시장보급형 고순도 수소생산유닛 100% 국산화 기술 영상. <영상=에너지연 제공>

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 윤왕래 수소연구단 박사 연구진이 도시가스 파이프라인을 연결만 하면 바로 인근에서 99.999% 이상의 고순도 수소를 저렴하게 생산·공급할 수 있는 '현장생산형(On-Site) 고순도 수소생산유닛' 기술을 100% 국산화하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

기존 현장생산형 고순도 수소생산의 핵심기술 국산화율은 40~50%에 불과하다. 이는 현실적으로 성능이 입증된 국산화 제품이 없어 전적으로 수입에 의존하기 때문이다. 그렇기에 초기 시설투자비는 1대당 30억원으로, 정부의 '수소경제 활성화 로드맵'의 2022년 목표치인 1kg당 수소 가격 6000원의 비용경제성을 확보하기 위해선 국산화율을 높여 1대당 10억원대 이하인 동시에 수소생산효율이 80% 이상 돼야 한다.

현장생산형 고순도 수소생산기술은 천연가스와 수증기가 반응해 각 반응물에 내재된 수소를 뽑는 리포밍 모듈과 여기에 포함된 불순물을 흡착분리해 99.999% 이상의 고순도 수소를 생산하는 정제 모듈(VPSA) 조합으로 구성됐다.

시스템 효율에서 개질반응기(SMR)의 열·물질전달 설계가 가장 중요하다. 이를 위해 열교환 일체형 대류 열전달 개질기 설계와 발열반응 자동제어 열교환형 수성가스 전이반응기를 모듈화 원천 설계, 콤팩트화·고효율화를 기했다.

더불어 고순도 수소 정제를 위해 기존 PSA가 아닌 VPSA(진공압력변동 흡착)를 자체 개발했다. 또한 탈착압력을 낮춤과 동시에 5가지 흡착제의 최적 레이어링·배열을 통해 유효 흡착량 증대와 분리효율을 극대화시켰다. 이를 통해 수소 정제 효율 99.999% 이상·CO 농도 0.2 ppm 이하로 유지할 수 있도록 설계했다.

이러한 기술은 미국 에너지부와 일본 NEDO에서 초기 수소에너지 보급 사양 중 제시한 수소생산효율 75~80%를 상회하는 81%의 고효율을 기록했다. 기존 LNG 공급망을 활용해 추가 인프라 투자 없이 쉽고 안정적으로 경제적인 수소생산·공급이 가능하다는 점에서 충분한 경쟁력이 있음을 보여줬다.

윤왕래 박사는 "이 기술은 부생수소와 더불어 초기 수소경제 이행의 핵심공급원으로서 매우 중요한 역할을 하게 될 것"이라며 "자발적 시장진입 전제로서 대당 10억 원 이하의 비용경제성과 더불어 효율 80% 이상, CO 농도 0.2ppm 이하, 안정적 가동 등 시스템 성능 관련 신뢰성 있는 품질데이터가 확보돼야 한다"고 강조했다.

이번 연구개발은 국가과학기술연구회가 지원하는 BIG 연구사업의 일환으로 2017년부터 4년간 진행되고 있다. 지난달 18일, 에너지연은 대전 본원에서 '가압형 모듈화 고순도 수소생산유닛 국산화 설계기술'로 원일티엔아이와 총액 50억 원의 기술이전계약 체결식을 진행했다.