[에너지 혁명] - ' 핵 융합 발전소와 그린 수소 에너지 '

[에너지 혁명] - ' 핵 융합 발전소와 그린 수소 에너지 '

 

 

[ 과학 뉴스 - 1] - ' 2021년은 <<-그린수소->> 부상 원년 '


 청정 에너지로 생산되는 ‘그린수소’가 향후 10년간 전 세계적인 바람  ‘탄소 중립 경제’를 이끄는 핵심 에너지원이 될 것이라는 기대를 받고 있다.

  미국의 조 바이든 대통령 당선자는 그린 수소의 상용화를 포함한 친환경 정책 지원을 약속했다. 바이든 행정부는 그린 수소를 10년 내에 기존 수소와 같은 가격에 공급하기 위한 개발을 지원하겠다고 밝혔다. 미국 외에도 칠레와 일본, 사우디 아라비아, 독일, 호주 등이 이미 ‘수소 경제’를 앞세워 투자를 아끼지 않고 있다.

  그린 수소가 2050년까지 세계 에너지의 최소 25%를 차지할 것이라는 전망치들도 나오고 있다. 정부의 정책적 지지, 업계의 높은 관심과 투자 덕분에 그린 수소 시장이 향후 10년간 기하급수적으로 성장할 것이라는 전망이다.  

  지난해에만 50GW의 그린 수소 전기 분해 신규 사업이 발표됐으며, 잇따라 많은 나라들이 청정 수소 전략들을 발표하고 있다. <네이처>지는 “수소가 처음으로 스포트라이트를 받고 있다”며 “특히 가스 산업이 수소를 주목하고 있다”고 언급했다.

  그러나 세계 목표 생산량이 연간 870만 톤인 반면 현재 공개된 그린 수소 사업들만 연간 300만 톤으로 목표량과의 갭은 여전히 크다.

  높은 제조 비용 뿐만 아니라 수소를 장거리 수송하는 문제도 앞으로의 해결 과제다. 액화 수소를 운송하려면 섭씨 -253도까지 냉각해야 한다. 일본의 가와사키 중공업이 세계 처음으로 액화 수소 캐리어인 스이소 프론티어(Suiso Frontier) 완공을 앞두고 있으나 높은 비용과 안전 등 상용화가 쉽지 않을 것으로 보인다.  

  -33도까지 냉각하면 되는 액화 암모니아의 형태로 수소를 운반하는 것이 더 쉽기 때문에, 세계 대형 수소 수출 업체들은 암모니아 수송을 고려하고 있다고 <로이터>통신은 보도했다.



◆  왜 ‘그린 수소’인가  

  수소에 ‘그린’을 붙일 수 있는건 어떻게 만들어지느냐에 따라 달라진다. 현재까지 수소 대부분은 ‘그레이 수소’로 화석 연료를 사용해 만들어진다. 그레이 수소는 생산 과정 중에 이산화탄소를 발생시키기 때문에 대체 에너지가 될 수 없다는 지적이 있다. ‘블루 수소’는 천연가스를 이용하고 제조 과정에서 발생되는 이산화탄소를 포획해 그레이 수소보다 청정한 연료로 여겨진다.

  오로지 재생에너지만을 이용해 만드는 수소를 ‘그린 수소’라 부른다. 이에 따라 그린 수소를 상용화하려면 풍력과 태양광 등 저렴한 청정 전력원을 확보하는 것이 관건이다.

  그린 수소가 가격 경쟁력을 갖추려면 재생에너지 비용은 약 50%, 전기분해를 통해 물을 수소와 산소로 분리하는 수전해설비(electrolyser) 비용은 75% 가량 떨어져야 한다고 호주 재생에너지 협회는 추산했다.

  높은 생산 가격에도 불구하고 그린 수소를 주목하는 이유는 현존 친환경에너지가 미치지 못하는 영역에서 수소의 잠재적 역할이 기대되면서다.  

  위스콘신 대학 에너지 연구소의 그레고리 니멧 교수는 “그린 수소가 세계 에너지 수요의 15~20%를 공급할 것으로 예상된다”며 “배터리와 풍력, 태양광으로 채워지지 못한 부분에서 수소의 역할이 중요해질 것”이라고 <ABC뉴스>와의 인터뷰에서 말했다.   

  니멧 교수는 “태양광과 풍력 발전, 배터리가 지난 10년간 엄청난 비용 하락을 보여줬다”며 “그러나 장거리 트럭 운송, 화물선, 항공기, 중공업 등에서 이 에너지원들을 적용하기 어렵다”며 이 산업 군에서 에너지 밀도가 높은 그린 수소의 역할이 커질 것으로 전망했다.

  예를 들어 전기 항공기의 경우 배터리 무게가 문제점으로 지적된다. 제트 연료를 사용할 때에는 연료가 연소되면서 무게가 점차 줄어들지만, 배터리의 경우 에너지 소비와 상관 없이 무게가 계속 유지되기 때문이다.

