지난 1월, 현대자동차는 미국 라스베이거스에서 개최된 2024 국제 전자제품 박람회(CES)에서 ‘Ease every way’라는 주제로 구상한 미래 비전을 소개했다. 당시 현대차는 ‘휴머니티를 향한 진보(Progress for Humanity)’라는 비전 아래 다양한 미래 기술을 공개했는데, 가장 대표적인 주제 중 하나가 바로 수소였다. 수소는 물을 전기분해해 생산할 수 있으며, 에너지 생산 과정에서도 탄소 배출이 없다. 또한 수소는 기체 또는 액체 상태로 존재해 운송 및 저장에도 용이하다. 이처럼 다양한 장점 때문에 수소 에너지는 기후 위기로 몸살을 앓고 있는 지금 전 세계 산업 전반에서 많은 주목을 받고 있다.
올해 CES에서 공개된 현대차 수소 비전의 핵심은 ‘HTWO Grid’ 솔루션이다. 수소의 생산부터 저장, 운송, 활용에 이르기까지 모든 단계에 최적화된 수소 기술을 발표한 것이다. 그중에서도 청정 수소 생산기술로 손꼽히는 수전해 기술은 친환경성을 지닌 수소 에너지에 무한한 가능성을 부여한다. 현대차는 보다 깨끗한 수소를 생산하기 위해 다양한 수전해 기술 개발에 박차를 가하고 있다.
수소는 생산 과정에서 사용되는 원료와 탄소 배출량에 따라 그레이, 블루, 그린, 브라운, 옐로 등 다양한 컬러로 분류되는데, 그중 가장 대표적인 수소는 그레이수소, 블루수소, 그리고 그린수소다. 생산 과정에서 탄소가 발생하는 그레이수소는 부생수소와 개질수소가 있다. 부생수소는 생산 비용이 저렴하지만, 석유화학 및 제철 공정에서 부수적으로 발생하는 수소로 생산량을 늘리는 데 한계가 있다. 또한 개질수소는 가장 보편적인 수소 생산 방법이지만, 생산 과정에서 필연적으로 탄소가 발생한다.
블루수소는 이런 그레이수소의 한계를 보완한 것이다. 그레이수소와 생산 방법은 동일하지만, 생산 과정에서 발생하는 탄소를 포집·저장·활용하는 CCUS(Carbon Capture Utilization Storage) 기술을 통해 탄소 배출을 최소화한다. 블루수소는 생산 비용은 높지만 탄소 배출을 최소화하는 가장 현실적인 방법으로 손꼽히고 있다.
그린수소는 생산 과정에서 이산화탄소 등의 배출가스를 배출하지 않는 수소를 말한다. 태양광 및 풍력 등의 재생 에너지 발전으로 전기를 얻고, 그 전기를 수전해 방식에 사용해 수소를 생산하므로 가장 친환경적인 에너지원으로 평가된다. 하지만 안정적으로 그린수소를 생산하려면 잉여 에너지를 활용해 효율적으로 수소를 생산·보관하고 필요할 때 활용할 수 있는 수전해 기술 개발이 필수적이다. 현대차그룹이 다양한 수전해 기술 개발에 집중하는 이유다.
수소를 생산하는 방법 중 물을 전기분해해 수소를 생산하는 수전해 방식은 태양광, 풍력 발전 등 재생 에너지를 사용했을 때 친환경성이 더 커진다. 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없는 청정 수소 생산 방식이 되는 것이다.
수전해 기술의 원리는 중학교 과학 교과서에 나왔던 물의 전기분해 실험과 크게 다르지 않다. 수소원자(H) 2개와 산소원자(O) 1개로 구성된 물(H2O)에 전기 에너지를 가하면, 산화·환원 반응에 의해 물이 분해되며 (+)극에서는 산소가, (-)극에서는 수소가 생성된다. 여기서 양극(산화극)과 음극(환원극) 사이에 위치한 수전해 기술의 핵심 소재 전해질막(분리막)은 수소와 산소의 혼합을 물리적으로 막고, 수전해 반응에 필요한 수소 이온(H+) 또는 수산화 이온(OH-)이 이동하는 통로 역할을 한다.
