전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2021.1 특집요약 (p22~71)

2050년 Zero Emission을 향한 티켓
축전지, 그린수소, CO₂의 자원화

Part 1. 총론
달리기 시작한 ‘CO₂ 제로’행 열차, 차세대 축전지와 수소가 양 바퀴

일본을 포함한 세계 많은 나라들이 ‘2050년, 실질적 CO₂ 배출 제로(Zero-Emission)’를 목표로 움직이기 시작했다. 화석연료 사용으로 시작된 산업혁명에 버금가는 에너지 혁명으로, 그야말로 게임 체인저이다. 실현의 열쇠를 쥐고 있는 것은 높은 에너지 밀도와 낮은 가격 면에서 우수한 차세대 축전지 개발, CO₂ 프리인 수소의 대량 생산, 그리고 CO₂를 산업의 황금알로 바꾸는 재자원화 기술이다.

‘2050년까지 온실 효과 가스 배출을 실질적 제로로 한다’---. 2020년 10월 26일, 스가(菅) 총리가 국회의 소신표명 연설에서 이렇게 선언한 이후, CO₂ 배출을 억제하는 규제에 대한 이슈와 주력 에너지원으로써 수소를 이용하는 ’수소사회’ 실현을 목표로 하는 움직임이 눈에 띄게 활발해졌다.

일본은 지금까지 ‘2050년에 실질 CO₂ 배출량을 80% 줄인다’는 목표를 내걸고 있었다. 그러나, 결과적으로 유럽에서의 제로 에미션(유해 배출 가스 제로화) 선진국에 비해 CO₂ 저감 속도는 크게 뒤쳐지고 있었다.

이번 제로 에미션 선언에서는 과거의 애매한 목표로 인해 대책을 세우지 못했다는 핑계거리를 사전에 차단했다는 점에서 이전보다 사회적 파장이 훨씬 클 것으로 보인다.

-- 가솔린차의 신차 판매 금지 --
제로 에미션 선언 후, 정부가 새롭게 내놓은 규제 중에는 지금까지 산업계의 타성을 깨는 충격적인 것도 있다. 예를 들어 경제산업성은 2020년 12월, 2030년대 후반 이후의 가솔린차 신차 판매를 실질적으로 금지한다는 방침을 밝혔다. 이미 영국은 2030년, 미국 캘리포니아 주는 2035년, 프랑스는 2040년 이후에 가솔린차의 신규 판매를 금지한다고 결정. 바이든 씨가 이끌 미국도 이와 같은 방침을 내놓을 가능성이 높다. 그렇게 된다면 세계의 주요국이 가솔린차에 종지부를 찍는다는 것이 명확해진다.

■ 재생에너지의 대량 도입이 중요한 전제, 신(新)산업의 진흥책으로
2050년까지 남은 시간은 약 30년. 지금까지 200년 이상 지속되어온 화석연료에 입각한 세계를 겨우 30년이란 시간 안에 바꾸는 것은 쉽지 않을 것이다. 하지만 무엇을 해야 하는지는 명확하다. 그것은 크게 (1) 재생가능에너지와 축전지 및 수소 등 전력, 에너지 저장 시스템을 대량으로 도입하는 것. (2) 앞에서의 전력 저장 수단의 일부인 수소를 사회 인프라로써 활용하는 것. (3) CO₂ 회수 시스템을 대량으로 도입하는 것이다.

우선 (1)의 재생에너지의 대량 도입은 제로 에미션 실현을 위한 가장 중요한 전제가 된다.

