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유럽의 수전해 기술 연구 동향 및 기술 분석
작성자: 김 상 원 박사 수소는 가장 효율적인 에너지 운반체이다. 수소의 에너지 밀도는 140 MJ/kg 으로 천연가스(50 MJ/kg)와 메탄(55 MJ/kg) 보다 훨씬 높다. 수소는 물을 비롯한 다양한 원료 공급원에서 얻을 수 있다. 많은 수소 생산 방법 중 물 전기 분해를 통해 친환경적이고 고순도의 수소를 얻을 수 있다. 지속 가능성 및 환경 영향 측면에서 수전해는 재생 가능한 에너지 원에서 고순도 효율적인 수소 생산을 위한 가장 유망한 기술로 간주되었으며 탄소 배출 없이 부산물로 산소만 방출한다. 또한 생산된 수소(H2)와 산소(O2)는 연료 전지 및 산업 응용 분야에 직접 사용된다. 현재 수소는 전 세계적으로 연간 약 5,000 억 세제곱미터(b m3) 생산된다[1]. 생산된 수소는 비료, 석유정제공정, 석유화학, 연료전지, 화학공업 등 다양한 산업 분야에서 주로 사용된다[2], [3]. 수소는 화석 연료, 특히 메탄의 증기 개질[4], 오일/나프타 개질[5], 석탄 가스화[6], 바이오매스[7], 생물학적 공급원[8] 및 수전해(Water Electrolysis, WE)[9], [10]와 같은 다양한 재생 및 비재생 에너지 자원에서 생산된다(그림 1).
수소생산 방법에 따른 장점과 단점, 효율 및 생산비용은 표 1 에 요약하였다.
그림 1. 수소 생산 방법들. 출처: [11].
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표 1. 다양한 수소 생산 방법과 장점, 단점, 효율성 및 생산비용 비교. 출처: [2], [12], [13].
수소생산방식 장점 단점 효율 생산비용
[$/kg]
증기 개질 Steam Reforming
개발된 기술 기존 인프라 활용
일산화탄소 생성
이산화탄소의 불안정한 공급 74-85 2.27 부분산화
Partial Oxidaton
확립된 기술 수소생산과 함께 중유 및
석유 코크스 생산 60-75 1.48 자동 열 개질
Auto thermal Reforming
잘 확립된 기술 기존 인프라 활용
화석 연료를 사용하여
부산물로 CO2 생성 60-75 1.48 생물 광분해
Bio photolysis
CO2 소비, 부산물로 O2 생성, 온화한 조건에서 작동
H2 낮은 수율, 햇빛 필요, 큰 반응기 필요, O2 민감성,
높은 재료 비용
10-11 2.13 어두운 발효
Dark Fermentation
간단한 방법, 빛 없이 수소생성, 산소 제한 없음, CO2 중립,
폐기물 재순환
지방산 제거, H2 낮은 수율, 낮은
효율, 대형 부피의 반응기 필요 60-80 2.57 광발효
Photo Fermentation
폐수 재활용, 다양한 유기 폐수 사용, CO2 중립
낮은 효율, H2 낮은 수율, 일조량 필요, 대용량 반응기 필요,
O2 민감성
0.1 2.83
가스화 Gasification
풍부하고 저렴한 공급원료, CO2 중립
공급 원료 불순물, 계절적 가용성 및 타르 형성으로 인해
H2 생산량 변동
30-40 1.77-2.05
열분해 Pyrolysis
풍부하고 저렴한 공급원료, CO2 중립
공급 원료 불순물, 계절적 가용성 및 타르 형성으로 인해
H2 생산량 변동
35-50 1.59-1.70 열분해
Thermolysis
깨끗하고 지속 가능한
O2부산물, 풍부한 공급원료 높은 생산 비용, 독성, 부식 문제 20-45 7.98-8.40 광분해
Photolysis
O2부산물, 풍부한 공급원료, 배출가스 없음
낮은 효율, 햇빛이 필요,
비효과적인 광촉매 물질, 0.06 8-10 전기분해
Electrolysis
확립된 기술, 배출가스 제로,
기존 인프라 활용, O2부산물 보관 및 운송 문제 60-80 10.30
현재 전 세계 수소 생산량의 약 96%는 화석연료(메탄가스)의 증기 개질 방식으로 생산된다.
