수소경제를 이끌어 나갈 버팀목, 원자력 수소

우리들은 2021년 여름, 영국의 풍력발전이 바람이 불지 않고 우크라이나 전쟁으로 러시아의 천연가스 공급제한으로 전기료가 무려 7배나 급등했다는 사실을 알게 되었다. 영국은 전체 전력의 25%를 풍력발전에 의지하고 있는데 2021년 바람이 불지 않아 풍력발전의 전력생산이 3분의 1이나 감소하여 전력부족 현상이 가중되었다.

지금까지 태양광 발전이나 풍력발전을 중심의 재생에너지로 전력생산은 물론 재생에너지의 남은 전력으로 수소까지 생산하여 탄소중립을 선도해 나가겠다는 계획은 무산될 위기에 놓여 있어 EU국가들에겐 큰 충격이 아닐 수 없다.

이젠 더 이상 날씨의 영향을 받고 있으면서 간헐적으로 소량 생산되는 재생에너지에 의존해서 탄소중립을 성공적으로 완성시켜 나갈 수 없다는 우려가 거세게 제기되면서 재생에너지 중심의 에너지 믹스전략에 대대적인 수정이 불가피하게 요구되고 있다.

영국은 당초 원자력 발전에 부정적인 의견을 접고 안정적인 에너지 공급을 위해서 화석연료 대체 에너지로서 원전의 안전성을 선택해야 된다는 주장이 제기되면서 당초 계획보다도 4배나 되는 원전 확대 전략을 수립하였다.

가이어 이론을 제시한 영국의 최고 과학자 러브록은 대체 에너지로서 원전만큼 안전한 에너지는 없다는 원전 예찬론자이었다. 이런 사실을 뒤늦게 깨달은 유럽국가들은 원전에 대한 부정적인 인식을 접기 시작하였다.

업계는 1GW급 대형원전 1기가 생산하는 연간 수소생산량이 15만 톤에 달하는 만큼 저렴한 수소를 공급할 수 있다고 밝히고 있다. 그리고 원전으로 생산된 수소의 단가를 1kg당 1.7~2.5달러(2,360~3,450원)로 보고 있으며 원전의 탄소배출량은 생산전력 1kWh당 6.4g CO2eq으로, 태양광(48.2gCO2eq), 풍력(20gCO2eq) 등 보다도 훨씬 청정에너지라고 할 수 있다.

원자력을 이용하여 수소를 생산하는 방식은 크게 3가지로 나뉜다. △경수로 원전으로 생산한 전기로 물을 전기분해해 생산하는 핑크수소(Pink Hydrogen) △원자력 발전 과정에서 발생하는 열로 물을 열화학분해해 생산하는 레드수소(Red Hydrogen) △원자력의 열과 전기로 물을 열화학+전기분해해 생산하는 퍼플수소(Purple Hydrogen)다.

현재 3세대 경수로 방식에 의해서 전기를 생산하는 원전에 의해서 저온 수전해 방식인 알카라인, PEM 등 기술을 활용하여 수소를 생산할 수 있는 핑크수소는 이미 상용화 되었다. 그렇지만 아직 4세대 원전에 대한 기술개발이 이뤄지지 않은 상황에서 레드 수소나 퍼플 수소생산은 기술개발이 뒷받침되어야 가능한 일이다.

포스코경영연구소에서 내놓은 보고서에 의하면 “고온 수전해방식을 이용한 수소의 제조 단가는 저온 수전해 방식보다도 40%나 저렴하다”고 밝히고 있다. 즉 원전 기반의 초고온가스로를 통해 물에 950도의 열을 계속 공급하고 요오드(I)와 황(S) 등 촉매를 투입하는 열화학적 방법을 이용하면 저절로 수소와 산소로의 분해를 이끌어 낼 수 있어 값싼 수소를 대량 생산할 수 있는 체제를 갖추게 된다고 한다. 결국 원자력 수소 생산은 4세대 원전과 고온 수전해 방식에 대한 기술개발이 전제되어야 가능한 일이라고 할 수 있다.

4세대 원전은 초고온가스로는 섭씨 950도까지의 초고온열을 생산할 수 있으므로 수소생산, 전기생산, 산업용 열이용 등 다양한 분야의 열원으로 앞으로 탄소중립을 성공적으로 실현시켜 나가는데 큰 도움이 될 것이다. 특히 초고온 수전해 방식을 활용하면 탄소배출이 없이 값싼 수소를 대량으로 생산할 수 있는 열화학 수소 생산방식을 이용할 수 있다.

열화학 수소생산방법으로 황산분해공정, 요오드화수소분해공정, 분젠 등 세 가지 공정을 이용하여 물을 열화학적으로 분해시켜 수소를 생산하는 방법이다.

우리나라 한국원자력연구원은 2002년부터 ‘수소 생산용 고온가스로 기초 기술 연구’를 수행하였으며, 이를 통하여 원자력수소 생산 기술 현황 조사를 비롯한 기초 연구를 수행하였다.

