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[기획] 수소경제와 초고온원자로를 통한 대량 수소생산저비용 대량 수소생산 가능…안전관련 국민합의 난제
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승인 2005.05.13  
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최근 미국 부시대통령은 에너지 수입의존도를 낮추고 에너지 자립도를 높이기 위해 지난 30여년이상 중단해왔던 원자력발전소 신.증설을 재개하겠다고 천명했다.

한 중소 상공인 모임에서의 연설을 통해 전격적으로 발표된 부시의 이번 결정은 우리나라를 포함한 전세계 원자력 산업에 상당한 영향을 미칠 수밖에 없어 비상한 관심을 모으고 있다.

무려 1백4개소의 원전을 보유한 원자력 최강국이면서도 지난 79년 펜실베니아주 스리마일 원전사고 이후 단한건의 원자력발전소 건설도 허가하지 않았던 미국이 갑작스레 방침을 변경한 배경을 놓고 전문가들은 원자력발전이 가장 단시간내에 에너지 대외의존도를 대폭 낮출 수 있는 거의 유일한 방안이라는 사실에 기인한 것으로 분석하고 있다.

특히 최근 전세계에 불고 있는 '수소경제(Hydrogen Economy)' 열풍과 관련해 중장기적으로 '원자력수소(Nuclear Hydrogen)'의 기술개발과 도입을 지원하기 위한 분위기 조성 차원의 결정이라는 시각도 힘을 얻고 있다.

실제로 부시는 연설에서 에너지 수입의존도 상승의 심각성을 설명하는 것 이상으로 원자력에너지의 안정성과 중요성, 청정성을 강조했는데 이처럼 원자력의 안전성과 청정성을 국민들에게 이해시키고 공감대를 이뤄내는 노력은 원자력수소 도입을 위한 최우선 선결과제의 하나이다.

또한 시기적으로 향후 건설될 신규원전의 주류가 '수소생산 원자로'라고도 불리는 제4세대 초고온 원자로가 될 것이라는 점이나 미국이 원자력수소 연구를 포기하지 않는 이상 결국 원자로를 지어야 한다는 사실도 이러한 전망에 힘을 싣고 있다.

이같은 일련의 사실들을 감안할 때 부시나 미국 정부의 진짜 속내가 무엇인지의 여부를 떠나 이번 발표는 전세계 원자력수소 연구를 가속화하는데 상당한 호재로 작용할 전망이다.

이에따라 국내외 원자력수소 연구의 현주소를 살펴보고 수소경제에 있어 원자력의 역할을 다시한번 생각해보는 기회를 갖고자 한다.

[원자력 발전의 원리]

원자력발전이란 핵분열에 의해 발생한 열(heat)로 물을 끓여 증기를 만들고 이렇게 만들어진 증기로 터빈을 회전시켜 전기를 얻어내는 것이다.

증기로 발전을 한다는 점은 화력발전과 동일하지만 화력발전이 석탄, 석유 등 화석연료를 태워 에너지원(열에너지)을 충당하는 반면 원자력발전은 핵분열반응을 통해 열에너지를 얻는다는 점에서 차이가 있다.

또한 원자력발전은 원자력의 열에너지로 직접 증기를 만들어낼 경우 증기에 방사능이 오염될 위험이 있기 때문에 원자로의 열을 전달받은 냉각제(중수 또는 경수)로 터빈을 돌릴 물을 끓이는 열교환 시스템을 사용한다.

마치 끓는 물 속에 그릇을 넣어 음식을 익히는 중탕의 원리와도 유사하다.

이러한 원자력발전소는 1945년 구소련이 모스크바 교외의 작은 도시인 오브닌스크(Obninsk)에 세운 5㎿급 원전이 세계최초이며 미국은 구소련과 영국에 이어 1957년 쉬핑포트(Shippingport)에 100㎿급 가압경수형원자로의 상업운전을 개시했다.

세계원자력기구(IAEA)에 따르면 2004년 현재 전세계 32개국에 총 4백42개의 원자로가 가동되고 있으며 미국(104개), 프랑스(59개), 일본(54개) 등 3개국이 지구상에 존재하는 원자로의 절반 정도를 보유하고 있다.