  또한 배터리가 차지하는 공간은 트럭에서도 문제가 될 수 있다. 수소는 초고온 덕분에 제철소에서 이용되거나 암모니아 형태로 선박 연료로 사용될 수 있다. 수소는 장시간 저장에도 배터리 보다 앞선다.

니멧 교수는 향후 수소가 배터리와 비교 경쟁할 것으로 내다봤다.  

  유럽 항공기 제조사 에어버스(Airbus)는 항공기에 수소를 안전하게 저장하고, 공항에서 대체 연료로 공급하기 위한 인프라 시설 건설을 위한 해결책이 필요하다고 지적했다. 그럼에도 불구하고 회사는 그린 수소가 항공 운항의 온실가스 배출량을 줄이는데 상당히 중요한 역할을 할 것으로 믿는다고 강조했다.

  그린 수소는 현존 인프라를 이용할 수 있다는 이점도 갖고 있다.

  재생에너지원으로 생산되는 특수성 때문에 그린 수소는 생산된 곳에서 소비되지 않을 가능성이 높다. 가스 파이프라인, 선박, 트럭 등 현존 인프라 시설을 이용해 운반될 수 있다.

  수소는 약 10% 비율로 천연가스 파이프라인으로 수송될 수 있다. 현재 화학 제품을 제조하기 위해 그레이 수소를 사용하는 회사들은 그린 수소로 전환할 수 있으며, 많은 경우 현존 산업 기계들과 호환될 수 있다고 전문가들은 보고 있다. 많은 장거리 트럭의 엔진은 수소 연료로 달릴 수 있다.




◆  미국의 그린 수소


  전문가들은 미국이 그린 수소 개발에 다소 뒤처져 있다고 말하고 있다. 그러나 주정부 차원에서 그린 수소 개발이 한창이다. 특히 캘리포니아 주정부는 탄소 중립을 위해 적극적으로 그린 수소 개발에 투자하고 있다.

  캘리포니아 주는 그린 수소 전기차와 수소 전력을 저탄소연료기준법을 통과시킨 2009년부터 개발하기 시작했다.

  로스앤젤레스 수자원 발전부가 자금을 투자해 유타 주에서 그린 수소 발전소를 건설하고 있다. 여기서 발전된 전력은 남캘리포니아로 공급될 예정이다.

  에너지 회사 SGH2는 폐기물 가스화를 이용해 캘리포니아 남부 지역에 그린 수소 생산시설을 짓고 있다. 전기 분해보다 저렴하게 고온을 이용해 분자를 쪼개는 방법을 선택했다.

  로스앤젤레스 시는 그린 수소를 천연가스 파이프라인에 4% 비율로 혼합하고 있다. 10%까지 혼합율을 높이는 것이 최종 목표다.  

  캘리포니아 주는 그린 수소 생산을 위한 해상용 풍력 발전소 건설 방안을 고려하고 있다. 휴스톤도 풍부한 풍력 자원을 보유하고 있어 그린 수소 수요가 높을 것으로 전망되고 있다.

  미국 에너지부는 장거리 트럭 연료로 수소를 공급하기 위해 1억 달러를 지원하겠다고 밝혔다. 바이든 정부가 출범하면서 중공업 산업의 탈탄소화와 배출 저감을 위해 그린 수소에 대한 초당파적 법안들이 논의되고 있다.



◆  세계로 퍼지는 ‘그린 수소’



  2020년 12월 초, UN이 지원한 한 보고서에 따르면, 세계 기온 상승을 막기 위해 2020년과 2030년 사이 화석연료 생산량이 연 6%씩 하락해야 한다. 화석연료 퇴출로 인한 에너지 갭을 막기 위해 세계 여러 나라들이 ‘그린 수소’ 개발에 나서고 있다. 

  칠레는 최적의 풍력 발전 환경 덕분에 저렴한 재생에너지원을 바탕으로 그린 수소 기반 시설에 투자하고 있다.

  사우디 아라비아는 네옴 시에 ‘미래 도시’ 건설을 계획하며 대규모 그린 에너지와 암모니아 공장을 짓고 있다.

  네옴 시와 사우디아라비아 전력회사 ACWA파워는 미국의 화학회사 에어 프로덕츠(Air Products)와 수소 플랜트 건설을 위한 거래를 맺었다. 사막에 세워질 4GW급 풍력과 태양광 발전소에서 전력 공급을 받아 매일 650톤의 수소를 생산할 예정이다. 이 사업에는 50억 달러가 투자됐다.  

