알칼리 전해조가 비용 효율적인 대규모 그린 수소 생산을 가능하게 하는 방법

알칼리 수전해의 원리 및 산업용 수소 생성에서의 역할

알칼리수 전기분해(Alkaline water electrolysis, AWE)는 수산화칼륨(KOH)과 같은 액체 알칼리 용액을 통해 물을 수소와 산소로 분해하는 방식으로 작동한다. 플러그파워(PlugPower)의 2024년 자료에 따르면, 최신 시스템은 70%에서 80% 사이의 효율을 달성할 수 있다. 이 기술은 가스를 분리하면서도 이온의 이동은 허용하는 특수한 다공성 다이어프램과 함께 니켈 기반 전극에 의존한다. 이러한 구조 덕분에 AWE는 산업 현장에서 장시간 연속 운전하기에 특히 적합하다. PEM 전기분해 장치와 비교했을 때 AWE의 차별점은 고가의 백금족 금속을 필요로 하지 않는다는 점이며, MDPI의 2024년 연구에 따르면 이로 인해 재료 비용이 약 30~40% 절감된다. 수치적으로 보면, 작동 중인 전류 밀도는 일반적으로 제곱센티미터당 0.4~0.6암페어 범위이다. 이러한 사양들로 인해 AWE는 장기간 안정적인 에너지 소비가 필요한 암모니아 생산 공장이나 석유 정제소와 같은 대규모 시설에 적합한 선택지가 된다.

핵심 구성 요소: AWE 시스템의 전극, 다이어프램 및 전해질

• 전극 : 니켈 도금 강판 전극은 60,000시간 이상 성능을 유지하며 내구성과 비용 효율성을 제공합니다.
• 다이아프램 : 폴리설폰 기반 막과 같은 첨단 복합재료는 가스 크로스오버를 줄이면서 이온 전도성을 향상시킵니다.
• 전해질 : 25~30%의 KOH 용액은 높은 이온 이동성을 보장하며, 필터링 시스템이 수명 연장과 유지보수 주기 단축을 지원합니다.

함께 이러한 구성 요소들은 다중 메가와트급 AWE 설치에 대한 자본 비용을 2018년의 $1,200/kW에서 $800/kW로 크게 낮추었으며, 이는 Results in Engineering(2024)의 결과입니다.

지속적인 산업용 운전을 위한 내구성 있는 시스템 설계

알칼리 전해조는 24시간 내내 가동되도록 설계되었으며, 부식에 강한 스테인리스강으로 제작된 프레임과 전해액을 자동으로 관리하는 시스템을 갖추고 있습니다. 모듈형 스택 구조를 통해 기가와트급 규모로 확장이 가능하며, 호주의 아시아 재생에너지 허브 프로젝트와 같은 현장에서 이미 이러한 확장이 이루어지고 있습니다. 또한 이 장비들은 중복된 가스 분리기와 내장형 온도 제어 시스템을 포함하고 있어 정비 기간 중에도 약 95%의 가동률을 유지할 수 있습니다. 최신 모델의 알칼리 전해조는 완전 정지 상태에서도 약 30분 만에 다시 운전을 재개할 수 있어, 전 세계적으로 대규모 그린수소 생산 시설 개발의 핵심 구성 요소로 점점 더 중요해지고 있습니다.

PEM 대비 알칼리 전해조의 장점: 기술 성숙도, 비용 효율성 및 확장성

검증된 실적: AWE 기술의 수십 년 간 운영 경험

산업용 수소 생산을 위한 알칼리 전해법의 사용은 1920년대로 거슬러 올라가며, 2024년 기준 전 세계적으로 500개 이상의 대규모 설치 설비가 있으며 대부분의 용량이 10메가와트를 초과한다. 이 시스템은 견고한 구조 덕분에 잘 작동하며 니켈 촉매에 크게 의존하기 때문에 비료 제조나 석유 정제와 같은 많은 산업 분야에서 여전히 이 방식을 선택하고 있다. 반면, 프로톤 교환막(PEM) 기술은 아직 대규모에서 본격적으로 실력을 발휘하지 못하고 있다. 작년에 발표된 일부 업계 보고서에 따르면 지금까지 확인된 가장 큰 PEM 플랜트도 약 20메가와트 정도에 그친다.

