NTC 서미스터
전자 부품의 힘으로 화석 연료로부터의 전환 지원
수소에너지 활용을 지원하기 위한 연료전지, 전기분해 장비 등 인프라 구축 가속화
재생 에너지의 활용과 함께 수소 에너지의 활용도 중요한 역할을 합니다(그림 1).
소비자들이 수소를 접할 수 있는 기회는 연료전지 자동차(FCV)나 연료전지 버스에서 간혹 볼 수 있을 정도로 매우 제한적입니다. 그럼에도 불구하고 수소는 터빈, 엔진, 보일러 등의 고출력 동력원 또는 열원으로서 산업계의 탈탄소화 노력에서 없어서는 안 될 중요한 부분이 되었습니다. 모빌리티 분야에서 탈탄소화 노력은 승용차로서 전기차(EV)의 도입을 중심으로 이루어졌지만, 장거리 운행이 필요한 버스나 트럭과 같은 대형 상용차, 농기계, 건설 장비, 항공기(드론 포함), 선박의 미래 연구에서 수소 사용은 핵심적인 역할을 담당하고 있습니다.
이러한 이유로 전 세계 많은 국가와 지역에서 수소가 활용되는 시나리오를 확대하기 위한 다양한 정책과 프로젝트가 진행되고 있습니다.
수소 활용을 확대, 관리 및 제어하는 전기 및 전자 시스템의 정교함을 업그레이드하는 것이 핵심입니다.
크게 보면 수소에너지는 두 가지 방식으로 활용될 것으로 예상됩니다.
첫 번째는 수소를 연소시켜 얻은 열에너지를 직접 사용하는 것입니다. 수소를 터빈, 엔진, 보일러 등에 동력을 공급하는 연료로 안전하고 효율적으로 사용할 수 있는 기술 개발이 이미 진행 중입니다. 이 첫 번째 접근 방식은 비교적 큰 출력이 필요한 애플리케이션에 적합합니다.
두 번째는 연료 전지를 사용하여 수소의 화학 에너지를 전력으로 변환하는 것입니다. 여기서 일어나는 화학 반응은 학교 과학 시간에 배웠던 물의 전기분해와 반대되는 반응입니다. 대기 중의 수소와 산소가 물과 전기로 변환됩니다.
이 접근 방식은 비교적 낮은 출력을 사용하는 애플리케이션에 적합한 경향이 있습니다. 단일 연료 전지의 출력은 버스와 같은 차량의 동력원으로 사용할 수 있는 실용적인 한계가 있습니다. 또한 수소를 전기로 변환하여 사용할 때는 수소를 연소할 때보다 출력 제어가 더 쉽기 때문에 정밀한 구동 제어가 필요한 애플리케이션에도 두 번째 접근 방식이 사용됩니다.
수소를 효과적이고 효율적이며 안정적인 방식으로 활용하고 다양한 사용 시나리오에 적용할 수 있으려면 수소의 적절한 활용을 관리하고 제어하는 전기 및 전자 시스템이 서로 상호 운용되어야 합니다. 예를 들어 수소의 생산, 저장, 유통 및 사용과 관련된 장비에는 안정화된 전원 공급 장치, 전력 변환기, 센서 및 소음 억제 회로와 같은 부품이 부수적으로 필요합니다. 또한 이러한 기술은 수소의 활용도가 확대됨에 따라 더욱 정교해질 필요가 있습니다.
재생 가능 에너지와 수소 에너지는 상호 보완적입니다.
에너지원으로 사용되는 수소는 생산 방식에 따라 세 가지 유형으로 나뉘지만(그림 2), 각 유형의 화학 성분은 동일합니다. '회색 수소', '청색 수소', '녹색 수소'는 각각 탈탄소화에 기여하는 정도가 다릅니다.
출처:일본 경제산업성 천연자원에너지기구(일본 정부 기관)
*이 링크된 페이지는 일본어로 되어 있습니다.
회색 수소 생산의 원료는 석탄과 천연가스 같은 화석 연료입니다. 수소는 석유 정제 또는 제철소에서 코크스 생산의 부산물로도 얻을 수 있습니다. 또한 화학적 또는 열처리를 통한 개질을 통해 생산할 수도 있습니다. 익숙한 예로 도시가스에서 생산된 회색 수소를 사용하는 가정용 연료전지(ENE-FARM 시스템)를 들 수 있습니다. 하지만 회색 수소를 생산할 때 CO2가 발생하기 때문에 탈탄소화에 직접적으로 기여한다고 할 수는 없습니다. 반면 블루 수소는 생산 과정에서 발생하는 CO2가 대기 중으로 방출되지 않도록 하는 방식으로 만들어집니다. 생산에 사용되는 시스템에는 생성된 CO2를 회수, 저장 및 사용하는 메커니즘이 포함되어 있습니다. 이렇게 하면 CO2 배출량은 줄어들지만 CO2를 회수, 저장 및 사용하는 데는 그에 상응하는 비용이 발생합니다.
반면, 그린 수소는 태양광이나 풍력 등 재생 에너지를 전기의 원천으로 사용하여 물에서 전기분해를 통해 생산됩니다. 그린 수소를 사용하면 CO2 배출량을 0으로 줄일 수 있습니다. 또한 태양광과 같은 발전 방식은 불안정한 전력 생산 수단이기 때문에 잉여 전력을 저장했다가 나중에 필요할 때 사용해야 하는 애플리케이션에 적합합니다. 이러한 용도로는 배터리를 이용한 대용량 에너지 저장 시스템(ESS)도 사용되지만, 그린 수소는 대용량 저장 용량이 필요한 공장, 데이터 센터 등의 비상 전원으로 사용하기에 적합하다고 볼 수 있습니다.
