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수소분야의 전문가이자 블룸에너지의 수소사업 부문 부사장인 릭 뷰텔(Rick Beuttel)은 ‘이제 더 이상 메가와트의 개념으로 수전해를 생각하지 말자’고 강조합니다.

릭 뷰텔, 블룸에너지 사업개발당담 부사장

수소는 철강, 운송 및 화학 산업군 등에서 탈탄소화를 실현시켜줄 수 있는 명확한 선택지로 떠오르고 있습니다. 효율성은 수소가 재생에너지를 대체할 수 있는 현실적인 에너지원으로 자리매김하는 데 중요한 역할을 합니다. 그린수소를 생산하는 기술 중에서 고체산화물 수전해 기술은 에너지를 가장 효율적으로 사용하며 수소 생산비를 낮추고 있습니다.

현재 수소를 에너지원으로 고려하고 있는 업계 관계자들은 분명 메가와트 단위로 수소 발전 단가가 얼마나 하는지 궁금해할 것 입니다. 메가와트당 수소의 단가를 결정하는 데는 많은 요인들이 영향을 줍니다.

물분자를 수소와 산소로 분해하기 위해 전기를 사용하는 수전해 방식을 통해 생산되는 수소에 대해 조금 더 발전된 방향으로 생각해 볼 시기입니다. 블룸 수전해와 같은 고효율 수전해기는 타기술에 비해 같은 양의 수소를 생산하는데 있어 전기(메가와트 단위)를 덜 사용합니다. 간단히 설명하자면 생산자들은 더 효율적인 수전해기를 운용하면서 메가와트당 더 많은 수소를 생산할 수 있다는 뜻입니다. 이는 곧 수전해의 가격을 단순히 메가와트 단위의 자본비로만 계산할 것이 아니라 수전해기의 효율성에 따라 달라질 수 있는 생산량과 관련한 비용적 이점과 거시적인 관점에서 생각볼 수 있는 경제적 이점 등도 함께 고려해야 한다는 의미입니다.

수소의 비밀

산업에서 오랜 시간 수소 프로젝트와 사업개발을 담당했던 사람으로써 저는 산업용 가스 시장에서 다년간 일했습니다. 저는 대규모의 수소 프로젝트를 개발한 이력이 있으며 수소 사업 관리를 하며 수소공급망과 관련한 여러 계약들을 체결했습니다. 수소 산업에서의 오랜 경험에 의하면 수소를 구매하는 소비자들은 통상 구매하는 수소의 양 또는 볼륨이 어느 정도인가에 관심을 두고 있습니다.

여기서 중요한 비밀이 하나 있습니다: 그 어느 누구도 수소를 생산하는데 소요되는 에너지의 양이나 와트단위당 에너지 규모를 기준으로 수소를 구매하지 않는다는 사실입니다. 이는 마치 암모니아를 생산하거나 재생디젤(바이오연료)을 제조하는데 있어 얼마만큼의 메가와트 단위 전력이 소모되었는지 파악하려고 하는 것과 같습니다. (암모니아와 재생디젤 제조 모두 많은 양의 수소를 사용합니다.) 통상 이런 제조 과정에서는 메카와트 단위 전력량을 기준 단위로 사용하지 않습니다.

엔지니어링을 공부하신 분들이라면 아마 예전 학교에서 배운 기본 개념이 생각나실 것 입니다. 엔지니어링의 기초로 측정 단위들에 대해 배우고 왜 다른 측정 단위들을 사용하게 되는지에 대한 이유와 기준에 대해 배울 것입니다. 와트(wattage)는 수소를 생산하는데 사용된 전력량을 측정하는 단위입니다. 그러나 이 단위는 에너지를 절약한 양과 타기술에 비해 효율적인 수전해 기술을 통해 더 높은 효율로 생산된 수소의 양을 측정하지 못합니다. 즉, 같은 규모의 수전해 또는 같은 전력량으로 생산된 수소의 양을 측정하는 데 적합한 단위가 아니라는 뜻입니다.

수소를 측정하는 올바른 방법

수전해를 통해 생산된 수소를 생각해 볼 때, 저는 관계자들에게 와트 단위의 전력량만 고려할 것이아니라 우선 생산된 수소의 양을 먼저 고려해야 한다고 강조합니다.

이것이 왜 중요할까요? 고체산화물 또는 고분자전해질막(PEM) 기술 등 수전해 기술별로 효율성, 자본비, 그리고 성능저하 시기 등 여러 면에서 각자 다른 특징을 가지고 있으며 이에 따른 비용도 다르게 산출됩니다. 효율성의 경우 수소를 생산하는데 소요되는 전력량을 포함하여 산출됩니다.

만약 당신이 수소 소비자이거나 수소 판매자라면 가장 먼저 시간 단위당 몇 MMSCFD(million standard cubic feet per day) 또는 몇 kg의 수소가 필요한가를 질문해야 합니다. 필요한 수소의 양이 파악되었다면 필요로 하는 양의 수소를 생산하기 위해 어느 정도 규모의 수전해기를 가동시켜야 하는지 분석할 차례입니다.
이 과정에서 수전해기의 효율성을 고려해야 합니다. 더 효율적인 수전해기는 더 적은 양의 전력을 소모하기 때문에 수소 생산시 투입되는 수전해기의 규모도 줄일 수 있게 됩니다. 투입되는 수전해기의 규모를 줄이면서 운영 및 유지보수 비용도 감소하게 됩니다. 이 모든 이점을 고려한다면 고효율의 수전해 사용으로 단순히 전력비만 아끼는 것이 아닌 다른 관련 비용도 줄이면서 복합적인 이점을 누릴 수 있게 되는 것입니다.

