[K-에너지 초격차] ⑥ 두산퓨얼셀, 그린 수소 주권 잡은 ‘PEM 수전해’

고분자 전해질 막 기술로 물에서 수소 뽑는 고효율 스택 완성
원전·재생에너지 잉여 전력 연계한 청정 수소 공급망 구축
화석연료 의존 끊어낼 차세대 탄소 제로 에너지의 핵심 병기

중동 전쟁의 포화 속에서 확인된 호르무즈 해협의 위기는 대한민국에 '에너지 자립'이라는 준엄한 생존 명령을 내렸다. 특정 지역의 지정학적 리스크가 국가 경제의 명운을 결정짓는 시대는 기술 주권 확보를 통해 마침표를 찍어야 한다. 본지는 에너지 안보의 핵심 보루로 거듭나고 있는 K-에너지 초격차 기업들을 찾아 그들이 보유한 원천 기술의 본질과 미래 가치를 심층 진단한다. [편집자주]

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| 서울=한스경제 김종효 기자 | 글로벌 자원 무기화 압박이 거세질수록 화석연료를 전혀 사용하지 않고 오직 물과 전기로만 만드는 '그린 수소'는 에너지 독립을 완성할 마법의 퍼즐로 꼽힌다. 전기에너지를 생산하는 것에서 그치지 않고 이제는 그 전기를 화학적 결합을 통해 무한 저장이 가능한 국산 연료 형태로 고착화하는 단계가 필요하다. 

수소 가치사슬의 출발점이자 수입 의존도 100%에 달하는 천연가스 개질 방식을 대체할 핵심 무기가 바로 물을 전기분해해 수소를 얻는 'PEM(고분자 전해질 막, Proton Exchange Membrane) 수전해' 기술이다. 대한민국 수소 경제의 선봉장 두산퓨얼셀은 독자적인 스택(Stack) 설계 역량을 바탕으로 고효율 PEM 수전해 국산화를 달성하며 그린 수소 생산 주권을 단단히 틀어쥐고 있다.

그동안 수전해 시장은 알칼라인(Alkaline) 방식이 주류를 이뤘으나, 장치가 비대하고 전류 밀도가 낮아 대량 생산에 한계가 명확했다. 무엇보다 날씨에 따라 발전량이 출렁이는 신재생에너지와 연계할 때 전력 부하 변동에 기민하게 대응하지 못해 시스템이 손상되는 치명적인 결함이 존재했다. 두산퓨얼셀은 나노 가공 기술이 집약된 고분자 전해질 막을 이식하며 부하 변동성이 극심한 환경에서도 안정적으로 수소를 뽑아내는 초격차 양산 공정을 현실화했다.

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▲부하 변동성 뚫는 전해질 혁신, 'PEM 핵심 스택'의 미학

PEM 수전해 기술의 본질은 액체 전해질 대신 고체 상태의 특수 고분자 막을 이용해 수소 이온(프로톤)만을 선택적으로 빠르게 이동시키는 촉매 반응 통제력에 있다. 

이 고체 전해질 막은 매우 얇으면서도 높은 전류 밀도를 견뎌야 하므로 기계적·화학적 내구성이 동시에 요구되는 극한 공학의 결정체다. 특히 재생에너지의 급격한 전력 변화에 대응해 수초 내로 시동과 정지, 출력 조절을 반복할 수 있는 '차동 압력 제어 역량'은 PEM 방식만이 지닌 독보적인 무기다.

두산퓨얼셀이 고도화한 PEM 수전해 스택 기술은 전력 공급이 널뛰는 극한의 상황에서도 고분자 막의 물리적 구조 변형을 억제하는 나노 계면 제어 기술이 집약돼 있다. 물을 분해하는 양극(+)과 음극(-) 사이의 간극을 마이크로미터(㎛) 단위로 좁혀 저항 손실을 최소화하고 값비싼 백금 계열 촉매의 코팅 균일도를 극대화해 적은 전력으로도 대량의 고순도(99.999%) 수소를 추출해낸다.

