순천향대, 기존 수소 생산설비 활용한 저탄소 수소 생산 시스템 개발

사진: 순천향대 나노화학공학과 권휘웅 교수

순천향대학교(총장 송병국)는 나노화학공학과 권휘웅 교수 연구팀이 기존 수소 생산공정과 고효율 수전해 기술을 결합한 저탄소 수소 생산 시스템을 개발했다고 밝혔다. 연구팀이 제안한 통합공정은 기존 기준 공정과 비교해 수소 생산비용을 11.5%, 이산화탄소(CO₂) 배출량을 49.7% 줄일 수 있는 것으로 분석됐다.

이번 연구는 기존 수소 생산 인프라를 활용하면서 탄소배출을 단계적으로 줄이는 데 초점을 맞췄다. 천연가스를 사용하는 수소 생산방식은 대규모 공급이 가능하지만 생산 과정에서 탄소가 배출된다. 재생에너지 기반 수전해로 생산하는 그린수소는 탄소배출을 줄일 수 있으나 전력소비와 생산비용이 높아 기존 설비를 단기간에 대체하기에는 부담이 크다.

연구팀은 대규모 블루수소 생산에 활용되는 자열개질(ATR) 공정에 고체산화물 수전해전지(SOEC)를 결합한 하이브리드 공정 ‘HASP’를 설계했다. 핵심은 두 공정의 열과 산소를 상호 활용하는 구조다. ATR 공정에서 회수한 고온의 열은 약 800℃에서 작동하는 SOEC에 공급할 물을 가열하는 데 사용하고, SOEC가 수소와 함께 생산하는 고순도 산소는 ATR 공정에 공급한다. 이를 통해 외부 에너지 사용과 산소 공급을 위한 공기분리장치의 운전 부담을 줄이도록 했다.

연구팀은 기존 ATR 기반 공정과 공기분리장치가 적용된 ATR 공정, 새로 제안한 통합공정을 대상으로 에너지·엑서지·경제성·환경성을 평가하는 ‘4E 분석’을 수행했다. 통합공정의 에너지 효율은 82.1%, 에너지가 실제 일로 전환될 수 있는 능력을 기준으로 평가한 엑서지 효율은 38.4%로 나타났다. 기존 기준 공정 대비 각각 15.5%, 67.0% 향상된 수치다. 공기분리장치가 포함된 ATR 공정과 비교해도 수소 생산비용과 CO₂ 배출량이 각각 8.6%, 31.0% 감소하는 것으로 분석됐다.

탄소감축 목표에 맞춘 단계적 전환 시나리오도 제시했다. 기존 ATR 설비를 유지하면서 재생에너지 기반 SOEC를 도입하고, 점차 ATR의 생산 비중을 줄이는 대신 SOEC의 생산 비중을 높이는 방식이다. 연구팀은 이를 통해 설비를 한 번에 교체하는 데 따른 투자 부담을 분산하면서 대규모 수소 공급을 유지할 수 있을 것으로 봤다.

국가별 탄소세와 천연가스·전력 가격, 재생에너지 비중을 반영한 경제성 분석에서는 천연가스와 전력 가격이 수소 생산비용을 좌우하는 핵심 요인으로 나타났다. 포르투갈의 경우 사용 전력을 전량 재생에너지로 전환하는 시나리오에서 수소 생산비용이 약 20.3% 감소할 수 있는 것으로 분석됐다. 연구팀은 천연가스·전력 가격과 설비비, 이자율의 변동을 반영한 몬테카를로 시뮬레이션으로 경제성의 불확실성도 평가했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Energy Conversion and Management’에 ‘4E analysis of an integrated ATR–SOEC hydrogen co-production system for deep decarbonization: Energy, exergy, economic, and environmental impacts’라는 제목으로 게재됐다. 연구에는 순천향대 김수진·김기찬 연구원과 동국대 박진우 교수, 순천향대 권휘웅 교수가 참여했다.