왜 촉매 비용이 녹색 수소 생산의 핵심 병목 요소인지

녹색 수소 생산 비용은 여전히 킬로그램당 약 3.8달러에서 11.9달러 수준에 머물러 있어, 킬로그램당 1.5달러에서 6.4달러 수준인 증기 메탄 개질과 같은 화석 연료 대안보다 훨씬 높은 상태다. 이 가격 격차는 운영 규모를 확대하기 어렵게 만든다. 전기분해장치의 자본 지출은 여전히 주요 비용 요소이며, 특히 킬로와트당 800달러에서 1,500달러 사이의 비용이 일반적인 양자교환막(PEM) 시스템에서 두드러진다. 이러한 비용을 더 면밀히 살펴보면 흥미로운 점을 발견하게 되는데, 대부분의 비용이 촉매에 지출된다는 것이다. 이리듐과 백금과 같은 백금족 금속은 PEM 스택 비용의 거의 절반을 차지한다. PEM 양극만 놓고 보면, 이리듐을 제곱센티미터당 약 1~2밀리그램 정도 필요로 하는데, 이 금속은 극도로 희귀하고 비싸서 가격이 종종 킬로그램당 7,400달러를 초과한다. 전 세계 공급량이 예상 수요 증가 속도를 따라가지 못하기 때문에 문제는 더욱 악화된다. 희소한 자원에 대한 이러한 의존성은 비용 통제와 안정적인 공급망 측면에서 모두 리스크를 초래한다. 전기분해장치를 킬로와트당 150달러, 수소는 킬로그램당 1달러이라는 산업 목표 수준으로 낮추기 위해서는 촉매 비용과 사용량을 상당 폭 감소시켜야 한다. 이 목표를 대규모로 달성하는 데 필요한 간단한 해결책을 제공할 수 있는 것이 바로 알칼리 교환막(AEM) 전기분해장치일 수 있다.

AEM 전해조 아키텍처: 비-PGM 촉매의 초저함량 실현 가능

수산화물 전도성 막이 니켈 및 철 산화물을 사용한 안정적인 작동을 가능하게 함

음이온 교환막(AEMs)은 수산화 이온(OH-)을 전도함으로써 작동하며, PEM 시스템에서 나타나는 산성 조건과는 상당히 다른 알칼리 환경을 만든다. 이러한 알칼리성 특성은 양극 쪽에서 니켈 및 철 산화물과 같은 지구상에 풍부한 비-PGM 촉매의 안정화를 실제로 도와준다. 이는 해당 재료가 빠르게 분해되지 않으면서도 우수한 산소 발생 반응(OER) 활성을 확보할 수 있음을 의미한다. 오랫동안 비-PGM 촉매의 안정성은 큰 문제였으나, 최근 상황이 변화하고 있다. 막 화학 분야의 새로운 발전과 더 나아진 전극 설계 덕분에 이러한 시스템들이 산업용 전류 밀도인 제곱센티미터당 0.5A 이상에서도 수천 시간 동안 안정적으로 운전될 수 있게 되었다. 현대의 AEM 막이 매우 가치 있는 이유는 운전 중 촉매 입자가 용해되는 것을 방지할 수 있는 능력에 있다. 부하가 변동하는 경우에도 이온 전도도 요구조건을 유지하므로 부식 저지를 위해 고가의 귀금속을 사용할 필요가 없어진다. 궁극적으로 이는 전체적으로 훨씬 더 긴 수명을 가진 장비로 이어진다.

비교: AEM과 PEM의 이리듐 함량

촉매 함량의 차이가 AEM의 구조적 우위를 강조한다. PEM 전해조는 부식성 산성 환경에서 견딜 수 있도록 오직 이리듐 산화물(IrO₂) 양극에만 의존한다. 반면, AEM 시스템은 다음 중 하나를 사용하여 작동한다.

• 비-PGM 촉매 (예: 니켈-철 옥시하이드), 이리듐을 전혀 필요로 하지 않거나
• 미량의 PGM 코팅 , 일반적으로 <0.1 mg/cm², 단지 약간의 성능 향상을 위해 사용됨.

이는 이리듐 소비량의 상당한 감소를 의미한다. 아래 표는 주요 시사점을 요약한 것이다.

로딩 감소는 스택 CAPEX를 약 30% 직접 절감하며 PGM 가격 변동성에서 프로젝트를 보호하므로 장기 프로젝트 자금 조달 및 은행 대출 가능성 측면에서 중요합니다.

