한국기계연구원(이하 기계연)이 국내 최초로 청정수소를 값싸게 생산할 수 있는 기반을 마련했다.
기계연 친환경에너지연구본부 무탄소발전연구실 김영상 책임연구원팀은 국내 최초로 20㎾급 연료극지지형 고체산화물 수전해 시스템의 설계·운전·평가 전주기 기술을 검증, 고효율·고신뢰 고온 수전해 설계기술 및 평가기술을 확보했다.
특히 시스템 전기효율 83% 이상과 3000시간 이상 장기운전에 성공했다.
연료극지지형 고체산화물 수전해 시스템은 700℃ 이상 고온에서 전기와 증기를 이용해 수소를 생산하는 기술로, 외부에서 증기를 공급받아 수소 생산에 필요한 전기량을 최소화할 수 있다.
연구팀은 고온 수전해 시스템의 전기효율을 높이기 위해 외부에서 버려지는 200℃급 폐열을 활용해 스팀을 발생시키는 추가 전력을 줄이고 수소 생산단가를 획기적으로 낮췄다.
외부 폐열을 활용하면 스팀을 자체 생성하는 시스템보다 전기효율을 약 10% 이상 개선할 수 있어 대규모 산업단지나 제철·화학 플랜트 등 에너지 다소비 산업에서 유리하다.
특히 산업현장에서 버려지는 폐열과 원전이나 재생에너지로 얻을 수 있는 저렴한 전기를 활용하면 기존 산업용 전기보다 수소 생산단가를 약 25% 이상 절감할 수 있다.
이 시스템은 외부 열원과 연계 시 수소생산 전기효율이 저위발열량(LHV) 기준 83%에 달하며 6N㎥/h 이상의 수소를 생산할 수 있다.
이는 기존 알칼라인 수전해나 PEM 수전해 같은 저온 수전해 기술 대비 동일한 양의 수소를 생산하기 위해 필요한 전력 소비량을 약 15% 절감할 수 있다.
연구팀은 국내 최초로 20㎾급 고온 수전해 시스템을 3000시간 이상 안정적으로 운전해 시스템 제어기술의 신뢰성을 입증했다.
특히 시스템 장기운전 과정 중 스팀 공급 불안정, 정전 등 다양한 이벤트 상황에서 안정적으로 운전하면서 높은 효율을 유지함으로써 상용 시스템 개발에 필요한 고효율 시스템 설계기술 및 최적 운전제어기술을 확보했다. 이를 통해 궁극적으로 수소 생산비용을 ㎏당 3000원을 달성할 수 있는 기술적 기반을 다졌다.
기계연은 향후 고온 수전해 기술의 상용화를 위해 전기효율 85% 이상의 초고효율 고온 수전해 시스템 설계 기술, AI 기반 고온 수전해 스택 및 시스템 상태 진단 및 수명예측 기술 등을 개발할 예정이다.
김 책임연구원은 “이번 성과는 셀과 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 확보하였다는 점에서 의미가 크다”며 “산업 폐열 등 그동안 활용되지 못한 에너지를 연계해 효율을 극대화할 수 있어 탄소중립 실현과 수소경제 활성화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 산업통상자원부 지원을 받아 한국에너지기술평가원(KETEP) 신재생에너지핵심기술개발사업 ‘대면적 고효율 고체산화물 수전해(SOEC) 평판형 셀, 20㎾급 스택 모듈 및 시스템 개발 과제’로 수행했다.
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.
