청정수소를 값싸게 생산할 수 있는 기반이 국내 최초로 마련됐다. 시스템 전기효율을 83% 이상 달성하고 3000시간 이상 장기 운전까지 성공했다.
한국기계연구원(원장 류석현)은 김영상 친환경에너지연구본부 무탄소발전연구실 책임연구원팀이 국내 최초로 20㎾급 연료극지지형 고체산화물 수전해 시스템 설계-운전-평가 전주기 기술을 검증, 고효율·고신뢰 고온 수전해 설계기술과 평가기술을 확보했다고 29일 밝혔다.
연료극지지형 고체산화물 수전해 시스템은 약 700도 이상 고온에서 전기·스팀(물)을 이용해 수소를 생산하는 기술이다. 외부에서 스팀을 공급받으면 수소 생산에 필요한 전기량을 최소화할 수 있어 고효율 저비용 수소생산이 가능하다.
연구팀은 전기효율을 높이기 위해, 버려지는 200도급 폐열을 활용했다. 이로써 스팀을 발생시키는 추가 전력 소모를 줄이고 수소 생산 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 기술을 검증했다. 외부 폐열을 활용할 시 전기효율을 약 10% 이상 개선할 수 있으며, 대규모 산업단지나 제철·화학 플랜트 등 에너지 다소비 산업에 적용하기 유리하다.
특히 산업 현장에서 버려지는 폐열과 원자력 발전, 재생에너지를 통해 얻을 수 있는 저렴한 전기를 활용하면 수소 생산 단가를 약 25% 이상 절감할 수 있다.
기계연이 개발한 20㎾급 연료극지지형 고온 수전해 시스템은 외부 열원과 연계 시 수소 생산 전기효율이 저위발열량(LHV) 기준 83%에 달하며 6N㎥/h 이상 수소를 생산할 수 있다. 기존 저온 수전해 기술 대비 전력 소비량을 약 15% 절감할 수 있다.
또 국내 최초로 20㎾급 고온 수전해 시스템을 3000시간 이상 안정적으로 운전해 시스템 제어기술 신뢰성을 입증했다. 시스템 장기 운전 과정에서 스팀 공급 불안정, 정전 등 다양한 상황에서도 안정적으로 운전하면서 고효율을 유지함으로써 상용 시스템 개발에 필요한 고효율 시스템 설계 기술 및 최적 운전제어기술을 확보했다. 수소 생산 비용 3000원/㎏ 달성 기술 기반을 다졌다.
김영상 책임연구원은 “이번 성과는 셀·스택 수준에서 주로 연구되던 국내 연료극지지형 고온 수전해 기술을 시스템 단계로 확장해 검증한 국내 최초 사례로 고효율·저비용 청정수소 생산이 가능한 고온 수전해 시스템 설계, 운전 및 평가기술을 확보했다는 점에서 의미가 크다”며 “특히 산업 폐열 등 그동안 활용되지 못한 에너지를 연계해 효율을 극대화할 수 있어 탄소중립 실현과 수소경제 활성화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편 시스템에는 차세대 고온 수전해 셀 기술(케이세라셀, 전남대, 전북대), 고성능 고온 수전해 스택 기술(한국에너지기술연구원, 포스코홀딩스), 고효율 고온 수전해 시스템 기술(기계연, 지필로스, BHI, 푸른기술에너지)이 적용됐다. 기계연은 향후 고온 수전해 기술 상용화를 위해 전기효율 85% 이상 초고효율 고온 수전해 시스템 설계 기술, 인공지능(AI) 기반 고온 수전해 스택 및 시스템 상태 진단 및 수명예측 기술 등을 개발할 예정이다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