재생에너지, 특히 태양광 발전과 풍력 발전의 발전 시스템은 모두 공업제품으로, 텔레비전이나 백색 가전, 자동차 등과 같이 대량 생산을 하면 할수록 제품 단가나 발전 단가가 낮아지는 특성이 있다. 태양광 발전의 경우, 누적 출하량이 2배가 되면 단가는 약 20% 저렴해지는 경향이 있으며 이미 50년 가까이 계속 되고 있다. 육상풍력은 누적 출하량이 2배일 경우, 단가가 15% 낮아지는 추세다. 해상풍력은 아직 여명기에 있으며 그러한 경향은 분명하지 않지만, 유럽에서는 최근 2년 정도에 착상식(着床式) 해상풍력의 발전 비용이 격감해, 육상풍력에 임박하는 수준이 되었다고 한다.

-- 일본에서도 2엔/kWh 미만이 될 전망 --
도입하면 할수록 저렴해지는 재생에너지는 CO₂ 배출의 절감 대책 그 자체이지만, 경제 합리성을 확보하는 기반이기도 하다. 지구 온난화를 억제하기 위한 환경 대책을 대량 도입을 통해 저렴해지는 재생에너지와 결합시킴으로써 ‘그린 뉴딜’이라고도 부르는 거대한 산업 진흥책을 실현할 수 있다.

-- 전력 저장 시스템은 4종류에서 2종류로 --
하지만 태양발전이나 풍력발전에도 과제는 있다. 그 출력이 시간∙날씨∙계절에 따라 크게 변동된다는 점이다. 또한 그 변동을 정밀하게 예측하고 컨트롤하는 것은 쉽지 않다.

이 때문에 재생에너지의 대량 도입에는 그 출력 변동을 흡수하는 전력 저장 시스템의 대량 도입도 병행해 추진해야 한다. 이 전력 저장 시스템에는 여러 종류가 있지만 장기적으로는 축전지와 수소로 집약될 것이라는 예측도 있다.

-- 전기는 가능한 한 전기로 저장 --
기본적인 방침으로는 발전(發電)한 전기를 저장하는 것은 축전지에 저장해야 한다. 그 이유는 전기를 일단 수소로 변환시키면 전기로 재전환 할 때의 손실이 크며, 축전지에 저장할 경우에 비해 꺼내서 사용할 수 있는 전력량이 약 1/2이 되기 때문이다.

그렇다고 해서 재생에너지의 장기적인 변동까지도 축전지만으로 커버하려고 할 경우, 이번에는 저장 비용이 수소에 비해 상당히 비싸진다. 그 사용 구분의 기준이 되는 방전 시간은 현재 약 4시간으로, 향후 축전지가 보다 저렴해 질 경우에는 이틀이 걸릴 것으로 추산된다.

-- 양적으로는 수소가 전체 에너지 총량의 3/4 이상 --

■ 1기(基)에 연료전지차 200대분, 화력발전을 재생에너지로 전환
제로 에미션 실현을 위한 중요한 두 번째 활동은 전력 저장 시스템 중 하나인 수소를 주력 연료로써 사회에서 널리 사용해나가는 것이다.

수소의 잠재적 용도에서 차지하는 연료전지차용의 비율은 그리 크지 않다. 한편, 출력이 0.5GW(500만 kW)의 화력발전 터빈 1기의 연료에 단일 연료 수소를 사용할 경우, 그것만으로 연료전지차 200만대의 연간 필요량과 동일한 양의 수소를 1년 간 사용하는 것이 된다.

-- 화력발전 상담의 2/3가 수소 관련 --
-- 수소를 색으로 구분하는 것이 세계 표준으로 --
-- 수전해 장치 시장에 일본 기업들이 속속 진입 --
-- 세계적으로는 그린 수소가 주류일까? --
-- 호주는 ‘유전’ 지대로 --
-- 그린 수소 가격 급강하 --
-- 가격이 낮아지는 원인은 여러 개 --
-- 운반 및 유통은 다른 매체로 --

■ CO₂ 회수와 자원화, 일본이 세계를 리드해
가령, 전력과 연료 등이 모두 재생에너지와 그린 수소로 전환된다고 해도 CO₂ 배출은 여전히 남아있다. 일상생활에서 이용하는 공업 제품의 대부분에서 탄소와 탄화수소 재료를 배제하는 것은 불가능하기 때문이다. 이 때문에 CO₂ 회수 기술은 없어서는 안될 필수 기술이다.