희귀 금속 의존성 없이 낮은 자본 비용과 상업적 확장성

알칼리수 전기분해(AWE) 시스템의 자본비용은 킬로와트당 242유로에서 388유로 수준으로, PEM 시스템이 킬로와트당 384유로에서 1,000유로가 넘는 것에 비해 상당히 낮다. 이 가격 차이는 두 가지 주요 요인에서 기인한다. AWE는 고가의 귀금속 대신 비귀금속으로 만든 촉매를 사용하며, 제조업체들이 수십 년간 이러한 시스템을 생산해 왔기 때문에 생산 공정이 이미 상당히 정비되어 있다. 또한 중국 시장이 가격 하락을 크게 주도하고 있다. 일부 중국 공장들은 이미 킬로와트당 약 303달러 수준에서 10메가와트 규모 장치를 생산하고 있으며, 이는 유럽이나 북미에서 생산되는 유사 장비보다 가격이 약 4배 정도 저렴한 수준이다. AWE는 백금족 금속에 의존하지 않기 때문에 다른 기술들에서 빈번히 발생하는 공급망 문제를 피할 수 있다. 이는 재료 부족으로 인해 제약받지 않고 기가와트 규모로 생산을 확대할 수 있음을 의미한다.

열악한 산업 환경에서도 긴 서비스 수명과 높은 내구성

대부분의 산업용 AWE 시스템은 암모니아 생산 시설과 같은 열악한 환경에서도 보통 12~15년 정도 가동됩니다. 이러한 긴 수명은 지르코늄으로 강화된 다이어프램, 전해질 관리를 위한 자동 제어 시스템, 전극 스택이 최대 30,000시간 동안 서비스 간격을 유지할 수 있는 긴 정비 주기 등 여러 요인에서 기인합니다. 실제 성능을 살펴보면, 벨기에에 위치한 28MW 규모의 염소 알칼리 공장은 8년간 무정지로 운전하는 동안 인상적인 78퍼센트의 효율을 유지했습니다. 이는 동일한 운전 조건에서 장기간 운영 시 예측되는 PEM 시스템의 성능보다도 더 나은 결과입니다.

알칼리 전해조 도입 확대의 주요 과제

재생 에너지 변동성 하에서의 운전 유연성 제한

알칼리수 전기분해 시스템은 지속적인 전력 공급을 받을 때 가장 잘 작동하므로, 태양광 패널이나 풍력 터빈에서 오는 급격한 변화에 대응하기 어렵습니다. 이러한 제약 때문에 운영자들은 수소 생산을 안정적으로 유지하기 위해 추가적인 저장 장치나 다양한 기술의 조합이 자주 필요합니다. RMI의 2023년 연구는 흥미로운 점을 보여줍니다. 플랜트가 재생 가능 에너지의 단지 25%만 사용할 경우, 연간 10만 킬로그램의 수소를 생산하기 위해 약 2.5기가와트 규모의 전기분해장치가 필요합니다. 이는 동일한 플랜트가 85%의 그린에너지 사용률을 달성할 수 있는 경우보다 약 70% 더 많은 장비가 필요하다는 것을 의미합니다. 이러한 비효율성은 누적되기 마련입니다. 확장을 목표로 하는 대규모 프로젝트의 경우, 추가 인프라는 업계 추정에 따르면 최대 18억 달러까지 비용을 증가시킬 수 있습니다.

