수소·연료전지

PEM·알칼라인·SOEC 수전해

PEM / alkaline / SOEC electrolyzer

수전해 설비는 전해질과 작동 온도에 따라 크게 알칼라인, PEM(고분자전해질막), SOEC(고체산화물)로 나뉩니다. 알칼라인은 수산화칼륨 수용액을 전해질로 쓰는 가장 오래된 상용 방식으로 대용량 설비 실적이 많고 귀금속 촉매 의존도가 낮은 편입니다. PEM은 고체 고분자막을 쓰며 상대적으로 좁은 공간에 높은 전류밀도를 낼 수 있고 출력 변동에 빠르게 반응해, 출력이 오르내리는 재생에너지와 연계하기에 유리하다고 평가됩니다. SOEC는 섭씨 수백 도의 고온 수증기를 전기분해하는 방식으로, 외부 폐열을 함께 넣으면 같은 수소량을 만드는 데 필요한 전력량(kWh/kg)을 줄일 수 있지만 고온 재료와 기동·정지 부담이 과제로 꼽힙니다. 사업에서는 전력 프로파일, 요구 순도, 설치 면적, 열원 유무를 따져 방식을 고릅니다.

그린·블루·그레이 수소

green / blue / grey hydrogen

수소는 만드는 방법에 따라 색깔 이름으로 구분해 부르는데, 이는 수소 자체의 색이 아니라 생산 과정에서 나오는 이산화탄소의 양과 처리 방식을 나타내는 관행적 분류이다. 그레이 수소는 천연가스를 고온 수증기와 반응시키는 개질 방식으로 만들며, 이 과정에서 발생한 이산화탄소를 그대로 대기에 배출한다. 블루 수소는 같은 개질 방식이지만 발생한 이산화탄소의 상당 부분을 포집·저장(CCS)해 배출을 줄인 것이다. 그린 수소는 태양광이나 풍력 같은 재생에너지 전기로 물을 전기분해해 만들며, 전기 자체가 무탄소이면 생산 단계 배출이 거의 없다. 이 밖에 원자력 전기를 쓴 경우를 핑크 수소로 부르기도 한다. 실무에서는 색깔 이름이 나라마다 기준이 달라 모호하므로, 수소 1kg을 만들 때 배출되는 이산화탄소 환산량(kgCO2eq/kg-H2)을 기준으로 청정수소 인정 여부를 판정하는 방식이 함께 쓰인다.

수소발전 입찰시장(CHPS)

clean hydrogen portfolio standard

수소발전 입찰시장(CHPS)은 수소나 수소 기반 연료로 생산한 전기를 별도의 경쟁 입찰을 통해 구매하는 제도입니다. 기존 신재생에너지 공급의무화(RPS)에서 연료전지를 떼어내, 수소 발전만을 대상으로 하는 시장을 따로 만든 것이 특징입니다. 발전사업자가 계약 기간과 공급 전력량(MWh 또는 GWh), 희망 가격을 제시해 입찰하고, 평가를 거쳐 낙찰되면 정해진 기간 동안 전력을 공급하는 장기 계약을 맺습니다. 시장은 원료의 탄소집약도 요건에 따라 일반수소와 청정수소 부문으로 구분해 운영되며, 낙찰 물량과 가격은 매 회차 입찰 결과로 결정되므로 특정 값을 고정해 이해하면 안 됩니다. 사업자 입장에서는 장기간의 판매 가격을 사전에 확정할 수 있어 투자 회수 계획을 세우는 근거가 됩니다.

수전해

water electrolysis

수전해는 물(H2O)에 전기를 흘려 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 기술입니다. 화석연료 개질 방식과 달리 반응 자체에서 이산화탄소가 나오지 않기 때문에, 투입 전력이 무탄소 전원이면 생산된 수소도 무탄소 수소로 분류됩니다. 성능은 보통 수소 1 kg를 만드는 데 필요한 전력량(kWh/kg)으로 표시하며, 물을 수소와 산소로 나누는 데 필요한 이론상 최소 에너지는 약 39.4 kWh/kg입니다. 실제 설비는 손실 때문에 이보다 더 많은 전력을 쓰며, 설비 규모는 전기 입력 기준 kW 또는 MW로 표기합니다. 재생에너지 출력이 남는 시간대에 전력을 흡수해 수소로 저장하는 수단으로도 검토되며, 이 경우 설비 이용률이 경제성의 핵심 변수가 됩니다.

암모니아 혼소

ammonia co-firing

암모니아 혼소는 석탄화력 발전소에서 석탄의 일부를 암모니아(NH3)로 대체해 함께 태우는 기술입니다. 암모니아 분자에는 탄소가 없어 연소해도 이산화탄소가 나오지 않으므로, 기존 발전소를 유지하면서 발전량당 이산화탄소 배출을 줄이는 수단으로 검토됩니다. 혼소율은 보통 투입 열량 기준 비율(%)로 표시하며, 열량 기준 20% 혼소는 보일러에 들어가는 열량의 20%를 암모니아가 담당한다는 뜻입니다. 다만 암모니아는 연소 속도가 느리고 질소 성분 때문에 질소산화물(NOx) 발생 가능성이 있어 전용 버너와 탈질 설비 설계가 함께 따라갑니다. 또한 감축 효과는 암모니아 자체를 어떤 방식으로 만들었는지에 좌우되므로, 원료 수소의 생산 경로까지 함께 평가합니다.

액화수소°C

liquid hydrogen

액화수소는 기체 수소를 영하 253°C(-253°C, 절대온도 약 20K) 수준까지 냉각해 액체 상태로 만든 수소를 말합니다. 수소는 끓는점이 매우 낮아 액화하려면 극저온 설비가 필요하며, 이 온도는 액화천연가스(LNG)의 액화 온도인 영하 162°C보다도 훨씬 낮습니다. 액화하면 같은 부피에 훨씬 많은 수소를 담을 수 있어 한 번에 많은 양을 운송하거나 저장할 때 유리합니다. 다만 액화 과정 자체에 상당한 전력이 들어가고, 저장 중 열이 침투해 일부가 다시 기화하는 현상(보일오프)이 발생하므로 단열 성능이 중요한 설계 요소가 됩니다. 실무에서는 수소 충전소용 대량 운송, 장거리 해상 수송, 우주발사체 추진제 등에서 검토·활용됩니다.

연료전지(PEMFC·SOFC)

fuel cell

연료전지는 수소와 공기 중 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기와 열, 물을 만드는 장치로, 수전해의 반대 방향 반응이라고 볼 수 있습니다. 연소 과정이 없어 발전기의 회전 부품이 필요 없고, 연료가 공급되는 동안 계속 발전한다는 점에서 배터리와 구분됩니다. PEMFC는 섭씨 100도 이하에서 작동해 기동이 빠르고 출력 변동 대응이 쉬워 수소차와 건물용에 쓰이고, SOFC는 고온에서 작동해 전기효율이 높고 배출되는 열을 난방이나 증기로 회수하기 좋지만 기동에 시간이 걸립니다. 설비 규모는 발전 출력인 kW 또는 MW로, 생산한 전기의 양은 kWh 또는 MWh로 표기합니다. 국내에서는 발전용 연료전지가 분산형 전원으로 설치되며, 수소발전 입찰시장을 통해 전력 판매가 이루어집니다.