수소에너지 시대의 개막을 알리는 뉴스가 연일 쏟아지고 있는 중에도 SOEC(Solid Oxide Electrolyzer Cell, 고체산화물수전해) 관련 소식은 좀처럼 찾아보기 어려운 것이 현실이다. 심지어 유명 포털사이트에 ‘SOEC’를 검색하면 오자로 인식하고 다른 검색어를 제안해주기도 한다. 수소 산업에 관심이 높은 투자자나 기업 또한 SOEC에 대한 반응만큼은 ‘글쎄…’에 가까웠다. 현재 수소에너지의 기술력과 경제 상황에서 SOEC를 품기에는 역부족이라는 판단에서였다.

과연 SOEC가 무엇이기에 수소 사회의 도래 가운데에서도 어려운 대상이 된 것일까? SK에코플랜트 뉴스룸은 구미 SOEC 실증 프로젝트를 담당한 SK에코플랜트 구성원들과의 톡터뷰를 통해 SOEC의 모든 것에 대하여 이야기를 나누어 보기로 했다.

효율성과 친환경성을 동시에 잡은 수전해 기술, SOEC

SOEC(Solid Oxide Electrolyzer Cell, 고체산화물수전해)는 수소 생산 과정인 수전해에 사용되는 고체 산화 전기분해장치로, 여기서 수전해란 전기 분해를 통해 물에서 고순도의 수소를 생산하는 기술을 말한다. 수전해 시스템은 *전해질의 종류에 따라 다시 나뉘게 되는데, 가장 대중화된 방식은 알카라인과 PEM(Polymer Electrolyte Membrane, 고분자전해질막) 타입이다. 알카라인 타입은 알칼리 수용액과 다공성 세라믹 분리막을 사용하고, PEM타입은 별도의 전해질 없이 물을 전기 분해 한 후 고분자 전해질막을 통해 수소 이온을 이동시키는 기술이다. 알카라인 타입은 이미 오래전부터 상용화된 성숙한 기술이며, PEM 타입은 최근 들어 급속도로 발전하며 상용화되고 있다.

많은 양의 수소를 생산하기 위해서는 그에 상응하는 전기에너지가 필요하다. 즉, 수소 생산의 경제성은 보다 적은 양의 전기로 보다 많은 양의 수소를 생산할 수 있는 효율성 증진에 달려 있다고 할 수 있다. 이에 대한 고민 끝에 탄생한 수소 생산 기술이 바로, SOEC다.

SOEC는 *고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)가 수소와 산소를 소비해 물과 전기를 생산하는 과정을 역전환해 수증기를 전기분해하는 방식으로 수소를 생산한다. SOEC는 섭씨 850도에 이르는 고온의 수증기를 활용하는데, 고온에서는 저온보다 상대적으로 적은 양의 전기가 필요해 더욱 효율적인 방식으로 수소를 생산할 수 있다는 장점이 있다. 이와 함께 SOFC의 세라믹 계열 고체산화물 전해질을 사용하기 때문에 부식에 대한 내구성이 뛰어나고 유지보수가 쉽다. 즉, 고온 운전에 대비한 내구성만 확보한다면 현재로서 가장 친환경적인 방식으로 고효율 수소를 생산할 수 있기 때문에 SOEC가 미래 시대의 수전해 방식으로 주목받고 있는 것이다.

기술 제휴로 피어난 Bloom Energy

SK에코플랜트는 일찍이 SOEC의 상용화 가능성에 주목했다. 기존 *부생수소 플랜트와 비교해 탄소와 미세먼지, 유해부생물질 등을 전혀 배출하지 않는 SOEC야말로 SK에코플랜트가 지향하는 그린수소에 한발짝 다가선 시스템이라고 판단했기 때문이다. 그리고 이러한 생각은 국내 최초의 SOEC 수전해기 실증 프로젝트로까지 이어졌다.

2021년 4월, SK에코플랜트는 미국 블룸에너지社와의 합작 법인, 블룸SK퓨얼셀의 경상북도 구미 부지에 Pilot 실증 프로젝트를 착수했다. 사실 이때까지만 해도 국내에서 SOEC 시스템 시운전이 단시간에 성공할 것이라고 그 누구도 기대하지 않았다.

