산업에서의 수소 활용에 초점 맞춘 연구로 수소사회로의 진입 앞당긴다
산업에서의 수소 활용에 초점 맞춘 연구로 수소사회로의 진입 앞당긴다
  • 김윤혜 기자
  • 승인 2022.07.04 17:07
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서울과학기술대학교 미래에너지융합학과 조원철 교수

기후변화에의 대응을 위해 재생에너지를 이용하는 것은 전 세계적으로 거스를 수 없는 흐름이다. 완전한 탄소중립을 구현하는 그린 수소 에너지 시대를 여는 것은 지속가능한 지구를 위해 인류가 반드시 완수해내야 할 사명이라 할 수 있다. 그린수소는 이제 선택이 아닌 필수가 될 것이라 말하는 서울과학기술대학교 미래에너지융합학과 조원철 교수는 수전해 장비의 핵심소재 개발부터 상용화에 이르기까지 그린수소 기술을 100% 국산화하기 위한 연구를 이어가며 그린 수소 경제 활성화를 위한 초석을 다지고 있다.

서울과학기술대학교 미래에너지융합학과 조원철 교수 / 사진 박성래 기자
서울과학기술대학교 미래에너지융합학과 조원철 교수 / 사진 박성래 기자

 

그린수소 생태계 구축 위한 산학연 교류 이어가
수소 생산 기술 전문가로 잘 알려진 조원철 교수는 한국에너지기술연구원 수소연구단장, ISO TC197(수소기술) 신규 표준 전문 위원, 녹색기술센터 전문위원 등으로 활동하며 수소생산 기술의 발전을 견인하는 것은 물론 대중과 소통하며 수소에 대한 인식을 높이는데 앞장서왔다. 알칼라인 수전해 상용화를 위한 국제공동 핵심 기술 개발(산업부), 부하변동 대응형 고성능 수전해 셀 및 스택 핵심기술 개발(과기부) 등의 연구 사업에 참여했으며, 2020년 정부출연연구기관 우수연구성과 과기정통부 장관상, 단체상(2020년)을 수상했다. 최근에는 한국미래기술교육연구원이 주최한 ‘‘청정수소의 핵심’ 수전해 수소생산 기술과 부품/소재 국산화 방안 - 지원방안, PEMEC, SOEC, AEMEC, AEC, SMR, PCEC’ 세미나에 참석해 수전해 기술에 대해 발표하는 등 활발한 교류를 이어가고 있다.
  “현재까지는 생산 시 천연가스를 활용한 블루수소가 경제성이나 상용화 측면에서 가장 근접한 기술이지만 앞으로 진정한 탄소중립을 위해서는 탄소 배출을 최소화한 그린수소 기술을 확대해가야 합니다. 이를 위한 산학연 컨소시엄에 많이 참여하고 있습니다.”
  천연가스 개질수소 등 전통적인 수소 생산 과정 중에 발생하는 탄소를 포집·압축·수송해 지하에 저장하는 CCS(Carbon Capture&Storage) 기술을 적용해 생산하는 블루수소와 달리 그린수소는 태양광, 풍력 등의 재생에너지를 활용한 전기로 물을 전기 분해해 생산한다. 그린수소를 만들기 위해서는 수전해 장치와 재생에너지 설비가 필요하다. 이를 위한 핵심 소재 기술 개발 또한 빼놓을 수 없다. 조 교수는 고효율의 소재 및 안정적인 시스템 개발에 집중하고 있다고 설명했다. 한국에너지기술연구원에 재직하며 산학연 공동 연구를 수행해온 조 교수는 학교로 자리를 옮긴 후에도 활발한 협업을 지속하고 있다.
  “수소 생산 기술에 있어 가장 중요한 것은 안전성과 수명 연장입니다. 산업계와 공공기관 등이 여기에 포커스를 맞추고 다양한 노력을 이어왔죠. 저 또한 여러 유관기관과의 협업을 통해 안정적인 수소 생산 시스템 구축에 힘을 보태고 있습니다.”

