1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 화석연료 개질 기술
- 가장 일반적인 수소생산 방식으로서, 탄소배출량 저감 효과가 50%이지만, 기술 수준과 수소생산 단가에서 약 $1~4/kg의 높은 경쟁력을 보유
- 개질수소는 압력순환흡착(PSA) 공정으로 정제하며, 고성능 흡착제 개발이 중요
- 수증기 개질은 높은 반응 온도로 인한 에너지 낭비(에너지 효율적 이슈), 반응 중 촉매 표면상에 생성되는 탄소로 인한 촉매 활성도 및 수소 선택도 저하(기술적 이슈), 부산물로 발생하는 막대한 양의 이산화탄소 (환경적 이슈)와 같은 문제가 존재
● 수전해 기술
- 고활성･고내구성 나노구조 촉매 관련 연구가 활발히 진행 중
- 재생에너지(풍력, 태양광 등) 유휴전력 활용 시 탄소배출량 저감 효과가 100%이나, 기술수준과 생산 단가에서 화석연료 개질기술에 비해 약 2배 이상 비싸 아직 경쟁력이 낮고, 낮은 내구성으로 인한 시스템 적용 및 상용화에 한계
- 저온형 수전해(알칼리 수용액, 양이온 교환막, 음이온 교환막)와 고온형 수전해(고체산화물)로 구분되고 저온형 수전해 방식이 실용화에 근접
- 수전해 기술로 물을 분해하여 생산된 수소에 포함되는 미량의 산소는 촉매반응을 통해 산화시켜 물로 전환시켜 정제함으로써 안전성 확보 가능
● 태양광 물분해 기술
- 태양광을 이용하여 물로부터 수소를 생산하는 기술로서 반도체성의 나노 입자 촉매를 이용하여 촉매 표면에서 수소와 산소가 동시에 발생되는 광화학법과 전기화학적 셀을 만들고 광에너지를 제공하여 각각의전극에서 산소 및 수소가 발생되는 광전기화학 방법이 존재
- 수전해 기술이나 기타 수소생산 기술에 비해 생산단가가 지나치게 높다는 단점을 보유
- 저가의 고성능 광촉매 소재를 개발하는 원천기술 개발과 생산단가 절감을 위해 원료비용 절감과 더불어 양산기술 개발 및 시스템 최적화도 필요
● 바이오매스 수소전환 기술
- 버려지는 쓰레기를 포함하여 다양한 바이오매스로부터 열화학적 전환공정(열분해, 가스화 반응, 초임계수 가스화) 및 생물학적 전환공정(발효, 광합성, 생물학적 수성가스 전환반응)을 통해 수소를 생산하는 기술 - 화석연료 개질기술과 비슷한 기술적 이슈를 보유
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
● 수소생산 및 저장
- 국내 수소시장 규모는 현재 연간 약 200만 톤이며, 2030년에는 490만 톤, 2050년에는 1,690만 톤으로 성장할 것으로 예측
- 국내 수소시장 규모는 2022년 11조 4천억 원, 2040년 78조 원, 세계 시장 규모는 2022년 184조 원으로 예상
- 부생 수소를 제외한 대부분의 수소를 생산하는 방식으로 기술 성숙도가 높고 시장도 이미 형성되어 있는 개질수소생산 기술은 부산물로 CO2가 배출되기 때문에 확장성에 제한이 있어 물을 직접 분해하여 수소를 생산하는 기술이 요구3)
● 수소스테이션
- 전 세계적으로 2020년 정도에 5,200개소 이상의 수소스테이션이 운영이 될 것으로 전망되고 있으며, 수소스테이션에 대한 투자도 연간 16억 달러로 10년간 총 84억 달러에 이를 것으로 예측
- 수소 공급의 핵심 기반으로서 수소연료전지의 보급률과 맞추어 확대될 가능성이 증대4)
● 수소연료전지
- 핵심적인 수소의 활용처로서 발전용 연료전지의 시장은 2017년 약 2조 원에서 2030년 정도에 약 50조 원으로 예측(수송용 연료전지가 시장 견인)
- 수소차 누적 생산량을 2018년 2천 대에서 2040년 620만 대(내수 290만 대, 수출 330만 대)로 확대하고, 세계시장 점유율 1위 달성을 위한 정책 마련5)
● 수소에너지저장시스템
- 수전해-저장-연료전지로 구성되어 있는 수소에너지저장시스템은 납축전지, 디젤 발전기와 같은 환경오염가능성이 있는 기존의 긴급 백업전원을 대체가능하고 대체가능한 전체 긴급 백업전원 시장 규모는 2020년 기준 약 19.9조 원으로 예측
- 북미 기준 806대(1.86MW)가 설치되었고 향후 1,800여대로 확대 예정, 유럽 및 중국은 실증 프로그램 운영
3) 맥킨지앤컴퍼니, 한국 수소산업 로드맵, www.marketsandmarkets.com (2018) 4) 2016 신재생에너지백서, 신재생에너지원별 기술동향, p.199 (2016)
5) 월간수소경제, 아시아 연료전지 시장 (2019.01.29.)