화석연료를 사용하면 고농도의 유해 온실가스와 순도가 낮은 수소가 생산된다. 수전해는 물을 전기 분해하여 순수한 수소와 산소를 생산하는 친환경적인 방식으로 고순도의 수소(99.999%)를 얻을 수 있으며, 탄소 배출이 전혀 없다. 그러나, 물 전기분해를 통한 수소 생산 효율은 높은 에너지 소비량과 낮은 수소 발생율로 인해 경제적으로 경쟁력이 매우 낮다. 따라서 수전해의 효율을 높이고 에너지 소비를 줄이기 위한 많은 연구가 수행되고 있다.
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１. 수전해 기술들
물의 전기분해는 재생 가능한 H2O 를 사용하고 부산물로 순수한 산소만 생성하기 때문에 수소 생산을 위한 가장 유력한 방법 중 하나이다. 또한 전기분해 과정에서 태양열, 풍력 및 바이오매스와 같은 지속 가능한 에너지 자원의 DC 전력을 활용한다. 현재 경제적인 이유로 인해 물을 전기 분해하여 생산하는 수소의 양은 4%에 불과하다[14]. 높은 셀 효율 및 고순도의 수소 생산율의 장점을 갖는 수전해는 저온 연료 전지를 사용하여 전기 에너지로 전환하는 데 더 유리하다[15]. 전기 분해 과정에서 물 분자는 반응물로서 전기의 영향을 받아 수소(H2)와 산소(O2)로 해리된다(그림 2). 수전해의 반응식은 연료전지의 역반응으로 다음과 같다.
1𝐻2𝑂 + 𝐸𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑡𝑦 (237.2 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙)
→ 𝐻2+1
2𝑂2+ 𝐻𝑒𝑎𝑡 (48.6 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙) (1) 수전해는 전해질, 작동 조건, 이온 작용제(OH-, H+, O2-)에 따라 (i) 알칼라인 수전해(Alkaline water electrolysis, AWE), (ii) 고분자 전해질막 수전해(Polymer Electrolyte Membrane water electrolysis, PEMWE) (iii) 음이온 교환막 수전해(Anion Exchange Membrane water electrolysis, AEMWE) (iv) 고체산화물 수전해 셀(Solid oxide electrolysis cell, SOEC)의 4 가지 유형으로 분류할 수 있다.
그림 2. 수전해의 원리 도식1.
1출처: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/electrol.html.
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가. 알칼라인 수전해(AWE)
알칼라인 수전해는 알칼리 전해액을 이용해 물을 전기분해하는 방식으로 메가와트 수준까지 상용화된 기술이다. 알칼라인 수전해 과정은 초기에 음극 측에서 2 분자의 알칼리 용액(KOH/NaOH)이 1 분자의 수소(H2)로 환원되고 2 개의 하이드록실 이온(OH-)이 생성된다. 생성된 H2 는 캐소드 표면에서 제거되어 기체 형태로 재결합되고 하이드록실 이온(OH-)은 양극과 음극 사이의 전기 회로의 영향으로 다공성 격막을 통해 양극(Anode)으로 이동합니다. 여기에서는 ½ 분자의 산소 (½O2)와 한 분자의 물(H2O)로 방출된다. O2는 전극 표면에서 재결합하여 수소로 빠져나가며 그림 2 와 같은 메카니즘을 갖는다. 알칼라인 수전해는 30~80°C 의 낮은 온도에서 작동하며 알칼라인 단위전지의 전해액으로 20∼30wt%의 고농도 수산화칼륨(KOH)이 사용된다. 보통 전극은 탄소강에 니켈을 도금해 사용하거나 니켈 메쉬(그물망 형태로 제작)와 니켈 폼(스펀지 형태로 제작) 형태의 전극이, 분리막으로는 테플론 계열의 고분자와 세라믹 입자로 구성된 분리막이 주로 활용된다. 현재 수전해 기술 중 상용화가 가장 많이 진척됐으며, 국내에서도 일부 시판되고 있다. 오랜 기간 동안 기술개발이 이뤄져 가장 안정적인 수전해 기술이며, 고가의 귀금속 촉매를 사용하지 않아 초기 설치 비용이 상대적으로 저렴하고 대용량에 적합하며, 신뢰도가 높다는 장점이 있다. 하지만 낮은 효율과 전극 부식, 전해액 보충, 제한된 전류 밀도(400mA/cm2 미만), 낮은 작동 압력 등의 단점이 존재한다.
