이번에 전시되는 ‘원자력을 이용한 수소생산 시스템’은 한국원자력연구원 원자력수소사업추진반에서 2020년대 수소경제를 대비해 대량 수소 생산을 위한 원자력수소 생산플랜트와 2020년대 미래 도시를 표현한 모형 장치이다.
먼저 원자력수소 생산플랜트는 원자력을 이용해 발생한 고온 열과 순수한 물만을 이용해 수소를 생산하는 플랜트로서 이 모형장치를 통해 개략적인 원자력수소 생산 공정을 볼 수 있을 뿐만 아니라 미래 초고온 가스로의 형상도 알 수 있다. 그리고 여기서 생산된 수소가 2020년대 미래 수소 경제시대에서 수소 자동차 및 도시의 전기 에너지로서 활용되는 모습도 볼 수 있다.
새로운 에너지 패러다임의 중심, 수소 에너지
지난 반세기가 경제 그리고 이를 뒷받침하는 에너지, 두 가지 문제의 시대였다면 우리의 미래는 경제(Economy), 에너지(Energy), 그리고 환경(Environment) 세 가지 문제가 동시에 고민되고 해결되어야하는 트라이레마(Trilemma) 시대이다.
트라이레마 시대을 맞이해 많은 경제·사회적 변화가 요청되고 있고 또한 진행되고 있다. 그 변화의 큰 축을 형성하고 있는 것이 새로운 에너지 패러다임의 대두이며 수소 에너지가 그 새로운 패러다임의 중심에 있다.
수소는 지금까지 발견된 에너지원 중에서 가장 환경친화적인 것으로 알려져 있다. 물론 엄격한 의미에서 수소는 석유나 천연가스, 원자력처럼 에너지원 자체는 아니다. 전기와 같은 에너지 담체(Energy Carrier)이다. 수소를 포함하고 있는 물질로부터 에너지를 투입해 생산해 내야 한다는 의미이다. 원자력 수소란 원자력을 이용해 고온의 열을 얻고 이 고온의 열을 이용해 물을 직접 분해해 생산한 수소를 말한다.
화석연료를 전혀 사용하지 않는 원자력 수소는 물과 원자력만을 이용한다. 원자력 수소시스템은 크게 열원인 원자로 그리고 그 열과 물을 이용해 수소를 생산하는 수소생산 공장으로 구성된다. 고온의 열(1,000℃)을 얻기 위해 고온가스로가, 그리고 물로부터 수소를 생산하기 위한 수소 생산법으로는 열화학법인 Iodine-Sulfur(IS)와 고온전기분해법이 사용된다.
원자력 중에서 고온의 열을 가장 손쉽게 얻을 수 있는 방법이 고온가스로라는 원자로이다. 고온가스로는 미국, 독일, 영국 등에서 이미 사용되었고 일본, 중국은 최근에 원자력 수소 생산용 실험로를 건설했으며 남아프리카 공화국에서는 상용로를 건설 중에 있다. 뿐만 아니라 우리나라를 비롯해 미국, 캐나다, 영국, 프랑스, 스위스, 일본, 남아프리카 공화국, 브라질, 아르헨티나 등 10개국이 모여 초고온가스로(VHTR)를 개발 중에 있다. 초고온가스로는 지속 성장 가능성, 핵확산 저항성, 경제성 및 안전성 측면에서 기존의 원자로 보다 획기적인 개선이 기대 되는 제 4세대 원자력 시스템이다.
또 고온에서 요오드와 황산을 촉매로 사용해 물을 분해하는 IS 열화학 공정은 연속적인 화학반응을 이용해 물로부터 수소와 산소를 생산하는 기술이다. 열화학공정에 대한 연구는 1960년대부터 시작되었고 그간 미국, 일본, 유럽 등지에서 여러 열화학 공정이 연구되었다. 그러나 효율 그리고 비용 측면에서 요오드와 황산을 매개로한 IS 공정이 가장 우수한 것으로 평가되었다. 750~1,000℃ 또는 그 이상의 고온 열은 주로 황산 분해반응을 유도하기 위해 사용된다. 그리고 공정에서 사용된 모든 화학물질은 재순환되므로 오로지 수소와 산소만이 부산물이 된다. 아직 않은 기술적인 난관들이 극복되어야 하지만 50% 이상의 생산효율을 달성할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
원자력 수소에서 사용되는 또 하나의 수소생산방법이 고온전기분해법이다. 고온 전기분해(~900℃)는 열에너지(~30%)와 전기에너지(~70%)를 혼합해서 물을 분해한다. 열역학적 측면에서 고온의 열은 전기분해에 필요한 전기에너지 요구량 (깁스에너지)을 감소시킨다. 고온 가스로와 결합된 고온전기분해의 전체적인 효율은 ~50%에 이를 것으로 전망된다.
현재 거론되고 있는 탄소세는 고려하지 않았다. 원자력수소는 원유가가 34달러 이상이 되면 현재 상업화되어 이용되고 있는 천연가스 증기 개질법에 대해서 충분한 경쟁력을 가지는 것으로 평가되었다.
2020년대 원자력수소 생산기술 상용화 최종목표
원자력연구원에서 추진하고 있는 원자력수소 사업의 최종목표는 산업체와 협동해 원자력수소 생산을 위한 기술 개발 및 수소생산을 실증하고, 2020년대에 원자력수소 생산기술을 상용화하는데 있다. 올해부터 2011년까지 약 800억 원의 정부예산으로 원자력연구원이 주관, 원자력수소 핵심기술을 개발하고 있고 주요연구내용으로는 ▲출구온도 950℃ 달성을 위한 기술 개발 ▲설계기술 검증, 재료/기기 검증 ▲피복입자 핵연료 국산화 기술 개발 ▲IS 열화학 수소생산 기술 개발 등이다.
한편 원자력이용 수소생산 실증플랜트 설계 건설을 위해 2007년 착수 목표로 추진 중이며 주요 예상 업무는 ▲열출력 200 MW급 (출구온도 950℃) 수소생산플랜트 개념설계, 기본설계, 건설, 실증 ▲피복입자 핵연료 국내 제조 ▲수소생산 플랜트 건설(파일럿 규모 100㎥/hr, 실증규모 10,000㎥/hr) 등이다.
원자력연구원은 에너지 자원이 전무한 한국의 입장에서 원자력과 물을 이용한 수소 생산은 에너지 안보 그리고 수소 에너지가 추구하고 있는 환경보호 측면에서 가장 적합한 수소 생산방법 중의 하나로 평가하고 있다. 또 이 사업이 추구하고 있는 상업적 기대효과는 2020년대 한국에서 요구하고 있는 수송부문 에너지의 약 20%를 원자력 수소로 대체할 수 있을 것이라 확신하고 있다.
