에너지기술연구원, 고순도 수소생산유닛 100% 국산화
도시가스 배관망 활용해 도심지로 수소 생산·공급 가능
[이투뉴스] 수소시장의 성장을 이끌 핵심요소인 '경제성 있는 수소'를 가능하게 할 고효율 수소생산 원천기술을 국내 연구진이 개발했다.
한국에너지기술연구원(원장 김종남) 수소연구단 윤왕래 박사 연구진은 도시가스 파이프라인을 연결만 하면 바로 도심지 또는 수요처 인근에서 99.999% 이상의 고순도 수소를 저렴하게 생산 및 공급할 수 있는 '현장생산형 고순도 수소생산유닛' 원천설계 및 엔지니어링 기술을 100% 국산화하는데 성공했다.
수소 인프라 구축 핵심요소인 현장생산형 천연가스 개질 고순도 수소생산 유닛의 핵심기술에 대한 국산화율은 그동안 40~50%에 불과했다. 이는 현실적으로 시판 가능하고 성능이 입증된 국산제품이 없어 전적으로 수입에 의존했기 때문이다.
이로 인해 초기 시설투자비는 1대당 30억원으로 높은 수준을 보이고 있다. 따라서 수소경제 활성화 로드맵의 2022년 목표치인 수소가격 6000원/kg의 비용경제성을 확보하기 위해서는 국산화율을 높여 1대당 10억원대 이하에, 수소생산효율 역시 80% 이상으로 끌어올려야 한다는 분석이 나온다.
현장생산형 고순도 수소생산기술은 수소경제 이행을 위한 초기 핵심인프라 시설이다. 천연가스와 수증기가 반응해 각각의 반응물에 내재된 수소를 뽑아내는 리포밍 모듈과 여기에 포함된 일산화탄소, 이산화탄소, 미반응 메탄 등의 불순물을 흡착분리해 99.999% 이상의 고순도 수소를 생산하는 정제모듈(VPSA)의 조합으로 구성됐다.
시스템 효율에 가장 중요한 영향을 미치는 개질반응기(SMR)의 열 및 물질전달 설계가 중요하다. 이를 위해 에기연은 열교환 일체형 대류 열전달 개질기를 설계함과 동시에 발열반응 자동제어 열교환형 수성가스 전이반응기를 모듈화로 원천설계해 고효율화했다.
더불어 고순도 수소정제를 위해 기존의 PSA가 아닌 VPSA(진공압력변동 흡착)를 자체 개발했으며, 탈착압력을 낮춤과 동시에 5가지 흡착제의 최적 레이어링 및 배열을 통해 유효 흡착량 증대와 분리효율을 극대화시켰다. 이를 통해 수소정제 효율 99.999% 이상 및 CO 농도를 0.2 ppm 이하로 유지할 수 있도록 설계했다.
이번 현장생산형 고순도 수소생산유닛 기술은 미국 에너지부와 일본 NEDO에서 초기 수소에너지 보급 사양 중 제시한 수소생산효율 75~80%를 상회하는 81%의 고효율을 기록했다. 에기연은 기존 LNG 공급망을 활용해 추가 인프라 투자 없이 쉽고 안정적으로 경제적인 수소생산·공급이 가능해 충분한 경쟁력이 있다고 평가했다.
윤왕래 에너지기술연구원 박사는 "이 기술은 부생수소와 더불어 초기 수소경제 이행의 핵심공급원으로서 매우 중요한 역할을 하게 될 것으로 전망한다"며 "자발적 시장진입의 전제로 대당 10억원 이하의 비용경제성과 더불어 효율 80% 이상, CO 농도 0.2ppm 이하, 안정적 가동 등 시스템 성능 관련 신뢰성 있는 품질데이터가 확보돼야 한다"고 강조했다.
이번 연구개발은 국가과학기술연구회가 지원하는 BIG 연구사업의 일환으로 2017년부터 4년 간 진행하고 있다. 지난달 18일 에너지기술연구원은 대전 본원에서 '가압형 모듈화 고순도 수소생산유닛 국산화 설계기술에 대해 원일티엔아이와 50억원의 기술이전계약을 맺었다.
원일티엔아이는 에너지기술연구원으로부터 이전받은 현장생산형 고순도 수소생산 유닛 기술로 정부에서 추진하고 있는 분산형 소규모 수소생산기지 구축사업에 적극 대응하고, 거점형 수소생산기지를 위한 중형개질 시스템 스케일-업 개발을 위한 기반기술로 활용할 계획이다.
진경남 기자 jin07@e2news.com