수전해 기술은 전해질의 종류에 따라 크게 4가지로 나뉜다. 가장 먼저 연구가 시작된 알카라인 수전해(Alkaline Electrolysis Cell, 이하 AEC) 기술은 알칼리 전해액을 이용해 물을 전기분해 하는 방식이다. 구조가 단순해 대용량 수소 생산에 적합하고 내구성이 높다. 또한 니켈, 코발트 등 비귀금속 촉매를 사용해 가격 경쟁력이 높은 것이 특징이다. 하지만 전류밀도가 낮아 시스템 소형화가 어렵고, 생산되는 수소의 순도가 상대적으로 낮은 수준이다. 또한 반응 응답성이 낮기 때문에 태양광이나 풍력 발전과 같이 전력 생산의 변동성이 높은 재생 에너지와 연계해 사용하기 어렵다.
양이온 교환막 수전해(Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell, 이하 PEM 수전해)는 알카라인과 반대로 산성 환경에서 물을 전기분해 하는 방식이다. 알카라인 수전해와 비교하면 상대적으로 높은 전류 밀도로 작동이 가능해 수소의 대량 생산이 용이하고 시스템 소형화도 유리하다. 또한 PEM 수전해는 반응 응답성이 높아 에너지 공급 변동 대응이 용이해 재생 에너지 연계에 적합하다. 하지만 전극에 귀금속 촉매가 필요해 높은 비용을 수반하는 단점이 있다.
음이온 교환막 수전해(Anion Exchange Membrane Electrolysis Cell, 이하 AEM 수전해)는 알카라인 수전해와 PEM 수전해의 장점을 모두 가진 차세대 수전해 기술이다. 낮은 전력에서 운용할 수 있고 비귀금속 촉매를 사용해 비용이 낮으며 높은 순도의 수소를 얻을 수 있지만 아직 연구개발 단계로 기술 성숙도가 낮다. 한편, 고체 산화물 수전해(Solid Oxide Electrolysis Cell, 이하 SOEC) 기술은 고온의 수증기를 활용해 에너지 효율은 높은 반면 수증기를 생성시키기 위한 추가 에너지가 필요하며 내구성, 높은 비용 등 여전히 해결해야 할 과제가 많은 기술이다.
현대차그룹은 청정 수소사회를 앞당기기 위해 앞서 소개한 다양한 수전해 기술을 연구개발하고 있다. 그중에서도 현대차그룹은 재생 에너지 연계성과 시스템의 소형화, 유지 보수 측면에서 가장 우수한 PEM 수전해 개발에 역량을 집중하고 있다. 현대차그룹은 PEM 연료전지 개발을 통해 쌓아온 노하우를 활용해 PEM 수전해 기술 발전 속도를 높이는 데 초점을 맞추고 있다.
현대차그룹의 차별점은 PEM 수전해기의 가격 경쟁력을 높이는 데 있다. 현재 PEM 수전해기 가격은 알카라인 수전해 대비 1.5배 정도 높지만, 현대차그룹은 수소전기차용 연료전지 부품 및 생산 인프라를 공용화해 PEM 수전해기의 생산 비용을 낮춰갈 예정이다. 이 밖에도 현대차그룹은 수전해 기술 종류에 따라 뛰어난 성능 요소를 차별화해 개발하고 있다. 즉, 알카라인 및 SOEC 수전해 기술 고도화를 통해 각 기술이 지닌 장점을 극대화하겠다는 계획이다.
현재 현대차그룹은 PEM 수전해 기술을 선행개발 중이며, SOEC는 선행연구 단계로 기술 성장 속도를 높여가고 있다. 아울러 궁극적인 청정 수소인 그린수소 생산을 현실화하기 위해 수년 내 메가와트(MW)급 PEM 수전해기 양산화를 목표로 하고 있다.
또한 현대차그룹은 음식물 쓰레기, 하수 슬러지, 가축 분뇨 등과 같은 유기성 폐기물을 수소로 전환하는 W2H(Waste to Hydrogen) 방식과 재활용이 어려운 폐플라스틱을 원료로 수소를 생산하는 P2H(Plastic to Hydrogen) 방식의 자원순환형 수소 생산 기술도 개발하고 있다.
현대차그룹은 수소의 생산, 저장, 운송, 활용에 이르는 모든 단계에서 고객의 니즈와 환경에 맞춰 최적화된 종합 수소 솔루션을 제공할 것이다. 현대차그룹이 꿈꾸는 깨끗하고 풍요로운 수소사회가 더욱 기대되는 이유다.
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