그림 3. 알칼라인 수전해 개략도. 출처: [11].
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나. 고분자 전해질막 수전해(PEMWE)
고분자 전해질막(PEM) 수전해는 이온전도성 고분자 전해질막을 전해질로 이용하는 수전해 방식이다. PEM 수전해셀의 음극과 양극에서 물은 전기화학적으로 각각 수소와 산소로 분리된다. PEM 수전해는 펌프를 이용하여 물을 양극(anode)으로 보내고, 여기에서 물이 산소(O2), 양성자(H+) 및 전자(e-)로 분리된다. 수소이온은 양이온교환막을 통해 음극 쪽으로 이동한다. 전자는 반응을 위한 구동력(셀 전압)을 제공하는 외부 전원 회로를 통해 양극에서 나온다. 음극에서 양성자와 전자는 재결합하여 수소를 생성한다(그림 4).
그림 4. PEM 수전해의 개략도. 출처: [11].
수소이온이 이동할 수 있는 듀퐁사의 나피온(Nafion)과 같은 양이온교환막을 전해질로 이용한다. 양이온 교환막은 낮은 기체 투과성, 높은 양성자 전도도(0.1±0.02S/cm), 낮은 두께(20-300μm) 및 고압 작업과 같은 많은 장점을 가지고 있다. PEM 수전해 셀의 주요 구성 요소는 막전극전합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 집전체(가스 확산층) 및 분리판이다. PEM 수전해 셀 어셈블리의 일반적인 개요는 그림 5 에 나와 있다. 수전해셀의 핵심은 전지를 두 개의 반쪽 전지(양극과 음극)로 분리하는 MEA 이다. PEM 수전해 기술은 전류밀도가 높아(2 A/cm2 이상) 에너지 효율이 높은 방법으로 평가받으며, 작동 온도가 20–
80°C 로 낮고, 장치의 크기도 작아 생산설비의 소형화가 가능하고 유지 및 보수 측면에서
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가장 우수하다는 장점이 있다. 전해액을 사용하지 않고, 순수한 물을 원료로 사용하기 때문에 생산된 수소의 순도가 매우 높아 미래 수전해 수소생산분야의 핵심 기술이 될 것으로 기대되고 있다. 하지만 양성자 교환막과 백금 촉매는 매우 고가이기 때문에 유지비용이 많이 드는 단점이 있다. 음극(cathode)에서는 수소발생반응(hydrogen evolution reaction, HER)을 위해 Pt/Pd 촉매가 필요하고, 양극(anode)에서는 산소발생반응(oxygen evolution reaction, OER)을 위해 IrO2/RuO2 귀금속 촉매가 필요하다. 최근 기술 개발을 통해 가격 및 에너지 효율 관점에서 알칼라인 수전해와 유사한 수준에 도달했으며, 추가적인 연구개발 진행으로 그린수소 확산에 PEM 수전해 방식이 활용될 전망이다.
표준 조건 하에서 물을 수소와 산소로 분리하기 위해 필요한 최소 에너지는 다음 식에 따라 깁스 자유(ΔG) 에너지로 계산할 수 있다.
∆𝐺 = 𝑛𝐹𝐸𝑟𝑒𝑣 (2)
여기에서 n 은 반응에 관련된 전자의 수, F 는 패러데이 상수(96,485 C/mol), Erev 는 가역전압이다.
그림 5. PEM 수전해 개요도; (a) PEM 수전해 시스템, (b) PEM 수전해 스택, (c) PEM 수전해 셀 구성 요소; 1-바이폴라 플레이트, 2-양극 집전체, 3-MEA, 4-음극 집전체. 출처: [11].
7 가역 전압은 다음 식으로 계산할 수 있습니다.
𝐸𝑟𝑒𝑣 =∆𝐺
𝑛𝐹 = 1.23 𝑉 (3)
물이 분해될 때 약간의 엔트로피가 생성되므로 포텐셜 계산을 위해 ΔG 대신 엔탈피(ΔH)를 사용하는 것이 더 적합하다. 표준 조건에서 엔탈피의 변화는 ΔH=285.84kJ/mol 이고 Gibbs 자유 엔탈피의 변화는 ΔG=237.22kJ/mol 이다. 따라서 수전해를 위한 최소 요구 전압(VTN)은 다음 식에 의해 계산될 수 있다.
