에너지연, 수전해 기술 경제성 분석 후 최적 운영 방안 제시

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“알칼리인 수전해와 기존 전력망 이용한 보조 전력 연계 효율적”

알칼라인 및 양성자교환막(PEM) 수전해의 비교 기술경제성분석 연구 개념도. ⓒ한국에너지기술연구원

한국에너지기술연구원은 박정호 에너지AI·계산과학실 박사 연구진이 미래 친환경 수소 생산 기술로 손꼽히는 수전해 기술의 경제성을 분석하고 최적의 운영 방안을 제시했다고 6일 밝혔다.

미래 친환경 연료인 그린수소의 생산에는 주로 알칼라인 수전해와 양성자교환막 수전해(‘PEM 수전해) 기술이 활용된다. 이 중 알칼라인 수전해 기술은 값싸게 대량의 수소를 생산할 수 있어 가장 상용화된 기술이다. 하지만 장치 가동에 필요한 전력의 요구치가 높고 일정한 공급이 필요해 전력 생산이 들쑥날쑥한 재생에너지와의 연계가 어렵다.

PEM 수전해의 경우 적은 전력으로도 수소를 생산할 수 있어 재생에너지만으로도 작동이 가능하다. 하지만 초기 설치 비용이 높고 알칼라인 수전해에 비해 기술 성숙도가 낮다는 단점이 있다. 한가지 기술만으로 그린수소 생산 인프라를 구축하기 어려운 이유다.

이에 연구진은 알칼라인 수전해와 PEM 수전해의 기술적 차이, 경제성을 비교 분석해 최적의 운영 전략을 도출했다. 알칼라인 수전해의 가동 전력을 안정적으로 공급하기 위해 기존의 전력망을 보조 전력으로 이용하는 것이 가장 경제적이라는 시각을 제시했다.

알칼라인 수전해 장치에 전력이 일정하게 공급되지 않으면 가동과 중단이 반복돼 열화가 발생하고 수명과 효율이 떨어진다. 이를 극복하기 위해서는 에너지 저장 장치(ESS) 등 보조 전원을 활용해 전력을 끊임없이 공급해야 한다.

연구진의 분석 결과, 재생 전력을 사용하면서 ESS를 보조 전원으로 활용할 경우 수소 생산 단가는 킬로그램당 최대 8.6달러로 평가됐다.

반면 기존 화석 연료 발전 중심의 전력망을 통해 보조 전력을 확보하면 킬로그램당 6.6달러로 낮아진다.

현재 기준으로 기존 전력망과의 연계가 경제적이지만 환경 문제를 해소하지 못해 장기적으로는 ESS 단가 절감과 바이오매스, 원자력 등 무탄소 연료 발전 비중이 높아져야 한다는 분석이다.

또 다른 기술인 PEM 수전해의 경우 장치에 과부하를 주면 오히려 경제성이 개선된다는 시각을 제시했다.

PEM 수전해 장치는 필요 이상으로 전력을 과잉 공급해 수소 생산량을 늘리는 과부하 운전이 가능하기 때문이다. 연구진은 재생에너지 발전량을 늘려 필요 전력의 1.5배를 과잉 공급할 경우 수소 생산 단가를 킬로그램당 5.8달러까지 낮출 수 있을 것으로 내다봤다.

이를 통해 연구진은 재생에너지 발전 비율이 높고 안정적 공급이 가능한 환경에서는 PEM 수전해를, 이외의 환경에서는 알칼라인 수전해와 무탄소 기반의 전력망을 조합하는 것이 가장 이상적이라고 분석했다.

이에 더해 연구진은 우리나라 환경에 맞는 최적의 수전해 수소 생산 조합을 제안했다. 제주도의 기상 데이터를 기반으로 평가한 결과, 향후 수전해 설비 100MW를 기준으로 해상풍력 100MW, 태양광 100MW를 조합하면 kg당 4달러 수준에서 안정적인 수소 공급이 가능할 것으로 내다봤다.

박정호 박사는 “이번 연구는 알칼라인과 PEM 수전해의 기술적 차이를 명확히 분석하고, 에너지 환경에 따른 최적의 설계 및 운영 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 재생에너지를 활용한 수소 생산 시스템 구축 시, 기술 선택과 투자 방향을 결정하는 데 중요한 참고 자료가 될 것”이라고 말했다.

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