산둥 해수 플랜트, 폐열로 저렴한 물과 그린수소 생산

물과 수소의 새로운 모델

중국은 산둥성 해안 도시 르자오에 해수와 산업 폐열을 저비용 담수와 그린수소라는 두 가지 전략 자원으로 전환하는 작지만 야심 찬 시설을 가동했다. 사업 운영자들은 이 시설이 담수를 세제곱미터당 약 2위안, 미화 약 28센트에 생산한다고 밝혔다. 이는 여러 도시의 일반적인 수돗물 요금보다 낮은 수준이다. 시설은 부산물로 고순도 수소도 생산하고, 해양 화학제품 원료로 쓰일 수 있도록 염분이 농축된 염수를 만들어낸다. 이 시설은 3주 넘게 연속 가동됐다. 새로운 통합형 물·에너지 시스템의 신뢰성을 입증하는 중요한 이정표다.

이 개념은 설명하기는 간단하지만 실행하기는 어렵다. 하나의 투입물인 해수가 세 가지 제품으로 나온다. 해수 800톤을 처리할 때마다 시설은 산업용 냉각이나 가정용으로 쓸 수 있는 초순수 약 450세제곱미터, 그린수소 약 19만2,000표준세제곱미터, 화학제품 생산업체에 판매할 수 있는 염수 약 350톤을 생산한다. 수소 생산에는 표준세제곱미터당 전력 약 4.2킬로와트시가 필요한 것으로 보고됐다. 이는 최신 전해조의 성능 수준에 부합한다. 르자오 시설의 차별점은 인근 철강·석유화학 공장에서 나오는 저온 폐열을 활용해 물 생산 비용을 낮춘다는 것이다. 이 열은 보통 대기나 바다로 흩어진다.

르자오 시스템의 작동 방식

이 시설은 안정적으로 저온 열을 배출하는 에너지 다소비 산업시설 바로 옆에서 담수를 생산한다. 이 열이 해수를 비교적 낮은 온도에서 매우 깨끗한 물로 분리하는 과정을 구동한다. 이 조건에 맞는 기술로는 저온 열을 활용하는 막증류와 가습·제습 방식이 있다. 담수 일부는 사용자에게 공급되고, 나머지는 전해조에 들어가 물을 수소와 산소로 분해한다. 남은 농축 염수는 브롬, 마그네슘염, 공업용 소금 등의 원료로 쓸 수 있어 농축 염수를 다시 바다에 방류할 필요를 줄인다.

저온 열이 중요한 이유

중공업에서는 중·저온 폐열이 대량으로 발생한다. 철강 공장과 정유소가 대표적이다. 이 열을 회수해 물을 만들면 담수화에 추가 전력을 쓸 필요가 없다. 해안 산업단지에는 해수가 풍부하고 폐열도 많이 발생하며 냉각 수요도 지속적으로 존재한다. 담수화와 전기분해 시설을 대형 열원과 함께 배치하면 운영비와 탄소 집약도를 모두 낮출 수 있다. 또한 물 사용을 상수도에서 분산해 지역 대수층과 하천에 가해지는 부담을 덜어준다.

에너지 수치가 뜻하는 바

수소의 에너지 소비량은 흔히 수소 1킬로그램을 생산하는 데 필요한 전력량으로 표현한다. 수소 표준세제곱미터 1개에는 약 9분의 1킬로그램의 수소가 들어 있다. 표준세제곱미터당 4.2킬로와트시를 사용한다면 수소 1킬로그램당 약 47킬로와트시에 해당한다. 이는 최신 알칼라인 및 양성자 교환막 전해조의 성능 범위 안에 있다. 르자오의 혁신은 특별히 뛰어난 전해조가 아니라, 폐열로 가동하는 해수 처리 설비와 전해조를 결합해 비용과 물 사용량을 줄인 방식이다. 그린수소라고 부르려면 전력도 저탄소 전력이어야 하지만, 열은 그렇지 않으면 버려질 열이므로 열원 확보 비용이 크게 낮다.

바다에서 바로 수소를 만들 수 있을까

별도의 담수화 과정 없이 해수로 전해조를 가동하는 직접 해수 전기분해는 활발히 연구되고 있다. 풍력발전단지나 플랫폼에서 바다 위에서 수소를 생산해 육지로 파이프를 통해 보내거나 선박으로 운송할 수 있는 해상 환경에서 특히 매력적인 방식이다. 문제는 화학적 특성이다. 해수에는 염화물과 황산염, 유기물이 다량 포함돼 있다. 일반 전지는 양극에서 염소 발생 반응이 일어나기 쉬워 부품이 부식되고 원치 않는 염소가 생성된다. 모래와 생물 오염, 스케일 형성도 장비 수명을 단축한다. 이를 해결하기 위해 연구진은 염화물 공격에 강한 신형 촉매, 부반응을 일으키는 이온을 차단하는 다공성 분리막, 염소가 반응 구역에 들어오지 않도록 하는 설계를 시험하고 있다. 중국 연안에서 진행된 부유식 실증에서는 해수에서 원수를 끌어오면서 전기분해용 깨끗한 물층을 분리하는 막 기반 시스템이 거친 바다에서도 가동될 수 있음을 이미 보여줬다.

