헬로티 이동재 기자 |

광주과학기술원(GIST) 연구팀이 그린수소 생산을 위한 알칼라인 수전해 시스템의 운전 성능과 온도의 영향을 분석하고 이를 예측할 수 있는 수치해석 모델을 개발했다. 알칼라인 수전해 기술은 KOH 또는 NaOH 수용액을 전해질로 사용해 염기성 환경에서 물을 전기 분해하는 기술이다.

온실가스 배출 저감을 위해 확대되고 있는 재생에너지 발전에서 불가피한 잉여전력 발생 시 수전해 기술은 에너지의 저장과 수송, 활용에 기여할 수 있다. 그 중 알칼라인 수전해 기술은 높은 기술 완성도와 저렴한 비용으로 대규모 설비를 구축할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

하지만 이러한 그린수소(재생에너지 전력으로 물을 전기분해하여 그 과정 중에 온실가스 배출없이 생산된 수소) 생산은 기존의 그레이수소 또는 블루수소에 비해 비싼 생산비용 때문에 기술 상용화가 지체되고 있다.

수전해 운전효율 향상으로 생산비용을 감소시키기 위해 주로 전극 및 촉매 재료 등 소재연구가 활발하게 진행되고 있으나, 시스템 운전 조건 최적화 연구는 부족한 상황이며 그마저도 실험 기반의 연구에 집중돼 있다.

연구팀은 수치해석 기반의 알칼라인 수전해 스택(핵심 부품) 모델을 개발해 작동 온도에 따른 스택의 운전성능 변화를 파악하고 스택 외에도 수소 생산설비를 구성하는 BOP 장치(핵심 운전장치, Balance of Plant)들의 소모동력 변화를 종합적으로 분석해 최적의 수소 생산효율을 갖는 작동 온도 조건을 도출했다.

이를 통해 대기압에서 80℃ 운전 시 전류밀도 0.4A/㎠ 아래에서는 70℃ 조건보다 낮은 시스템 효율을 보여 고온에서 운전할수록 높은 효율이 나타나는 스택 운전 성능과 다른 경향이 나타남을 확인했다.

이는 고온 운전에서 포화수증기 생성에 따른 증발잠열이 증가하고 낮은 전류밀도에서 과전압에 의한 스택 발열량이 충분하지 않아 시스템 온도 제어를 위한 BOP 소모동력(Heater)이 증가함에 기인하는 것으로 파악할 수 있다.

GIST 기계공학부 강상규 교수는 “이번 연구는 그린수소 생산을 위한 수전해 시스템의 운전효율 개선 가능성을 확인했다는데 가장 큰 의의가 있다”고 말했다.

이어 그는 “앞선 운전압력에 따른 연구결과와 함께 종합적인 변수를 고려한 알칼라인 수전해 시스템 운전조건 최적화에 활용될 것으로 기대되며, 나아가 수소 에너지를 활용한 배출가스 제로 사회 실현에 기여하기를 바란다”고 말했다.