[투데이에너지] 그린 수소 생산 기술의 조기 정착화를 위한 필수 요건은 신·재생에너지원과의 연계와 수전해 기술 고도화를 통한 기존 수소생산기술 대비 높은 시장경제성 확보다.
이는 2020년 10월 정부가 선언한 2050 탄소중립 이행계획과 2021년 발표 한 수소경제 이행 기본계획에서 중요성이 강조된 바 있다.
가장 이상적인 그린수소 생산 방식은 해상풍력, 조력발전, 파력 발전, 해수 온도차 발전 등 신·재생에너지원을 활용하는 것이다.
이들 에너지원은 안정적 전력 공급이 가능하며 특히 해상플랜트 상에 설치되는 직접 해수 수전해 시스템을 활용함으로써 물 부족 문제를 해결할 뿐 아니라 해상플랜트의 신·재생에너지원과의 연계를 통해 공급전력 손실을 최소화하는 동시에 경제성을 향상시킬 수 있다.
이 기술은 기존의 담수를 사용하는 수전해 방식과 달리 해수를 직접 전해액으로 활용한다.
해상플랜트와 해상풍력발전소 등 다양한 환경에서 수전해 시스템 적용 범위를 확대할 수 있으며 전력 전송 효율 극대화로 비용 절감을 통해 가격 경쟁력을 높일 수 있다.
하지만 해수에는 다양한 이온과 불순물이 함유되어 있어 이들이 착물을 형성하거나 산소발생반응과 경쟁하는 염소이온의 산화반응으로 인해 수전해 시스템의 효율성과 장기 내구성이 저하될 수 있다.
현재 고활성 촉매로 귀금속 기반 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등이 주로 사용되면서 촉매 사용량 저감 기술, 촉매 구조와 형상을 최적화하는 기술, 내구성을 강화하는 기술이 중요 과제로 떠오르고 있다.
염소이온의 산화 반응으로 인해 생성되는 유독성 기체인 염소(Cl2)는 주로 산성 환경에서 발생하는 현상이다.
이러한 문제는 높은 pH조건에서 작동하는 알칼리 환경 수전해 기술에서 효과적으로 억제될 수 있다.
하지만 수전해 과정에서 발생하는 높은 과전압 범위에서는 ClO- 생성 위험이 있다.
ClO-은 강력한 산화력을 갖고 있어 촉매층의 부식이나 전극층과 고분자막의 물리적 해리와 같은 열화 현상을 일으킬 수 있다.
또한 고분자기반 분리막과 이오노머도 중요한 기술적 도전을 안고 있다.
해수 기반 수전해에서 분리막은 두 전극 사이의 단락을 방지하고 생성된 수소와 산소의 혼합을 막는 역할을 하며 이온의 이동을 통해 수전해 반응을 완성시키는 고체전해질 역할을 한다.
이오노머 역시 이온교환소재를 사용해 제조되며 전극 슬러리 제조를 위한 용액 형태로 만들어진다.
이들 소재는 성능과 내구성이 우수해야 할 뿐만 아니라 분리막은 기체 혼합을 방지하기 위해 낮은 기체 투과도를 가져야 하고 이오노머는 우수한 기체투과도 및 용해도를 가져야 한다.
이오노머는 촉매와의 흡착을 최소화해 전극 성능과 내구성을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다.
이같은 사항들은 직접 해수 수전해 기술의 효율적이고 지속가능한 발전을 위해 필수적이다.
직접 해수 수전해 전용 막전극접합체(MEA) 부품의 개발에는 몇 가지 기술적 과제가 있다.
해수에 특화된 촉매, 전극, 분리막 및 이오노머를 결합한 MEA를 개발하는 과정에서 각 구성 소재의 성능과 내구성을 향상시키는 것은 물론 다양한 규모의 요구사항에 대응할 수 있고 장기 안정성을 보장하는 MEA 제작이 중요하다.
먼저 정부는 해수 수전해 기술 연구개발에 대한 투자를 확대해야 한다.
이는 촉매, 전극, 분리막, 이오노머와 같은 핵심 소재의 개발에 집중돼야 하며 기초 연구부터 응용 연구에 이르기까지 다양한 단계의 연구에 자금을 지원하는 것을 포함한다.
아울러 해수 수전해 기술과 관련된 표준화 작업을 진행하고 관련 규제를 완화해 기술의 도입과 시장 진입을 용이하게 하는 것이 필요하다.
이와 함께 해수 수전해 기술과 관련된 전문 인력 양성을 위한 교육 프로그램과 장학 제도를 마련해야 한다.
마지막으로 다른 국가들과의 기술 교류 및 협력을 증진해 해수 수전해 기술 발전을 가속화하고 세계 시장에서 경쟁력을 높이며 최신 기술 동향에 대한 접근을 개선하는 것이 중요하다.
이러한 정책 방향은 해수 수전해 기술 발전을 촉진할 뿐 아니라 국가 차원에서 그린수소 생산 확대를 실현하는데에도 기여할 것이다.