두 가지 경로, 하나의 목표

바다와 수소를 결합하는 주된 방법은 두 가지다. 첫 번째는 해수를 담수화한 뒤 일반 전해조를 가동하는 방식이다. 두 번째는 전해조를 해수 또는 현장에서 충분히 정화한 물로 작동하도록 조정하는 방식이다. 르자오 시설은 변형을 가한 첫 번째 방식을 소규모로 구현한 사례로 보인다. 물 처리 단계에서 대형 전기 펌프와 고압 역삼투압을 사용하는 대신 인근 공장의 열을 활용한다. 공간과 유지보수가 제한되는 해상·외딴 풍력발전 시설에는 두 번째 방식이 유리할 수 있다. 폐열을 쓸 수 있고 산업계가 물과 수소를 모두 소비할 수 있는 해안 산업단지에는 첫 번째 방식이 더 적합할 수 있다. 연구실과 파일럿 플랜트에서는 내식성 촉매와 신형 막, 무막 방식의 개념이 두 접근법의 발전을 이끌고 있다.

파일럿에서 산업 규모로: 비용과 확장성

담수 가격이 세제곱미터당 2위안이라는 점은 눈길을 끈다. 이는 여러 도시의 수돗물 요금보다 낮고, 많은 산업용 사용자가 별도로 추가해야 하는 수준의 정수까지 포함한 가격이다. 물값이 낮아지면 물 부족 지역에서도 수소 생산의 매력이 커진다. 수소 생산에는 보통 전해조를 보호할 수 있는 매우 깨끗한 물이 필요하기 때문이다. 물과 수소를 함께 생산하면 두 제품에 자본 비용을 분산할 수 있고, 염수 기반 화학제품 판매 수익으로 운영비 일부를 상쇄할 수도 있다.

수소의 전력 비용은 전력원에 따라 달라진다. 킬로그램당 약 47킬로와트시를 기준으로 하면 킬로와트시당 3~5센트인 전력의 비용은 수소 1킬로그램당 약 1.40~2.35달러다. 장비와 유지보수, 금융 비용을 더하면 총액은 늘어나며, 이 비용은 상황에 따라 크게 달라진다. 르자오 시설은 소규모지만 중국 해안 지역에서 확장할 수 있는 모델을 제시한다. 중국에는 폐열이 풍부한 산업 회랑이 밀집해 있다. 따라서 산둥·허베이·장쑤의 철강 산업단지 같은 곳은 더 큰 장비를 설치해 이 개념을 재현하기에 적합한 후보지다.

전력 공급 여건도 개선되고 있다. 초고압 송전망이 서부 지역의 대규모 풍력·태양광 발전단지와 동부의 전력 수요지를 연결한다. 새 송전선로를 통해 간쑤성의 신규 발전 용량이 산둥성에 전력을 공급하는 전력망과 연결된다. 안정적인 재생에너지 전력을 확보하면 향후 르자오 시설이 전해조 규모를 키우면서 폐열만으로 수요를 감당할 수 없는 시간대에도 수소의 저탄소 특성을 유지할 수 있다.

물 부족 지역에 중요한 이유

물이 부족한 곳에서는 수소 생산에 많은 물이 필요하다. 수소 1킬로그램을 만들려면 보통 깨끗한 물 약 9리터가 필요하다. 분석가들은 향후 10년 안에 새로운 수소 수요를 충족하려면 담수 수십억 세제곱미터가 필요할 것으로 전망한다. 수요 급증이 건조한 지역에서 발생한다면 해수와 폐수를 활용하지 않는 한 물 공급에 부담이 커진다. 연구에 따르면 담수화와 전기분해를 결합하고 연료전지와 전해조에서 나오는 폐열을 회수하면 총 에너지 비용을 몇 퍼센트 줄일 수 있다. 물 공급원을 해안으로 옮기고 버려질 열을 활용하면 내륙의 물을 농업과 도시에 남겨두는 한편 에너지 투입량도 소폭 줄일 수 있다.

환경을 고려한 설계도 여전히 중요하다. 염수를 제대로 처리하지 않고 방류하면 해양 생태계에 피해를 줄 수 있다. 르자오 모델은 염수를 화학제품 생산에 판매해 해양 방류를 줄임으로써 이런 위험을 낮춘다. 해수 취수 시설도 해양 생물에 해를 끼치지 않도록 신중하게 설계해야 한다. 가장 바람직한 방식은 미세한 스크린을 통해 낮은 유속으로 물을 끌어오고, 물고기와 유생이 적은 곳에 취수구를 설치하는 것이다. 이는 사후에 덧붙일 고려사항이 아니다. 해안 산업단지에서 담수화와 전기분해를 결합하려는 사업이 늘어나는 가운데, 인허가와 지역사회의 지지를 얻는 데 필수적이다.