이를 바탕으로 2004년부터 2년에 걸쳐 한국원자력연구원을 중심으로 한국에너지기술연구원과 한국과학기술연구원이 참여하는 ‘수소 생산용 초고온가스로 예비 개념 설계 및 요소 기술 개발’ 연구를 수행하였다. 원자력수소를 실증에 요구되는 기술을 분류하고 우선 순위에 따른 핵심 기술을 선정하여 ‘원자력수소 핵심 기술 개발’을 수행하였다.

사실상 군사용 원자로를 상업용으로 전환하면서 제1세대, 2세대와 3세대 원전으로 진화발전해 왔다. 그렇지만 경수로 방식인 3세대 원자로는 고온의 핵연료를 식혀주는 냉각재로 물(water)을 사용하기 때문에 방사성 물질이 외부로 누출될 우려가 큰 대형 사고 발생 가능성을 안고 있다. 그렇지만 4세대 원자로는 냉각재로 물 외 다양한 물질을 사용함으로써 높은 안전성과 경제성을 확보할 수 있는 기술력을 확보해 나가고 있다.

특히 4세대 원자로는 대기압 수준으로 운영되므로 방사성 물질 누출에 대한 안전설비를 갖출 수 있고 고속 중성자를 사용함으로써 더 높은 효율을 기대할 수 있게 되었다. 더욱이 핵연료의 재순환까지 가능하여 폐기물 저감 측면에서 강점을 갖고있으면서 대형 원전에서부터 소형모듈형(SMR), 그리고 초소형에 이르는 다양한 설계가 가능한 기술개발이 이뤄지고 있다.

2000년, 미국을 중심으로 원자력 활동이 활발한 주요 9개국(한국, 미국, 프랑스, 일본, 영국, 캐나다 등)이 제4세대 원자로개발 협력을 위한 국제 협력체 GIF(GenⅣ International Forum)를 결성 하였다. GIF는 4세대 원자로를 냉각재의 종류에 따라 총 6개의 노형으로 구된다.
프랑스는 SFR(소듐냉각고속로) 실증에 대한 기술과 노하우를 보유하고 있으며 러시아는 SFR 실험로(BOR-60), 원형로(BN-600), 실증로(BN-800)를 운영 중이고 추가로 새로운 다목적 SFR 실험로(MBIR)를 건설 중이다. 그리고 중국은 2010년 러시아의 기술을 도입하여 SFR 실험로(CEFR)를 완공해서 운영하고 있다. 그리고 우리나라의 4세대 원자로는 가장 기술이 앞선 SFR(소듐냉각고속로)과 VHTR(초고온가스로) 개발에 집중하여 국가계획을 수립하여 추진하고 있다.
미국 에너지청(DOE)은 빌 게이츠가 설립한 테라파워 사의 ‘Natrium’이 선진원자로 실증사업으로 선정되어 매년 엄청난 정부의 지원을 받고 있어 세계 원자력사업에 가장 선도적인 역할을ㅊ담당하고 있다.

울진군의 원자력 수소생산사업은 산업부, 과기부, 한수원이 주관해 울진군 죽변면 신한울 원전 인근에 추진된다. 2021년부터 2030년까지 50만㎡ 면적에 총 사업비 1조9천억원이 투입된다. 이 사업은 2030년까지 100MW급 SOEC 시스템 개발 및 실증을 추진할 계획으로 이를 통해 연간 약 1만7천톤의 수소를 생산할 수 있다. 이는 SK인천석유화학의 세계 최대 규모 수소 액화플랜트 용량의 약 57% 수준이다.

세계 최대 규모의 액화수소플랜트 사업은 지난 5월 7일, SK E&S가 인천에 연간 3만 톤의 액화수소를 생산할 수 플랜트가 완성되었다. 인천 액화수소플랜트는 인근 SK인천석유화학의 공정 내에서 발생하는 기체 상태의 부생수소를 고순도 수소로 정제 후 냉각해 액화수소를 생산하는 시설이다. 주요 설비로는 하루 30톤급 액화설비 3기와 20톤급 저장설비 6기가 있다.

단일 공장 기준으로 세계 최대 규모인 하루 90톤, 연간 약 3만 톤의 액화수소 생산이 가능하다. 이는 수소버스 약 5,000대를 1년간 운행할 수 있는 양이며 액화수소는 상온에서 기체 형태로 존재하는 수소를 영하 253도의 극저온 상태로 냉각해 액체 형태로 만든 것이다.

탄소중립의 가장 핵심적인 해결방안은 수소생산이며 이는 제4세대 원자로와 원자력 수소 생산이 2030년 이후에 본격적으로 이뤄질 전망이다. 따라서 2030년 이후에야 4세대 원전의 고온 수전해 방식에 의한 값싼 수소를 대량 생산하여 수소경제시대를 개막시키게 될 전망이다.

이는 시급히 요구되는 탄소중립에 대한 본격적인 해결책이 마련되는 셈이어서 지구환경을 되살릴수 있는 기회를 갖게 될 것이라는 세계 인류의 희망이 이뤄지길 기대한다.