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Nikkei X-TECH_2022.12.14

첨단 기술 뉴스 플러스
수소 사회 실현을 목표로 히타치가 그리는 시나리오
잉여 전력으로 수소를 제조해 기존의 가스배관으로 공급

히타치제작소(이하, 히타치)는 수소 사회를 실현하기 위한 멀티에너지 매니지먼트 개념을 공표했다. 변동하는 재생 가능 에너지 등의 잉여 전력으로 수소를 제조해 도시가스 등 기존 배관에 혼입시켜 공급하는 시나리오를 상정. 이를 위해 필요한 3가지 요소 기술들을 개발 중임을 밝혔다.

이 3가지 요소 기술들은 배관 내 수소 농도가 변동하는 것을 전제로 한 기술들로, 히타치가 12월 5일에 개최한 '2022년도 연구개발·지재전략 설명회'에서 공개되었다.

3가지 요소기술들은 (1)전력계통에 직결 가능한 100MW급의 수전해 장치, (2)수소를 원하는 농도로 추출할 수 있는 수소분리 장치, (3)전력계통과 가스계통의 멀티에너지 매니지먼트이다.

(1)의 전력 계통에 직결 가능한 100MW급 수전해 장치는 전력 계통으로부터 얻은 전기의 전압을 낮추지 않고 고압인 채로 사용할 수 있는 장치이다. 큰 변압기를 설치할 필요가 없어 전원장치가 콤팩트해지기 때문에 설비 비용을 줄일 수 있다. 이 수전해 장치 개발에 히타치는 복수의 전해 스택을 직렬로 접속하는 방법을 채택했다.

통상적으로 수전해 장치에서는 전해 스택을 병렬로 접속하는 것이 일반적이며, 각각에 1~2V 정도의 전압을 가해 구동시킨다. 하지만 이를 위해서는 전력계통으로부터의 전압을 크게 바꿔야 한다. 히타치가 연구 중인 수전해 장치는 전해 스택을 직렬로 접속, 높은 전압 그대로 전류를 통과시킬 수 있다.

고전압을 다루기 위한 기술적 과제로는 수소배관 등의 절연성을 향상시킬 필요가 있다는 것. 이 과제를 해결하기 위해 히타치는 절연배관을 개발하고 있다. 또한 전해 스택의 개체차로 인해 일부 전해 스택이 손상될 가능성이 있다.

이것을 방지하기 위해서 히타치는 전해 스택을 고정밀도로 해석·진단할 수 있는 시스템 구축과 손상된 전해 스택만을 쉽게 교환할 수 있는 구조 개발 등을 추진하고 있다. 수전해 장치는 2026년의 제품화를 목표로 하고 있다.

(2)의 수소를 원하는 농도로 추출할 수 있는 수소분리 장치는 기존의 가스배관으로부터 얻을 수 있는 혼합 가스에서 수소를 소정의 농도로 조절해 추출하는 구조이다. 혼합 가스에는 도시가스에 포함된 메탄 등의 성분이 섞여 있으며 수소의 농도는 제조 조건 및 다양한 수요자의 이용 상황에 따라 변동된다.

“예를 들면, 수요자가 수소 20%의 가스를 갖고 싶다고 한다면, 20%에 맞추는 구조가 필요하다”(히타치). 이를 해결하기 위해 분리막을 사용해서 수소와 메탄의 투과성 차이를 이용. 수요자의 요구에 맞는 농도로 조절할 수 있다.

분리막은 자사 제품이 아닌 구입품이지만, 혼다는 소정의 수소 농도로 안정시키기 위한 동작 조건의 제어 방식을 개발하고 있다. 예를 들어, 출구 쪽의 압력 등, 분리막의 동작 조건에 따라 수소의 투과량 및 메탄과 수소의 비율이 달라지기 때문에 이를 제어해야 한다. 또한 성분을 쉽게 조정할 수 있도록 하기 위해 가스 경로를 마련하는 등의 시스템 설계를 진행하고 있다.

(3)의 전력계통과 가스계통의 멀티에너지 매니지먼트는 가스배관의 수소 농도와 수소 제조에 어떻게 전기를 이용하는지 등을 일괄적으로 제어하는 시스템이다.

재생 가능 에너지의 잉여 전력 등을 적절하게 사용할 수 있도록, 예를 들면, 수소를 너무 많이 제조해 전력이 부족해지는 일이 발생하지 않도록 하는 등, 지역의 전력 계통 전체에서 에너지를 관리하는 것이 필요하다. 수요자 측의 수소분리 장치 운전이 적절한 상태가 될 수 있도록 수소 농도를 어느 정도 제어하거나, 농도 정보를 통보하는 등을 실시한다.

이러한 시스템은 재생 가능 에너지를 이용한 발전 장소와 수소 이용 장소가 조금 떨어져 있는 경우에 유효하다고 생각된다. “고순도의 수소를 원하는 수요자 가까이에 수전해 장치를 설치할 수 있는 경우에는 배관을 통해 운반할 필요가 없다.

그러나, 지리적으로 조금 떨어져 있는 경우나 수소의 제조와 이용에 시간차가 있는 경우 등은 기존의 가스 배관에 수소를 혼합시켜 공급하는 방법이 하나의 해결책이 될 수 있다고 생각한다”(히타치)라고 한다.

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