𝑉𝑇𝑁 = ∆𝐻 𝑛𝐹 = ∆𝐺
𝑛𝐹+𝑇∆𝑆
𝑛𝐹 = 1.48 𝑉 (4)
여기에서 VTN=열중립 전압(thermo-neutral volage), ΔS = 엔트로피 변화, T=온도이다.
열역학 제 1 법칙에 따르면 에너지는 보존된다. 따라서 전기 에너지를 화학 에너지로 변환한 수율에서 변환 효율을 계산한다. 일반적으로 물 전기분해 효율은 수소의 고위 발열량(HHV)으로 계산되고, 수전해 효율은 다음 식으로 계산할 수 있다.
𝜂 = 𝑉TN
𝑉cell (5)
여기에서 Vcell=수전해셀 전압을 나타낸다.
수전해에서 패러데이 효율은 산소 발생 반응(OER) 또는 수소 발생 반응(HER) 중 하나의 전기 화학 반응을 수행하기 위해 외부 회로에서 전극 표면으로 얼마나 많은 전자가 수송되는지를 결정하는 데 유용한 정량적 분석 중 하나이다. 따라서 패러데이 효율은 실험적으로 전개된 기체 값(수소 또는 산소)의 부피와 이론적으로 계산된 기체 값의 부피 사이의 비율로 정의할 수 있다.
𝜂𝑓𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 = 𝑉𝐻2(𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑒𝑑)
𝑉𝐻2(𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑡𝑒𝑑) (6) 가스의 이론적인 부피는 식(7)과 같이 100% 패러데이 효율을 가정하여 전류 밀도, 전기 분해 시간 및 전극 면적을 기반으로 패러데이의 두 번째 법칙으로 계산할 수 있다. 실험에서 실제 생산되는 양은 물-기체 치환법 또는 기체 크로마토그래피 분석으로 측정할 수 있다.
8 𝑉𝐻2 = 𝑉𝑀(𝑙) (1000 𝑚𝑙
𝑙 ) (𝑡(60𝑠)
𝑚𝑖𝑛 ) (𝐼(𝐶 𝑠⁄ )
2𝐹(𝐶)) (7) 여기서 𝑉𝐻2는 이론적인 수소의 수율, VM은 이상기체 표현(𝑉𝑀 =𝑅(273+𝑇)
𝑃 ), R 은 이상기체 상수(0.082l atm /mol K), T 는 온도(℃), P 는 압력(atm), t 는 시간(s), I 는 인가된 전류(A)이고 F 는 패러데이 상수(96,485C/mol)를 나타낸다.
다. 음이온 교환막 수전해(AEMWE)
음이온교환막(AEM) 수전해는 음이온교환막을 전해질로 이용하는 수전해 방식이다.
AEM 수전해는 알칼라인의 장점인 저가 촉매 사용으로 비용을 낮출 수 있고, 낮은 전력에서도 잘 작동하며 압축기 없이도 고압에서 작동이 가능해 효율 및 순도가 높다. AEM 수전해 기술은 알칼라인 수전해와 같이 저가의 촉매 물질을 채택하고 PEM 수전해 기술에서와 같이 고체 고분자 전해질 구조를 채택한다. AEM 수전해의 개략도는 그림 6 에 나와 있다. AEM 수전해 기술은 알칼리 환경(pH ~ 10)에서 작동하므로 제로 갭 아키텍처를 수용하면서 적당한 수준의 비귀금속 전기 촉매를 사용할 수 있다. 음이온 교환막(AEM) 수전해는 재생 가능 에너지 자원에서 대규모 수소 생산을 위한 유망한 솔루션이다. 그러나 AEM 수전해의 성능은 기존의 다른 수전해 기술보다 여전히 낮다. AEM 수전해의 성능은 옴저항 및 전하 이동 저항으로 측정할 수 있는 막 전극 어셈블리의 통합 구성 요소와 반응 역학에 의해 제한되고, 촉매와 음이온교환막의 성능이나 신뢰도가 부족한 상황이다.
그림 6. 음이온 교환막(AEM) 수전해의 개략도. AEM 음이온 교환막, AGDL 양극 가스 확산층, CGDL 음극 가스 확산층. 출처: [16].