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
● 생산효율
- 수소판매가격 3,000원/kg(2040년) 이하 달성이 목표
- 수소생산단가 약 2,000~5,000원/kg 수준으로 시장진입하기에 가격이 높으므로 수소 생산 효율 개선을 위한 고성능 나노구조 촉매 소재 기술, 대면적 균일 전극화 기술, 반응 공정 설계 기술, 시스템 기술들이 개발 중
● 장기안정성
- 장기안정성은 수소생산단가와 직접적인 연관이 있기 때문에 각 소재, 부품, 시스템에서 내구성을 향상 시키기위한 내부식성 향상 기술, 안정성 향상 기술, 시스템 운전 기술들이 개발 중
표 1 주요 기술 및 이슈
구 분 세 부 내 용
화석연료 개질 기술
나노소재 기반 수소 정제효율 향상 흡착제 기술 탄소 침적 제어 기술
CO 발생 제어 기술 저온 개질 기술 전환율 향상 기술 촉매 반응 안정화 기술
수전해 기술
나노구조촉매에서 귀금속 저감 및 대체 기술 전극화 기술
MEA 기술 스택화 기술 내부식성 향상 기술 활성 및 안정성 향상 기술
태양광 물분해 기술
나노구조촉매에서 귀금속 저감 및 대체 기술 전극화 기술
내부식성 향상 기술 시스템화 기술
활성 및 안정성 향상 기술
바이오매스 수소전환 기술
액상개질기술 수소 선택성 향상 기술 기존 2단계 반응 단축화 기술
2 기술 동향
2.1. 국내 동향
● 서울대학교
-Eggshell 멤브레인을 촉매 template를 이용하여 NiO/CeO2를 합성, 약 20~30 나노미터 입자의 NiO가 담지된 촉매의 메탄 수증기 개질 반응성을 평가하여 반응 온도 800℃에서 메탄을 수소로 개질하는 데 300분간 98%의 전환율 달성을 확인
● 재료연구소
- 저가 비귀금속 다원계 CuCo 산화물 촉매를 다공성 전극위에 전착법으로 촉매층을 약 550nm 두께로 담지하여 산소발생반응 전극으로 적용
- 단위 수전해 셀에 적용하면 200mV(@10mA/cm2)의 과전압을 보였으며 정전류(100mA/cm2) 시험 내구성 100시간을 달성6)
● 엘켐텍
- 수소생산 및 충전기술 개발을 위해 140bar의 고압으로 수소를 생산할 수 있는 시스템을 개발7) -350bar에 해당하는 압력으로 수소를 생산할 수 있는 시스템을 개발 중
2.2. 해외 동향
● 국제공동연구팀
- 일본, 중국의 대학과 정부 연구소를 포함한 공동연구팀은 최근 2~3 나노미터의 Rh 금속을 담지한 TiO2
나노 촉매를 개발하여 가시광선을 이용해 메탄 개질 반응의 온도를 300℃ 이하로 낮춘 연구를 보고 - 기존 메탄 수증기 개질의 활성 에너지와 비교하였을 때 약 50% 활성 에너지가 낮아짐을 확인8)
● Brookhaven 연구소-University of Pennsylvania, 미국
- 나노촉매 표면제어 기술인 atomic layer deposition(ALD)를 합성과정에 접목하여 1 나노미터 두께의 CaTiO2필름을 MgAl2O4담지체에 증착시킨 후 5~10 나노미터 니켈 금속 나노 촉매를 합성
- 반응온도 800℃에서 약 12시간 동안 Ni/MgAl2O4촉매보다 월등히 낮은 탄소 침적이 관찰
6) ACS Appl. Mater. Interfaces, 10, 38663-38668 (2018)
7) 상용품으로 1~10N/m3 으로 10bar 이상의 수소를 생산할 수 있는 H2Gen 제품을 개발 8) ACS Catal, 8, 8, 7556-7565 (2018)
● Catacel, 미국
- 기존 세라믹 펠렛 형태의 촉매의 단점을 개선하기 위하여 원형의 금속 foil support에 개질 촉매를 담지하여 개질기의 열전달 특성을 개선하고 촉매의 내구성을 향상
3 시사점(기술수준)
● 수소생산기술의 국내 기술수준은 약 80% 수준으로 평가
- 수소 개질기 관련, 최고 기술을 보유한 기업은 Mahler로서 4,500Nm3/h급 규모의 수소 생산 공장을 개발 하였고 국내는 ㈜제이엔케이히터에서 30Nm3/h급 규모의 중형급 수소스테이션 개질기 설계 및 제작 기술을 보유
- 고압 수전해 관련, 최고 기술을 보유한 기업은 Giner로서 350bar의 고압 수전해 스택을 개발하였고 국내는
㈜엘켐텍이 동일한 수준인 350bar 고압 수전해장치 개발에 성공
- 알칼리 수전해 관련, Nel에서 최대 3,880Nm3/h를 생산할 수 있는 수전해를 개발하였고 국내는 ㈜이엠 솔루션에서 500Nm3/h급 규모의 시스템을 개발
- 광촉매 관련, 최고 기술을 보유한 기관은 미국 University of California at Berkeley로서 수소 발생률이 10,000μmol/h･g 수준이고 국내는 서울대학교에서 16,600μmol/h･g 수준의 기술을 보유