고압 시스템에서의 가스 크로스오버 및 안전 위험

기존의 다공성 다이어프램은 3~5%의 가스 혼합 30바 이상의 압력에서 수소-산소 크로스오버로 인해 폭발 위험이 발생합니다. 이를 완화하기 위해 운영자는 가스 재결합 장치 및 압력 방출 메커니즘과 같은 안전 핵심 시스템을 설치해야 하며, 이는 복잡성과 비용을 증가시킵니다.

부식성 전해질 관리 요구사항

수산화칼륨(KOH) 사용은 지속적인 유지보수 어려움을 동반합니다:

이러한 요구 사항은 원격지 또는 해상 설치 시 운영 부담과 수명 주기 비용을 증가시킵니다.

부하가 낮을 때 효율 저하

정격 용량의 40% 이하에서 운전할 경우, AWE 시스템은 희석된 전해질에서의 옴적 손실, 기포에 의한 과전압 증가 및 비최적 열 관리로 인해 수소 생산 비용이 22% 높아지는 문제에 직면합니다. 이러한 요인들은 풍력-수소 프로젝트의 계통 안정성 연구에서 강조된 바와 같이, 간헐적인 재생 가능 에너지원과의 통합을 복잡하게 만듭니다.

재생 가능 에너지와 함께 작동하는 알칼리 전해조를 활용한 지속 가능한 수소 생산

AWE 시스템과 태양광 및 풍력 에너지 공급 패턴의 연계

AWE는 상황이 안정적일 때 매우 잘 작동하지만, 재생 에너지 원과 결합하면 전체 시스템의 성능이 더욱 향상됩니다. 간디아와 동료들이 2007년에 수행한 연구에 따르면, 최대 출력의 적어도 60% 이상으로 가동되는 태양광 발전소나 매시간 출력 변동이 20% 이내인 풍력 발전 설비와 결합된 시스템에서 가장 효율적인 결과를 얻을 수 있습니다. 반면, 분당 500와트/제곱미터 이상의 속도로 일조량이 급격히 증가하는 경우 효율성이 15~20%까지 저하될 수 있습니다. 따라서 이러한 유형의 시스템에서는 통합 방식이 무엇보다 중요합니다.

간헐성 상황에서 효율성을 높이기 위한 다중 모드 전력 전략

변동성 전원 공급원과의 호환성을 개선하기 위해 운영자들은 세 가지 핵심 접근 방식을 사용합니다:

1. 동적 부하 관리 : 실시간 재생 에너지 출력에 따라 전류 밀도를 0.3–0.5 A/cm² 사이에서 조정
2. 배터리 버퍼링 : 전력 피크를 완화하기 위해 단기간(⌘15분) 에너지 저장 장치 사용
3. 하이브리드 재생 에너지 조합 : 일일 공급을 균형 있게 유지하기 위해 풍력(40–60% 용량 인자)과 태양광(20–25%)을 결합

2023년 현장 시험 결과, 이러한 방법들은 단일 출처 구성 대비 효율 손실을 35% 줄이는 것으로 나타났습니다.

알칼리 전해 방식을 활용하는 실제 풍력 기반 수소 생산 프로젝트

덴마크의 에너지 아일랜드 프로젝트는 실제 현장의 풍력 조건에서도 24MW 시스템이 약 74%의 스택 효율을 달성하며 AWE 기술이 얼마나 우수한지를 보여줍니다. 2024년 유럽 전역의 12가지 서로 다른 설비를 살펴보면 또 다른 사실을 알 수 있습니다. 알칼리 전해조는 반정도 출력에서 가동하든 최대 출력으로 가동하든 관계없이 68%에서 72%의 효율 범위 내에서 꾸준히 우수한 성능을 유지했습니다. 이 모든 것은 오직 풍력 에너지만을 공급받는 조건에서 이루어진 것입니다. 이는 유사한 조건에서 일반적으로 63%에서 67% 사이의 효율을 유지하는 PEM 시스템보다 명백히 앞섭니다. 그렇다면 이는 무엇을 의미할까요? 이러한 수치들은 재생 가능 에너지를 활용한 대규모 수소 생산에 있어 AWE 기술이 반드시 고려되어야 함을 분명히 보여줍니다.