우리나라의 경우 지난 78년 고리1호기를 시작으로 올해 4월 상업운전을 개시한 울진6호기에 이르기까지 총 21기의 원전이 운전되고 있으며 원자로수와 발전량에서 세계 6위권의 원자력 강국 중 하나이다.<표-1>


[원자력-수소 생산공정]

원자력수소란 원자로에서 생성되는 고온의 열에너지를 활용, 열화학적 방식으로 대량의 수소를 생산해내는 기술로서 지난 2001년 한국, 미국, 영국, 프랑스 등 9개국이 안전성과 효율성을 극대화한 제4세대 원자로(Gen IV)의 개발을 위해 만든 국제포럼에서 처음 도출됐다.

당시 각국은 4세대 고온원자로(HTGR) 및 초고온원자로(VHTR)에서 발생하는 1000℃에 이르는 열에너지에 대한 활용방법을 모색하던 중 원자력수소의 개념을 만들어냈고 수소경제의 조기 도입과 맞물려 최적의 대량수소 생산기술의 하나로서 세계적인 관심을 끌기 시작했다.

이러한 원자력 수소 생산공정은 일반적으로 물전기분해법, 증기개질법, 열화학사이클 등 크게 3가지로 구분할 수 있다.

먼저 물전기분해 공정은 물(H2O)을 전기분해하여 수소(H2)를 생산해내는 기술로 통상적인 물분해공정이 값비싼 전력을 100% 활용하기 때문에 경제성이 떨어지는 반면 원자력수소 물분해공정은 원자로의 열에너지로 전기에너지를 보완 또는 대체함으로서 전기에너지의 사용량을 급감시켜 생산비를 크게 절감할 수 있다.

일례로 전문가들은 원자로를 1000℃에서 운전할 경우 물분해에 필요한 에너지의 약 46%를 열에너지로 공급받을 수 있다고 설명한다.<그림-1><표-2>

증기개질공정 또한 물분해공정과 마찬가지로 기존 증기개질공정에 필요한 에너지를 원자로의 열에너지로 보완.대체해주는 것으로 메탄(CH4)과 물(H2O)을 원자력 열에너지와 함께 증기개질반응기에 투입, 일산화탄소 분자 1개(CO)와 수소분자 3개(3H2)를 만들어내는 방식이다.

수소를 제외한 CO는 다시 물과 반응시켜 CO2와 수소를 생성시킬 수 있다.<그림-2><표-3>

화석연료를 태워 열에너지를 공급하는 통상적인 증기개질공정에 비해 생산단가를 약 10% 정도 낮출 수 있으며 생산되는 수소의 순도도 좋은 것으로 알려져 있다.

원자력연구소측은 600㎿급 고온원자로(HTGR) 1기에서 연간 8만2천톤의 수소를 얻을 수 있을 것으로 보고 있다.

그러나 메탄증기개질 방식은 화석연료를 사용해야하고 부산물로 온실가스인 CO2와 CO가 생성되므로 이의 처리에 추가비용이 필요하다는 단점이 있다.

또한 열교환기를 통해 원자로와 수소생산설비를 격리시킨다고 해도 HTGR이 냉각제로 사용하는 헬륨(He)이 금속 분리벽을 통과, 수소와 일부 섞일 수 있다는 기술적 문제점도 해결해야 한다.

마지막으로 열화학사이클은 열에너지로 황(Sulfur)과 요오드(Iodine)의 열화학반응을 유도, 수소를 생산하는 것으로 'SI공정' 또는 'SI사이클'이라고 불린다.

구체적으로 요오드 분자 2개(I2)와 이산화황(SO2) 그리고 물(2H2O)을 넣고 약 120℃ 정도의 열에너지를 투입하면 발열반응을 일으켜 2개의 요오드화수소 분자(2HI)와 황산(H2SO4)이 생성되는데 이렇게 얻어진 2HI를 약 450℃에서 흡열반응(1차흡열반응)시키면 수소(H2)와 요오드(I2)를 얻을 수 있다.

이때 1차 흡열반응에 의해 발생한 황산은 800℃이상의 온도에서 황산분해반응(2차 흡열반응)을 일으켜 물(H2O), 이산화황(SO2), 산소( ½O2)로 분해되는데 1차~2차 흡열반응에 의해 생산된 요오드, 이산화황, 물을 IS공정에 재투입함으로서 계속해서 수소를 만들어낼 수 있다.<그림-3><표-4>

즉 IS공정에 HTGR이나 VHTR이 필요한 것은 IS공정을 지속적으로 반복되는 완벽한 사이클로 완성시키기 위해서는 황산분해반응을 유도해야하고 여기에 800℃이상의 열에너지가 필요하기 때문이다.

