우리 기술로 곧 '수소경제' 실현..화학연, 수소 생산·저장 기술 개발 순조

메탄열 분해 기술로 생산 구슬땀
밀도차 분리로 촉매 비활성화 해소
수소 저장-운송 기술 개발도 박차

한국화학연구원(원장 이미혜)이 미래 에너지 전환 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 이미 어느 정도 가시적인 성과를 도출해 향후 미래 에너지 전환과 수소경제 실현에 청신호를 켰다.

이윤조 화학연 C1가스·탄소융합연구센터 연구팀은 수소 사이클 전반부에 해당하는 생산 영역을 담당하고 있다.

최근 수소 생산기술로 떠오르는 '메탄열분해'에 기반을 둔다. 메탈열분해는 메탄(CH₄)이 주성분인 천연가스를 열로 분해해 탄소와 수소를 얻는 방식이다. 이산화탄소(CO₂)가 많이 발생하는 '스팀개질방식'을 대체할 것으로 기대된다. 다만 열분해 과정에서 나온 탄소가 촉매에 달라붙어 기능을 상실케 하는 '촉매 비활성화' 문제가 생겨 상용화가 어려웠다.

화학연이 개발한 용융금속 촉매. 이 위로 비중이 낮은 탄소가 떠오르게 돼, 기존 촉매 비활성화 문제를 해소할 수 있다.

연구팀은 촉매(니켈)와 용매(비스무스)를 섞은 용융 금속에 메탄 기체를 불어넣어 직접 반응시키는 식으로 이런 단점을 해소했다. 수소는 기포 상태로 용융금속 위로 솟아오른다. 비중이 낮은 탄소도 용융 금속 위로 떠오른다. 밀도차에 따른 분리로 기존 촉매 비활성화 문제를 해소했다.

기술명은 '용융금속촉매 기반 메탄열분해 기술'이다. 현재 반응이 이뤄지는 반응기, 공정을 최적화하는데 역점을 두고 있다. 2024년 기술 개발 완료와 기업 이전이 목표다.

스팀개질방식 CO₂ 발생, 기존 메탄열분해 방식 촉매 비활성화 문제를 해소할 수 있어 향후 여파가 클 것으로 전망된다.

이윤조 화학연 C1가스·탄소융합연구센터장

이윤조 센터장은 “역시 CO₂ 발생이 적은 '수전해' 방식도 소요 에너지·비용이 막대하다는 문제점이 있어 우리 기술이 우위에 있다”며 “우리 기술이 산업화된다면 수소경제 구현 디딤돌 역할을 하고 세계에서도 각광받을 것”이라고 말했다.

화학연은 수소 저장·운송 기술 개발에도 힘쓰고 있다. 저장과 운송은 향후 수소경제 실현에 꼭 필요하다. 고압 압력용기 방식이 있지만 안전성 문제가 있고 미세한 누출도 피하기 어렵다. 파이프라인 운송법도 있지만 이는 근거리 운송에만 용이하다. 수소를 액화해 운송하는 것은 온도 유지가 번거롭다.

화학연이 개발한 액상 유기물 수소 저장체와 수소 저장·공급 반응 촉매 화학 공정.

박지훈 환경자원연구센터 책임연구원팀은 화학적인 방법을 택했다. 화학반응을 거쳐 수소와 쉽게 반응하는 '액상 유기물 수소 저장체(LOHC)'에 수소를 흡착시키는 식이다. 화학적 결합인 탓에 안정성이 뛰어나고 결합한 수소가 빠져나올 일도 없다.

LOHC 연구는 독일과 일본이 현재 상용화 수준에 돌입했는데 화학연도 독자 기술력으로 거세게 추격하고 있다. 현재 원천기술을 확보해 실증 중이다. 최근 울산시 등과 함께 LOHC 개발 공정 상용화에 착수했다. 상용화가 코앞이다. 박지훈 책임팀 성과는 2019년 국가연구개발(R&D) 우수성과 100선에 선정되기도 했다.

박지훈 환경자원연구센터 책임연구원

박지훈 책임은 “안전하게 대용량 수소를 저장하는 기술은 생산된 수소가 활용되도록 연결하는 핵심 기반으로 수소 경제와 사회 구축에 근간이 된다”며 “자체로는 돋보이지 않지만 상용화에 필수가 되는 만큼 기술 구현에 최선을 다하겠다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com