알칼리 전해조 기술의 산업 응용 및 글로벌 확장

정유, 암모니아 및 기가와트급 그린 수소 프로젝트에서의 대규모 활용

현재 정유 및 암모니아 생산 분야에서 신규 수소 설치의 65%를 알칼리 전해조(Alkaline electrolyzers)가 차지하고 있으며, 1–5 MW 규모에서 74–82%의 시스템 효율로 효율적으로 운영되고 있습니다(UnivDatos Market Insights 2024). 유럽연합(EU), 중국, 호주를 중심으로 개발 중인 40개 이상의 기가와트급 그린수소 프로젝트는 주로 AWE(알칼리 수전해) 기술을 활용하여 해상 풍력과 사막 지역의 태양광 에너지를 대량의 수소로 전환하고 있습니다. 정유 분야에서는 천연가스 수요의 28%를 대체하며, 암모니아 합성 공정에서는 증기 메탄 개질기 대비 에너지 집약도를 12% 절감합니다.

상업적 확장성과 인프라 준비성을 검증하는 실증 플랜트

수 백만 킬로와트급 실증 공장이 암모니아 및 제철 응용 분야에서 90% 가동률을 달성하여 기존 산업 인프라와의 원활한 통합을 입증했다. 2021년부터 가동 중인 노르웨이의 시범 공장은 단지 분기별 정비만으로도 1.2kg/h/m²의 수소 생산량을 유지하고 있다. 산업 컨소시엄들은 2023년 글로벌 수소 이사회 보고서에서 지적된 인프라 격차의 34%를 해결하기 위해 알칼리 전해조 시스템과 CO₂ 파이프라인 또는 소금 동굴 저장소 간의 인터페이스 표준화를 추진하고 있다.

추세: 전 세계 재생에너지 거점에서의 도입 확대

북아프리카의 태양광 회랑과 호주의 해안 풍력 지대를 포함한 다섯 개의 주요 재생에너지 거점이 2030년까지 알칼리 전해조(alkaline electrolyzer) 38GW 규모의 설비를 계획하고 있다. 이러한 클러스터는 AWE가 40~110%의 부하 가변성 범위 내에서 작동할 수 있고 해수를 원료로 사용할 수 있는 점을 활용함으로써, 내륙 지역 대비 담수화 필요량을 60% 줄일 수 있다. 이러한 지역에서 신규 건설되는 전해조 제조 시설의 70% 이상은 광물 의존도가 낮고 지역 공급망과의 연계성이 뛰어난 알칼리 기술을 우선시하고 있다.

자주 묻는 질문: 알칼리 전해조와 그린 수소 생산

알칼리수 전기분해와 PEM 전기분해의 차이점은 무엇인가요?

알칼리수 전기분해(AWE)는 저렴한 비귀금속을 촉매로 사용하며, 비용 효율성과 내구성 덕분에 대규모 산업용으로 더 적합합니다. 반면, PEM 전기분해는 백금족 금속을 사용하여 비용이 증가하며 현재 대규모 적용 사례가 상대적으로 부족합니다.

현대의 알칼리 전기분해 장치는 얼마나 효율적인가요?

현대의 알칼리 전기분해 장치는 70%에서 80% 사이의 효율에 도달하여 지속적인 산업 운영에 신뢰할 수 있는 선택지가 됩니다.

알칼리수 전기분해 시스템 설치의 자본 비용은 얼마인가요?

AWE 시스템의 자본 비용은 킬로와트당 €242에서 €388 사이로, PEM 시스템에 비해 상당히 낮습니다.

왜 알칼리 전기분해 장치가 대규모 수소 생산 프로젝트에 선호되나요?

AWE 시스템은 기가와트 규모까지 검증된 운전 실적을 보유하고 있으며, 공급망 리스크가 낮고 귀금속 없이도 확장이 가능하여 규모 확장성이 뛰어납니다.