청정수소 생산 위한 분리막 등 소재와 안정적인 시스템 개발에 집중
전기로 물을 분해하여 산소 및 수소를 대규모로 생산하는 수전해 기술은 청정수소 생산의 핵심으로 주목받는다. 조원철 교수는 친환경 재생에너지를 에너지원으로 사용하는 수전해는 독특한 수소생산 방법이라 설명했다. 이산화탄소 배출을 극도로 낮추면서도 수소에너지를 보다 효율적으로 생산할 수 있는 기술이다. 수소에너지 생산 과정에서의 온실가스 배출을 배제하는 것이다. 
  조 교수는 수전해에서 생성된 수소와 산소가 섞이지 않도록 하는 분리막 개발에 힘써왔다. 수전해를 위한 핵심 부품인 분리막은 전체 시스템의 안전과도 직결된 중요 요소다. 그러나 안정성만을 추구하다보면 효율이 떨어져 그린수소의 가격 경쟁력 저하로 이어질 수 있는 만큼 균형을 맞춘 개발이 필요하다.
  이에 조 교수는 분리막의 세공 크기를 줄이면서도 전압 효율은 유지하는 분리막 기술을 개발해왔다. 수많은 도전과 실패 속에서 연구를 그만하고 싶다는 생각이 들 정도로 지난한 과정을 견뎌야만 했다. 인내의 결과 지난해에는 세계에서 2번째로 분리막을 개발해 상용화 직전 단계까지 기술력을 끌어올리는데 성공했다. 그는 분리막 제조를 위한 관행을 따르기만 해서는 해외 기술만큼 나올 수는 있어도 이를 뛰어넘기 어렵다는 것을 깨달았다고 말했다. 기존 분리막 대비 2배의 성능을 구현해낸 해당 연구는 전량 수입에 의존하던 분리막의 국산화를 실현한 것은 물론 이와 관련한 ‘지르코니아 세라믹 직물 기반의 수전해 분리막’ 특허 등록으로 이어졌다. 조 교수는 분리막과 더불어 수소의 경제성과 효율 향상에 중요한 역할을 하는 확산체 개발에 주력하고 있다고 덧붙였다.
  수소 생산 기술의 발전을 위한 산학연 협력을 강조해온 조 교수는 기술이전에도 힘을 쏟고 있다. 알칼라인 수전해 고전류효율(99.6%) 셀 프레임(2019), 수전해 셀 성능과 안전성을 평가할 수 있는 표준 시스템(2019), 고효율·고내구성 알칼라인 수전해 스택 및 핵심 부품(2020), 고효율 수전해 스택 설계 기술(2021) 등 산업에 실질적으로 적용될 수 있는 기술 기발에 집중하는 모습이다.
  “재생에너지 사회, 탄소중립 사회에 대한 회의감과 의구심을 보내는 분들이 많습니다. 그러나 방향성이 옳다면 결국에는 가야할 방향이라 확신합니다. 특히 과학자가 그런 기술을 선도적으로 수행하며 가능성을 열어야죠. 이러한 연구 성과들이 꾸준히 기술이전 된다면 우리나라가 반도체 국가로 성장했듯 수소에너지 강국으로도 충분히 나아갈 수 있을 것입니다.”

산업계의 즉각적 수소 활용 위한 연구로 수소사회로의 빠른 진입 견인한다
조원철 교수는 수소사회로의 전환에 대한 회의적 시각에 관련한 그의 견해를 내놓았다. 수소경제가 B2C 형태의 실생활에 밀접한 영역이 아닌 B2B 형태의 산업적 영역에서 먼저 도입되어야 한다는 것이다. 그는 전기차가 빠르게 확산되기까지 휴대폰으로 인해 대중에게 친숙한 배터리가 주효했다고 평가했다. 실생활에서 손쉽게 활용하던 전기와 배터리이기에 대중에게 거부감 없이 수용될 수 있었다는 설명이다. 반면 수소는 많은 전문가들이 그 필요성을 말하고 있지만 아직까지는 대중의 인식이 높지 않다. 조 교수는 산업의 영역에서는 이미 수소가 활발히 사용되고 있음을 강조했다. 실제로 암모니아 제조에도 오래 전부터 활용해왔으며, 철광석의 주요 원료인 산화철에서 산소를 떼어내는 환원재로 수소를 활용하는 수소환원제철 방식으로의 변환도 가능하다. 조 교수는 바닷가에서 나는 특유의 퀴퀴한 냄새를 없애는 데에도 수소가 좋은 방안이 될 수 있다고 말했다.
  “거대한 운송산업, 에너지산업 쪽에서 수소를 활용해야 한다고 생각합니다. 산업계에는 수소 에너지 활용을 위한 인프라가 이미 갖춰진 만큼 큰 거부감 없이 전환될 수 있을 것입니다. 산업계의 변화가 선제적으로 이루어진다면 우리의 일상생활에도 수소에너지가 자연스레 스며들 수 있으리라 판단합니다.”
  조 교수는 수소경제의 활성화를 위한 연구를 지속해간다. 무엇보다 기존 산업계의 인프라 그대로 수소를 적용하는데 초점을 맞춘다. 그는 장기적인 호흡을 갖기보다는 당장의 실용화 및 상용화에 염두를 두고 산업현장에 즉각적으로 적용될 수 있는 기술 개발을 위해 노력하고 있다고 설명했다. 분리막과 확산체, 수소생산 시스템에 이르기는 연구 주제를 즉각성과 안정성, 효율성에 초점을 맞추고 전략적으로 발전시켜 나가는 그다.
  “최근 수소법 통과 등으로 국내에서 수소 경제에 대한 기대감이 커지고 있습니다. 하지만 유럽의 경우 오래 전부터 구체적인 로드맵을 토대로 수소사회로의 진입에 바짝 다가선 상태죠. 더 이상의 격차가 벌어지지 않도록 현 상황에서 즉각적으로 활용할 수 있는 기술을 개발하는데 집중하고 있습니다.”

