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《에너지현장》 청정수소 발전 전주기 생태계 만든다
2023년 3월 13일 (월) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2023년 3월호 - 전체 보기 )

청정수소 발전 전주기 생태계 만든다
암모니아·수소발전 실증사업 …수소도시, 모빌리티 분야 연구개발까지
2일 대한상공회의소에서 산업통상자원부 주재로 <제3회 에너지 공공기관 수소경제협의회>를 개최하였다. 지난해 수소경제위원회에서 발표한 <청정수소 생태계 조성방안>을 실행하기 위한 수소 인프라 구축, 수소발전 등 공공기관별 구체적인 이행방안을 논의하였다. 석유·가스공사의 해외네트워크, 인수설비 및 배관망 구축, 한전·발전사의 발전기술 개발·운영, 전력거래소의 시장제도 운영 및 수급 관리 등 공공기관의 축적된 경험과 역량을 결집하겠다고 밝혔다. 정부는  인프라 기반을 다져 수소도시 확산, 수소 모빌리티 대중화, 효율성 높인 수소전지 연구개발까지 구축하며 청정수소 생태계 조성이 가속화될 것으로 기대된다.

정리 편집부 
자료 산업통상자원부, 환경부 외 다수
수소도시 조성사업 중 전주 완주 수소공급기지 (2023년 6월 준공 예정)

수소발전은 청정수소 생태계 조성이 관건 
정부는 올해 상반기 중 ‘수소발전 입찰시장’을 개설하고, 해외 수소도입 시범사업, 수소발전 규제개혁 등 청정수소 생태계 구축을 지원할 계획이다. 이후 진행된 논의에서는 석유·가스공사와 발전사 간 중복투자 방지 및 비용절감을 위한 인수기지 공동투자와 연계운영 등 협업방안을 논의하였다. 각 공공기관은 인프라 구축, 발전설비 개조, 해외 수소 도입 등에 대규모 재원이 필요한 만큼 정부 예산지원, 예타 간소화, 팀코리아 구성 등을 건의하였다. 수소 발전 입찰 시장 개설, 청정수소 인증제 마련 등  에너지 공공기관이 수소발전·인프라 구축을 선제적으로 추진하여 민간의 투자를 촉진하고 시장의 불확실성을 해소해 나가는 것이 중요하다고 관계자는 밝혔다.
당진 액화수소 인수기지 조감도

수소·암모니아 인프라 구축방안
액화수소 인프라 구축 계획 - 가스공사
기존 LNG 도입·인프라 구축 경험을 바탕으로 2029년까지 10만 톤 규모의 해외 액화수소 도입 인프라를 구축한다. 올해는 액화수소 인수기지 개념설계를 착수하고, 액화수소 운송선 발주를 위한 주요 사양을 정립한다. 이와 병행하여 기존 천연가스 배관을 활용한 수소혼입 실증을 위해 올해 평택지역에 실증설비를 구축하고, 2024년에는 제주지역 LNG발전소에 수소혼입 시범운영을 추진한다.
암모니아 인프라 구축 계획 - 석유공사
해외 청정 수소 도입의 주된 수단인 암모니아 유통 인프라 구축을 본격 추진한다.

석탄발전소 
밀집된 서해·동해·남해권역별 인수기지 타당성 조사를 작년 말에 완료하였으며, 올해 인수기지 설계를 착수하여 2026년까지 완공할 예정이다.
수소·암모니아 발전 실증
발전5사는 정부 R&D, 발전현장 실증 등을 통해 2026년까지 수소 혼소기술을 확보4)하고 2028년부터 청정수소·암모니아 상용 발전을 추진한다. 남부발전은 민간기업 협업을 통해 자체적으로 암모니아 혼소발전을 위한 저장탱크, 하역부두 등 인프라 구축을 추진한다.
울산 율동공공주택 수소연료전지 (2023년 6월 준공 예정)
울산 수소 파이프라인 (2023년 8월 준공 예정)

수소도시 조성 사업… 도시의 새로운 활력
수소경제 활성화 측면에서 주목 받는 수소도시 조성사업은 수소 에너지원이 공동주택, 건축물, 교통시설 등에 활용될 수 있도록 수소생산시설, 이송시설(파이프라인, 튜브 트레일러 등), 활용시설(연료전지 등) 등의 도시 기반시설을 구축한다. 수소도시는 주거 분야, 교통 분야로 나뉘며, 주거 분야는 공동주택(공공청사 등) 등에 수소 에너지 보급을 위한 도시기반시설을 설치하는 사업이다. 교통 분야는 수소차, 수소버스 등 수소 모빌리티를 지원하기 위한 도시 인프라를 설치한다.