SK에코플랜트는 프로젝트에 착수한 지 1년도 채 되지 않아 수소생산설비 준공을 완수하는 저력을 보여주었다. 이번 구미 SOEC 실증 프로젝트를 통해 선보인 설비는 125kW급으로 시간당 2.6kg의 수소를 생산할 수 있다. (4월~5월 사이 120kW급으로 시간당 2.6kg의 수소 생산 가능한 모듈로 교체 예정) SOEC에서 생산되는 수소는 다량의 스팀을 포함하고 있기 때문에 대기 방출이 불가능한데, 이를 해결하기 위해 고온의 수소를 냉각(300℃→57.5℃) 할 수 있는 워터 스프레이어 탱크(Water Sprayer Tank)를 고안하여 적용한 것이 특징이다. 이 설비는 실내 및 실외 공간에 모두 활용 가능하며 실증 이후에는 전시 연구물로 전환하여 국내 최초 고체산화물수전해기의 명맥을 이어갈 예정이다.

산 넘고 물 건너, 수소 따라 이역만리 땅으로

SOEC 실증 프로젝트가 성공적으로 이루어진 것을 미루어 볼 때 프로젝트 추진 과정도 순탄하고 빠르게 진행되었을 것이라는 짐작과 달리, 시운전 성공 전까지 팀원들은 내내 살얼음판을 걷는 것 같은 조심스러운 상황을 헤쳐 나왔다고 전했다.

이렇듯 매 순간 긴장을 놓을 수 없었던 이유는, 국내 최초로 시도되는 SOEC 실증 프로젝트이기에 참고할 만한 선례가 존재하지 않았기 때문이다. 애초 미국 블룸에너지 측에서는 SOEC 실증 제품 개발에 최소 1년 이상 기한이 소요된다고 말하며 2022년 1분기 내 제품을 납품하겠다고 제안해왔다. 그러나 실증 프로젝트 준공 목표를 달성하기 위해서는 그보다 이른 시기에 납품을 받아야 했고, 이에 구성원들은 블룸에너지와 수차례 화상회의를 진행하며 납품 시기를 앞당기기 위해 노력했다. 그 결과 지난해 11월 납품을 확정 짓고 2022년 1월 실증에 돌입할 수 있었다.

그런데 이렇게 큰 고비를 넘기며 한숨 돌리려는 찰나, 또 하나의 사건이 터지고 말았다. COVID-19의 여파로 인해 미국에 물류 대란이 발생한 것이다.

수소에너지 고지 선점을 위한 끊임없는 노력

지난 1월, 수소생산실증에 성공한 구미 SOEC Pilot 실증 프로젝트는 우리나라 수소 경쟁력을 한 차원 성장시켰다는 평가를 받는다. 또한 국내 최초의 시도였던 만큼 향후 SK에코플랜트의 수소 밸류체인에 있어서도 매우 긍정적인 효과를 미칠 것으로 기대를 모으고 있다.

하지만 프로젝트 담당 구성원들은 이제부터 시작일 뿐이라고 말한다. 전 세계적인 탄소중립 아젠다를 기반으로, 국가가 추진하고 있는 수소경제 활성화 로드맵을 달성하고 세계 시장 점유분을 확대하기 위해서는 앞으로 더 많은 연구와 도전이 필요하다는 것이다. 수소에너지의 본격적인 연구를 위한 센터 HIC(Hydrogen Innovation Center) 론칭 및 추가적인 실증사업 개척에 매진하고 있는 까닭도 그 때문이다.

앞으로 SK에코플랜트는 점진적으로 SOEC의 핵심기술을 확보하는 것은 물론, 애플리케이션 기술을 가진 업체들과 파트너십을 더욱 강화하여 사업 개발부터 제조, 설치, 운영까지 다양한 기회를 창출하는 것을 목표로 하고 있다. 블룸에너지와의 협업을 통해 관련 기술을 습득하고 단계적인 국내 생산을 통해 수소에너지의 ‘메이드 인 코리아’를 추진하겠다는 것이다. 뿐만 아니라 여기서 한 걸음 더 나아가 우리나라 연료전지 분야의 기술 발전과 관련 생태계를 조성하고 수소경제 발전을 주도하겠다는 포부 또한 지니고 있다.

화석연료의 시대가 종언을 고하고 있는 오늘날, 지속가능한 미래 에너지인 수소를 통해 환경에 대한 책임을 다하고자 하는 사람들. SK에코플랜트 수소혁신팀 구성원들이뉴스룸 독자들과 동료 구성원들에게 전하는 이야기에는 친환경 신에너지 시대를 열어가는 설렘과 자부심이 담겨 있었다. 이들과 함께 앞으로도 계속될 SK에코플랜트의 녹색 도전에 많은 기대를 걸어본다.