사설 토토 사이트 수소도시를 위한 핵심기술 ‘대용량 청록수소 생산기술’ 개발 START

고등기술연구원이 주관하는 국토교통부의 ‘대용량 청록수소 공급시스템 기술개발’ 사업이 본격적으로 시작됐다. 지난 5월 29일에는 대전의 한 호텔에서 14개 기업과 기관이 모여 업무협약을 맺고 1차 연도 착수회의도 열었다.

청록수소(Turquoise hydrogen)는 천연가스나 바이오가스를 고온의 플라즈마로 열분해하는 기술로 수소와 고체탄소가 함께 나온다. 수소와 함께 생산된 부산물을 정제해 고순도 수소를 유통하게 된다.

청록수소의 강점은 CO₂ 배출 없이 수소와 고체탄소를 얻을 수 있다는 점이다. 특히 고체탄소는 연료전지 지지체, 이차전지 음극재, 타이어나 고전도성 페인트 원료로 쓰이는 고부가가치 물질로 경제성 확보에 큰 도움이 될 수 있다.

이번 사업의 목표는 수도권매립지관리공사 부지에 하루 3톤 규모의 청록수소 생산 플랜트를 구축하고 운영해서 관련 기술의 신뢰성과 경제성 여부를 확보하는 데 있다.

규제샌드박스를 통한 제도 개선, 표준화 인증을 비롯해 수소도시와 연계한 비즈니스 모델 개발에 나선다. 2029년에 완료되는 5년짜리 과제로, 총 예산은 정부출연금 등을 합쳐 350억 원에 이른다.

인투코어테크놀로지의 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 기술이 핵심이며, 95% 이상의 메탄 전환율, 연속 168시간, 누적 3,000시간 이상의 안정적인 장기운전 성능을 확보하고, 저온흡착 공정으로 99.99%의 고순도 수소를 정제해 수소버스 등에 공급할 예정이다.

수도권매립지관리공사의 실증 현장에서 고등기술연구원 박성호 책임연구원을 만나 국토부의 청록수소 기술개발 과제에 대한 이야기를 들었다.

먼저 본인 소개를 부탁한다

고등기술연구원 차세대플랜트본부 에너지저장 및 전환연구그룹에 속한 극저온 에너지저장실에 책임연구원으로 있다. 우리 연구실은 액체수소 저장 및 단열재, 극저온 탄소 포집, 극저온 가스 분리·정제 같은 극저온 분야를 연구한다. 극저온 가스 분리·정제 기술을 기반으로 수소생산 플랜트 역량을 집중해 하루 3톤급 청록수소 생산 통합 실증과 운영을 총괄하게 된다.

‘대용량 청록수소 공급시스템 기술개발’ 사업 과제를 책임지고 있다. 본 사업에 대한 간략한 설명을 부탁한다

국토교통부는 수소경제 활성화를 위해 청정수소 생산 및 실증 사업을 추진해왔다. ‘수소시범도시 추진전략(’19.10)’, ‘제1차 수소경제 이행 기본계획(’21.11)’을 기반으로 수소생산시설, 배관, 연료전지, 충전소 등 수소 인프라가 포함된 수소도시 사업을 진행해왔다.

우리는 이 정책에 부합하도록 도심에서 발생하는 미활용 자원을 바이오가스(매립지가스)로 전환하고 이를 다시 도심의 에너지원으로 공급해서 궁극적으로 탄소중립을 실현하겠다는 목표에 도전한다.

유도결합 플라즈마(ICP)를 통해 바이오메탄을 수소가스와 고체탄소로 분해하고, 분해된 수소가스를 정제해서 도심의 건물용 연료전지나 수소차, 수소버스 등에 연료로 공급해 에너지원으로 활용하게 된다.

이 과정에서 생산된 고체탄소는 상업용으로 활용 가능한 수준으로 변환해 차량용 타이어, 건물용 고전도성 차폐 소재나 페인트, 수소차의 연료전지 전극에 들어가는 지지체 등에 활용하게 된다.

본 사업은 2027년까지 하루 3톤급 청록수소 생산 플랜트에 대한 상세설계, 규제샌드박스 또는 코드 개정을 통한 수소용품 인증을 추진하고, 2028부터 실증 플랜트를 현장에 설치하고 시운전을 통한 기술 검증에 나선다.

