최근 정부에서 4차에 걸친 ‘신산업 현장애로 규제혁신 방안’ 마련과 수소차, 전기차 등 ‘친환경차 선제적 규제혁파 로드맵’ 발표 등 규제개선을 통해 신산업을 육성하기 위한 노력을 지속하고 있는 가운데, 수소차 시장의 성장을 이끌 핵심요소인 ‘경제적 비용의 고효율 수소생산 원천기술’이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국에너지기술연구원 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(On-Site) 고순도 수소생산유닛’ 원천설계 및 엔지니어링 기술을 100% 국산화하는데 성공했다.
수소 인프라 구축 핵심 요소인 ‘현장생산형 천연가스 개질 고순도 수소생산 유닛’의 핵심기술에 대한 국산화율은 40~50%에 불과하다. 이는 현실적으로 시판 가능하고 성능이 입증된 국산화 제품이 없어 전적으로 수입에 의존하기 때문이다. 이로 인해 초기 시설투자비는 1대당 30억 원으로, ‘수소경제 활성화 로드맵’의 2022년 목표치인 수소가격 6,000원/kg의 비용경제성을 확보하기 위해서는 국산화율을 높여 1대당 10억 원대 이하인 동시에 수소생산효율이 80% 이상 되어야 한다.
현장생산형 고순도 수소생산기술은 수소경제 이행을 위한 초기 핵심인프라 시설로써 천연가스와 수증기가 반응하여 각각의 반응물에 내재된 수소를 뽑아내는 리포밍 모듈과 여기에 포함된 일산화탄소, 이산화탄소, 미반응 메탄 등의 불순물을 흡착분리하여 99.999% 이상의 고순도 수소를 생산하는 정제 모듈(VPSA)의 조합으로 구성되었다.
시스템 효율에 가장 중요한 영향을 미치는 개질반응기(SMR)의 열 및 물질전달 설계가 중요한데, 이를 위하여 열교환 일체형 대류 열전달 개질기를 설계함과 동시에 발열반응 자동제어 열교환형 수성가스 전이반응기를 모듈화 원천 설계함으로써 콤팩트화 및 고효율화를 기하였다.
더불어 고순도 수소 정제를 위하여 기존의 PSA가 아닌 VPSA(진공압력변동 흡착)를 자체 개발하였고 탈착압력을 낮춤과 동시에 5가지 흡착제의 최적 레이어링 및 배열을 통하여 유효 흡착량 증대와 분리효율을 극대화시켰다. 이를 통해 수소 정제 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 기록하였으며, 기존 LNG 공급망을 활용하여 추가 인프라 투자 없이 쉽고 안정적으로 경제적인 수소생산·공급이 가능하다는 점에서 충분한 경쟁력이 있음을 보여줬다.
연구책임자인 수소연구단 윤왕래 박사는 “이 기술은 부생수소와 더불어 초기 수소경제 이행의 핵심공급원으로서 매우 중요한 역할을 하게 될 것으로 전망한다.”고 밝혔으며 “자발적 시장진입의 전제로서 대당 10억 원 이하의 비용경제성과 더불어 효율 80% 이상, CO 농도 0.2ppm 이하, 안정적 가동 등 시스템 성능 관련 신뢰성 있는 품질데이터가 확보되어야 한다.”고 강조했다.
이번 연구개발은 국가과학기술연구회가 지원하는 BIG 연구사업의 일환으로 2017년부터 4년 간 진행되고 있으며, 지난 5월 18일 월요일 한국에너지기술연구원 대전 본원에서 ‘가압형 모듈화 고순도 수소생산유닛 국산화 설계기술’로 ㈜원일티엔아이와 총액 50억 원의 기술이전계약 체결식을 진행했다.
한편 ㈜원일티엔아이는 한국에너지기술연구원으로부터 이전받은 ‘현장생산형 고순도 수소생산 유닛’ 기술로 정부에서 추진하고 있는 분산형 소규모 수소생산기지 구축사업에 적극 대응함과 동시에 거점형 수소생산기지를 위한 중형개질 시스템 스케일-업 개발을 위한 기반기술로 활용할 계획이다.