수소 기술 생태계를 구축하는 중국

르자오 같은 사업의 배경에는 성장하는 제조 기반과 협력사들이 있다. 톈진에서는 유럽 기업이 현재 전면적인 통제권을 확보한 대형 전해조 공장이 매년 수백 메가와트 규모의 알칼라인 모듈을 공급하고 있다. 이 공장은 자동화와 품질 관리 시스템을 개선했으며, 이미 가동 중인 최대 규모 수소 프로젝트 일부에 장비를 공급했다. 전면적인 통제권을 확보하면 설계 변경을 더 빠르게 하고 물류를 긴밀히 관리하며 글로벌 주문에 대한 품질 보증을 강화할 수 있다.

하이드로젠프로의 최고경영자 야를레 드라그비크는 이 같은 변화를 대규모 프로젝트 수요에 맞춰 생산능력을 조정하는 방법이라고 설명했다.

이는 운영을 효율화하고 대규모 프로젝트에 대비해 비용 효율적인 체계를 확립하는 일입니다.

해외 기업과 중국 기업은 중국에서 담수화와 재생에너지, 수소 분야의 협력을 강화하고 있다. 글로벌 물·에너지 개발업체 한 곳은 대학 및 연구소와 함께 태양광, 풍력, 에너지 저장, 그린수소, 해수 담수화를 연구하기 위해 상하이에 혁신센터를 열었다. 중국 기업들도 기술력을 해외로 수출하고 있다. 한 기업은 풍력과 태양광 발전을 연계해 암모니아 수출을 목표로 하는 그린수소 프로젝트를 이집트에서 건설하고 있다. 다른 기업은 사우디아라비아에서 대규모 수소·암모니아 플랜트 설계 사업에 참여하고 있다. 이러한 움직임은 국내외 프로젝트에 장비와 서비스, 운영 노하우를 제공할 수 있는 공급망이 형성되고 있음을 보여준다.

앞으로의 과제

르자오와 유사한 시설의 다음 시험대는 장기간 운전이다. 엔지니어들은 열 구동 막의 오염, 배관의 스케일 형성, 폐열 공급량에 따라 가동과 정지를 반복하는 전해조의 안정성을 살펴볼 예정이다. 운전 시간이 늘어나면 실제 유지보수 수요와 최적의 가동 시간을 더 명확히 파악할 수 있다. 사업 측면에서는 물과 수소, 염수에서 얻는 화학제품 등 세 가지 제품군을 통합하면 매출 변동을 완충하고 사업의 금융 조달 가능성을 높일 수 있다.

두 가지 기술 경로 사이의 선택도 더 분명해질 것이다. 직접 해수 전기분해는 단순성과 소형 장비가 중요한 풍력·파력 발전 기반 해상 시설에서 자리를 잡을 수 있다. 저온 폐열이 풍부하고 매우 깨끗한 공정용수 수요가 꾸준한 곳에서는 담수화 후 전기분해 방식이 우세할 수 있다. 최종 목표는 같다. 부족한 담수를 끌어다 쓰지 않으면서 경쟁력 있는 비용으로 그린수소를 공급하는 것이다. 르자오 파일럿은 산업계가 현재 버리는 열을 유용하게 활용하면서 그 목표에 도달할 수 있는 실용적인 방법 하나를 보여준다.

핵심 내용

• 산둥성 르자오의 해안 플랜트가 산업 폐열을 이용해 해수에서 담수와 그린수소를 생산한다.
• 보고된 물 생산 가격은 세제곱미터당 약 2위안이며, 수소 생산에 필요한 에너지는 표준세제곱미터당 약 4.2킬로와트시다.
• 해수 800톤을 처리할 때 연간 초순수 450세제곱미터, 수소 19만2,000표준세제곱미터, 해양 화학제품용 염수 350톤을 생산한다.
• 저온 폐열을 담수화에 활용하면 전력 수요를 낮추고 상수도 공급 부담을 덜 수 있다.
• 직접 해수 전기분해 기술은 발전하고 있지만 소재 관련 과제가 남아 있어, 많은 사업은 여전히 담수화 후 전기분해 방식을 선호한다.
• 중국의 초고압 전력망은 풍력·태양광 전력을 산둥성에 공급해 전해조 설비 확대를 뒷받침한다.
• 톈진의 제조 역량과 상하이의 신규 혁신 거점은 수소·담수화 생태계가 확장되고 있음을 보여준다.
• 이집트와 사우디아라비아 수출 사업은 중국의 수소·담수화 기술력이 세계로 확산되고 있음을 보여준다.
• 해안 사업이 확대되는 가운데 해양 생물을 보호하려면 세심한 취수 시설 설계와 염수 관리가 필수적이다.