수전해 센터는 과연 당진 경제에 무슨 도움이 될까?

지난 10월 28일, 석문산업단지에서는 국내 최초 그린수소 수전해센터 개소식을 가졌다.

수전해센터는 지면적 6,608㎡(2천평), 건축연면적 828㎡((250평)으로 2022년부터 산업통상자원부 스마트 특성화 사업으로, 사업비 127억 원(국비 55억 8,000만 원, 충남도 14억 원, 당진시 56억 5,000만 원, 자부담 8,400만 원)을 투입해 건립했다.

현재 대부분 수소 생산은 천연가스를 개질하여 생산되는 그레이 수소를 활용한다. 이의 생산단가는 3, 4달러 주준이나 여기에서 나오는 탄소를 제거하는 CCUS(탄소 포집 저장 활용)기술을 도입해야만 블루 수소라는 청정에너지로 대접을 받게 된다.

LNG 가스는 석탄 다음으로 탄소 배출량이 많아 IPCC 기준 kWh당 석탄의 탄소 배출량이 820g이고 LNG 배출량이 석탄의 60%에 해당되는 492g이다. 이를 탄소 포집 저장 또는 활용하는 기술(CCUS)을 활용해서 탄소배출을 제거해야 부르수소라는 청정에너지가 된다.

최근 전기방전을 통하여 온도를 1만도까지 올려 사용하는 기술인 프라즈마 방식으로 LNG가스를 청정수소와 배출되는 탄소를 고체화할 수 있는 청록수소 기술이 개발되었다. 요즈음 이를 활용한다면 값싸고 대량으로 수소를 생산하면서 배출되는 탄소를 고체화하여 저비용을 청정수소를 대량으로 생산할 수 있는 방식이라는 평가를 받고 있다.

우리는 초등학교에서 과학 시간에 ‘물(H₂O)에서 수소(H)와 산소(O)를 추출하는 수전해 실험을 해봤던 경험을 갖고 있다. 즉 건전지의 음(-)극과 양(+)극, 양 끝에 얇은 금속판을 각각 전선으로 연결하고, 그 두 개의 금속판을 실험용 비커 속에 담아둔 물속에 퐁당 집어넣기만 하면 된다.

잠시만 기다리면 두 개의 금속판 표면에서 보글보글 거품이 올라오는 것을 볼 수 있디. 음극 쪽에서 발생하는 거품이 수소, 양극 쪽에서 발생하는 거품이 산소다. 이같이 물을 전기로 분해한다는 것을 ‘수전해(水電解)’라고 한다.

요즈음 수소를 생산하는 방식으로 수전해 방식을 사용하는데 여기에서 나오는 청정수소는 화석연료와는 달리 온실가스나 환경오염 물질이 나오지 않고 물만 나오는 무탄소 청정에너지가 되는 것이다. 그렇지만 전기를 사용하여야 가능하기 때문에 이중 부담이 뒤따르게 되고 복집한 절차를 밟아야 하는 번거로움이 있어 수소 생산방식으로 도입하기에 주저하고 있다.

수전해 기술에서 가장 중요한 요소는 반응기(스택)이다. 스택은 양성자 환원 촉매, 물 산화 촉매로 이뤄져 물에서 수소와 산소를 분리한다. 이때 전해질막(분리만)의 역할이 중요한데, 이 막은 수소·산소의 혼합을 물리적으로 막아 폭발을 방지하고, 전해질 이동을 원활히 하거나 그 자체로 이온을 전도해 이온전달 저항을 줄인다.

수전해 기술은 전해질 종류에 따라 알카라인 수전해(AWE), 고체 전해질을 쓸 때는 고체산화물 수전해(SOEC)와 양이온교환막 수전해(PEMWE), 액체와 고체 모두 전해질로 쓰는 것은 음이온 교환막 수전해(AEMWE)기술이다. 이 가운데 100℃ 이하에서 반응하는 저온 수전해는, AWE, AEMWE, PEMWE 기술이고, SOEC는 600~800℃의 고온에서 반응한다.

이런 3가지 기술은 모두 저온 수전해 기술로 장단점이 있다. 알카라인은 재생에너지에 연계시키기 힘들고, 시스템 소형화와 안전성에서 불리하다.