이 분야에서도 일본 기업은 세계를 견인하는 위치에 있다. 예를 들면, 미쓰비시(三菱)중공엔지니어링은 2016년에 미국에서 현재 세계 최대급의 CO₂ 회수 플랜트를 건설했다. CO₂를 4,700톤/일 규모로 회수할 수 있다.

이 기세의 뒤를 잇는 것이 도시바에너지시스템즈로, 2020년 10월말에 후쿠오카(福岡) 현 오무타(大牟田) 시의 바이오매스 발전소에서 500톤/일 규모의 CO₂ 회수 플랜트를 가동시켰다.

두 기업 모두, 아미노기(NH2-)를 가지는 재료(아민계 재료)의 용액이 저온에서는 CO₂를 흡수해 고온으로 방출하는 구조를 이용해 화력 발전소의 배기가스로부터 CO₂를 분리 및 회수한다. 미쓰비시중공엔지니어링과 도시바에너지시스템즈의 플랜트는 확보한 배기가스의 CO₂중 90%를 회수할 수 있어 순도는 99%이상이다.

-- 재생에너지 없이 제로 에미션 달성? --
-- 땅 속 매장 비용 알 수 없어 --
-- 탈(脫)탄소가 아닌 탄소 순환형 사회로 --
-- 천연가스와의 비용 경쟁이 과제 --

■ CO₂ 프리의 천연가스 개질(改質) 기술이 실용화?
천연가스(CH4)의 품질 개선을 통한 H₂ 생산은 지금까지 CO₂의 대량 배출을 피할 수 없었다. 하지만 CO₂ 대신 공업적으로 가치가 있는 카본 재료를 직접 얻을 수 있는 천연가스의 개질 기술이 등장. 게임 체인저가 될 수 있는 기술이다.

Part 2. 차세대 배터리
2050년까지의 주역은 리튬유황(Li-S)계일까? 차량용은 불화물(F)계에 혁신

‘혁신 배터리’ 중 하나인 리튬유황(Li-S) 2차전지가 이르면 2021년에 실용화된다. 저비용과 고에너지 밀도를 양립할 가능성이 크다. 한편, 과제가 산적해 있던 불화물(F) 이온 2차전지에서 돌파구가 되는 신재료가 발견되었다. 30년간 배터리의 주역을 맡아 온 리튬이온 2차전지(LIB)의 바통을 이을 후보가 잇따라 등장하고 있다.

에너지 밀도가 현행의 리튬이온 2차전지(LIB)를 크게 웃도는 차세대 배터리로서 양산을 눈앞에 둔 기술이 있다. 그것은 리튬유황(Li-S) 2차전지와 불화물(F) 이온 2차전지다.

■ 리튬유황 배터리, 곧 제품화, 사이클 수명의 과제는 미해결
리튬유황 2차전지 제품은 이르면 2021년에 나올 예정이다. 제조에 있어서 선두주자는 리튬유황 2차전지에 특화되어 있는 영국의 벤처기업, OXIS Energy(옥시스에너지)가 될 전망이다.

OXIS Energy는 정격전압 2.1V, 전류용량 15Ah와 19Ah인 셀을 샘플 출하 중이다. 카탈로그 상에는 10~35Ah의 셀도 있다. 셀의 중량 에너지 밀도는 2020년 1월 시점에서 471Wh/kg으로, 500Wh/kg의 실현을 내다보고 있다. 현재는 ‘아직 수작업 생산으로 인해 샘플 가격은 비싼 편’(OXIS Energy)이라고 하지만, 양산을 눈앞에 두고 있다. 연간 500만 셀, 총 220MWh 이상의 생산 능력을 가진 제조 플랜트를 2023년 가동을 목표로 브라질에 건설 중이다. 뿐만 아니라, 영국의 웨일스 지방에서 전해액과 음극의 제조플랜트를 건설하고 있다.

