값싸고 풍부한 수소 생산은 원자력 고온 수전해로 - 박상덕 서울대학교 원자력정책센터 수석연구위원
수소경제 시대가 열리면서 선진국들은 대량으로 수소를 공급하기 위한 연구개발에 힘을 쏟고 있다. 미국의 경우 2019년부터 원자력을 연계한 수소 생산 연구에 투자해 왔으며 Fuel Cell Energy사는 2026년까지 200MW 규모의 고온 수전해 시스템을 공급할 준비를 하고 있다. 프랑스 마크롱 대통령은 2030년까지 원자력발전소를 활용한 녹색 수소 생산 강국으로 발돋움할 것을 천명했고 국영전력회사 EDF는 수소 생산을 목적으로 자회사 Hynamics를 설립했다. 영국은 가동 중인 Sizewell B 원전과 건설 예정인 Sizewell C 원전을 활용해 2030년까지 1GW급 수전해 설비를 건설할 계획을 발표했다.
작년 11월, 탈원전 기조하에서 발표된 문재인 정부의 제1차 수소경제 이행 기본계획에 따르면 우리나라 2030년 수소 소요량이 390만t이고 2050년에는 2790만t으로 예상된다. 이를 공급하기 위한 방안으로 2030년 50%, 2050년 80%의 수소를 수입한다고 계획돼 있다. 원자력에 의한 수소 생산을 고려하지 않았기에 이렇게 불합리한 계획이 만들어졌다. 우리나라는 에너지의 해외 의존도가 경쟁국에 비해 높다. 국제 정치 상황이 불안할 때 에너지 비용 상승 등 심각한 불이익을 받은 경험이 있었음에도 미래에너지인 수소까지 해외에 의존하도록 기획됐다. 탈원전이 반영된 결과이다.
기본계획에 따르면 탄소가 발생하지 않는 청정수소의 경우, 2030년 25만t(3500원/kg), 2050년 300만t(2500원/kg)을 국내에서 생산한다고 한다. 이를 달성하기 위한 방안으로는 물을 전기분해하는 방법이 유일하다. 물론 LNG개질과 CCS를 연계 활용해도 청정수소를 생산할 수 있지만 우리나라 CCS의 경우 탄소저장소의 문제와 포집·저장에 따른 비용 등 넘어야 할 산이 많다. 현재의 전기분해 방법으로는 생산단가가 1만원/kg을 크게 상회한다. 목표 가격으로 목표량을 달성하기 위해서 혁신적인 방법이 동원돼야 하는 상황이다.
전기분해로 수소를 생산할 때도 사용하는 전기에 따라 무탄소 여부가 결정된다. 원자력이나 재생에너지이어야만 완벽한 무탄소 청정수소를 생산할 수 있다. 그런데 재생에너지의 경우 아직은 전력생산비용이 높고 간헐성 때문에 설비 이용률도 15%로 매우 낮다는 문제가 있다. 생산되는 전기를 전부 수소 생산에 투입한다 해도 수소 생산 설비 이용률이 낮은데 과다 생산되는 전기만 수소 생산에 사용한다면 이용률이 더 낮아져 수소 생산 비용이 급격하게 증가한다. 그렇다고 남는 전기의 양을 늘리기 위해 태양광을 과다하게 설치할 여건도 안된다. 원자력 전기만이 목표 비용을 맞출 수 있다.
물을 전기분해하는 방법에는 저온에서 이뤄지는 알카라인 수전해 및 고분자전해질 수전해가있고, 고온에서 이루어지는 고체산화물 수전해가 있다. 고체산화물 수전해는 700도 이상의 고온에서 작동하기에 저온 수전해에 비해 전기분해 효율이 30%가량 높다. 당연히 고온 수전해가 우리가 나아갈 방향이다. 원자력은 재생에너지와 달리 고온의 열도 공급할 수 있기에 보다 높은 전기분해 효율을 얻을 수 있는 고온 수전해에 적합하다.
유럽은 오는 2027년까지 200MWe의 고온 수전해를 실증하고 2028년부터 GW급을 실증한다고 하며, 미국도 2027년까지 100MWe급의 고온 수전해를 실증하고 GW급으로 넘어간다고 한다. 물론 외국에서는 원자력 고온 수전해 외에도 재생에너지와 폐열을 이용한 고온 수전해 등을 시도하고 있지만 우리의 경우는 여건상 원자력 수전해가 가장 값싸게 대량으로 수소를 공급할 수 있는 유일한 방법이다.
앞에서도 강조했지만 우리나라에 가장 적합한 수소 생산 방법은 원자력 고온 수전해다. 대량 생산도 가능하고 단가도 낮출 수 있기 때문이다. 이를 위해 산업통상자원부, 한국수력원자력 등 관련 기관의 적극적인 노력을 기대한다.
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