고온수전해, 수증기 전기분해를 이용한 수소제조 기술
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지속가능하고 쾌적한 삶을 영위하기 위하여 깨끗한 에너지를 이용하고자 하는 요구가 증대하고 있으며, 전세계적으로 2030년 이후 본격적으로 수소경제가 도래할 것이라는 전망이 조심스럽게 제기되고 있다. 수소에너지는 지구 환경오염, 자원의 고갈 및 지역적인 편중문제를 동시에 해결할 수 있는 유일한 대안으로서, 수소에너지 관련 원천기술의 확보가 21세가의 국가 경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 되었다. 이에 수소 제조/저장/수송 및 이용기술(ex. 연료전지)이 중심이 된 지속적인 투자 및 연구개발이 이루어지고 있으며, 수소경제 실현에 핵심적인 기술을 확보하여 환경오염 및 에너지환경 변화에 대한 불확실성을 최소화 하기 위한 노력이 전 세계적으로 진행되고 있다. 그러나 현재까지 수소를 제조하는 대부분의 기술은 원유 정제 공정이나 천연가스/나프타/메탄가스 개질과 같은 석유화학 공정이 중심을 이루고 있으며, 최근에는 저가의 석탄을 가스화하여 수소를 제조하는 연구가 진행되고 있다 (그림 1). 이러한 기술에 의존할 수 밖에 없는 이유는 석유화학 공정을 통해 수소를 제조하는 비용이 상대적으로 저렴하고 이미 대부분의 공정이 기술적으로 성숙되어있기 때문이다. 반면 석유기반 공정은 수소 제조 과정에서 다량의 CO2 와 같은 온실가스 배출이 문제시 되고 있으며, 이로 인한 환경오염이나 에너지수급 불안정 및 부존자원에 대한 의존도의 문제에서 자유로울 수 없는 근본적인 한계가 있다. 따라서 한정된 자원에 대한 구속이 없으며 환경 친화적인 방식으로 수소를 제조하는 기술에 대한 필요성이 끊임없이 제기되게 되었다.
이 가운데 고체산화물수전해셀(SOECs, Solid Oxide Electrolysis Cells)을 이용하여 600~800℃ 의 고온 수증기를 전기분해하여 수소를 제조하는 고온수전해 (HTE, High Temperature Electrolysis) 기술이 최근 미국과 유럽을 중심으로 활발이 연구되고 있다. 고온수전해방식은 고체산화물연료전지(SOFCs, Solid Oxide Fuel Cells)와 전기분해(Electrolysis)의 융합기술로 이해할 수 있으며 구조와 작동원리는 그림 2와 같다. 연료전지가 수소와 공기를 소비하면서 전기화학반응에 의하여 물과 전기를 생산하는 발전반응에 기초한다면, 고온수전해 반응(그림 2b)은 이와는 반대로 수증기 주입 후 전기에너지를 인가하여 전기화학적인 분해반응 (Electrochemical Splitting, H_2 O+energy→ H_2+ 1/2 O_2) 에 의해 수소와 산소가 분리되는 공정을 기반으로 하고 있다. 전기화학반응에 수반되는 반응열(Reaction heat flux) 역시 연료전지와 반대로 수전해반응 에서는 흡열 (ΔH<0)이 일어나게 된다. 따라서 자발적인 생성열에 의해 반응이 지속되는 연료전지와는 달리 수전해셀의 반응은 작동 환경을 유지하기 위하여 지속적인 열 및 전기에너지의 공급을 요구하고 있으며, 원자력발전/신재생에너지/폐기물에너지 등으로부터 필요한 에너지원을 공급받는 시스템이 구상되고 있다.
미국, EU 등 주요 에너지 선진국에서는 신재생에너지를 이용한 수소제조 (Renewable Electrolysis) 기술 등 환경 친화적인 독자적 기술력 확보를 추구하고 있으며, 차세대 에너지 시장을 선점하기 위한 국가주도형 기술개발을 추진하고 있다. 미국의 경우 2005년부터 DOE Nuclear Hydrogen Initiative (NHI) 에서 원자력시스템과 연계를 목표로 열화학적인 방법과 고온수전해 방법으로 수소를 제조하는 기술에 대한 타당성 검증을 실시해 왔다. 이 가운데 고온수전해 기술은 Idaho National Lab. (美)에서 가장 활발한 연구활동을 수행하였으며, 2009년 파이롯트 규모의 15 kW-5 Nm3/h 급 시스템을 선보이기도 했다. 최근 신재생에너지에 대한 의존도를 높이고 있는 유럽(EU)의 경우 독일(EIFER), 프랑스(CEA, Helion), 네델란드(ECN), 덴마크(DTU-RISOE, TOPSOE), 영국(Imperial College) 소재의 연구기관이 RelHy (Innovative Solid Oxide Electrolyser Stacks for Efficient and Reliable Hydrogen Production) 컨소시엄을 통해 고온수전해 수소제조 기술에 대한 연구를 집약적으로 실시하고 있다. 선진 각국들의 고효율 친환경에너지 개발은 앞으로도 치열하게 진행될 것이며, 이 가운데 환경 친화적인 수소제조에 대한 기술기반을 확충하려는 노력이 계속될 것으로 사료된다. 특히, 태양에너지 및 풍력과 같은 지속가능한 자연에너지를 활용하는 융합기술에 대한 연구개발이 지속적으로 확대될 것으로 전망된다.
참고문헌
[1] B. Yu, et el., High Temperature Electrolysis in Large-Scale Hydrogen Production. 1st ed. New York: Nova Science Publishers, 2010
[2] DOE Hydrogen Production / Nuclear Hydrogen Initiative FY 2009 Annual Progress Report pp. 174, 2009
[3] S.D. Kim, et al., Hydrogen production performance of 3-cell flat-tubular solid oxide electrolysis stacks. Int. J. Hydrogen Energ., 37 (2012) 78-83.
[4] C.M. Stoots, et al., Electrolysis for large-scale hydrogen production from nuclear energy. Int. J. Hydrog Energ., 34 (2012) 4028-4037.
[5] F.L. Joud, et al. Status of the RelHy project on innovative solid oxide electrolyser stacks for efficient and reliable hydrogen production. Chapter15 B0702. In: Proceedings of European Fuel Cell Forum 2011, Lucerne, Switzerland; 2011.