OXIS Energy는 일본시장으로의 확대 판매도 검토 중에 있으며, 2019년 11월에 산요(三洋)무역과 리튬유황 2차전지의 판매에 관한 업무제휴를 체결했다.

-- GS유아사, 항공 용도를 검토 --
-- 수명과 비용을 도외시한 용도로 제품화 --
-- 이론용량이 높은 이유는 16개의 전자 반응 --
-- 반응 중간체 용출을 막는다 --
-- 직경 2nm의 미세 구멍에 유황을 격납 --
-- 최대 500Wh/kg 실현 시야에 --
-- 녹지 않는 전해액 개발 --
-- 용매 1분자에 2개의 Li이온 배치 --
-- 대형∙원통형 셀, ‘놀라울 정도로 가벼워’ --
-- 돌연 리튬유황 2차전지의 전고체화 가능성도 나와 --

■ 차량용 F이온 배터리, 음이온 레독스 재료가 유망
실용화 시기는 리튬유황 2차전지 이후가 될 것으로 보이지만, 포스트 리튬이온 배터리의 유력한 후보로 떠오르고 있는 것이 리튬과잉계 정극과 F이온 배터리로 대표되는 ‘음이온 레독스계’ 배터리이다. 또한 리튬유황 2차전지의 에너지 밀도를 뛰어넘는 리튬공기 2차전지도 주목 받고 있다.

음이온 레독스계란 정극 활물질의 전이 금속뿐만 아니라 산소 원자(O)가 전하 보상에 기여하도록 하는, 말하자면 초기에 정의되는 산화 환원을 통해 동작하는 타입의 배터리이다. 원리 상으로는 금속 공기 배터리에 가까워 높은 에너지 밀도를 기대할 수 있다.

-- 파격적인 플루오린화물(F)계 재료 발견 --
-- 가벼운 배터리는 전동 비행기와 하늘을 나는 기지국의 비원 --
-- 높은 사이클의 특성을 가진 SPAN, 셀 제조 시의 부담이 걸림돌 --
-- 공기전지의 노후화 원인 규명, 하지만 실용화는 오히려 멀어져 --

Part 3. 수소 캐리어(Hydrogen Carrier) 편
수소는 용도에 따라 변화무쌍, 경쟁 통해 기술개발 가속화

1기압에서는 체적 밀도가 낮아 저장 및 운반 등에서 취급이 어려운 수소. 보다 콤팩트한 재료인 ‘수소 캐리어’로 변환해 사용하면 취급이 용이해진다. 하지만 여러 종류의 수소캐리어에는 모두 일장일단이 있다. 기본적으로는 용도에 맞게 나눠 사용해야 하지만 조금이라도 많은 시장점유율을 차지하기 위해 각 캐리어 진영의 경쟁이 시작되었다. 이 경쟁을 통해 기존의 상식을 뛰어넘는 이용 방법과 기술 혁신이 탄생하고 있다.

-- 종류는 많지만 일장 일단이 있어 --

■ 수소/액화수소/압축수소, 도시가스 배관으로 공급도
각종 수소 캐리어 가운데 많은 사람이 떠올리는 것은 액화수소일 것이다.

분명 액화수소는 해상 등을 통해 수소를 대량으로 운반 시의 후보 중 하나다. LNG 운반선 대기업인 가와사키(川崎)중공업은 2020년말에 세계 최초의 액화수소운반선 ‘스이소(수소) 프론티아’를 코베(神戸)항에 준공.　이 배는 신에너지∙산업기술 종합개발기구(NEDO)가 오스트레일리아로부터 수송하는 갈탄 유래 수소의 해상수송에 이용될 예정이다.