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라. 고체산화물 수전해(SOEC)
고체산화물(SOEC) 수전해는 고체산화물 전해질을 이용해 800℃ 이상의 고온 수증기를 전기분해해 수소를 생산하는 기술이다. 이 방식은 물을 분해하기 위해 필요한 전기에너지가 고온에서 더 낮아지는 현상을 이용하는 방법으로 적은 전기에너지로 고효율의 물 분해가 가능하다. 고체산화물 수전해는 더 큰 효율로 초순수 수소를 생산함과 동시에 전기 에너지가 화학 에너지로 변환되기 때문에 많은 관심을 끌었다. 또한 고체산화물 전해질을 사용하기 때문에 부식에 대한 내구성이 뛰어나고, 전해액을 보충할 필요가 없어 유지 및 보수가 용이하다는 장점이 있다.
고체산화물 수전해는 고압 및 고온 500–850°C 에서 작동하며 물을 증기 형태로 사용한다.
고체산화물 수전해 공정은 일반적으로 대부분이 니켈/이트리아 지르코니아로 이루어진 O2- 전도체를 사용하며, SOEC 작동 원리는 그림 7 에 나와 있다. 최근에는 일부 세라믹 양성자 전도성 물질이 고체산화물 연료 전지에서 개발 및 연구되었다. SOEC 고체산화물 수전해) 기술의 주요 특징은 작동 온도가 높아 저온 수전해에 비해 유리하다. 그러나 SOEC 는 상용화에 앞서 안정성 부족과 열화와 관련된 몇 가지 문제를 해결해야 한다. 이 기술은 수증기를 800℃ 이상으로 가열하는데 추가 열원이 필요하고, 고온의 작동조건을 가지기 때문에 충분한 내구성을 가진 고체전해질에 대한 연구와 개발이 필요하다.
그림 7. 고체산화물 수전해의 개략도. 출처: [11].
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２. 유럽 Power-to-X 실증사업
전기는 전기 자동차와 같은 다른 부문에서 직접 사용될 수 있으며, 더 다양하게 사용되고 더 잘 저장될 수 있는 다른 에너지 운반체로 처리될 수 있다. 이러한 개념은 전기 에너지가 다른 제품으로 변환되기 때문에 PtX(Power-to-X)로 알려져 있다. 대부분의 PtX(Power-to-X) 개념의 핵심은 재생 가능한 전기를 활용하여 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하는 것이다. 이 수소는 최종 에너지 운반체로 직접 사용되거나 메탄, 합성 가스, 액체 연료, 전기 또는 화학 물질로 전환될 수 있다. 종종 수소 또는 추가 처리된 메탄이 최종 제품이다.
이러한 개념을 PtG(Power-to-Gas)라고 하며 모든 PtX 애플리케이션과 동의어로 자주 사용되는 이름이다. 기술 실증 및 시스템 통합은 PtX 를 에너지 시스템에 통합하는 데 매우 중요하다. 2020 년 6 월 현재 유럽에서 총 220 개의 PtX 연구 및 실증 프로젝트가 실현되었거나 완료되었거나 현재 계획 중이다. 고체산화물 수전해(SOEC)는 고분자전해질 막(PEM) 및 알칼리 수전해에 비해 매우 작은 프로젝트 비율을 차지한다. 이는 수전해 설치 용량에도 반영된다. 알칼리 수전해는 50~5,000kW (2019/20) 용량으로, PEM 수전해는 100~6,000kW 용량으로 설치되는 반면 SOEC 는 150kW 용량으로 설치된다. 프랑스와 독일은 다른 유럽 국가들에 비해 PtX 기술 개발에 가장 많은 노력을 기울이고 있다. 그림 1 에는 기본 PtX 프로세스 체인의 개요가 나와 있다. 대부분의 경로의 초점은 수소를 생성하는 전기분해 과정이다.
그림 8. 수소를 기반으로 하는 Power-to-X 프로세스 체인의 개요. CO2,; H2,; H2O; CHP (열병합발전 전력); OME(폴리옥시메틸렌 디메틸 에테르). 출처: [17].
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이산화탄소는 수소를 메탄 또는 화학 물질과 같은 다른 에너지 운반체 또는 산업 제품으로 처리하는 데 필요한 공급원료이다. 기후 친화적인 에너지 시스템을 조성하기 위해서는 물론 비화석 연료인 이산화탄소 공급원이 선호되어야 한다. 그러나 일부 연구 프로젝트에서 화석 탄소는 탄소 포집 및 사용을 위한 기존 테스트 시설에서 쉽게 접근할 수 있기 때문에 사용된다. 미래에는 화석 연료 기반 발전소가 더 적거나 아예 없을 것이다.