  유럽 연합(EU)은 유럽 청정수소 연맹을 출범해 2050년까지 모든 재생에너지 분야에서 그린 수소를 보급한다는 목표를 갖고 있다. EU는 그린 수소에 5500억 달러 청정에너지 계획에 포함하겠다고 밝혔다. 앞서 7월 EU 위원회는 2030년까지 그린 수소에 4300억 달러 투자를 요청하는 수소 전략을 발표하기도 했다.

  네덜란드는 대규모 해상용 풍력 발전소로부터 전력을 받아 ‘그린 수소’ 생산 단지를 만든다는 계획을 밝혔다. 다국적 에너지 기업 셸(Shell)과 가스회사 가스유니(Gasunie), 그로닝겐 시포트(Groningen Seaports)가 제안한 NortH2 사업은 2040년부터 연간 88만2000톤의 수소를 생산할 예정이다. 올해부터 타당성 조사에 돌입해 2027년부터 수소를 생산할 것으로 예상하고 있다.

  독일은 2006년부터 수소 연료를 주목하고 대규모 자금을 수소 개발에 투입해왔다. 지난해 6월 독일 정부는 ‘미래를 위한 패키지’를 만들어 70억 유로를 그린 수소를 위해 유치했다.  국제 파트너십을 위해 20억 유로를 따로 마련했다. 2030년까지 전기 분해 용량 5000MW를 생산 목표로 삼고 있다.

  스페인도 4개 전해조 개발 프로젝트를 지난 10월 발표했다. 2030년까지 그린 수소를 20%까지 달성하겠다는 계획을 공표했다. 스페인은 이상적인 태양광과 풍력 발전 조건을 갖추고 있어 그린 수소 생산에 적극적으로 뛰어들 것으로 관측됐다.

  세계 최대 규모 그린 수소 플랜트가 최근 일본 후쿠시마 근방에서 운영을 시작했다. 일본 정부는 일찌감치 그린 수소 개발을 위한 재정 지원을 아끼지 않고 있다. 지난 2014년 ‘수소 연료전지 로드맵’을 발표하고 2017년부터 부처별 기술 개발 및 인프라 정비 등 정책을 세우고 있다. 일본은 2050년까지 배출 제로 목표를 선언했다.

  많은 전문가들은 세계 각국이 파리 기후 협정에서 선언한 기후 약속을 달성하기 위해서 그린 수소를 도입해야 한다는데 동의하고 있다. 재생에너지가 세계 에너지 시장을 주도했던 것처럼, 차세대 에너지원으로 지목되고 있는 그린 수소가 재생에너지의 행보를 뒤따를지 귀추가 주목된다. 



<< 출처 : 조민영 e2NEWS 기자




[ 과학 뉴스 2 ] - ' 핵 융합 발전소 '

 

유석재 "20초, 인류가 경험해보지 못했던 시간"
한국핵융합에너지연구원 초고온 플라스마 300초 목표로 '잰걸음'

'꿈의 에너지' 핵융합, 상용화 위한 남은 숙제는?

 

 

 

▶> 한국핵융합에너지연구원이 서울대 원자핵공학과, 미국 컬럼비아대 연구진과 국제 공동연구 끝에 1억도 초고온 플라스마를 20초 이상 운전하는 데 성공했다. [사진=김인한 기자]


   유석재 한국 핵융합 에너지 연구원장은 최근 '한국의 인공태양' 초전도 한국핵융합에너지연구원구장치(KSATR) 성과를 공개하는 자리에서 "1억도 초고온 플라즈마를 유지한 20초는 인류가 경험해보지 못했던 시간"이라고 했다. 

  유 원장은 "2025년도까지 1억도 이상에서 초고온 플라즈마 300초 달성을 목표하고 있다"며 "300초는 핵융합 발전을 24시간 365일 돌릴 수 있다는 의미"라고 강조했다. 

  한국 핵융합 에너지 연구원은 승격(연구소→연구원)을 맞아 2020년 KSTAR 운전 성과를 소개하는 자리를 마련했다. 

  한국 핵융합 에너지 연구원 KSTAR 연구센터는 서울대 원자핵공학과, 미국 컬럼비아대 연구진과 국제 공동연구 끝에 1억도 초고온 플라즈마를 20초 이상 운전하는 데 성공했다. 

  1억도가 넘는 온도에서 플라즈마를 10초 이상 유지한 건 전 세계에서도 처음이다. 핵융합 발전소 운영 최소 기준인 '초고온 플라즈마 300초' 달성을 위한 주춧돌을 놓았다는 평가가 나온다.

  KSTAR는 한국에서 만든 초전도 토카막이라는 뜻이며, 도넛 형태의 진공 용기 내부에 고온의 플라즈마를 가두는 장치다. 

  플라즈마는 고체·액체·기체를 넘어선 제4의 상태를 일컫는다.  원자핵과 전자가 극초고온에 서로 떨어져서 플라즈마 상태로 자유롭게 움직인다. 미국·중국·일본 등 세계 7국이 힘을 합쳐 프랑스 카다라슈에 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER) 핵융합로도 토카막을 사용하고 있다. 