특히, 올해 추진하는 수소도시 사업은 바이오매스 기반 그린수소 생산시설과 연계한 도시기반시설 설치 등 지역의 여건을 기반으로 참신한 아이디어들과 접목하였으며, 지자체별 여건에 따라 수소도시 인프라 중에서 필요에 따라 소규모(총 사업비 100억 원 또는 200억 원 등) 사업으로도 추진할 수 있도록 사업 유형을 다양화하였다. 국토교통부는 지난 ‘19년 세계 최초로 수소시범도시 3곳(울산, 안산, 전주· 완주)을 선정한 바 있으며, 올해 수소시범도시가 순차적으로 준공되면서 본격적인 성과를 낼 것으로 보고 있다. 2019년 선정한 수소시범도시(3개소)를 포함하여 2024년 신규 수소도시 조성사업을 위해 총 400억 원(국비 200억 원, 지방비 200억 원)을 투자한다. 올해부터는 6개(평택, 남양주, 당진, 보령, 광양, 포항)의 지자체에서 신규 수소도시 사업을 착수하며, 내년부터는 본격적인 조성을 시작할 계획이다.

한편, 이번 설명회5)에서는 수소도시의 개념, 수소도시 인프라 구축사업 내역, 지원규모 및 기간, 향후 사업추진 일정 등을 소개할 예정이다. 수소도시 조성사업은 보통 주거 분야, 교통 분야로 나뉘며, 주거 분야는 공동주택(공공청사 등) 등에 수소 에너지 보급을 위한 도시기반시설을 설치하는 사업이고, 교통 분야는 수소차, 수소버스 등 수소 모빌리티를 지원하기 위한 도시 인프라를 설치하는 사업이다. 특히, 올해 추진하는 수소도시 사업은 바이오매스 기반 그린수소 생산시설과 연계한 도시기반시설 설치 등 지역의 여건을 기반으로 참신한 아이디어들과 접목하였으며, 지자체별 여건에 따라 수소도시 인프라 중에서 필요에 따라 소규모(총 사업비 100억 원 또는 200억 원 등) 사업으로도 추진할 수 있도록 사업 유형을 다양화하였다.

수소 모빌리티 중점 지원
전세계적으로 친환경, 자율주행 등 미래차 시장 선점을 위해 치열하게 경쟁하는 가운데 정부는 지난해 9월 민·관이 합심하여 미래차로의 신속하고 유연한 전환을 위한 “자동차 산업 글로벌 3강 전략”을 발표하였다. 분야별로 살펴보면, 전기·수소차 등 친환경차 기술개발(2,293억 원), 자율주행 등 디지털 분야(1,383억 원), 기반구축·사업화 지원(1,003억 원), 인력양성(315억 원) 등 4개 분야에 걸쳐 311개 과제를 추진한다.

전기·수소차 핵심기술 확보) 우선 주행거리, 충전속도, 내구성 개선 등 전기·수소차 핵심기술 개발에 대한 집중적인 투자와 함께, 연비향상을 통한 내연기관 고도화 등 탄소중립 대응과 친환경차 산업생태계 강화를 위한 기술개발에 2,293억 원을 지원6)한다.
수소·암모니아 등 무탄소 선박 등 … 
기술개발 중점 지원
정부는 국제해사기구(IMO)의 탄소저감 국제규범 강화로 친환경선박 등 미래 조선시장의 주도권을 확보하고 조선산업 생태계의 경쟁력 확보를 위해 동 계획을 수립하고 있다. 올해 친환경선박 관련 예산은 2022년 956억 원에서 1,454억 원으로 52 % 크게 증가하였으며, 산업부·해수부·중기부 등 정부 합동으로 사업을 추진한다. 특히, 수소·암모니아 선박 엔진 개발, 전기 선박의 추진기 개발 등 무탄소 선박의 핵심기술과 기자재 국산화와 관련된 예산을 대폭 늘렸다.

분야별로 살펴보면 친환경선박 기술개발(722억 원), 시험평가(319억 원), 실증지원(350억 원), 인력양성(63억 원) 등 크게 4개 분야에 걸쳐 총 73개 과제를 추진한다. 미래 친환경선박 세계 선도기술 확보를 위해 수소·암모니아 등 무탄소 선박 기술에 329억 원, LNG 선박·전기추진 선박 핵심기술 국산화와 풍력추진 보조장치 등 온실가스 저감장치 개발에 393억 원을 지원7), 기술 검증을 위해서는 인증기준 마련, 저탄소·무탄소 선박 시험평가 방법개발 등 시험·검사기준 개발에 110억 원, 수소 추진선, LNG 화물창 단열시스템 등에 대한 시험·평가 시설구축에 209억 원을 투입할 계획이다.8) 실제 현장에서의 실증 프로젝트 추진에 대해서는 수소·암모니아 시범 선박 건조에 195억 원, 해상 실증을 통한 기술검증 및 시장진입 지원에 155억 원을 지원할 예정이다.9) 
수소차 연료전지 발전 성능 2배 높였다
수소 경제 전반의 핵심 발전 시스템인 연료전지10)의 발전 효율을 크게 높일 수 있는 새로운 촉매 합성법이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단(단장 현택환) 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 열처리 공정만으로 간단하게 백금 기반 연료전지 촉매를 합성하는 기술을 개발했다. 이를 통해 백금 함량 당 연료전지의 발전 성능을 기존 대비 2배가량 높였다.

