- 수전해 기술 별 그린수소 생산 단가 비교, 분석
- 탈탄소 에너지시장 및 수소경제 전략 수립에 활용 기대

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 강상규 교수 연구팀이 수전해를 통해 생산되는 청정 그린수소의 생산 단가를 산출하고 수전해 기술별 경제성을 분석하는 모델을 개발했다고 밝혔다.

개발된 그린수소 경제성 분석 모델은 선행 연구를 통해 개발된 수전해 시스템 성능해석 모델의 운전결과를 바탕으로 3가지 수전해 기술(알칼라인 수전해, 고분자전해질 수전해, 고체산화물 수전해) 별 운전 효율을 산정하고 그에 따른 설비 운영비용(Operating Expenditure; OPEX)를 고려하여 보다 정교한 분석을 할 수 있다는 것이 특징이다.

수소는 탄소중립 달성을 목표로 하는 미래 에너지 사회에서 에너지 캐리어로서 탈탄소 전략의 핵심적인 역할을 맡을 것으로 전망된다. 수소 생산 방식 중 재생에너지 발전전력과 수전해를 통해 만들어지는 그린 수소는 생산 공정 중 이산화탄소 배출이 없어 특히 주목받고 있다. 하지만 화석연료를 통해 만들어지는 그레이수소 및 블루수소에 비해 2~3배 이상 비싼 생산단가가 그린수소 확장의 걸림돌로 작용하고 있다.

한편, 수전해 기술 별 설비투자비용(Capital Expenditure; CAPEX)이나 운영비용(OPEX) 등 비용 인자 차이가 그린수소 생산단가에 큰 영향을 미침에도 불구하고 수전해 기술 별 생산단가 도출 및 경제성 분석이 부족했으며, 그동안 단편적인 결과만 제시되어 왔다.

강상규 교수 연구팀은 수전해 기술 별 생산단가(Levelized Cost of Hydrogen; LCOH) 분석을 통해 가장 경제적인 그린수소 생산 공정을 도출하고 나아가 그린수소가 가격 경쟁력을 갖추기 위해 절감이 필요한 비용인자가 무엇인지 분석할 수 있는 모델을 개발하였다.

그린수소 생산 경제성 분석 결과, 기본 공정설계 케이스 중 알칼라인 수전해가 7.60 $/kgH2로 가장 저렴한 수소를 생산할 수 있을 것으로 계산되었다. 하지만 고체산화물 수전해를 발전플랜트와 연계해 고온의 폐열을 활용할 수 있을 것으로 가정하는 경우, 고온 수전해의 고효율 이점이 부각되어 더 낮은 7.16 $/kgH2로 수소를 생산할 수 있을 것으로 계산되었다.

또한, 민감도 분석을 통해 전기비용 및 세율이 가장 큰 영향을 미치는 것을 파악하였다. 미국에너지부(DOE)가 설정한 목표 수소생산비용 5 $/kgH2을 달성하기 위해서는 전기비용 및 세율을 현재 수준의 절반 이하로 감소시켜야 함을 확인하였다.

본 연구에서 산출된 수전해 경제성 분석 결과는 단위 시스템 수소생산량, 시스템 footprint 등 그 외 종합적인 수전해 기술 별 특징을 고려하여 수전해 설비 구축 시 최적용량 설계에 활용하고 나아가 수소경제 정착을 위한 전략 수립에 도움이 될 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 수소에너지혁신기술개발사업, 한국가스공사의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 세계적인 국제학술지 ‘Energy Conversion and Management’(IF 11.53, Mechanics 분야 상위 2%)에 2022년 4월 15일 게재되었다.

그림 1. 수전해 기술 별 수소생산단가 및 비용인자 영향분석 결과

그림 2. 주요 비용인자 시나리오 별 수소생산단가