이와 더불어 생산된 바이오 카본블랙의 품질 기준과 국제표준안을 도출하고, 청정수소 인증도 준비할 계획이다. 2029년부터 하루 3톤의 청정수소를 생산해 저렴하게 공급하는 것이 목표이다.

어떤 기업과 기관이 이번 과제에 참여하고 있나?

사업은 크게 세 가지 구성 기술로 분류할 수 있다.

첫 번째는 플라즈마를 통한 수소 생산과 정제 부분이다.

한국핵융합에너지연구원과 한국에너지공과대학에서 플라즈마 반응기 최적화를 담당하고, 인투코어테크놀러지에서 최적화된 반응기 설계안을 마련해 하루 3톤급 청록수소 생산 반응기를 개발하게 된다.

반응기에서 나온 수소와 미반응가스, 방전가스는 고등기술연구원에서 개발하는 저온흡착 기반 수소정제 공정을 통해 고순도 수소 생산에 활용된다.

두 번째는 고체탄소 고부가가치화 전환 및 응용부품 개발이다.

플라즈마 반응기로 수소를 생산하는 과정에서 배출되는 고체탄소를 연속해서 회수하고, 고체탄소 고부가 소재, 연료전지 지지체 소재, 전도성 페인트 소재의 사업화를 위해 한국지질자원연구원, 비나텍, 강남제비스코가 협력하게 된다. 또 한국건설환경시험연구원(KCL)은 품질기준안 개발과 국제표준안 도출을 추진한다.

세 번째는 하루 3톤급 청록수소 생산 실증을 위한 대용량 청록수소 실증플랜트 구축과 운영이다. 실증 플랜트의 기본·상세 설계는 주관기관인 고등기술연구원과 발전·화공 전문 EPC사인 한국전력기술이 맡는다. 실증 플랜트 단지의 설계는 수도권매립지관리공사가 맡고, 청록수소 생산과정에서 발생하는 폐열의 회수·활용은 한국지역난방공사에서 설계를 수행하게 된다.

또 3톤급 청록수소 출하설비 설계는 코하이젠이 맡을 예정이며, 한국화학융합시험연구원(KTR)과 인하대학교는 청록수소 생산 플랜트에 대한 전과정 평가(LCA), 바이오가스 기반 청록수소 생산 플랜트에 대한 청정수소 인증제 근거를 도출하게 된다.

이번 과제를 추진하게 된 배경은 무엇인가?

다양한 수소생산 기술이 시장에서 두각을 나타내고 있다. 하지만 대표적인 청정수소인 그린수소는 국내 재생에너지 부족과 수소생산단가 이슈가 있고, 가장 고도화된 기술로 알려진 블루수소는 청정수소로 인정받기 위해 90% 이상 CO₂를 포집하고 이를 지중에 저장해야 하는 이슈가 여전히 숙제로 남아 있다.

그에 반해 청록수소는 그린수소 생산에 필요한 수전해 대비 재생에너지 소비량이 적고, 고체탄소를 활용해 반영구적으로 CO₂를 고정하면서 경제성도 확보할 수 있다. 저렴한 수소를 수소도시와 모빌리티에 공급하고, 고체탄소는 건설용, 모빌리티용 카본블랙 분야에 적용해 국토교통 분야의 탄소중립 기여도를 높일 수 있다.

세부 추진전략에 대해 좀 더 자세히 말해달라

본 사업을 성공적으로 추진하기 위해 총 여덟 가지 전략을 세웠다.

첫 번째는 국내 독자기술 기반의 유도결합 플라즈마(ICP)를 통해 청록수소의 신뢰성과 경제성을 확보할 예정이다. 인투코어는 중소형 플라즈마 생산 반응기를 통해 4,000시간 이상 누적운전으로 플라즈마의 안전성을 확보했다. 인투코어의 ICP 기술을 활용해 경제성과 신뢰성을 확보하는 것이 첫 번째 목표이다.

두 번째는 이렇게 생산된 수소의 수요처 확보와 관련이 있다.

국토교통 분야의 청정수소 공급, 탄소중립을 실현하기 위해 서울버스 같은 수소 수요기업과 한국타이어, 강남제비스코, 비나텍 같은 카본블랙 수요기업, 민간 투자사와 함께 사업 종료 후 SPC 설립을 통한 사업화 논의를 이어가게 된다.