수소 에너지를 전기 에너지로 변환하는 데에는 연료전지가 가장 널리 활용된다. 연료전지는 수소(H2 )와 산소(O2 )를 이용해 전기를 생산하고, 부산물로 물(H2O)만을 배출하는 친환경적인 발전시스템으로 수소발전소 등 수소 산업 곳곳에서 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 특히, 수소자동차11)와 수소전기트럭은 전기자동차보다 높은 효율을 낼 수 있어 이상적인 이동수단으로 꼽힌다.

하지만 연료전지 촉매로 사용되는 백금(Pt)의 가격이 1 ㎏ 당 3000만 원 이상이며, 고성능 촉매를 합성하기 위한 합성법이 제한적인 상황이다. 촉매 비용 대비 충분한 발전 성능이 확보되지 않아 아직은 사업성이 떨어진다는 의미다. 연료전지 시스템이 산업 전반에 활용되기 위해서는 백금계 촉매를 손쉽게 대량 생산하는 기술과 적은 촉매로도 발전 성능을 지금보다 크게 개선시키는 것이 필요한 상황이다.
연구진이 고안한 합성법을 이용하면 탄소 지지체 위에 다량의 나노입자를 촘촘히 배치할 수 있어, 산소 기체의 이동도 용이해진다. 연료전지의 반응물로 사용되는 산소 기체의 유입이 쉬워 효율이 더욱 좋아진다는 의미다. 여기에 이온의 이동을 용이하게 하는 아이노머라는 첨가제를 탄소 기판 위에 고르게 분산시켜, 기존 촉매가 연료전지로 구현됐을 때 제 성능을 구현하지 못하는 문제를 해결했다. 개발한 촉매를 장착해 연료전지의 성능을 평가했다. 같은 무게의 백금을 사용했을 때 기존 수소자동차 대비 2배 가까운 전력(5.9 kW/gpt)을 생산하는 것으로 확인됐다. 연료전지 가격의 40 %를 차지하는 값비싼 백금의 사용량을 2배 절감할 수 있는 셈이다. 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2025년 개발 목표치를 달성한 우수한 성능이다. 


표1 내용 중) 1) 수요에 따라 30만 톤 규모의 설비 확장(2030년부터) 또는 인수기지 추가 구축한다.
표1 내용 중) 2) 가스공사, 가스안전공사, 도시가스사, 에너지기술평가원
표1 내용 중) 3) 다양한 수소 환경에서 기자재 시험을 통해 안전성 검증
4) 자체 기술개발 현황 : 수소 혼소 실증 R&D(서부발전, 2021~2023), Carbon-Free 암모니아 발전기술 개발(한전-발전5사, 2022~2024), 접선연소 발전소 암모니아 혼소기술 개발(한전-발전4사, 2023~2025)
5) <수소도시 조성사업 설명회> 일시 및 장소 : 2023년 2월 15일(수), 정부세종청사에서 진행되었다. 
6) 2023년 신규 : 열폭주 방지 배터리팩 기술개발, 해외수출형 전기기관차 기술개발·실증, 재생합성연료(e-Fuel) 활용 원천기술개발, 전환기 대응 자유공모 과제 등이다.
7) 2023년 신규 : 암모니아 연료 엔진 개발, 선상 CO₂ 포집 장치 개발, LNG 기화가스 예측기술 등
8) 2023년 신규 : 액화수소 신뢰성 평가센터, 친환경선박 수리개조 지원센터, 선박 온실가스 통합관리 등
9) 2023년 신규 : 암모니아 혼소 추진 선박 실증 (규제자유특구-경남)
10) 연료전지(Fuel cell): 두 개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질 막으로 구성된다. 음극(anode)에는 수소(H2)를, 양극(cathode)에는 산소(O2)를 각각 공급한다. 음극에서 수소분자가 수소 이온으로 이온화된 뒤 양극으로 이동하고, 양극에서 수소이온과 산소가 만나 물이 형성되면서 전기가 발생하는 원리다. 

<Energy News>

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