PEM 방식은 현재 가격이 비싸고, 대량 보급이 어려운 상황이다. AEM 방식은 아직 상용화가 이뤄지지는 않았으나, 알카라인과 PEM의 단점을 극복할 수 있다. 다만 AEM의 난제는 비귀금속·저농도 전해질에서 고성능을 얻기 힘들고, 순수전해질 사용도 어렵다. 게다가 음이온 교환막/비귀금속 촉매의 내구성 향상이 요구된다.

이같이 수전해 방식도 아직 기술개발 단계에 있어 수전해 센터는 기술개발의 주역으로서 효율성 높은 수전해 방식을 개발하여 상품화를 통한 값싼 수소를 대량으로 생산할 수 있는 체제를 구축해야 되는 역할을 담당하고 있다.

수전해 방식을 고온수전해와 저온 수전해으로 구분한다.

고온 수전해 기술은 열에너지(스팀)와 전기에너지를 모두 활용하는데 저온형 수전해 기술 대비 고온 수전해 시스템은 전기효율이 20~25% 이상 절감된다. 이 기술은 600~800℃의 과열 수증기를 직접 전기분해하여 가장 전력 소모가 적다.

고온 수전해는 열에너지 수급 및 활용이 핵심이기에 원자력발전이나 배열회수 시스템과 같은 연계가 중요하다. 고품위 열원은 캐스케이드로 활용되기에 저품위 열원을 활용한 기술개발이 필요하다.

최근에는 가동 원전과 SMR(소형 모듈원자로)을 이용한 핑크 수소, 수소혼소 터빈과 배열회수보일러를 활용한 옐로우 수소 등의 모델이 연구되고 있다. 특히 경수로 및 SMR을 활용한 원자력수소 생산의 필요성이 커지고 있다.

경수로 수소생산은 고온 수전해 기술을 적용할 수 있고, 신재생 확대에 따라 원전의 잉여전력을 해소할 수 있다.

이같이 세계 각국들은 수전해 효율을 조금이라도 더 높일 기술을 개발하기 위해 경쟁하고 있다. △전기분해가 좀 더 쉽게 일어나도록 촉매를 넣는 방법 △수백도 이상의 높은 온도로 물을 가열해 반응속도를 높이는 방법 △전기의 흐름을 돕기 위해 두 전극 사이에 특수 소재의 격막을 설치해 주는 방법 등 수많은 관련 기술들이 개발, 연구 중에 있다.

국내 최고의 탄소배출 지역인 당진시는 앞으로 수소경제 시대를 주도하여 화력발전단지, 철강단지를 저탄소화 사업을 추진해 나가야 한다.

사실상 화력발전 단지는 폐기수순을 밞아야 하기 때문에 화력발전을 대신할 수 있는 사업영역을 찾아내서 이를 준비하여야 전력생산 단지로서의 역할을 지속적으로 담당해 나갈 수 있다.
이는 무엇보다도 값싼 수소를 대량으로 생산할 수 있는 수소생산방식을 모색하여 중앙정부의 도움으로 이를 추진해 나갈 수 있도록 여건을 만들어 나가야 한다.

울주군에는 원자력 수소 국가산업단지를 중앙정부로부터 승인을 받아 국가사업으로 추진되고 있다.

당진시도 값싼 수소를 대량으로 생산할 수 있는 당진형 탄소중립 모델을 마련하여 중앙정부로부터 숭인을 받고 국가사업으로 추진될 때 당진시의 탄소중립사업은 성공적으로 추진해 나갈 수 있는 것이다.

그래야 폐기되는 당진화력발전소와 수소환원제철을 생산해야 되는 현대제철의 탄소중립을 완성시켜 나갈 수 있는 것이다.

이런 기본적인 탄소중립 사업을 팽개치고 수소 도시, 탄소중립 도시, 암모니아 수소항만, 그리고 수전해 센터 등으로 당진시의 탄소중립 사업을 왜곡하고 있는 당진시의 입장은 무엇인지 궁금하지 않을 수 없다.

탄소중립은 당진시민들의 피와 땀과 눈물 없이는 이뤄 질 수 없는 사업이며 당진시가 독자적으로 추진할 수도 없는 사업이다. 당진시민과 당진시가 다함께 머리를 맞대고 당진형 탄소중립 모델을 만들어 나갈 때 완성될 수 있는 일이라는 사실을 명심하고 궤도 수정이 이뤄지길 기대한다.