그러나 그러한 프로젝트에서 얻은 지식은 도시 폐기물 처리(municipal waste treatment, MWT)와 같은 다른 발전소에 사용될 수 있다.
메탄화와 함께 수소 기반 연료의 다른 옵션은 메탄올, Fischer-Tropsch 디젤 또는 디메틸 에테르이다. 또 다른 가능성은 수소와 일산화탄소의 혼합물인 합성 가스의 생성으로, reversed water–gas shift reaction 또는 co-electrolysis 이다. 이 기술은 전기화학적으로 물을 분리하고 단일 공정에서 수소와 첨가된 이산화탄소로부터 합성 가스를 동시에 생성한다.
수소 또는 수소 기반 제품에 대한 다양한 응용 분야가 있다. 수소 및 연료는 열병합 발전(CHP) 플랜트의 재전기화를 위해 이동성 응용 분야 또는 정유 공장 또는 철강 생산과 같은 산업 응용 분야에서 사용할 수 있다. 또한 수소는 화학 산업에서 화석 연료 기반 공급원료를 대체할 수 있다.
그림 9 에서 2018 년은 지금까지 유럽에서 가장 많은 프로젝트가 의뢰된 해임을 알 수 있다. 앞으로 몇 년 동안 더 적은 수의 프로젝트가 시작될 것이지만 설치 용량이 여전히 빠르게 증가하고 있음을 보여준다.
그림 9. 유럽의 Power-to-X 프로젝트 참여국가의 연도별 분포. 출처: [17].
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누적 설치 용량(그림 10)은 2021 년부터 눈에 띄게 증가하면서 지속적으로 증가하고 있다.
가장 큰 단일 프로젝트는 프랑스에서 2030 년까지 최종 단계에서 435MW 의 설치 용량을 계획하는 HyGreen Provence 이다. 그러나 여기에 제시된 자료에 따르면 유럽에서만 2026 년까지 1410MW 가 설치될 것으로 예상된다. 이러한 성장 가속화의 주요 요인으로 독일의 공적 자금 지원 프로젝트와 프랑스의 여러 고투자 산업 프로젝트를 들 수 있다.
2012 년에서 2020 년 사이의 설치 용량 및 사용된 수전해 기술을 살펴보면 수소 생산을 위한 PEM 기술의 중요성이 커지고 있음을 보여준다(그림 10). PEM 수전해를 사용하는 프로젝트의 수가 지속적으로 증가할 뿐만 아니라(그림 11) 설치 용량도 증가하고 있다.
2019 년은 알칼라인 수전해 용량(누적)보다 PEM 수전해 용량이 더 많이 설치된 첫 해였다.
그러나 알칼라인 전해조는 다시 중요한 역할을 할 것이다.
그림 10. 수전해 종류에 따른 누적 설치용량의 연도별 분포. 출처: [17].
그림 11. 용량에 따른 수전해 유형. 출처: [17].
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그림 12. 메탄화 기술에 중점을 둔 유럽의 Power-to-X 프로젝트 프로세스 단계. 출처: [17].
알칼리 수전해의 경우 첫 번째 실증 프로젝트에서 다중 MW 규모를 달성하는 데 10 년이 걸렸고, 10MW 에 도달하는 데 8 년이 더 걸렸다. PEM 의 경우 최초의 다중 MW 규모를 달성하는 데 7 년이 걸렸고, 10MW 에 도달하는 데 5 년이 더 걸렸다. SOEC 의 경우 기술 개발의 첫 번째 단계는 PEM 및 알칼리 전해조와 달리 9 년이 걸렸지만, 두 번째 단계는 빠른 시일내에 달성할 수 있을 것으로 예상된다.
현재 프로젝트의 약 1/3 만이 수소를 다른 연료 및 제품으로 처리하고 있다(그림 12).
수소를 더 처리하면 천연가스 그리드에 쉽게 주입할 수 있는 메탄이 주로 생성된다.
