99.9999% 고순도 수소생산 공정 첫 상용화

美·獨 수소PSA보다 생산성 뛰어나 수소 제조 필요한 원료·에너지 절감…연간 500억원의 수입대체·수출 효과

■선진한국 원동력 과학에서 찾는다-한국에너지기술연구원

▲ 수소PSA는 사업이 국내 석유화학 공정 등 10곳에 적용한다면 연간 약 150억원의 에너지소비 비용을 절감할 수 있고 해외시장의 충분한 수요를 고려하면, 연간 약 500억원의 수입대체 및 수출 효과가 기대되고 있다.

중동지역 정세 불안으로 인한 고유가 위기, 지구온난화 등 기후변화에 대한 우려가 현실화되고 있는 가운데 화석연료를 대체할 새로운 에너지에 대한 관심이 증가하고 있으며 세계 각국의 기술개발 경쟁이 치열하다.

특히, 차세대 청정에너지로 주목받고 있는 수소는 생산을 위해 복잡한 공정을 거치고 많은 에너지가 소비돼 경제성 확보와 대량 생산에 어려움을 겪고 있다. 한국에너지기술연구원(원장 황주호)은 석유화학 등 다양한 공정에서 부수적으로 발생하는 혼합가스를 원료로 99.9999%의 고순도 수소를 생산하는 수소PSA 공정을 개발, 국내기술로는 처음 상용화하는데 성공했다. 현재 고순도 수소는 반도체 및 석유화학제품, 폴리실리콘, 연료전지의 연료 등 첨단 산업분야에서 활용되고 있으며 수요가 크게 증가하고 있다.

특히, 첨단 산업분야에서 활용되는 수소는 99.999% 또는 99.9999% 이상의 높은 순도를 유지해야하며 미량의 일산화탄소가 남아있을 경우, 연료전지의 수명 단축, 촉매반응기의 성능 저하, 반도체공정 원료의 품질저하를 초래할 수 있다. 에너지연 조순행 박사 연구팀은 순도가 높은 수소 생산을 위해 불순물인 일산화탄소를 선택적으로 제거하는 새로운 흡착제를 개발하고 공정에 적용했으며 최적화된 공정 설계기술을 통해, 수소 회수율 80% 이상의 고순도 수소 생산 기술을 확보했다.

이번에 개발된 수소PSA 플랜트는 전남 여수공단에 위치한 (주)덕양에너젠에 설치됐으며, 인근 에틸렌 공장에서 제품 생산 중에 부수적으로 배출되는 혼합가스를 원료로 시간당 최대 5000 N㎥를 처리할 수 있다. N㎥(Nomal ㎥)는 우리말로 노멀 입방미터라고 하며 온도 0℃, 1기압의 조건아래에서 가로×세로×높이가 1m인 공간의 기체량을 말한다.

기존 상용화 제품보다 우수한 흡착제의 성능과 공정 최적화 설계기술로 소량의 흡착제로도 많은 양의 원료가스 처리가 가능해졌으며 이를 바탕으로 흡착탑 등 장치의 부피가 작아져 수입에 비해 30~40%의 설치비 절감은 물론, 더 많은 고순도 수소를 회수할 수 있는 경제성과 기술 경쟁력을 확보했다. 일반적으로 수소의 대량 생산은 나프타나 LPG, 천연가스 등을 원료로 수증기 개질반응, 전환 반응을 거친 다음에 정제분리 과정을 거치기 때문에 많은 에너지를 소비하여 제조된다.

하지만 국내 정유, 석유화학, 제철소 등에서 제품 생산과정 중 발생하는 가스에 수소가 많이 포함되어 있어, 이를 원료로 고순도의 수소를 회수하면 수소 제조에 필요한 원료와 에너지소비를 절감할 수 있다.

연구책임자인 조순행 박사는 “이번에 설치한 규모로 국내 석유화학 공정 등 10곳에 적용한다면 연간 약 150억원의 에너지소비 비용을 절감할 수 있고 해외시장의 충분한 수요를 고려하면, 연간 약 500억원의 수입대체 및 수출효과를 얻을 수 있다”고 밝혔다.

수소PSA 상용화 플랜트의 성공적인 실증 결과, 세계 최고 수준의 기술력을 보유한 미국과 독일 업체의 수소PSA보다 회수율과 생산성이 높은 것으로 나타나 기술 의존도를 줄일 것으로 기대되고 있다.

현재 일부 국내 업체는 1차로 정제된 99.999% 정도의 수소를 공급받은 후, 외국에서 수입한 수소PSA로 다시 정제한 고순도 수소를 사용하고 있는 상황이다. 지식경제부 에너지기술개발사업의 시범적용사업으로 실시된 이번 연구는 효율적인 수소에너지 체계를 구축하는데 필수적인 기술이며 수소경제사회 진입을 앞당기는 상용화 기술로 평가받고 있다. 국내기술로 처음 상용화 된 수소PSA 플랜트는 석유화학산업의 각종 수소가 포함된 배출가스의 정제, 제철소의 코크스로 가스, 연료전지 연료 등 수소에너지, 화학, 금속, 철강, 반도체 등 산업 전반에 걸쳐 고급 수소 공급기술로 적용이 가능하다.
/박전규 기자


● 수소 PSA란?
수소PSA는 수소가 포함된 혼합가스로부터 수소를 고순도로 정제하기 위해 압력이 높은 상태에서 불순물을 흡착시켜 제거하는 공정 기술이며 흡착된 물질을 탈착시켜 재생할 때에는 압력을 낮추게 된다. 압력이 고압에서 저압으로 주기적으로 변환해 '프레슈어 스윙'이라고 한다.