이러한 IS공정은 물전기분해 보다 효율성이 높고 CO2 등 유해부산물이나 배출가스도 전혀 발생하지 않는다는 점에서 원자력수소 생산공정 중 가장 이상적인 친환경 공정으로 꼽힌다.

그러나 이 방식은 실험실 단위의 소규모 실험에서만 성공을 거두었을뿐 아직도 많은 부분이 이론적 연구 단계에 머물러 있다는 것이 최대 한계이다.

덧붙여 48시간이상 연속운전시 황산 및 요오드화수소산에 의한 부식의 우려가 있고 1~2차 흡열반응에 필요한 열량에서 이론과 실제에 상당한 괴리가 있는 등 해결과제가 산재해 있다.

<표-5>는 이러한 원자력수소 생산공정들의 장단점을 비교한 것이다.


[주요국가 원자력-수소 연구 현황]

□ 미국

제4세대 원자로 개발 프로젝트의 주도국가이자 세계 최대 원자력 강국의 하나인 미국은 수소경제의 조기도입과 에너지 패권의 유지를 위해 원자력수소 분야에도 발빠른 대처를 보이고 있다.

원자력수소 분야에 책정된 정부 예산이 지난 2003년 2백만달러에서 2004년 6백40만달러로 3배이상 뛰었으며 올해에는 약 9백만달러가 배정됐다.

이는 미국정부의 올해 수소에너지 관련 예산의 22.5%에 해당하는 수치로서 열화학공정(IS공정) 분야에 5백만달러, 고온전기분해 2백50만달러, 시스템통합 및 기타연구에 1백50만달러가 책정됐다.<표-6>

특히 DOE(에너지국)는 현재 2006년 원자력수소 관련 예산을 2천만달러로 신청하는 등 매년 투자금액이 기하급수적으로 늘어나고 있는 상황이다.

내년도 예산의 경우 아직 의회승인이 떨어진 것은 아니지만 부시 대통령의 원자력발전소 건설 재개 발표 등을 감안할 때 DOE의 요구를 100% 수용할 가능성이 매우 높은 것으로 보여진다.

실제로 올해의 경우 DOE가 신청한 원자력에너지 관련 예산은 4억1천2백60만달러였지만 의회가 요구액보다 12.4% 더 많은 총 4억6천3백80만달러의 예산을 승인해줬다.

이와관련 미국은 일단 내년까지 원자력수소 관련 기반연구에 주력한뒤 오는 2007년 IS공정과 고온전기분해 공정 등 2가지 방식으로 연구실 규모의 수소생산시스템을 설치.가동할 계획이다.

이를통해 얻어진 데이터를 중심으로 2009년경 파일럿 플랜트를 건설할 최적의 원자력수소공정 하나를 선정, 2011년 파일럿 플랜트의 가동을 개시할 예정이며 2013년에는 상업적 규모의 원자력수소 생산시스템 디자인을 확정하게 된다.

이러한 과정을 거쳐 미국은 오는 2017년까지 상업적 규모의 원자력수소플랜트 건설을 완료한후 수소생산을 개시한다는 목표이다.

□ 캐나다

GEN IV에 참여하고 있는 캐나다는 원자력수소를 수소생산을 위한 보완적 개념의 시스템으로 바라보고 '원자력발전의 비중 확대'와 '4세대 원자로를 통한 수소생산'이라는 2가지 방향에서 원자력수소 정책을 마련하고 있다.

먼저 원자력 발전의 비중 확대를 위해 캐나다는 오는 2010년부터 2030년까지 1000㎿급 원자로 32기를 신규 건설, 화석연료를 통해 생산해왔던 전력의 80%를 원자력발전으로 대체하는 한편 수송용 연료의 50%를 수소로 대체할 계획이다.

32기의 원자로는 지난 71년부터 지금까지 30년동안 캐나다가 건설&#8228;운용중인 원자로보다도 많은 숫자이며 2010년부터 20년간 매 7.5개월마다 원전 1개씩을 가동해야 달성 가능한 것으로서 캐나다 정부의 강력한 원자력에너지 활용 의지를 엿볼 수 있다.