가와사키중공업은 이 사업을 추진하는 조직 ‘기술연구조합 CO₂ 프리 수소 서플라이체인 추진기구(HySTRA)’를 설립. 현 시점에서 가와사키중공업 외에, 이와타니(岩谷)산업, 쉘 재팬, 마루베니, ENEOS, 가와사키 기선(汽船)이 참가하고 있으나, 사업의 중요도에 비해 참여 기업의 확대가 부족하다.

-- 보관 중에 기화해 손실될 수도 --
-- ‘빨간 프로판가스’는 성공할 수 있을 것인가? --
-- 대부분의 천연가스용 배관을 이용할 수 있어 --
-- 고성능 센서 개발이 급선무 --
-- 전봇대 위에 ‘가스선’ 부설? --
-- 마침내 역화(逆火) 극복 --

■ 상온에서는 액체, 저독성인 MCH. H₂ 개입 없이 제조 가능
액화수소 사업을 추진하는 HySTRA와 같이 수소(H₂) 이외의 수소 캐리어를 추진하는 기업들도 각각의 조직을 설립해 연대 구축과 프로모션을 전개하고 있다. 그 중에서 경쟁사보다 한 발 앞서 사업화를 진행해 온 곳이 ‘MCH(Methylcyclohexane)’이라는 화학물질을 취급하는 ‘차세대 수소에너지체인기술개발조합(AHEAD)’으로, 이를 주도하는 업체는 지요다(千代田)화공건설이다.

MCH는 잉크의 수정액 용제로, 일반적으로 MCH가 사용되고 있다. 상온 상압에서는 액체로 강한 독성이나 냄새가 없고 부식성도 없어 장기 저장에도 문제가 없는 등, 수소캐리어 가운데에서도 가장 다루기 쉬운 재료라고 말할 수 있다.

이 MCH가 수소 캐리어가 되는 것은 MCH를 350~400℃로 가열해 H2를 뿜어내면(탈 수소) 톨루엔이라는 물질로 돌아가기 때문이다. 반대로 수소화도 용이하다. 톨루엔도 과거에는 매니큐어 용제로 사용될 정도로 급성 독성이 약해 취급하기 쉽다.

또한 소방법 상, 가솔린과 동일하게 취급되고 있기 때문에 기존의 석유류의 유통시스템을 이용할 수 있다는 점도 강점이다.

-- 해상 수송도 실증 --

-- 수 만 N㎥/시의 규모로 상용화도 시야에 --
-- 신기술 제안도 늘어나 --

-- 연료전지와 일체화 --
아직 기초 연구 단계이지만 지요다화공건설은 MCH를 고체산화물형 연료배터리(SOFC)의 연료로써 사용하는 기술 개발을 교토대학과 추진하고 있다. 연료극에서 MCH를 탈 수소화해 톨루엔과 수소로 분해하고 이 수소를 연료배터리가 사용하는 기술이다. SOFC의 열이 탈수소의 열이 되기도 하기 때문에 에너지 손실이 적어진다는 이점이 있다고 한다.

-- 물이 아닌 톨루엔을 전기분해 --

-- 사실은 암모니아 사회? 수소를 뛰어넘는 규모로 확대 추진 --
수소 캐리어 중 하나인 암모니아(NH3)의 잠재력은 매우 높다. 수소 캐리어 후보 중에서는 가장 콤팩트하고 운반 및 저장이 용이하다. 상온∙상압에서는 기체의 끓는점이 -33.3도로 언뜻 액화에는 큰 전력이 필요할 것 같지만 20도에서도 8.5기압까지 가압하면 액화가 된다. 이는 자전거 공기압 정도의 압력으로, 인력으로도 실현할 수 있다. 즉, 얼마 안 되는 전력으로 액화할 수 있다.

또한 용도의 폭이 넓다. 위에서 설명한 MCH는 저장 및 운반용으로는 우수하지만 직접 연소시킬 수는 없다. MCH에 수소를 싣기 전의 톨루엔은 가격이 비싸, 그것을 태워버릴 선택지가 없기 때문이다.