AEM 촉매 CAPEX를 낮추는 데 기여하는 자재, 설계 및 규모의 이점

지구상에 풍부한 촉매는 원자재 의존도와 가격 변동 위험을 줄입니다

알칼리성 음이온교환막(AEM) 전해조는 전 세계적으로 매년 약 7~10톤 정도 생산되는 희귀 금속인 이리듐 대신 니켈과 철을 사용한다. 이 대체재들은 약 10,000배 더 풍부할 뿐만 아니라 전 세계적으로 안정적이고 거래량이 많은 시장에서 유통된다. 기존의 양자기전달막(PEM) 시스템은 스택의 자본지출 중 약 40~60%를 귀금속군(PGM)에 지출하지만, AEM 기술은 이러한 비용을 저렴하고 보다 쉽게 조달 가능한 소재로 전환한다. 동료 평가 학술지에 게재된 연구에 따르면, 비-PGM AEM 양극은 산업용 전류 수준에서도 PEM의 산소 발생 반응 활성의 95% 이상에 도달할 수 있으며, 촉매 소재 비용을 최대 90%까지 절감할 수 있다. 시장 동향을 살펴보면 이러한 전환은 더욱 매력적으로 보인다. 이리듐 가격은 공급이 수축된 2020년부터 2023년까지 무려 약 800% 급등했으나, 니켈과 산화철의 가격은 극단적인 변동 없이 일반 산업 시장 상황과 연동되어 안정적으로 유지되었다.

간소화된 셀 설계로 제조 복잡성과 촉매 통합 비용 감소

AEM 기술은 알칼리 환경에서 작동할 수 있기 때문에 이러한 셀의 전체 설계를 상당히 단순화할 수 있다. PEM 스택은 부식에 견디기 위해 티타늄 이중극판, 특수 내산성 개스킷, 귀금속으로 코팅된 부품 등 다양한 고가 부품이 필요하다. 반면 AEM 시스템은 일반 스테인리스강 부품과 일상적인 폴리머 씰을 사용해도 문제없이 작동한다. 촉매층 적용 방식에서도 제조업체는 규모 확장이 가능하고 비용 효율적인 옵션들을 활용할 수 있다. 여기에는 분사 코팅 또는 롤 투 롤(roll to roll) 증착 기술이 효과적으로 활용될 수 있으므로, PEM 기술에서 초박형 이리듐 층 형성을 위해 필요한 고가의 진공 스퍼터링 장비나 복잡한 열처리 공정에 투자할 필요가 없다. 이러한 모든 설계 개선 사항들은 세 가지 주요 영역에서 전반적인 비용을 절감한다:

• 내산성 스택 소재(약 $220/kW 절감),
• 초순수 전처리 인프라,
• 귀금속 회수 및 재활용 물류.

산업 분석에 따르면 이러한 변화는 촉매 통합 비용을 35-50% 감소시켜 양산 제조 시기를 앞당기고 수율 일관성을 개선한다.

녹색 수소 경제성에 미치는 영향: AEM 촉매 효율성을 통한 낮은 LCOH

AEM 전해조 기술은 촉매 소재라는 전해조 시스템에서 가장 큰 비용 요소 중 하나를 대체함으로써 수소 생산의 수준화된 비용(LCOH)을 크게 줄입니다. 귀중한 이리듐 대신 니켈과 철 기반 화합물을 사용함으로써 비용을 약 80~90% 절감할 수 있습니다. 더불어, 거의 촉매 물질을 필요로 하지 않아 성능 저하 없이 재료 비용을 대폭 감축할 수 있습니다. 이러한 시스템은 1제곱센티미터당 1암페어로 작동할 때도 70~75%라는 매우 인상적인 효율을 유지합니다. 일반적으로 촉매 비용은 전해조 전체 비용의 25~40%를 차지하므로, 단지 이 한 가지 변경만으로도 설비 투자비를 크게 줄일 수 있습니다. 다른 요인들을 고려하면 그 효과는 더욱 커집니다. 간소화된 하드웨어 설계, 쉬워진 제조 공정, 변동성이 큰 재생에너지 입력에도 안정적으로 작동하는 특성 등은 모두 경제성 향상에 기여합니다. 대규모 상용화 시, AEM 시스템은 수소 가격을 킬로그램당 2달러 미만으로 낮출 가능성이 있으며, 녹색 철강 생산 및 대형 운송 분야처럼 탄소 제거가 특히 어려운 산업에서 경쟁할 수 있는 핵심 수치에 도달할 수 있습니다. 제조업체들이 생산량을 늘려감에 따라 규모의 경제와 러닝 커브 효과가 작동하며, AEM 기술은 전 세계 시장에서 녹색 수소를 경제적이면서도 실현 가능하게 만드는 핵심 기술로서의 입지를 굳힐 것으로 보입니다.

자주 묻는 질문

왜 촉매 비용이 녹색 수소 생산에서 중요한가?

이리듐 및 백금과 같은 고가의 소재가 사용되기 때문에 촉매 비용은 주요한 요소이며, PEM 시스템과 같은 전해조의 자본지출을 크게 증가시킨다.

AEM 전해조는 이러한 비용을 어떻게 절감하는가?

AEM 전해조는 니켈 및 철과 같은 풍부한 지구 소재를 사용하여 훨씬 저렴한 비용으로 촉매 소재 비용을 크게 줄인다.

AEM 시스템의 효율은 PEM 시스템과 비교해 어떻게 되는가?

일반적으로 AEM 시스템은 70%에서 75% 사이의 효율을 달성하며, PEM 시스템에 비해 비용 절감과 안정성 향상의 이점을 함께 가진다.

녹색 수소를 경쟁력 있는 비용으로 생산할 수 있는가?

예, AEM 기술의 발전으로 녹색 수소 비용을 킬로그램당 2달러 이하로 낮출 수 있어 화석 연료 대비 경쟁력 있게 만들 수 있다.