KSTAR가 1995년 당시 참고한 설계가 미국 'TPX'(Tokamak Physics Experiment)였다. 미국에서 핵융합 연구를 위해 설계했던 TPX가 미국 정부의 승인을 받지 못하자, 당시 이경수 전 한국 핵융합 에너지 연구원 박사를 비롯해 선진 연구자들은 미국을 찾아가 설계 노하우를 가져왔다. 0.1초 플라즈마 구현도 어려웠지만, 국내 연구진의 힘으로 현재 초고온 플라즈마를 20초 이상 유지하는 성과를 냈다. 2만5900여 번 실험을 통해 만들어낸 '집념'의 결과물이다.

그동안 다른 핵융합 장치들이 순간적으로 1억도 이상 초고온 플라즈마를 달성하긴 했지만, 이를 10초 이상 유지하는 벽을 넘지는 못했다. 

핵융합 후발 주자인 한국이 초고온 플라즈마를 구현하는 분야만큼은 미국, 일본, 중국을 앞지르고 있는 것이다.



◆    '300초'  핵  융합 발전소 운영의 최소기준
 

  한국 핵융합 에너지 연구원은 1억도 환경에서 초고온 플라즈마를 300초 이상 유지하는 조건을 핵융합 발전소 운영에 필요한 최소 기준으로 내다봤다.  

▶>  윤시우 한국 핵융합 에너지 연구원, KSTAR 연구센터장이 23일 1억도 초고온 플라스마 20초 유지 성과에 대해 소개했다. [사진=김인한 기자] 



  윤시우 KSTAR 연구센터장은 "300초 안에는 핵융합에 필요한 물리적 타임 스케줄이 모두 담겨 있다"며 "300초를 넘어선다는 의미는 물리적 변수를 극복해 핵융합 발전을 지속할 수 있다는 의미"라고 강조했다. 

  윤 센터장에 따르면 핵융합로 개발을 위한 세 가지 필수조건은 ▲이온온도 1억도 이상 조건 ▲장시간 운전 조건(300초 이상) ▲고밀도 플라스마 운전 조건이다. 

  이온온도 1억도는 지난 2018년 달성한 바 있다. 앞으로 장시간 고밀도 플라스마 운전이 뒤따라야 할 전망이다. 

  윤 센터장은 "1950년대 1960년대에도 핵융합 상용화는 30년 후라고 했다"며 "그때의 30년과 지금의 30년은 차원이 다르다"고도 했다. 

  그가 이런 주장을 펼친 배경은 국제 핵융합 실험로(ITER) 프로젝트 건설이 80%를 넘어섰고, 2035년 ITER 장치 상용화가 눈앞에 있어서다.

  그는 이어 "KSTAR 기술 고도화를 통해 2022년 30초를 시작으로 2023년 50초, 2024년 100초를 지난 2025년에 300초를 달성할 것"이라며 "앞으로 풀어야 할 기술적 난제를 해결하면 이를 달성할 수 있다"고 했다. 



◆   꿈의 에너지, 상용화 위한 남은 숙제는?


  핵융합 상용화는 여전히 갈 길이 멀다. 중성자를 통해 나오는 에너지를, 열에너지에서 전기에너지로 전환하는 과제가 대표적인 난관이다. 

  디버터를 탄소(C·Carbon) 재질에서 텅스텐(W·Tungsten)으로 교체해 성능을 극대화하는 일도 남았다. 디버터는 토카막 내 플라즈마가 지닌 고온의 열에너지가 진공 용기에 닿기 전 열을 빼주는 역할과 함께 진공 용기 내부에 남는 불순물을 제거하는 역할을 한다. 

  탄소 소재는 핵융합 과정에 영향을 미칠 수 있어 이보다 성능이 좋은 텅스텐 교체가 필요한 실정이다.

  윤 센터장은 "핵융합로 운전 시나리오를 두고 서울대 원자핵공학과 연구실과 미국 컬럼비아대 연구진과 10년 넘게 공동연구를 진행 중"이라며 "여러 난제를 극복해 목표를 달성할 것"이라고 언급했다. 

  앞으로 한국 핵융합 에너지 연구원은 KSTAR 업그레이드와 핵융합실증로(K-DEMO) 기술 개발을 통해 미래 에너지 자원인 핵융합을 실증하겠다는 계획이다. 

  이와 함께 '가상 연구 환경'을 구축해 연구개발 리스크를 줄이고 상용화 검증을 가속할 예정이다. 

  KSTAR 기술을 고도화뿐만 아니라 ITER로 'Made in Korea' 기술을 확장해 전 세계 핵융합 분야 영향력을 넓혀가겠다는 의지다.




<< 기사 출처 : Hellodd 닷컴 김인한 기자