메탄화는 촉매 및 생물학적 방식으로 실현될 수 있다. 예를 들어 생물학적 메탄화는 바이오가스에 수소를 주입하여 바이오가스 또는 하수가스를 바이오메탄으로 업그레이드해야 하는 경우 사용할 수 있다. PtX 의 전체적인 사용의 좋은 예는 폐수 처리장에서의 적용이다. 앞으로 메탄올이나 Fischer-Tropsch 연료를 능가하는 다른 프로젝트는 계획되기 어렵다. 전기를 기반으로 하는 액체 연료는 미래 에너지 시스템에서 중요한 역할을 해야 하므로 이러한 기술을 개발하기 위한 더 많은 노력이 필요하다.
PtX 프로젝트의 계획 및 시운전은 빠른 속도로 확장되고 있다. 거의 매주 새로운 프로젝트가 발표된다. 2018 년에 이미 최대 위탁 플랜트 수에 도달했고 앞으로 더 적은 프로젝트가 시작될 것이지만 설치된 수전해 용량은 점점 더 커지고 있다. 이는 상용화에 가까워지는 프로젝트가 줄어들면서 통합이 진행되고 있음을 나타낸다. PEM 및 알칼라인
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수전해 기술은 지속적으로 발전되었고, 이러한 기술은 매우 자주 사용되지만 미래에는 보다 성숙한 알칼라인 수전해 기술에 대한 선호가 분명히 있는 것으로 보인다. 고체산화물 수전해 셀은 다중 MW 프로젝트로 기술 개발을 따라잡고 있다. 그러나 상용 애플리케이션의 개발은 한 회사(Sunfire)에 국한되어 있는 반면 PEM 및 알칼라인 수전해 개발에는 여러 회사가 참여하고 있다. 메탄화는 많은 응용 분야에서 사용되며 수소 처리에 대한 타당성이 입증되었다. 생물학적 메탄화와 촉매적 메탄화 사이의 선택은 기술적 성숙도보다는 프로젝트 목표에 따라 결정되었다. 액체 연료가 탈화석 에너지 시스템에 중요하다는 사실에도 불구하고 소수의 프로젝트만이 액체 연료 생산에 초점을 맞추고 있다.
액체 연료 생산 측면에서 더 많은 노력이 필요하다. PtX의 다양한 기술 발전은 미래에 상용화 기술을 육성하는 주요 프로젝트로 나누어질 것으로 예상된다. 그러나 소규모 프로젝트는 대규모 구현보다 기술 개발에 중점을 둘 것이다. 여기에는 부산물, 특히 산소의 가치 상승도 포함될 수 있다. 폐수 처리장과 혁신적인 열 통합 전략에서 산소 사용에 대해서는 거의 노력이 이루어지지 않았다.
PtX 프로젝트의 대부분은 공적 자금에 의존하였다. 그러나 서로 다른 기술이 상용화에 가까워지고 있다. 이것은 또한 수소에 대한 ‘유럽 공통 관심사의 중요 프로젝트(Important Projects of Common European Interest, IPCEI)’ 도입에 의해 강조된다. 이를 통해 포르투갈 및 동유럽 국가와 같은 새로운 국가가 PtX 프로젝트에 참여할 수 있다. 또한, 이러한 프로젝트는 주로 풍력 및 태양광 발전과 같은 충분한 용량의 재생에너지 설치를 보장할 것이다. 많은 국가에서 미래 경제의 탈 화석화 및 탈탄소화를 위해 PtX 기술을 전국적으로 사용하게 하려면 새로운 재생 에너지 발전 시설이 전제 조건이다.
20 개국에서 220 개의 프로젝트가 유럽에서 확인되었지만 프랑스와 독일이 뚜렷하게 선두 국가로 이끌어 나가고 있다. 양국은 2025 년까지 약 500MW 의 용량을 설치할 계획이다.
독일에서는 이 용량에 다양한 목적과 동기를 가진 다양한 프로젝트를 통해 도달할 것이다.
그러나 프랑스에서는 한 회사가 훨씬 더 집중적으로 참여하고 있다. PtX 기술이 아직 상용화 전 단계에 있기 때문에 위험을 분산시킨 다양한 전략이 더 지속 가능한 것으로 보인다. 다른 매우 활동적인 국가는 덴마크와 네덜란드이다. 두 국가는 해상 및 육상 풍력의 큰 잠재력이 수소 및 기타 PtX 제품의 효율적인 생산을 보장할 수 있는 북해에 접해 있다.
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