재생에너지와 수소 에너지는 상호 보완적이라고 할 수 있습니다. 이러한 배경에서 많은 국가와 지역의 정부는 친환경 수소 활용을 촉진하기 위한 정책과 프로젝트를 추진하고 있습니다. 예를 들어, 유럽연합 집행위원회와 유럽연합 내 수소 관련 기업들의 모임인 유럽 청정 수소 연합은 2022년 5월 5일 수전해 사업의 그린 수소 생산 능력을 2025년까지 현재의 10배 수준으로 늘리겠다는 계획을 발표했습니다.
전자 산업이 수소 활용에 기여할 수 있는 방법
전기 및 전자 기술이 수소 활용도를 높이는 데 도움이 될 수 있는 방법은 여러 가지가 있습니다.
첫째, 친환경 수소를 생산할 때 효율을 높이려면 전력 효율이 높은 DC 전원 공급 장치가 필요합니다. 물의 전기분해를 수행하려면 1.23V 이상의 낮은 수준의 전력만 필요합니다. 하지만 메가솔라 발전 프로젝트와 같은 고출력 재생에너지 설비의 전력을 활용해 그린 수소를 대량으로 생산하려면 직렬 및 병렬로 연결된 수많은 수전해 전극에 고전압, 고전류의 직류 전원을 맥동 없이 일정하게 공급할 수 있는 DC 전원 공급장치가 필요합니다.
이러한 기술은 금속 도금과 같은 표면 처리, 가성소다와 같은 화학물질 생산 등 제조 및 산업 분야의 기존 직류 전력 기술을 기반으로 개발되었습니다. 현재 대부분의 수소 생산 시설은 수 볼트에서 수백 볼트의 전압과 10 암페어에서 수천 암페어의 암페어에서 DC 전원 공급 장치를 사용합니다.
이러한 시설의 규모는 다양하지만 온사이트 소형 수소 스테이션의 저용량부터 메가와트급 수소 생산 공장의 대용량까지 다양합니다. 다양한 용량 수준의 DC 전원 공급 장치에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이 중 많은 대용량 시스템이 AC 전력망에 연결되므로 전력선에 대한 고조파 영향을 최소화하기 위한 조치가 필요합니다. 또한 안정화된 DC 전력을 보다 효율적으로 생성하기 위해 IGBT 또는 SiC 기반 MOSFET과 같은 고성능 전력 반도체 소자를 통합한 전력 회로 구성이 고려되고 있습니다.
또한 연료전지를 통해 수소에너지를 전력으로 변환한 후 이를 사용하기 위해서는 출력을 사용할 목적에 맞게 직류 또는 교류 전력으로 변환하고 안정적으로 공급하기 위한 전력 변환기가 필요합니다. 또한 연료전지의 발전부터 모터 등에 의한 소비까지 일련의 과정을 모니터링하고 수소 가스 누출, 합선, 열 폭주 등의 문제를 방지하기 위한 안전 제어를 위한 관리 및 제어 시스템이 필요합니다. 이를 위해서는 가스, 압력, 유량 등을 감지하는 수많은 센서가 필요합니다.
수소를 보다 친숙한 에너지원으로 활용하기 위한 장비 다운사이징
수소의 활용은 상대적으로 높은 출력을 필요로 하는 애플리케이션에서 시작되었으며, 현재 그 도입이 확산되고 있습니다. 하지만 친환경 수소 생산, 연료전지 효율 향상, 비용 절감 기술이 발전하면 활용 시스템의 소형화를 기대할 수 있으며, 더 낮은 출력을 요구하는 기기의 에너지원으로 수소를 사용할 수 있게 될 것입니다.
일반적으로 대도시 외곽 지역의 발전소에서 수소를 대량으로 생산한 후 소비할 곳으로 운송하는 경우 운송 과정에서 많은 양의 에너지가 손실됩니다. 생성된 수소가스를 압축한 후 액체 상태로 냉장 보관해야 하기 때문입니다. 수소를 운송하기 쉬운 화학 물질로 변환하는 다른 운송 방법도 있지만, 이 역시 그에 상응하는 양의 에너지를 소비합니다. 이러한 이유로 가능한 경우 현지에서 수소를 생산하여 현지에서 소비하는 것이 사용 효율을 높이는 더 좋은 방법입니다.
이미 기존 주유소와 유사한 수소 충전소가 곳곳에 설치되고 있으며, 수소를 현지에서 생산하여 다양한 모빌리티 애플리케이션의 연료로 공급하는 개념을 실현하기 위한 노력이 진행되고 있습니다. 이러한 시도의 한 예로 스마트폰과 같은 기기를 충전하는 모바일 배터리로 사용할 수 있는 휴대용 연료전지의 상용화를 들 수 있습니다. 태양광을 이용해 물을 광분해하는 광촉매 기술을 기반으로 한 소형 수소 생산 장비의 개발과 분산 배치도 고려되고 있습니다.
수소는 탄소 중립을 달성하는 데 없어서는 안 될 에너지원으로서 재생 에너지를 보완합니다. 그러나 소비자가 익숙한 환경에서 수소를 안전하게 활용할 수 있도록 적절한 조치가 필요합니다. 안전하고 효율적인 활용이 가능하려면 안전 기준과 법규를 마련하는 동시에 다양한 종류의 센서를 활용한 관리 및 제어 시스템, 고효율 직류 전원 공급 장치, 전력 변환 회로 등 전기-전자 기술의 활용이 더욱 고도화되어야 합니다. 이에 따라 전자 관련 기업들의 신기술 개발 및 제안에 대한 기대가 높아지고 있습니다.