이와함께 캐나다는 2020년부터 2040년까지 자국내 수송용 연료 사용량의 80%를 화석연료(석탄/석유/천연가스 등)를 사용하지 않고 생산한 수소에너지로 대체한다는 방침이며 이를위해 2030년부터 2040까지 10년간 12기의 원자로를 추가 도입하게 된다.

즉 캐나다에만 2010년부터 2040년까지 총 44기의 원자력 반응로가 건설되는 셈이다.

특히 캐나다는 자국의 지리적&#8228;환경적 특수성을 감안, 원자력에 더해 풍력에너지를 수소생산에 적극 활용할 계획이며 최근에는 캐나다 동부해안의 프린스에드워드섬에 '풍력-수소 타운'을 건설하기 위한 1천30만달러 규모의 'Wind-Hydrogen Village' 프로젝트가 발족하기도 했다.

한편 캐나다는 원자력수소 등과 관련해 현재 4백40여기 정도인 전세계의 원자로가 향후 4천7백여기 수준으로 수준으로 늘어날 것이라고 예견하고 있다.

□ 중국

지난 2003년 10㎿급 'HTR-10'의 가동에 성공한바 있는 중국은 지난해 한국원자력연구소(KAREI)와 '한-중 원자력수소 공동연구센터'를 설립, 공동 연구를 진행하고 있는 북경 칭화대(淸華大) 부설 원자력공학연구소(INET)가 관련기술개발 및 연구를 주도하고 있다.

이와관련 INET는 열화학공정 중 SI사이클과 금속산화물(metal oxide)사이클 그리고 고온가스원자로(HTGR)의 열에너지로 물을 분해하는 고온전기분해(HTE)공정 등 3가지 방식에 관심을 갖고 연구를 진행중이다.

이중 IS사이클과 관련한 INET의 연구목표를 살펴보면 오는 2007년까지 시간당 1리터의 수소를 생산할 수 있는 연구소 단위의 기술개발을 추진하고 2단계로 2007년~2010년까지 시간당 10리터의 수소생산기술을 확보한다는 계획이다.

이어 INET은 2015년까지 5년간 시간당 10N㎥규모의 파일럿설비를 운용한 후 2020년에 이르러 500N㎥급 고온원자로(HTR)를 테스트할 예정이다.

[국내 원자력-수소 연구 현황]

위에 언급됐던 바와 같이 국내 원자력수소 연구는 과학기술부 21세기 프론티어사업의 일환으로 지난해 출범한 한국원자력연구소의 원자력수소사업추진단(단장 박창규)에 의해 추진되고 있다.

과기부는 원자력수소가 친환경 수소경제의 조기도입을 위해 반드시 수반되어야 하는 대량 수소생산기술의 핵심이자 전체 에너지의 95%를 수입에 의존하고 있는 우리나라의 에너지 독립을 이끌어낼 가장 확실한 에너지원이라고 판단, 2004년부터 2019년까지 16년간 총 9천8백억원을 투자계획을 세운바 있다.

이와관련 원자력수소추진단은 현재 프로젝트가 끝나는 2019년까지 총 5단계로 나누어 초고온원자로(VHTR) 개발 및 실증, IS공정의 개발 등 관련연구를 진행할 계획이다.

구체적으로 사업단은 올해까지 기반기술 연구를 마무리하고 2006년에 원자력수소용 반응로의 타입을 결정할 예정이다.

이어 2008년까지 시간당 50~100ℓ규모의 벤치스케일(bench-scale) 설비, 2009년부터 2012년까지 30~100N㎥급 파일럿설비를 설치.운용하게 된다.

2013년경에는 4단계 사업으로서 10,000N㎥/hr급 설비의 건설에 돌입, 2019년까지 설비를 운용하면서 수소생산기술, 원자로 및 시스템 운용기술 등 원자력수소와 관련한 모든 기술개발을 완료한다는 복안이다.

이같은 과기부와 원자력연구소의 계획이 차질없이 진행되면 우리나라는 2019년경 연간 3만톤의 수소를 생산할 수 있는 제4세대 초고온가스로를 보유하게 되며 이를 활용해 2020년 국내 수송용 연료의 20% 이상을 수소로 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
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