세 번째는 저온흡착 기술을 기반으로 한 고성능 수소분리 공정 개발로 도심에 적용 가능한 경제적인 흡착 기술을 개발할 예정이다. 고등기술연구원이 차량용 CO₂의 포집·분리를 위해 개발한 고성능 흡착제를 대용량으로 제조해 활용함으로써 해외 기술의존도를 줄이면서 경제성을 확보할 수 있다.

네 번째는 청록수소 생산을 위한 파일럿 플랜트 구축 및 다양한 수소 관련 실증사업 경험을 통해 국내 첫 청록수소 상업용 플랜트를 구축하고 이를 성공적으로 운영하는 데 있다.

고등기술연구원은 현재 산업부의 하루 10kg급 마이크로웨이브 기반 청록수소 생산 플랜트 과제를 한국핵융합에너지연구원과 수행하고 있으며, 바이오프랜즈에서 구축하고 있는 하루 300kg급 청록수소 생산 플랜트의 기본설계를 수행하고 있는 만큼 전문성을 가지고 청록수소 생산 플랜트의 설계와 운영을 성공적으로 이어나갈 계획이다.

다섯 번째는 유도결합 플라즈마와 저온흡착 기술 등 100% 국산 기술을 기반으로 한 청록수소 생산 기술의 자립화와 카본블랙의 표준안 도출을 통해 ‘K-청록수소’ 기술을 선도하겠다는 포부가 있다.

여섯 번째는 도심에서 나온 미활용 에너지를 기반으로 한 매립지가스를 이용하여 국토교통 분야의 탄소중립을 실현하고 카본블랙 사업화를 통해 비용을 크게 줄인 수소공급 사슬을 구축할 예정이다. 공동연구기관인 KTR은 청정수소인증기관으로 본 사업에서 인하대학교와 함께 전과정 평가를 기반으로 청정수소 인증안을 도출할 예정이며, 이를 통해 경제적인 수소공급안을 내놓게 된다.

일곱 번째는 가스안전공사와의 협업을 통한 국내 최초 규제샌드박스 통과 경험을 바탕으로 제도 개선과 더불어 조기 사업화에 나설 계획이다. 유도결합 플라즈마 방식의 국내 첫 규제샌드박스 승인을 받은 만큼 이러한 경험을 바탕으로 사업을 차질 없이 추진해 나갈 계획이다.

여덟 번째는 국내 청정수소와 카본블랙, 안전 전문가 풀(Pool)을 활용해 기술검토위원회와 안전검토위원회를 구성하고, 이번 과제와 연계해 연 1회 위원회를 열어 체계적인 연구개발과 사업화를 추진할 예정이다.

플라즈마 핵심기술로 인투코어의 유도결합 플라즈마 기술을 채택한 이유는 무엇인가?

3톤의 수소를 생산하는 상업용 수소생산 플랜트에서 가장 중요한 점은 기술에 대한 신뢰도와 건전성이라고 판단했다. 청록수소 생산 기술은 재생에너지와 천연가스를 사용하기 때문에 무엇보다 고체탄소의 회수율을 높여 이를 경제적으로 활용하는 것이 수소 원가를 낮추는 데 가장 중요하다.

이러한 관점에서 유도결합 플라즈마는 반도체 공정에 이미 상업화가 되었으며, 대구 실증 현장에서 매립지가스를 이용해 4,000시간 이상 고장과 교체 없이 운영한 이력이 있고, 높은 전환율과 일정한 온도분포를 통한 균일한 입자의 고체탄소 생산이 가능하다는 점에서 가장 적합한 기술이라고 판단했다.

이번 과제에서 고등기술연구원은 수소회수율 90% 이상을 목표로 크기를 40%나 줄인 저온 VPSA(400N㎥/hr) 설비를 개발할 예정이다. 이 부분 개발은 어떻게 진행이 되나?

청록수소는 기존 천연가스 기반의 그레이수소나 블루수소 생산 공정과 달리 방전가스 공급과 열분해 과정에서 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌 등 다양한 탄화수소계 화합물이 생성된다. 따라서 수소정제 공정은 더 복잡하고 대형화될 수밖에 없다. 수소정제 공정의 대형화는 수소흡착탑의 크기를 키우고, 이는 수소회수율을 저하시키는 원인이 된다.