여기에 급격한 전력 충격 시 스택 내부의 열과 압력을 실시간으로 분산시키는 가변 유로(Flow Field) 설계를 적용, 외부 환경에 의한 전기적 피로도를 원천 차단했다. 원전의 심야 잉여 전력이나 해상풍력의 과잉 전력이 쏟아질 때 이를 고스란히 받아내 수소로 저장하는 이 능동형 스택 제어 공법은 해외 경쟁사 대비 시스템 수명을 획기적으로 향상시킨 원동력이다.

수전해 방식별 기술 및 운영 사양 비교./AI 생성 이미지

▲원전·재생에너지 묶는 국산 수소 발전 밸류체인의 완성

두산퓨얼셀의 PEM 수전해 기술은 가스 생산 장치에 머무르지 않고 국가 전력망의 붕괴를 막는 대규모 '에너지 버퍼(Buffer)' 시스템으로 안착하고 있다. 

청정에너지가 과잉 생산될 때 전력 계통에서 이를 수용하지 못해 발전을 강제로 중단하는 '출력 제어(Curtailment)' 난제에 대해 두산퓨얼셀은 완벽한 솔루션을 제공한다. 버려질 전기를 수전해 장치로 돌려 수소를 만든 뒤, 이를 거대한 탱크에 비축했다가 전력 수요가 급증하는 시점에 수소연료전지를 돌려 다시 전기로 바꾸는 대용량 ESS의 역할을 수행하는 것이다.

이 과정에서 두산퓨얼셀은 청정 수소 의무화 제도(CHPS) 등 국내 환경 규제와 부합하는 상업용 대형 수전해 시스템 표준화 가이드를 수립했다. 외산 장비를 들여와 조립하던 과거 방식을 탈피해 국산 촉매 기술과 스택 제조 라인을 연계, 수소 생산 원가를 획기적으로 낮췄다.

부지 확보와 민원이 까다로운 한국형 산업 지형에 맞춰 컨테이너 크기의 모듈형 설계를 완성한 것도 강점이다. 분산형 스마트 산단이나 수소 충전소 거점에 즉각 거치해 현지에서 수소를 직접 생산·소비하는 '온사이트(On-Site)' 청정 수소 생태계를 현실화했다. 이는 송전선로 건설 지연에 따른 전력 공급 병목 현상을 타파하는 가장 실질적인 대안으로 주목받고 있다.

두산퓨얼셀 PEM 수전해 핵심 기술 포인트./AI 생성 이미지

▲ 소재·부품 주권이 이끄는 청정 수소 안보의 최종 방어선

두산퓨얼셀이 완성한 PEM 수전해 기술 주권은 국가 에너지 안보 체질을 근본적으로 바꾸는 최종 방어선이다. 가스관 밸브를 잠그는 지정학적 보공이나 원자재 공급망 단절 위기 상황에서도, 국산 원천 기술로 무장한 수전해 장치만 있다면 대한민국 영토 내에서 청정 연료를 무한히 자체 조달할 수 있기 때문이다. 수전해 시스템의 심장인 스택과 주변 장치(BOP)의 엔지니어링 기술을 내재화함으로써 외산 기술에 휘둘리지 않는 진정한 공급망 자립을 이뤄냈다.

유럽이나 중국의 장비 공룡들이 글로벌 물량 공세를 펼치더라도 국내 전력 계통의 복잡한 기준을 충족하며 고부가가치 수소 발전 시장을 지배할 수 있는 기업은 두산퓨얼셀이 유일하다는 평가가 나온다. 독자적인 기술력과 인프라가 융합돼 대혼돈 속에서도 흔들리지 않는 절대적인 청정 수소 생태계를 완성한 셈이다.

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에너지업계 관계자는 "두산퓨얼셀의 강점은 에너지를 영원히 지워지지 않는 주권 자산으로 박제하는 기술"이라며 "글로벌 에너지 위기 국면 속에서도 화석연료 종속의 종지부를 찍고 K-수소의 대동맥을 완성해가는 두산퓨얼셀의 PEM 기술이야말로 국가 산업의 백년대계를 지키는 진정한 초격차 안보 병기"라고 평가했다.