반면, NH₃의 경우, H₂와 마찬가지로 화력발전소 연료로 직접 쓸 수 있다. 에너지 캐리어 이외에도 비료나 요소 외에 다양한 화학재료 원료, NOx 등의 탈질 재료, 나아가 반도체의 질화막 생성에도 사용되고 있다. 이러한 용도의 스케일 때문에 수소 캐리어로서 이용이 시작되기도 전에 이미 세계에서 연간 1.8억 톤이 생산되고 있다.

과제는 인체에 독성이 있다는 것과 악취가 난다는 것이다. 또한 금속 부식성이 강해 파이프라인에 일반적인 금속을 사용할 수 없다는 점이다.

-- 4년 후에는 100만톤 규모로 수입 --
-- 사우디로부터 수송되어오는 블루 암모니아 --
-- NH₃ 합성법 개발 쇄도 --
-- 생산 효율도 크게 향상 --
-- NH₃ 합성 설비 크게 간소화 --
-- NH₃로 운항하는 선박들 속속 등장 --
-- 연료전지 타입으로 명암이 갈려

-- 개질 온도는 낮추고, 잔류 NH₃도 줄여야 --

-- 수소저장 재료, 배터리에 근접한 사용법으로 --
마지막 수소 캐리어는 수소흡장 재료이다. 암모니아 다음으로 가장 콤팩트한 수소 캐리어로 자가방전이 없다. 재료에 따라서는 가연성도 없으며 수소 입출시의 에너지 손실도 적다. 하나의 단점을 제외하면 이상적인 재료이다. 그 단점은 무겁다는 것. 대부분은 합금, 즉 금속 덩어리로 Pd 등 중원소를 사용하는 경우도 있다.

거꾸로 말하자면, 이것은 장거리 운반 이외의 용도로는 유망한 수소 캐리어다. 이점에 착안한 곳은 시미즈(淸水)건설이다. 시미즈건설은 수소저장 재료와 그 사용법을 연구. 2019년부터 ‘건물의 부대설비형 수소에너지 이용시스템(Hydro Q-BiC)’의 실증실험을 시작했다. 이용자에게 가까운 장소에서 열 제어도 포함한 종합적 에너지 관리를 하는 것이 목적이다.

-- 에너지 밀도가 배터리의 3배? --
-- 가벼운 수소저장 재료도 등장 --
-- 수소 사회에 필수인 수소 센서, 유량과 농도를 동시에 측정할 수 있어 --

Part 4. CO₂의 자원화 편
도시바가 실용화를 30년 앞당겨, 2025년 합성연료 양산 추진

‘탄소의 재’인 CO₂를 유기재료로 바꾸는 기술은 인공합성법이라고도 부르지만, 효율이 낮아 그 실현은 2050년경이 될 것으로 전망되어왔다. 도시바는 이것을 이미 실용화 가능한 수준으로 만드는데 성공했다. CO₂를 공업적으로 유용한 일산화탄소(CO)로 바꿈으로써 유기재료와 합성연료를 쉽게 생산할 수 있게 된다. 도시바는 전일본공수(ANA) 등과 공동으로 2025년에 항공기용 제트연료를 양산할 계획이다.

CO₂의 자원화 기술로는 CO₂를 합성 메탄(CH4)로 바꾸는 메타네이션(Metanation)기술 개발이 추진되고 있다. 매우 유용한 기술이지만 실용화를 위해서는 그린 수소 이상으로 치열한 가격 경쟁이 기다리고 있다.

-- CO₂에서 CO의 생산이 난관 --
-- 연료전지 기술로 비약 --
-- 하루에 200톤의 CO₂도 처리 가능 --
-- 구동에는 재생가능에너지의 잉여전력을 상정 --
-- 2025년에 제트연료를 합성할 수 있을까? --

 -- 끝 --

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