조금 더 고차원적인 예시를 들어볼까 합니다.

여기 30mmscf의 저탄소 수소를 사용하는 재생디젤 생산 시설이 있다고 가정합시다. 이 시설에 필요한 수전해기의 효율성을 평가하고자 한다면 수전해기의 규모는 어느 정도가 되어야 하며 필요한 양의 수소를 생산하는데 얼만큼의 전력이 소모될까요?

고온에서 작동하는 블룸의 고체산화물 수전해와 알칼라인 수전해를 비교해 봅시다. 블룸의 고체산화물 수전해는 1kg의 수소를 생산하는데 39kWh의 전력을 소모하며 알칼라인 수전해는 52kWh의 전력을 소모합니다.

30mmscfd단위 수소의 양은 약 71,000kg/일로 환산됩니다. (kg당 423scf로 환산한 경우)

수소 1kg 생산시 39kWh의 전력을 소모하는 블룸 수전해를 설치했을 경우, 약 115MW 규모의 수전해 시설이 필요합니다. 반면, 알칼라인 수전해를 설치한다면 약 154MW규모가 필요할 것입니다. 블룸 수전해를 사용한다면, 더 적은 전력비용을 지출하는 것은 물론 구매하여 설치하고 운영해야 하는 수전해기의 규모도 줄일 수 있게 됩니다.

기술에 따라 수소 압축이 필요할 수도 있습니다. 알칼라인 수전해와 블룸의 고체산화물 수전해 모두 수소 압축이 필요합니다. 300psi를 위해 kg당 4kWh의 전력이 소모된다고 가정해봅시다. 71,000kg x 4kWh/kg/24의 산식을 적용한다면 두 기술 모두 약 12MW의 규모의 전력을 추가로 소모하게 됩니다.

따라서, 블룸 수전해로 고압의 수소를 생산하려면 115MW 규모의 수전해기에 수소 압축에 필요한 전력 12MW를 더하여 총 127MW의 재생 전력을 필요로 하게 됩니다.

알칼라인 수전해 기술을 이용한다면, 154MW 규모의 수전해기와 수소 압축에 필요한 12MW의 전력을 더한 총 166MW의 재생 전력을 소모하게 됩니다.

고효율 수전해가 고객들에게 지니는 의미

이는 다시 정리하자면, 다른 기술들과 비교해 볼 때 블룸의 고체산화물 수전해는 같은 양의 수소를 생산하면서 39 MW에 달하는 전력을 덜 사용한다는 의미입니다. 이를 다시 메가와트시의 단위로 환산하면, 블룸의 수전해를 사용했을 때 년간 340,000MWh에 달하는 전력을 아낄 수 있다는 결론에 이릅니다.

따라서, 메가와트 당 수전해가 얼마인지에 대해 질문하기 전에 가장 먼저 질문해야 할 것은 얼마만큼의 수소를 필요로 하는가입니다. 그런 다음, 위에 설명한 것과 같이 각 수전해 기술별로 차이가 나는 효율성을 고려해야 할 것입니다. 여기서 메가와트 단위 당 수전해가 얼마나 하는지를 계산하기 전 수소 생산을 위해 필요한 수전해의 규모(메가와트 단위로 환산한)를 산출해 낼 수 있을 것입니다.

수전해의 자본비만를 주요 결정 요인으로 고려한다면 효율적이지 못한 수전해를 더 큰 규모로 설치하는 결과로 이어질 수 있습니다. 이는 전력소요량은 물론 공간와 균등화 수소 생산 단가도 증가시키는 결과를 초래합니다. 이런 요인들을 할인현금분석에 반영했을 때 답은 명확해집니다.

물론 이 외에도 수소에 대해서 하고 싶은 이야기가 더 많습니다. 수소와 관련하여 이용가능성(미국 미식축구리그의 유명한 구절인 “현장에서 뛰는 것이 가장 큰 능력이다”라는 말과 같이 지금 바로 이용할 수 있는가의 여부가 중요하다는 의미), 성능저하, 고체산화물 기술 등 공유하고 싶은 이야기들은 많습니다. 하지만 이 모든 것들의 기초는 바로 올바른 질문을 던지는 데서 시작합니다. 즉, 당신이 필요로 하는 양의 수소를 생산하는데 있어 수전해기의 효율을 반드시 고려해야 할 것입니다.
블룸에너지는 수소 생산과 관련해 가장 효율적인 해답을 제공할 수 있다는 점을 자랑스럽게 생각합니다.

블룸은 최근 대한민국에 수전해기를 설치하며 첫 해외 프로젝트의 포문을 열었습니다. 설계된대로 성능을 발휘하며 가동 중인 블룸의 수전해기는 경제적인 청정 수소를 생산하며 대한민국의 탄소중립 미래에도 기여할 수 있는 가능성을 제시했습니다.

수소는 탄소중립 시대로의 전환을 위해 중요한 에너지원입니다. 효율적인 수전해기가 있다면 우리는 지속가능한 수소 생산의 상업화를 실현하며 탈탄소화 목표를 바로 지금 실천해나갈 수 있을 것입니다.