변환(Power to Gas) 시장. 한국신용정보원 TDB, 2018.
6. 수소분야 연구개발비 지원 실적. 산업통상자원부, 2018.
7. Power-to-Gas for Renewables Integration. Navigant Research, 2017.