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부울경…수소 메가블록으로 <8> 수소에너지 R&D산실-울산과학기술원

저비용 고효율 ‘그린수소’ 상용화 위해 新촉매제 개발 박차

  • 방종근 기자 jgbang@kookje.co.kr
  •  |   입력 : 2021-10-26 19:56:58
  •  |   본지 6면
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- 풍력 등 이용한 ‘수전해’ 방식
- 그레이수소·블루수소와 달리
- 탄소 등 공해물질 배출량 적어

- 암모니아 활용한 저장체 연구
- 활성화 땐 저비용에 안전 이송
- 백금 등 고가의 촉매 대체할
- 코발트 기반 기술 구현 속도
- 수소 생산 단가 절감 효과 기대

울산이 정부의 수소 에너지산업 육성 정책의 중심에 있는 것은 국내 최고의 전 주기적 인프라를 갖추고 있기 때문이다. 울산은 현재 수소 에너지 산업과 관련된 연구개발(R&D)과 생산 소비 등 모든 분야에서 선도하거나 우위에 있다. 특히 이 가운데 수소 에너지 연구개발 분야는 개념 설계에서부터 실증까지 가능한 원스톱 환경과 기반을 갖췄다. 미래 수소 기반 사회로 가는 연구개발의 중심에 서 있는 곳이 UNIST(울산과학기술원)다.
   
UNIST 에너지화학공학과 이재성(가운데) 교수팀이 광전극을 물에 담그고 햇빛을 비추면 전극 표면에서 물이 분해되면서 수소가 생산되는 과정을 시연하고 있다. UNIST 제공
■그린 수소로 움직이는 세상을 꿈꾸는 곳

UNIST가 꿈꾸는 미래는 그린(Green) 수소가 보편적 에너지로 사용되는 세상이다. 우리는 일반적으로 수소가 오염물질 배출이 전혀 없는 궁극의 친환경 에너지원으로 알고 있다. 하지만 실상은 그렇지 않다. 수소가 에너지로 변환되는 과정에서 이산화탄소 등 상당량의 오염물질을 배출한다. 석유화학 공정에서 부수적으로 얻는 부생수소와 천연가스를 고압으로 분해해 만드는 개질(改質) 수소 등 ‘그레이 수소’가 대표적이다. 석탄을 태워 수소를 생산하는 ‘브라운 수소’와 이런 개질 과정에서 이산화탄소를 포집해 얻는 ‘블루 수소’ 등도 포함된다.

이에 비해 그린 수소는 탄소 같은 공해 물질을 거의 배출하지 않는다. 태양이나 풍력 등 친환경 재생 에너지를 활용해 물을 전기·화학적으로 분리해 수소를 만드는 ‘수전해(Water electrolysis)’ 방식을 쓰기 때문이다. 관건은 낮은 에너지 효율과 분해 과정에 막대한 전기가 소모된다는 점이다. 수소 전기를 얻기 위해 전기를 공급해야 하고, 그 전기를 생산할 발전시설이 필요한 역설과 모순이 상존한다. 높은 초기 시설 비용도 문제로 지적된다. 촉매제로 백금과 같은 고가의 금속이 필수라는 점도 그린 수소 상용화의 걸림돌이다.

UNIST는 그린 수소의 이런 태생적 한계를 극복하는 데 연구개발 역량을 집중한다. 더욱 효율적이고 저렴한 비용으로 그린 수소를 생산하기 위해 방식의 단순화 다양화 그리고 효율성의 고도화 등을 다각도로 연구한다. 그 가운데서도 저가지만 전기분해 능력은 뛰어난 대체 촉매물질을 개발하는 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 아울러 생산된 수소를 더욱 경제적이면서도 안전하게 저장 이송 활용하는 방안의 연구와 실증화에도 속도를 낸다.

■실증화 단계의 연구·개발 성과물

UNIST의 수소 에너지 관련 연구는 공과대학 에너지화학공학과를 중심으로 진행된다. 이 학과 연구진의 연구 실적을 보면 그린 수소가 결코 꿈이 아닌 보편적 에너지로서의 위치를 점할 날이 머지않았음을 직감하게 한다. 이 학과에서는 현재 암모니아를 그린 수소 저장체로 활용할 수 있는 기술을 연구 중이다. 이 기술이 현실화하면 낮은 가격으로 수소를 안전하게 저장할 수 있다. 이산화탄소의 자발적인 전기화학적 전환 반응을 통해 수소와 탄산염, 전기를 동시에 생산하는 연구도 하고 있다. 또 분리막 없이 제조과정을 단순화한 ‘멤브레인 프리(Membrane-free) 수계금속 이산화탄소 시스템’을 개발했다. 이 시스템은 온실가스인 이산화탄소를 활용해 고순도 수소와 전기를 지속해서 생산할 수 있다는 점에서 효율적이다.

수전해 효율을 높일 수 있는 ‘금속 유기물 복합체 촉매’도 개발했다. 이 기술은 수전해 기술의 병목 현상으로 지목되는 산소 발생 반응을 촉진해 전체 반응 효율을 높일 수 있다. 촉매제 표면에 미세구멍이 다량 존재하는 고분자 젤을 수전해용 전극에 코팅해 수소 생산 효율을 5배 정도 높이는 기술을 개발했다.

과산화수소의 전기화학 반응을 통해 기존 수전해 방식보다 수소 생산 단가를 절감할 수 있는 코발트 기반 촉매도 개발 중이다. 신현석 교수는 영국 케임브리지대와 공동 연구로 합성이 어려운 전이금속 칼코젠화물을 이황화나이오븀과 합성해 100배 이상의 전류밀도를 지니는 새로운 구조의 촉매를 구현했다. 이 촉매를 이용하면 백금 촉매와 비슷한 수준의 수소 생산량에 도달, 상용화에 도움을 줄 것으로 기대된다. 페로브스카이트 구조의 물질을 합성해 자외선을 통해 기존 광촉매보다 뛰어난 양자 효율을 얻는 성과를 낸 이재성 교수는 최근 태양광 전환 수율이 3%인 산화물 광촉매를 개발했다. 현재 나노 복합재 형태의 산화물 광촉매 및 복합 광촉매를 개발하는 연구에 주력하고 있다.

이용훈 UNIST 총장은 “우리 대학이 집중적으로 연구하는 수소의 생산 유통 활용 방안과 산업 생태계 조성 등 전 주기적 연구는 ‘수소 선도도시 울산’의 두뇌이자 견인차 구실을 한다”며 “나아가 이는 탄소 중립이라는 거대한 명제를 실현하는 초석이 될 것”이라고 말했다.
   

방종근 기자 jgbang@kookje.co.kr
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