[충청뉴스 김남숙 기자] 순천향대학교 나노화학공학과 권휘웅 교수 연구팀이 기존 수소 생산 인프라와 고효율 수전해 기술을 결합해 경제성과 친환경성을 동시에 확보한 저탄소 수소 생산 시스템을 개발했다.
연구팀이 제안한 하이브리드 공정 ‘HASP’는 대규모 블루수소 생산에 활용되는 자열개질(ATR) 공정과 약 800℃의 고온에서 작동하는 고체산화물 수전해전지(SOEC)를 하나로 묶은 기술이다. 기존 기준 공정 대비 수소 생산비용은 11.5%, 이산화탄소(CO₂) 배출량은 49.7% 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
통합공정의 핵심은 두 공정 간 열과 산소를 상호 교환하는 구조다. ATR 공정에서 발생하는 고온의 폐열을 SOEC의 수증기 가열에 재활용하고, SOEC 작동 과정에서 부산물로 나오는 고순도 산소를 ATR 공정에 직접 공급한다. 이를 통해 외부 에너지 투입을 줄이는 동시에 기존에 필수적이었던 공기분리장치(ASU)의 운전 부담을 대폭 낮췄다.
에너지·엑서지·경제성·환경성을 종합 평가하는 ‘4E 분석’ 결과, 통합공정의 에너지 효율은 82.1%, 엑서지 효율은 38.4%로 기존 공정 대비 각각 15.5%, 67.0% 향상됐다. 공기분리장치가 적용된 ATR 공정과 비교해도 생산비용은 8.6%, CO₂ 배출량은 31.0% 낮아진 수치다.
연구팀은 재생에너지 도입 속도에 맞춘 단계적 전환 시나리오도 제시했다. 기존 ATR 설비를 유지하면서 재생에너지 기반의 SOEC를 우선 결합한 뒤, 향후 SOEC 생산 비중을 단계적으로 늘려가는 방식이다. 이는 설비 전체를 한 번에 교체할 때 발생하는 막대한 초기 투자 부담을 분산하면서도 대규모 수소 공급 안정성을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
글로벌 경제성 평가에서는 전력 및 천연가스 가격이 수소 생산비의 핵심 변수로 분석됐다. 사용 전력을 전량 재생에너지로 전환하는 시나리오를 적용할 경우 포르투갈 기준 수소 생산비가 약 20.3% 추가 감소하는 것으로 집계됐으며, 몬테카롤로 시뮬레이션을 통해 시장 변동성에 따른 불확실성 검증도 마쳤다.
이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Energy Conversion and Management’에 ‘4E analysis of an integrated ATR–SOEC hydrogen co-production system for deep decarbonization: Energy, exergy, economic, and environmental impacts’라는 제목으로 게재됐다. 연구에는 순천향대 김수진·김기찬 연구원과 동국대 박진우 교수, 순천향대 권휘웅 교수가 참여했다.
