수소는 생산과정에서 사용되는 원료와 생산기술에 따라 색깔로 구분한다. 원자력으로 생산한 수소는 크게 3가지로 나뉜다.
먼저 원자력 발전으로 생산한 전기로 물을 전기분해해 생산한 수소를 핑크수소(Pink Hydrogen), 원자력 발전 과정에서 발생하는 열로 물을 열화학분해해 생산한 수소를 레드수소(Red Hydrogen), 원자력의 열과 전기로 물을 열화학+전기분해해 생산한 수소를 퍼플수소(Purple Hydrogen)로 구분한다.
이같이 원자력수소는 원전에서 생산되는 열과 전기를 동시에 이용하기 때문에 전기만으로 생산하는 것보다 30% 정도 효율이 높다. 또 전원별 생산단가 중 가장 저렴해 가동률을 100%까지 높이면 수소생산단가를 낮출 수 있고 1GW급 대형원전 1기가 생산하는 연간 수소생산량이 15만 톤에 달한다. 업계는 원전으로 생산된 수소의 단가를 1kg당 1.7~2.5달러(2,360~3,450원)로 보고 있다.
무엇보다 원전에서 발생하는 이산화탄소가 거의 없어 청정수소로 분류될 수 있다. UN 유럽경제위원회의(UNECE)의 발전원별 이산화탄소 배출량에 대한 보고자료에 따르면 원자력발전은 생산전력 1kWh당 6.4gCO2eq으로, 태양광(48.2gCO2eq), 풍력(20gCO2eq) 등의 재생에너지보다 CO2 배출량이 적은 것으로 나타났다.
정부는 원전을 활용한 수소생산기술이 상용화되면 청정수소를 대규모로 확보할 수 있어 국가 탄소중립 목표와 에너지안보 확보에 크게 기여할 수 있을 뿐만 아니라 원전 해외수출 시 원전 수입국의 수소정책에 특화된 비즈니스 모델 개발이 가능해 원전 수출경쟁력 확보에도 크게 기여할 것으로 기대하고 있다. 이에 원자력수소를 활성화하기 위한 잰걸음이 빨라지고 있다.
울주서 원전수소 생산기술 개발
지난 6월 한국수력원자력(이하 한수원)은 삼성물산, 두산에너빌리티, 현대건설, 한국전력기술, 한국가스안전공사, 한국가스기술공사, 전력거래소와 ‘원자력 청정수소 생산·활용 사업화를 위한 업무협약’을 체결했다.
이들은 협약에 따라 원자력수소 생산 대용량 상용 플랜트 구축·운영, 국내 및 해외 수출형 원자력수소 생산 사업모델 개발, 국내 청정수소 생산·활용을 위한 사업 기반 조성 등 원자력수소 생산 실증의 성공적인 수행과 적기 사업화 추진을 위해 긴밀히 협력한다.
이를 통해 국내 최초로 원전 전력을 사용하는 저온 수전해 시스템을 기반으로 수소생산플랜트를 오는 2027년까지 구축한다. 이 플랜트는 10MW급 저온 수전해 시스템을 통해 하루 4톤 이상의 청정수소를 생산할 뿐만 아니라 저장·출하하는 인프라까지 갖춘다.
이와 함께 원전·재생에너지 환경을 고려한 수전해 시스템 설계, 원전 안전성 평가, 관련 규정 분석 등을 통해 원전 활용을 위한 인허가 취득, 10MW급 수전해 플랜트 구축 및 실증을 통해 무탄소 전원 연계 저온 수전해 운영 기술 확보 등 여러 과제를 수행한다.
참여기업 중 현대건설은 원자력 연계 전력시스템과 용수‧압축공기‧질소 등을 공급하기 위한 공용설비 설계 및 구축을, 한국가스안전공사는 대전력 연계 수전해 설비‧시설 안전기준 개발과 제도적 장치 마련을, 한국가스기술공사는 청정수소 출하품질 확보 및 수소출하센터 운영 최적화 기술개발을 각각 담당한다.
이 사업은 한수원이 지난 2022년부터 2년간 수행한 ‘원자력수소 생산·저장 플랜트 설계 및 안전성 분석’을 바탕으로 추진한다.
‘원자력수소 생산·저장 플랜트 설계 및 안전성 분석’은 산업부의 2022년도 제1차 에너지기술개발사업 중 ‘수출경쟁력 확보를 위한 대용량 청정수소 생산·저장 플랜트 설계 및 인허가 대비 기반 연구’ 과제로, 원전 연계 계통 안전‧경제성을 분석해 청정수소 생산 플랜트 설계 실현 가능성을 점검하는 것이다.
해당 과제는 한수원이 주관하고 한전기술, 두산에너빌리티, RIST 등이 참여했으며 사업비는 총 48억7,000만 원이 투입됐다. 참여기관들은 △원자력수소 실증 타당성 조사 및 기초연구 △원자력수소 생산‧저장 플랜트 설계 및 인허가 대비 안전성 분석 등을 수행했다.
플랜트는 한수원이 운영하는 사업소 중 1곳에 구축하기로 했다. 이에 한수원은 지난 7월부터 실증부지 선정을 위해 지자체 선정을 받아 서류심사, 현장심사 등 평가 절차를 진행했고 10월 29일 울주군을 최종 선정했다. 울주군은 울산시, 울산테크노파크와 전담조직을 구성해 대응했다.
이에 따라 한수원은 울주군 서생면 신암리 일원에 2028년 3월까지 829억원(국비 290억 원)을 들여 원자력 전력을 연계한 10㎿급 저온 수전해 청정수소 생산 설비(플랜트) 설계 ·구축과 실증 운영 및 사업화에 나선다. 해당 지역엔 한수원이 운영하는 새울원전이 있다.
세계 최초로 원자력 전력을 사용하는 10MW급 저온 수전해 체계로 하루 4톤 이상 청정수소를 생산해 온산공단 기업 등에 공급할 예정이다. 4톤은 하루에 넥쏘 630대를 충전할 수 있는 양이다.
또 울주군은 사업 초기 인허가부터 시설 운영, 규모 확장 등 사업 전반에 대한 지원을 약속했으며 울산시는 실증부지 인근에 대규모 청정수소 및 수소화합물 생산연합지구(클러스터)를 구축하는 수소특화단지를 추진한다.
차세대 원자력 산업 확보
지난 6월 국가과학기술자문회의 제8회 심의회의에서 ‘차세대 원자력 확보를 위한 기술개발 및 실증 추진방안’이 심의·의결됐다. 이에 따라 정부는 우선 혁신형 소형모듈원자로(i-SMR)의 핵심기술을 신속 확보해 2025년까지 표준설계를 완료하고 2030년대 글로벌 SMR 시장진입을 목표로 국내·외 사업화를 준비해 나간다.
이를 통해 2030년대 초 개화될 세계 차세대 원자로 시장에 대응해 기술 및 시장 주도권을 적기에 확보하고 전력공급뿐만 아니라 열공급, 수소생산, 신재생에너지 연계, 해양·우주 등 다양한 부문에서 신산업을 창출할 계획이다.