수소흡착 공정은 다공성 흡착제에 탄화수소계 화합물을 흡착해 수소를 정제하는 공정으로 온도가 낮을수록 분자 자체의 열적 운동특성 저하로 물리적 흡착 성능이 높아질 수 있다. 통상 낮은 온도를 유지하기 위해서는 열을 흡수·제거하는 공정이 필요하기 때문에 많은 에너지가 소요될 것으로 보지만, 우리가 개발하는 저온흡착 공정은 가스분리 과정에서 냉열을 회수해 활용하기 때문에 일부 가스의 압력 에너지를 활용하는 것 외에는 에너지가 요구되지 않는다.

이러한 개념으로 블루수소 생산을 위한 극저온 탄소포집 실증을 성공적으로 수행하고 있어 저온흡착 공정 개발도 순조롭게 진행될 것으로 기대하고 있다.

앞으로 하루 3톤의 청록수소, 하루 9톤의 바이오 카본블랙을 회수하는 시스템을 개발하게 된다. 향후 이 모듈을 어떻게 활용하게 되나?

현재 개발 방향은 3톤급 반응기와 정제기를 각각 모듈화(컨테이너 규격화)해서 어떠한 현장 환경에서도 용량별 증설과 설치가 쉽도록 하는 데 있다. 반응기와 정제기를 규격화하고 인증을 획득함으로써 사업화 측면에서 효율성을 높일 수 있을 것으로 본다.

플라즈마의 기본 단위 모듈을 300kW급으로 높이는 동시에 규격화해서 대용량 상업화에 대응한다는 계획이다. 이에 따라 각 수요기업은 필요한 수소 용량에 따라 모듈을 레고블록처럼 연결해 증설하고 상업운전이 가능하도록 하는 것이 목표이다.

설비를 대용량화하는 것이 규모의 경제에 따라 경제적일 수도 있으나, 플라즈마 장치의 대용량화 한계 등을 고려하고 개별 프로젝트에 따른 설계와 검증에 대한 리스크를 줄여 제작 시간과 설치 시간을 단축하려면 이 같은 모듈화 전략이 최선이라고 판단된다.

규제샌드박스를 통한 제도 개선, 표준화 인증 기술개발 과제에 든다. 어떤 과정을 거치게 되나?

인투코어는 이미 유도결합 플라즈마를 이용한 하루 30kg급 청록수소 생산 플랜트에 대한 규제샌드박스 실증특례를 부여받은 이력이 있다.

과제 3차 연도(2027년)에 가스안전공사와 협업해서 청록수소 생산 플랜트의 AH171 코드 개정을 추진함과 동시에 규제샌드박스를 병행함으로써 실증이 지연되는 리스크를 줄이려 한다. 또 카본블랙에 대한 품질기준안과 국제 표준을 도출함으로써 국내외 시장에서 청록수소 생산 기술을 선도하고자 한다.

탄소배출 전주기 평가(LCA), 비즈니스 모델 관점에서 이번 과제를 평가한다면?

청록수소는 CO₂를 배출하지 않지만, 고체탄소는 배출한다. 이러한 고체탄소가 영구적으로 고정화되지 않는다면 전주기 평가 관점에서 청정수소 인증을 획득할 수 있을지 의문이다. 대부분의 고체탄소가 재활용되고 영구적으로 고정이 안 된다면 바이오가스를 통한 청정수소 인증이 필요하다고 생각한다.

따라서 전주기 평가 관점에서 바이오가스를 이용한 청정수소 인증안과 천연가스를 이용한 청정수소 인증안 두 가지를 모두 검토해서 청록수소 생산 플랜트가 청정수소 인증을 받기 위한 전략을 도출하고 검증할 계획이다.

또한 수소, 고체탄소, 열 판매를 고려한 종합 비즈니스 모델을 개발하고 경제성 분석을 통해 저렴한 수소가 국토교통 분야에 공급되도록 하는 데 목적이 있다. 수소도시를 위한 수소생산 모델로 잠재력이 큰 기술인 만큼 이를 검증하는 일이 무엇보다 중요하다.