친환경 전기 - 그린 수소 란

친환경 전력 그린 수소

프리몬트 기가팩토리 -그린 수소

원전 2% 크기 부지에서 동일 전력 생산

- 미국 서부 실리콘밸리 프리몬트에 있는 블룸에너지의 고체산화물 연료전지(SOFC) 기가팩토리에서 완성된 셀의 크기는 성인 손바닥 정도다. 정사각형의 세라믹 웨이퍼 양쪽 면에 양극/음극 역할을 하는 잉크를 바른 뒤 도자기처럼 구워서 만든다. 이런 셀 31개를 층층이 쌓으면 셀 더미인 스택(stack)이 완성된다. 

 

반년 전까지만 해도 스택 하나에 셀 25개가 들어갔는데, 소재 기술과 공정 혁신으로 많은 셀을 쌓게 됐다. 4~5년 뒤에는 스택 하나에 셀 250개가 들어가게 돼 출력 밀도가 훨씬 높아질 것이다. 블룸에너지가 기존 공장이 있는 델라웨어가 아닌 실리콘밸리에 기가팩토리를 세운 것도, 소재와 설계 고도화를 위한 연구 인력을 더 끌어모으기 위해서다. 

 

이 공장의 연구 기술 인력은 700명으로 생산 인력(500명) 보다 많다. 여기서 제조되는 SOFC는 연간 1GW의 전력을 생산한다. 66만 1100㎡(약 20만 평) 짜리 대형 원자력 발전소 1기를 가동하는 것과 맞먹는 전력량이다.

 

수전 해 설비를 만들 수 있는 수전해 전지 셀(SOEC)도 같은 라인에서 생산

 

 

- 연 2GW규모의 수전해 설비를 구축할 수 있다. 블룸에너지의 수전해 설비는 37.5kwh의 전력량으로 수소 1kg을 생산한다. 상용화된 수전 해 기술 중 최고 효율이다. 2년 내 SOFC 기준 생산 능력을 두 배인 2GW로 늘리고, 궁극적으로 4~5GW까지 끌어올릴 것이라고 한다. 

 

블룸 에너지는 공정에서 사람 개입을 최소화하고 재활용률을 98%로 높여 생산 비용을 대폭 낮췄다. 이렇게 생산한 SOFC로 독립형 발전기부터 선박용 연료전지, 소규모 전력망 마이크로그리드 등 다양한 수소 발전 설루션을 상용화했다. 고정식 연료전지 시장 세계 점유율은 44%로 압도적 1위다. 

 

SOFC 기존 발전효율 보다 40% 높다

 

- 고체산화물 기반 전지는 수소를 전기로, 또 전기를 수소로 전환하는 연료전지 및 수전해전지 분야 차세대 기술이다. 연료전지는 수소를 산소와 반응시켜서 물만 남기고 전기를 생산한다. 충전이 필요한 배터리와는 다르게, 지속적인 발전이 가능하다. 그 자체로 작은 발전 시스템인 셈이다. 

 

800도 이상 고온에서 작동하는 고체산화물 전지는 다른 연료전지보다 발전 효율이 최대 40% 더 높다. 값비싼 귀금속 촉매가 필요 없어서 경제성도 뛰어나다. 태양광/풍력 등 재생에너지로 물을 전기분해(수전해)해서 얻은 '무탄소' 그린수소를 다시 전기 생산에 활용하면 효율적이면서도 오염원을 배출하지 않는 발전 선순환이 가능하다. 

 

탄소중립을 향한 에너지 대전환 시대에 수소가 '해결사'로 떠오른 이유다. 블룸에너지의 기술력은 2001년 설비된 이후로 제조 공정이 복잡하고 신뢰성과 내구성을 확보하기 어려워 좀처럼 상용화되지 못하던 SOFC를 15년 전부터 대량 생산했다. 전기 발전 효율은 65%로 현존 최고 수준이다. 

 

전력 330kw를 생산하는 블룸에너지의 SOFC발전기 한 세트가 차지하는 면적은 16㎡(약 5평)가 채 안 된다. 최대 10kw 용량까지 에너지가 필요한 곳에 설치해 바로 전력을 생산할 수 있다. 데이터센터 확대로 수요가 급증하는 소규모 독립형 전력망 구축에도 유리하다. 

 

생산 단가 착해진 그린 수소

 

 

- 수소 연료는 화석연료에 비해 자연 상태에서 얻기가 어려운 데가 발전 단가가 비싸다는 단점을 넘어서지 못했었다. 하지만 기후 변화와 환경 규제에 따라 탈탄소가 시급해지고, 재생에너지 값도 하락하면서 이야기가 달라졌다. 러시아/우크라이나 전쟁으로 부각된 에너지 안보 위기도 수소 가치를 끌어올리고 있다. 

 

에너지 대전환기를 맞아 전기 저장소이자 매개체로서 '그린수소의 시대가 왔다'는 게 에너지 전문가들의 의견이다. 그린수소가 부상한 가장 큰 이유는, 최대 장벽이었던 경제성 문제가 풀리고 있어서다. 수소 생산 단가는 현재 kg 당 5달러까지 내려왔다. 2050년이 되면 0.7~1.6달러 수준으로 떨어질 것으로 전망된다. 

 

천연가스를 이용하는 '그레이수소' 생산 단가가 3~4달러로 오르는 것과는 대조적이다. 그린수소가 대규모 산업용으로 쓰이기 위한 가격의 '티핑 포인트'는 kg당 2달러이며, 5년 내 도달 가능한 목표라고 한다. 구글, 마이크로소프트, 어도비 등 글로벌 빅테크들이 데이터센터 전력원으로 블룸에너지의 고체산화물 연료전지(SOFC)를 사용하는 것도 이 때문이다. 

 

 

- 효율로 보자면 마이크로원전이 좋지만 최적의 탈탄소 에너지 믹스를 위해서는 재생에너지의 간헐성 한계를 해결할 그린수소가 꼭 필요하다. 맥킨지에 따르면 2030년 미국 내 데이터센터의 45%, 2050년 65%가 수소연료전지를 예비전력으로 쓸 전망이다. 

 

기술장벽이 무너지면서 수소산업이 규모의 경제가 가능한 수준으로 올라서고 있다는 것이 전문가들의 분석이다. 플러그파워, 블룸에너지, 넬, 선파이어, 티센크루프 등 이 분야 '빅 플레이어'도 많아졌다. 고체산화물 방식의 고효율/고온 수전해 기술 연구개발이 활발해져서 기존 전망보다 시장이 더 빠르게 커질 가능성도 높다. 

 

세계 각국 정부는 수소 경제 선점을 위해 대대적 지원을 펼치고 있다. 미국은 2021년 10년 내 그린수소 1kg의 생산 단가를 1달러로 낮추겠다는 목표를 제시하고 '하이드로진 샷'이란 국가 과제를 시작했다. 작년부터는 인플레이션 감축법(IRA)을 통해 kg당 3달러의 수소 생산량 세액공제 혜택도 제공하고 있다. 

 

독일은 '국가 수소전략'을 세우고, 2030년 까지 수소 생산 설비 지원에 90억 유로를 투자하기로 했다.  

 

 

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