서울과학기술대학교 미래에너지융합학과 조원철 교수 / 사진 박성래 기자
서울과학기술대학교 미래에너지융합학과 조원철 교수 / 사진 박성래 기자

 

새로운 에너지 시대, ‘수소’로 창출해가는 새로운 경쟁력
“재생에너지 시대에도 우리나라는 자원 부족을 겪을 수 있습니다. 절대적 일사량이 풍부하다거나 바람이 엄청나게 많지는 않잖아요. 국내 시장만 바라보고 기업들이 신사업에 도전하기 어려워요. 또한 내수시장이 상대적으로 작은 우리나라의 특성상 기업들은 항상 수출을 염두에 두고 사업을 꾸려갑니다. 저는 수소산업에 관한 기업인들의 궁금증에 답하고, 에너지 전환에 따르는 어려움들을 기술적으로 해결해드리는 역할을 하며 수소시대를 여는데 기여하고자 합니다.”
  조원철 교수는 해외에서 원유를 수입해오듯 언젠가 재생전력을 수입해오는 시대가 도래할 것이라 내다봤다. 수소는 이러한 전력 수입의 수단이 될 수 있다. 수전해를 통해 전기를 수소 형태로 변환하는 방법으로 해외의 풍부한 천연 그린 자원을 수입할 수 있다는 설명이다. 이러한 변화만으로도 온실가스 저감 효과를 기대할 수 있다. 조 교수는 에너지원 변화에 대응하기 위한 핵심요소인 수전해 기술을 국산화하는데 힘을 보탤 것이라 전했다. 
  급격한 에너지 패러다임의 전환이 예고되는 이 때 조 교수는 수소 사회에 대한 정부의 의지가 중요함을 강조하기도 했다. 정권이 바뀔 때마다 부침을 반복하기보다는 체계적 로드맵에 입각한 지속적 지원과 관심이 필요한 까닭이다. 그는 한 분야에의 지원이 집중되면 다른 분야는 상대적으로 소외되는 현상이 발생할 수밖에 없는 만큼 한정된 자원의 적정한 배분이 중요하다고 힘주어 말했다.
  연구자로서 절감해온 다양성에 대한 이야기도 이어졌다. 조 교수는 평소 제자들에게 자신이 잘할 수 있는 일이 무엇인지 고민하며 자신만의 캐릭터를 만들어갈 것을 주문하고 있었다. 연구에 있어서도 연구를 잘 하는 사람 외에도 연구를 잘 조율할 수 있는 코디네이터 역할을 수행하는 사람이나 원천연구를 하는 사람, 산업계에 즉각적으로 필요한 연구에 집중하는 사람 등 다양한 역할이 필요하다는 설명이다. 그는 자신보다 연구 잠재력이 훌륭한 분들은 너무나도 많다며, 다만 산업계의 수요를 확인하고 즉각적으로 이에 답할 수 있는 연구를 하는 것이 자신의 역할이라 말했다. 앞으로도 산업계가 필요로 하는 이슈를 선제적으로 발굴해 대응하는데 집중해갈 계획이다.
  “제가 처음 수소 연구를 시작하던 2005년만 해도 누구도 수소에 대해 알지 못했습니다. 관심도 없었죠. 저 또한 수소라는 새로움에 이끌려 분야를 선도하는 연구를 수행하고자 수소 연구에 도전했습니다. 시간이 흘러 이제는 저의 자녀가 수소에 대해 알더라고요. 사회적 인식이 바뀐 것은 물론 전 세계적으로 새로운 에너지원으로써의 수소의 가치를 인정하는 시기가 온 것이 반갑습니다. 수소가 정말 인류에게 유의미하게 사용될 수 있도록 연구를 지속하며 수소 생태계가 확고한 밸류체인을 구축하는데 힘을 보태고자 합니다. 수소가 에너지의 한 분야로 확실하게 자리매김해 모든 사람들이 수소의 필요성과 우수성에 대해 인정하고, 하나의 산업으로 발전해나가는 데에 기여하겠습니다.”


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